KR100668615B1 - 표면개질층을 가지는 유기 박막 트랜지스터 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 유기 박막 트랜지스터(Organic Thin Film Transistor: OTFT) 제작시 유기 반도체와 게이트 절연층 사이의 계면 특성을 향상시키기 위해 새로운 유기물을 표면개질층으로 도입한 유기 박막 트랜지스터 및 그 제조방법에 관한 것으로,
게이트 절연층과 유기 반도체 사이에 폴리아센 SAM(polyacene Self-Assembled Monolayer)이 형성된 것을 특징으로 하는 유기 박막 트랜지스터와,
상기의 유기 박막 트랜지스터를 제작하기 위한, 게이트 절연층 상에 SAM 전구체를 도포하여 SAM을 형성하는 단계; 상기 SAM에 빛을 쬐어 중합체화는 단계; 및 상기 중합체화된 SAM에 열 또는 전자빔을 가하여 폴리아센 SAM을 형성시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 박막 트랜지스터 제조방법이다.
유기박막 트랜지스터, 아센, 계면특성
Description
도 1은 유기 트랜지스터의 응용 분야에 관한 분류도
도 2a는 하부접촉구조를 가지는 유기 박막 트랜지스터의 단면도
도 2b는 상부접촉구조를 가지는 유기 박막 트랜지스터의 단면도
도 3은 게이트 절연층에 형성된 SAM이 폴리아센 SAM이 되는 과정의 개념도
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1: 기판 2: 게이트전극
3: 게이트절연층 4: 소스전극
5: 드레인 전극 6: 유기막 채널층
11: 기판 12: 게이트전극
13: 게이트절연층 14: 소스전극
15: 드레인 전극 16: 유기막 채널층
23: 게이트절연층 30: SAM
31: 폴리아센 SAM
본 발명은 유기 박막 트랜지스터(Organic Thin Film Transistor: OTFT) 및 그 제작방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유기 박막 트랜지스터 제작시 유기 반도체와 게이트 절연층사이의 계면 특성을 향상시키기 위해 새로운 유기물을 표면개질층으로 도입한 유기 박막 트랜지스터 및 그 제조방법에 관한 것이다.
1970년대 후반부터 특정한 유기물에 적절한 도핑을 통해 전기 전도도가 거의 구리에 가깝게 도달될 수 있다는 것이 알려진 후, 현재 유기물은 전도도 측면에서, 최고의 절연체(폴리스티렌 등)로부터 반도체, 전도체(도핑된 폴리아세틸렌 등) 뿐만 아니라 최고의 전도체인 초전도체((TMTSF)2PF6, perchlorate, 펜타신 등)까지 모든 부분의 재료를 얻을 수 있게 되었다.
반도체의 예로서는 p-형의 펜타신, n-형의 Alq3 등이 있고, 유전체로는 강유전체인 PVDF와 이를 근간으로 한 co-polymer들이 있고, 지금 이 순간에도 수많은 새로운 재료가 개발되고 있다.
최근 10여년간 반도체 성질을 띄는 유기 소재의 개발과 이를 이용한 다양한 응용 연구 또한 어느 때보다 활발히 진행되어 왔다. 전자파 차폐막, 캐패시터, 유 기 EL 디스플레이, 유기 박막 트랜지스터, 태양 전지, 다광자 흡수 현상을 이용한 메모리 소자 등 유기 반도체를 이용한 응용 연구의 영역은 계속해서 확장되고 있다.
이중 특히 유기 EL 분야는 상품화를 목전에 두고 있어 유기물을 이용한 응용 연구를 활성화시키는 촉매제 역할을 하고 있으며, 유기 EL의 능동 구동용 회로로 시작하여 차세대 스마트카드 등의 응용에도 기대되는 유기 반도체 박막 트랜지스터도 급부상을 하고 있다. 또한 유기물 반도체를 활성층으로 하여 전기적 발진 특성 발표가 있은 후 레이저 다이오드로서의 응용성에 대해서도 많은 관심을 다시 불러일으키고 있다.
또한 도핑된 펜타신을 이용한 태양전지의 효율이 2.4 %에 달하는 등 비약적인 발전을 보이고 있으며, 비유기물에 비해 소자 제작 단가가 현저히 저렴하므로 미래의 태양전지 시장에 변혁을 예고하고 있다. (비유기물의 경우 효율이 15 %를 넘지만 소자 제작에 많은 경비가 소요되어 폭 넓은 사용에 제약 요인으로 작용하고 있다)
유기 반도체 박막 트랜지스터에 관한 연구는 1980년 이후부터 시작되었으나 근래에 들어 전 세계적으로 본격적인 연구가 진행되고 있다. 제작 공정이 간단하고 비용이 저렴하며 충격에 의해 깨지지 않고 구부리거나 접을 수 있는 전자 회로 기판이 미래의 산업에 필수적인 요소가 될 것으로 예상되고 있으며, 이러한 요구를 충족시킬 수 있는 유기 트랜지스터의 개발은 아주 중요한 연구 분야로 대두되고 있다.
유기 트랜지스터는 유기 반도체의 특성상 전하 이동도가 낮아 Si이나 Ge 등이 쓰이는 빠른 속도를 필요로 하는 소자에는 쓰일 수 없다. 하지만 넓은 면적 위에 소자를 제작할 필요가 있을 때나 낮은 공정 온도를 필요로 하는 경우, 또한 구부림이 가능해야 하는 경우, 특히 저가 공정이 필요한 경우 유용하게 쓰일 수 있다. 최근에 필립스의 연구진들은 기판과 전극, 유전체(절연체), 반도체를 모두 고분자를 이용하여 326개의 트랜지스터로 구성된 프로그래머블 코드 발생기를 제작, 발표하여 세상을 놀라게 하였다. 이는 지금까지 반도체는 딱딱한 것이라는 고정 관념을 완전히 뒤집은 것으로, 인간의 상상력에 따라 무궁무진한 응용 분야를 예고하고 있다.
도 1은 유기 트랜지스터의 응용 분야에 관한 분류도이다.
유기 반도체 트랜지스터는 소재의 특성상 유기 전기발광 트랜지스터에 쓰이는 발광 유기물과 같은 유기물 반도체이므로 증착 방법이 같고, 물리적 화학적 성질이 비슷하여 같은 공정 조건을 유지하면서 소자를 제작할 수 있다. 또한 둘 다 상온 및 저온 (섭씨 100도 이하) 공정이 가능하므로 유기 트랜지스터를 이용한 플라스틱 기반의 유기 전기 발광 소자 제작이 가능하다. 같은 맥락에서 플라스틱을 기판으로 하여 구부림이 가능한 액정 표시 소자를 구현하는 곳에서도 사용이 가능하다.
또한 최근 큰 관심을 불러 일으키고 있는 전자종이의 구동을 들 수 있는데, 전자종이는 전류 구동이 아니라 전압 구동이고, 높은 전하 이동도나 빠른 스위칭 속도를 필요로 하는 표시 소자가 아닐 뿐 아니라 구부림이 가능한 대 면적에 적용 되는 기술이므로 유기 트랜지스터가 가장 제격이라 할 수 있겠다. 또한 현재 반도체 공정을 통한 실리콘 기반으로 사용되고 있는 스마트 카드용 마이크로 프로세서도 유기 트랜지스터를 적용할 경우 실리콘 프로세서와 플라스틱 베이스 등의 접합 등에 따른 경비를 절감할 수 있어 사용이 기대되어진다. 더 나아가서 입는 컴퓨터의 다양한 부분에 응용이 가능할 것으로 생각된다.
유기 박막 트랜지스터 소자 제작은 소재의 특성상 활성층으로 들어가는 펜타센(pentacene) 등의 유기박막이 고온 공정이 불가능하고 수분과 부식액(etchant)에 취약하여 활성층 증착이 마지막 단계에 들어가는 하부접촉(bottom-contact (inverted coplanar))구조와 상부접촉(top-contact (inverted staggered)) 구조로 제작된다.
도 2a는 하부접촉구조를 가지는 유기 박막 트랜지스터의 단면도이고, 도 2b는 상부접촉구조를 가지는 유기 박막 트랜지스터의 단면도이다.
하부접촉구조를 가지는 유기 박막 트랜지스터는 기판(1) 위에 게이트전극(2)과 게이트절연층(3)을 차례로 적층하고, 그 위로 소스전극(4)과 드레인 전극(5)을 좌우에 거리를 두어 적층한다.
그리고, 상기 소스전극(4)과 드레인전극(5)과 상기 게이트절연층(3)에 걸쳐 유기막 채널층(6)이 적층된다.
그리고, 하부접촉구조를 가지는 유기 박막 트랜지스터는 기판(11) 위에 게이트전극(12)과 게이트절연층(13)과 유기막 채널층(16)을 차례로 적층하고, 그 위로 소스전극(14)과 드레인 전극(15)을 좌우에 거리를 두어 적층한다.
현재 상부 접촉 구조의 TFT가 소스드레인(source-drain)과 활성층의 사이의 접촉 특성 향상 등으로 더 좋은 특성을 보이고 있다.
하지만, 포토리소리그라피(photo-lithography)공정을 할 수 없어서, 새도우 마스크(shadow mask)로 패터닝(patterning)을 하기 때문에 소자의 크기가 비교적 커지게 된다.
따라서, 디스플레이(display)의 적용에는 하부접촉구조가 이점이 있다.
이러한 구조물들을 만들기 위해서는 포토리소그라픽 언더컷 포메이션(photolithographic undercut formation), 포토레지스트 새도우 마스크(photoresist shadow mask), 잉크젯 프린팅(ink-jet printing), 엑시머 레이저 제거(excimer laser ablation), 냉용접(cold-welding), 마이크로 컨택트 프린팅(micro contact printing) 등의 패터닝(patterning) 방법이 사용된다.
유기 반도체의 전하 이동도는 분자간 결합(반데르 발스(van der Waals) 결합)에 의존하며, 온도가 증가하면서 밴드전송(band transport)에서 호핑전송(hopping transport)으로 케리어(carrier) 전송 방식이 바뀌게 된다.
전계 이동도 및 문턱 전압은 박막과 전극 사이에 결함(defect)에 의해 생긴 전기적인 트랩(trap)의 영향을 받는다.
유기 반도체와 금속 전극과의 일함수 차이는 케리어 주입을 방해하는 에너지장벽이 되고, 접촉저항(일반적으로 수 백 MΩ~ 수 GΩ)으로 나타나며, ID-VD 그래프에서 0V 근처의 완만한 전류 증가 현상(current crowding)을 보인다.
소스/드레인(Source/Drain) 전극과 유기반도체 계면을 물리/화학적 처리를 할 경우, 접촉저항을 감소시킬 수 있는데, Au전극에 MNB(2-mercapto 5-nitrogenzimidazole)를 진공 증착한 경우, 전류증가현상은 감소하면서 전계 이동도는 증가하는 효과를 얻게 된다.
전류 점멸비는, 또 다른 중요 성능 지수인데, 차단상태(off-state) 전류가 작아야 증가한다.
채널 저항은 도통 상태(on-state)에서 영(0)이 되고, 차단 상태에서 무한대가 되어야 하지만, 계면 전하와 입계 경계의 포획 전하에 때문에 그렇지 못하다.
따라서, 유기 반도체 박막을 성막할 때 계면에 대글링 본드(dangling bond)가 발생하지 않도록, 게이트(gate)와 유기 반도체 사이의 결합을 강하게 하고, 입계 경계의 결함 전하(defect charge)밀도가 작도록 입계의 크기를 가능한 크게 제작해야 한다.
현재 가장 우수한 유기물 채널 재료는 펜타센(pentacene)인데, G. Horowitz 등에 의해 처음으로 TFT 재료로 사용되었고 (Synth. Met., 51, 417, 1992), 1997년 펜실바니아 주립대학(Pennsylvania state university)의 잭슨그룹(Jackson group) 에서 펜타센 유기 박막 트랜지스터의 비약적인 발전이 있었던 재료이다.
펜타센 박막의 성장은 핵자를 중심으로 일어나는 데, 제1분자 층이 성장하여 기판 표면의 70%를 덮게 될 때 제2분자 층이 성장하기 시작하고, 제2분자 층이 제 1분자층 표면의 70%를 덥게 되면 제3분자층이 성장한다.
결국 펜타센 박막은 여러 층이 계단을 이루어 테라스(terrace)의 형태를 가지게 된다.
결정입자 크기는 토대 재료에 강하게 의존하므로 게이트 절연층(gate insulator)과 표면처리에 대한 연구가 많이 진행되고 있다.
특히, 게이트 절연층과 유기 반도체의 계면 상태에 따라 유기 반도체의 결정입자방향이나 결정화 정도, 계면의 조도(roughness) 등이 변하게 되는 데, 이는 전계 이동도에 큰 영향을 미친다.
OTS(octadecyl trichlorosilane) SAM(self-assembled monolayer)이 게이트 절연층의 표면 처리에 가장 많이 사용되는 물질중의 하나로써 전계 이동도와 도통 전류(on-state current)를 증가시킨다.
상기의 하부접촉구조에서 전류 증가 현상은 여전히 나타나는 것으로 보면, OTS는 전극의 접촉저항에는 영향을 주지 않고 다만 유기반도체 (펜타센)의 입계의 크기를 증가시키는 역할을 하는 것으로 알려 져있다.
본 발명의 목적은, 유기 박막 트랜지스터 제작 시 유기 반도체와 게이트 절연층사이의 계면 특성을 향상시키기 위해 새로운 유기물을 표면개질층으로 도입한 유기 박막 트랜지스터 및 그 제조방법을 제공하는 데에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 유기 박막 트랜지스터에 있어서, 게이트 절연층과 유기 반도체 사이에 폴리아센 SAM(polyacene Self-Assembled Monolayer)이 형성된 것을 특징으로 하는 유기 박막 트랜지스터이다.
상기의 유기 박막 트랜지스터를 제작하기 위한 또 다른 발명은, 게이트 절연층 상에 SAM 전구체를 도포하여 SAM을 형성하는 단계; 상기 SAM에 빛을 쬐어 중합체화는 단계; 및 상기 중합체화된 SAM에 열 또는 전자빔을 가하여 폴리아센 SAM을 형성시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 박막 트랜지스터 제조방법이다.
상기에서 게이트 절연층 상에 SAM 전구체를 도포하는 방법은 반응용액 중에서 행하는 습식방식 또는 진공증착으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기에서 SAM 전구체의 화학식은 H-C≡C-C≡C- X-Y이고, 상기에서 X는 C5-C50 지방성 연결그룹이며, Y는 -PO3H2, -OPO3H2, -CONHOH, -COOH, -OH, -SH, -COSH, -COSeH, -SeH, -SO3H, -NC, -SiCl(CH3)2, -SiCl2CH3, -SiCl3, 아미노(amino), 또는 포스피닐(phosphinyl)인 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명을 도면을 통하여 상세히 설명한다.
본 발명의 주요 특징은, 게이트 절연층과 유기 반도체 사이에 폴리아센 SAM를 형성시키는 데에 있으며, 상기 폴리아센 SAM의 형성은 게이트 절연층에 도포되는 SAM의 전구체 (precursor)의 화학반응으로 이루어진다.
상기 SAM의 전구체의 화학식은 H-C≡C-C≡C- X-Y 이다.
여기서 X는 C5-C50 지방성 연결그룹(aliphatic connecting group)이며, Y는 -PO3H2, -OPO3H2, -CONHOH, -COOH, -OH, -SH, -COSH, -COSeH, -SeH, -SO3H, -NC, -SiCl(CH3)2, -SiCl2CH3, -SiCl3, 아미노(amino), 그리고 포스피닐(phosphinyl)이다.
도 3은 게이트 절연층(23)에 SAM 전구체를 도입하여, 형성된 SAM(30) 및 상기 SAM(30)의 광화학 반응을 통하여 폴리아센 SAM이 되는 과정을 도식적으로 나타낸 것이다.
먼저 SAM 전구체를 게이트 절연층(23)에 도입하여 SAM(30)을 형성한다.
그리고, 상기 형성된 SAM(30)에 빛을 조사하여 중합체화(polymerization)하고, 상기 중합체화(polymerization)된 SAM에 열 또는 전자빔을 가하여 폴리아센 SAM(31)을 형성시킨다.
상기와 같이 형성된 폴리아센 SAM(31)은 상부의 아센(acene) 계열인 유기 반도체와 분자 구조적으로 서로 매칭이 될 수 있어 바람직하다.
본 발명에 따르면, 유기반도체는 아센(acene) 계열의 유기물로서, 하부의 유기물 SAM과 분자구조적으로 서로 매칭이 된다.
(실시예1)
실시예1은 본 발명을 이용하여 상부접촉구조를 가지는 유기 박막 트랜지스터 및 이를 제작하는 방법에 관한 것이다.
먼저, 유리와 같은 투명 절연체로된 기판 상에 전극물질을 증착하고 포토리소그라피 공정에 의해서 게이트 배선과 게이트 전극을 형성한다.
상기 게이트 절연층상에 유기 물질인 SAM 구조체를 이용하여 폴리아센 SAM(polyacene Self-Assembled Monolayer)를 형성시킨다.
게이트 절연층상에 SAM을 형성시키는 방법은, 상기 기판을 액체 용액중에 반응이 일어나는 습식 방식이나 진공증착으로 가능하다.
그리고, 상기와 같이 형성된 SAM에 빛을 조사하여 중합체화하고, 다시 여기에 열 또는 전자빔을 가하여 폴리아센 SAM을 형성시킨다.
그리고, 상기 폴리아센 SAM이 형성된 게이트 절연층상에 쉐도우 마스크 진공증착 방법으로 소스/드레인 전극을 형성하고, 상기 기판상의 전면에 유기물질을 이용하여 유기막 채널층을 형성시킨다.
또한, 상기 유기막 채널층이 형성된 기판 상에 보호막을 도포할 수 있다.
따라서, 상기 유기막 채널층은 아센(acene)계열의 유기물로서, 하부의 유기물인 폴리아센 SAM과 분자 구조적으로 서로 매칭이 된다.
(실시예2)
실시예1은 본 발명을 이용하여 하부접촉구조를 가지는 유기 박막 트랜지스터 및 이를 제작하는 방법에 관한 것이다.
먼저, 유리와 같은 투명 절연체로된 기판 상에 전극물질을 증착하고 포토리소그라피 공정에 의해서 게이트 배선과 게이트 전극을 형성한다.
상기 게이트 절연층상에 유기 물질인 SAM 구조체를 이용하여 폴리아센 SAM(polyacene Self-Assembled Monolayer)를 형성시킨다.
게이트 절연층상에 SAM을 형성시키는 방법은, 상기 기판을 액체 용액중에 반응이 일어나는 습식 방식이나 진공증착으로 가능하다.
그리고, 상기와 같이 형성된 SAM에 빛을 조사하여 중합체화하고, 다시 여기에 열 또는 전자빔을 가하여 폴리아센 SAM을 형성시킨다.
그리고, 상기 기판상의 전면에 유기물질을 이용하여 유기막 채널층을 형성시키고, 그 위에 소스/드레인 전극을 형성한다.
따라서, 상기 유기막 채널층은 아센(acene)계열의 유기물로서, 하부의 유기물인 폴리아센 SAM과 분자 구조적으로 서로 매칭이 된다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
본 발명에 따르면, 유기 박막 트랜지스터 제작 시 유기 반도체와 게이트 절연층 사이에 폴리아센 SAM(polyacene Self-Assembled Monolayer)을 도입하여 상부의 아센(acene) 계열인 유기 반도체와 분자 구조적으로 서로 매칭시키게 되어, 유기 반도체의 박막 배열을 더욱 정교하게 할 수 있고, 이것은 곧 트랜지스터 특성 향상으로 이어진다.
Claims (4)
- 유기 박막 트랜지스터에 있어서,게이트 절연층과 유기 반도체 사이에 폴리아센 SAM이 형성된 것을 특징으로 하는 유기 박막 트랜지스터.
- 유기 박막 트랜지스터의 제조 방법에 있어서,게이트 절연층 상에 SAM 전구체를 도포하여 SAM을 형성하는 단계;상기 SAM에 빛을 조사하여 중합체화는 단계; 및상기 중합체화된 SAM에 열 또는 전자빔을 가하여 폴리아센 SAM을 형성시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 박막 트랜지스터 제조방법.
- 제2항에 있어서, 게이트 절연층 상에 SAM 전구체를 도포하는 방법은 반응용액 중에서 행하는 습식방식 또는 진공증착으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유기 박막 트랜지스터의 제조 방법.
- 제2항에 있어서, SAM 전구체의 화학식은 H-C≡C-C≡C- X-Y이고, 상기에서 X는 C5-C50 지방성 연결그룹이며, Y는 -PO3H2, -OPO3H2, -CONHOH, -COOH, -OH, -SH, -COSH, -COSeH, -SeH, -SO3H, -NC, -SiCl(CH3)2, -SiCl2CH3, -SiCl3, 아미노(amino), 또는 포스피닐(phosphinyl)인 것을 특징으로 하는 유기 박막 트랜지스터의 제조 방법.
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