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전극 접촉영역의 선택적 표면처리를 통한 유기박막트랜지스터 전하주입특성 및 소자 성능 향상에 대한 연구
Improving Charge Injection Characteristics and Electrical Performances of Polymer Field-Effect Transistors by Selective Surface Energy Control of Electrode-Contacted Substrate 원문보기

접착 및 계면 = Journal of adhesion and interface, v.21 no.3, 2020년, pp.86 - 92  

최기헌 (한양대학교 재료화학공학과) ,  이화성 (한양대학교 재료화학공학과)

초록
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본 연구에서 소스/드레인 전극이 위치하는 기판의 접촉영역과 두 전극사이 채널영역의 표면 에너지를 선택적으로 다르게 제어하여 고분자 트랜지스터의 소자성능과 전하주입 특성에 미치는 영향을 확인하였다. 채널영역의 표면에너지를 낮게 유지하면서 접촉영역의 표면에너지를 높였을 때 고분자 트랜지스터의 전하이동도는 0.063 ㎠/V·s, 접촉저항은 132.2 kΩ·cm, 그리고 문턱전압이하 스윙은 0.6 V/dec로 나타났으며, 이는 원래 소자에 비해 각각 2배와 30배 이상 개선된 결과이다. 채널길이에 따른 계면 트랩밀도를 분석한 결과, 접촉영역에서 선택적 표면처리에 의해 고분자반도체 분자의 공액중첩 방향과 전하주입 방향이 일치되면서 전하트랩 밀도가 감소한 것이 성능향상의 주요한 원인으로 확인되었다. 본 연구에서 적용한 전극과 고분자 반도체의 접촉영역에 선택적 표면처리 방법은 기존의 계면저항을 낮추는 다양한 공정과 함께 활용됨으로써 트랜지스터 성능향상을 최대화할 수 있는 가능성을 가진다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

We confirmed the effects on the device performances and the charge injection characteristics of organic field-effect transistor (OFET) by selectively differently controlling the surface energies on the contact region of the substrate where the source/drain electrodes are located and the channel regi...

주제어

표/그림 (5)

AI 본문요약
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문제 정의

  • UV/O3처리를 하면 유기물질의 제거와 함께 표면의 하이드록시기(hydroxy group)가 활성화되어 표면에너지가 증가한다. 본 연구에서는 소스/드레인 전극이 위치하는 지역의 기판 표면만 선택적으로 표면에너지를 증가시키기 위해 패턴된 마스크를 이용하여 UV/O3처리를 실시하였다. Fig.
  • 본 연구에서는 전극과 접촉하는 절연체 표면구간을 선택적으로 UV/O3로 표면처리하여 PTDPPSe-SiC5 반도체 분자의 face-on 배향성을 접촉영역에서 선택적으로 유도하고, PTDPPSe-SiC5 트랜지스터의 전하주입 경로에서 Ntr과 RC를 감소시키는데 성공했다. 채널 길이에 따른 트랜지스터의 다양한 성능(μFET, Vth, Ntr)과 RC를 분석했을 때, 소스/드레인 전극의 접촉영역에서 Ntr가 감소됨으로써 RC이 크게 개선되었음을 알 수 있었다.

가설 설정

  • Fig. 1(a)는 고분자 반도체의 분자가 모두 face-on구조로 배열한 경우를 표현한 것이며, 채널영역에서 전하의 이동에는 적합한 분자배열이지만 전극과 접촉하는 영역에서는 전하의 주입에 대한 접촉저항이 높을 것이다. 반면에 Fig.
  • 반면에 Fig. 1(b)와 같이 전극과 접촉하는 부분에서 선택적으로 edge-on구조로 분자배향이 이루어진다면 채널에서 전하의 이동과 함께 전극에서 고분자반도체로 전하가 주입되는 특성이 향상될 것이다. 우리의 실험 가설을 시스템 상에서 구현하기 위해 전극이 형성되는 절연체 표면을 선택적으로 높은 표면에너지 상태로 처리하였으며, 이는 자외선/오존(UV/O3) 처리를 통해 확보하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
유기 전계효과 트랜지스터의 장점은? 유기 전계효과 트랜지스터(organic field-effecttransistor, 이하 유기 트랜지스터)는 저비용, 대면적, 용액공정의 장점으로 인해 다양한 응용분야 활용연구가 수십년간 꾸준히 진행되어 왔다[1]. 최근 몇몇 연구에서 새로운 유기반도체 물질의 합성이나 각종 공정적 기법을 이용해 10 cm2/V⋅s 이상의 높은 전하이동도(field-effect mobility, μFET)를 가지는 유기 트랜지스터의 제작이 보고되면서 유기 트랜지스터 활용의 잠재적 가능성이 현실화되고 있는 상황이다[2].
유기 트랜지스터의 대표적인 해결과제 중 하나는 무엇인가? 이는 μFET의 과대평가(overestimation) 또는 과소평가(underestimation)를 야기할 수 있으며, 소자의 신뢰성을 저하시키는 요인으로 작용하기 때문에 유기 트랜지스터의 상용화를 지연시키는 문제점으로 인식되고 있다[3, 4]. 특히 유기반도체와 금속전극의 이종계면에서 발생하는 높은 접촉저항(contact resistance, RC)은 유기 트랜지스터의 대표적인 해결과제 중 하나이다. 유기 트랜지스터의 주된 역할 중 하나인 빠른 스위칭 기능을 수행하는데 있어서, 높은 수준의 RC은 전하의 주입과 추출을 방해하여 소자의 성능과 내구성 저하에 영향을 끼친다.
종종 높은 성능의 유기 트랜지스터는 전류-전압 성능곡선에서 비선형 그래프와 같은 비이상적인 특성이 함께 발견되는데 이는 무엇을 의미하는가? 그러나 종종 높은 성능의 유기 트랜지스터는 전류-전압 성능곡선에서 비선형 그래프와 같은 비이상적인 특성이 함께 발견되기도 한다. 이는 μFET의 과대평가(overestimation) 또는 과소평가(underestimation)를 야기할 수 있으며, 소자의 신뢰성을 저하시키는 요인으로 작용하기 때문에 유기 트랜지스터의 상용화를 지연시키는 문제점으로 인식되고 있다[3, 4]. 특히 유기반도체와 금속전극의 이종계면에서 발생하는 높은 접촉저항(contact resistance, RC)은 유기 트랜지스터의 대표적인 해결과제 중 하나이다.
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참고문헌 (26)

  1. E. Mohammadi, C. Zhao, Y. Meng, G. Qu, F. Zhang, X. Zhao, J. Mei, J.-M. Zuo, D. Shukla, Y. Diao, Nat. Commun., 8, 16070 (2017). 

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  22. Y. Qiu, P. Wei, Z. Wang, W. Lu, Y. Jiang, C. Zhang, Y. Qu, G. Lu, Phys. Status Solidi RRL, 12, 1800297 (2018). 

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  24. A. F. Paterson, A. D. Mottram, H. Faber, M. R. Niazi, Z. Fei, M. Heeney, T. D. Anthopoulos, Adv. Electron. Mater., 9, 1800723 (2019). 

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  26. K. Pei, A. H. Y. Lau, P. K. L. Chan, Phys. Chem. Chem. Phys., 22, 7100 (2020). 

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