KR100975729B1 - 박층 화학 트랜지스터 및 그의 제조 방법 - Google Patents

박층 화학 트랜지스터 및 그의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 금속/고체 전해질/반도체 구조를 가지며, 고체 전해질층 및 반도체층을 형성하는 물질이 유기 용제에 용해 가능한 화합물인 것을 특징으로 하는 박층 화학 트랜지스터에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 용제 공정만으로 제조되기 때문에 잉크젯을 비롯한 인쇄 기술에 의해 쉽게 제조하는 것이 가능하고, TFT 결함의 확률을 감소시켜 제조 비용의 감소를 도모할 수도 있게 된다.
금속/고체 전해질/반도체 구조, 용제 공정, 박층 화학 트랜지스터

Description

박층 화학 트랜지스터 및 그의 제조 방법 {Thin-Layer Chemical Transistor and Making Method}
본 발명은, 전계 효과 트랜지스터(FET)의 일종인 쇼트키 배리어 게이트 전계 효과 트랜지스터(SB-FET, MES-FET), 특히 금속과 반도체층간에 높은 이온 전도를 나타내는 특정한 고분자 물질을 재료로 하는 고체 전해질층을 설치하고, 반도체층의 재료로서 특정한 유기물을 사용하는 박막 화학 트랜지스터 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
실리콘 반도체나 화합물 반도체를 이용한 박층 전계 효과 트랜지스터(TFT)는 일반적인 집적 회로 이외에도, 그 이용 분야가 확대되고 있다. 특히, 액정 디스플레이에서의 TFT의 사용은 상식화되어 있다.
특히, 최근 액정 디스플레이는 디스플레이의 대형화와 함께 정밀화도 진행되고 있으며, 종래 이상으로 화소수에 대응한 다수의 TFT의 조립이 요구되고 있다.
그러나, 종래부터 사용되고 있는 통상의 금속계 반도체에서는 기판 상에 회로를 형성할 때, 포토레지스트 등에 의한 패턴화 및 에칭 등의 처리 때문에, 형성되는 TFT에 약간의 결함을 일으켜 대응하는 화소에 표시 결함을 일으키는 것을 피 할 수 없었다. 또한, 이들 처리에 의해 TFT의 제조 비용을 감소시키는 데 있어서는 일정한 한계가 있었다. 다른 박형 디스플레이, 즉 플라즈마 디스플레이, 유기 EL 디스플레이에 있어서도, TFT를 사용하는 경우에는 마찬가지라고 할 수 있다.
또한, 최근의 대형 면적 및 정밀화 경향은 TFT의 제조에서의 결함 확률을 높이는 경향이 있으며, 이 TFT 결함을 최소한으로 하는 방법이 강하게 요구되고 있다.
한편, 금속/절연체/반도체(MIS) 구조를 갖는 TFT에 있어서, 절연체 및 반도체의 재료를 유기물로 하는 시도가 이루어지고 있다. 예를 들면, 일본 특허 공표 (평)5-508745호 공보(특허 문헌 1)에서는 절연층으로서 비유전율 5 이상의 절연성 유기 고분자를 사용하고, 반도체층으로서 중량 평균 분자량 2,000 이하의 다공액 유기 화합물을 사용하여 제조된 장치가 전계 효과를 나타내며, 그 이동도가 10-2cm2V-1s-1 정도라는 것이 기재되어 있다. 그러나, 유기 반도체 재료로서 α-세키시티에닐을 사용하여 증착에 의해 반도체층을 형성하기 때문에, 포토레지스트 등에 의한 패턴화 및 에칭 등의 처리가 필요해져 비용 감소를 도모할 수 없었다.
또한, 상기 MIS 구조를 갖는 TFT 및 화합물 반도체를 주로 사용하는 금속/반도체(MES) 구조를 갖는 TFT에 있어서, 금속과 반도체의 층간 물질로서 고체 전해질을 사용한 것은 그다지 알려져 있지 않다.
본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것이며, 고체 전해질층 및 반도체층을 형성하는 물질로서 유기 용제에 용해 가능한 화합물을 사용하여 간편한 방법으로, 또한 결함을 최소한으로 억제한 신규한 박층 화학 트랜지스터 및 그의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자는 상기 목적을 달성하기 위해 예의 검토한 결과, 금속/고체 전해질/반도체 구조를 갖는 박층 화학 트랜지스터에 있어서, 고체 전해질층 및 반도체층을 형성하는 물질로서 유기 용제에 용해 가능한 화합물을 사용하는 간편한 방법에 의해 결함을 최소한으로 억제할 수 있다는 것을 발견하였다.
또한, 유기 반도체 물질 중에서 전기 화학적으로 산화ㆍ환원이 가역적인 물질은, 중성일 때와 비교하여 그 전기 전도도가 극단적으로 향상되는 물질이라는 점에 착안하여, 금속과 상기 특성을 갖는 유기 반도체의 층간 물질로서 무기 이온염을 포함한 높은 이온 전도성을 갖는 고분자 화합물을 사용했을 경우, 종래의 FET와 같이 공핍층도 반전층도 존재하지 않고, 중합체 전해질의 높은 이온 전도성과 유기 반도체의 도핑에 대한 가역성으로부터 트랜지스터 성능을 발현한다는 것을 발견하고, 본 발명을 완성하기에 이른 것이다.
따라서, 본 발명은 이하에 나타내는 신규한 박층 화학 트랜지스터 및 그의 제조 방법을 제공하는 것이다.
(1) 금속/고체 전해질/반도체 구조를 가지며, 고체 전해질층 및 반도체층을 형성하는 물질이 유기 용제에 용해 가능한 화합물인 것을 특징으로 하는 박층 화학 트랜지스터.
(2) 상기 (1)에 있어서, 고체 전해질층이 유기 용제에 용해 가능한 화합물과 무기 이온염을 포함하는 것을 특징으로 하는 박층 화학 트랜지스터.
(3) 상기 (1) 또는 (2)에 있어서, 고체 전해질층을 형성하는 화합물의 이온 전도율이 1×10-5 Scm-1 이상인 것을 특징으로 하는 박층 화학 트랜지스터.
(4) 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 있어서, 고체 전해질층을 형성하는 화합물이 GPC에 의한 폴리스티렌 환산 중량 평균 분자량 2,000 내지 1,000,000의 고분자 화합물인 것을 특징으로 하는 박층 화학 트랜지스터.
(5) 상기 (4)에 있어서, 고체 전해질층을 형성하는 화합물이 시아노기를 갖는 절연성 고분자 화합물인 것을 특징으로 하는 박층 화학 트랜지스터.
(6) 상기 (4) 또는 (5)에 있어서, 고체 전해질층을 형성하는 화합물이 시아노에틸기를 갖는 절연성 고분자 화합물인 것을 특징으로 하는 박층 화학 트랜지스터.
(7) 상기 (6)에 있어서, 고체 전해질층을 형성하는 화합물이 시아노에틸풀루란인 것을 특징으로 하는 박층 화학 트랜지스터.
(8) 상기 (6) 또는 (7)에 있어서, 상기 시아노에틸기를 갖는 절연성 고분자 화합물이 비스-2-시아노에틸에테르를 100 ppm 이하 포함하는 것을 특징으로 하는 박층 화학 트랜지스터.
(9) 상기 (1) 내지 (8) 중 어느 하나에 있어서, 반도체층을 형성하는 화합물이 전기 화학적으로 가역적인 것을 특징으로 하는 박층 화학 트랜지스터.
(10) 상기 (1) 내지 (9) 중 어느 하나에 있어서, 반도체층을 형성하는 화합물이 구리 프탈로시아닌인 것을 특징으로 하는 박층 화학 트랜지스터.
(11) 상기 (1) 내지 (10) 중 어느 하나에 있어서, 반도체층을 형성하는 화합물이 GPC에 의한 폴리스티렌 환산 중량 평균 분자량 2,500 내지 1,000,000의 고분자 화합물인 것을 특징으로 하는 박층 화학 트랜지스터.
(12) 상기 (11)에 있어서, 반도체층을 형성하는 화합물이 폴리티오펜류인 것을 특징으로 하는 박층 화학 트랜지스터.
(13) 금속층을 포함하는 게이트 전극 상에, 유기 용제에 용해 가능한 화합물과 무기 이온염을 유기 용제에 용해한 용액을 도포, 건조시켜 고체 전해질층을 형성한 후, 고체 전해질층이 용해되지 않는 유기 용제에 용해되는 반도체층을 형성하는 물질을 고체 전해질층에 도포, 건조시켜 반도체층을 형성하는 것을 특징으로 하는 박층 화학 트랜지스터의 제조 방법.
본 발명에 따르면, 금속/고체 전해질/반도체 구조를 갖는 신규한 트랜지스터를 형성할 수 있다. 또한, 고체 전해질층 및 반도체층 재료 모두가 유기 용제에 용해 가능한 화합물이기 때문에, 종래의 금속/절연체/반도체 구조의 전계 효과 트랜지스터 등이 금속계 반도체 및 절연체의 사용에 있어서의 회로 형성 기술에서 포 토레지스트 등에 의한 패턴화 및 에칭 등의 처리를 필요로 하는 것에 비해, 용제 공정만으로 제조되기 때문에 잉크젯을 비롯한 인쇄 기술에 의해 쉽게 제조하는 것이 가능하고, TFT 결함의 확률을 감소시켜 제조 비용의 감소를 도모할 수 있게 된다.
또한, 50 Hz 이상의 스위칭 속도를 얻을 수 있기 때문에 페이퍼 디스플레이, 플랫 패널 디스플레이의 구동 회로에 대한 응용도 가능해진다.
본 발명의 박층 화학 트랜지스터는, 예를 들면 도 1에 나타낸 바와 같이 통상의 전계 효과 트랜지스터와 동일한 구조인데, 게이트 절연막 대신에 유기 용제에 용해 가능한 화합물을 포함하는 고체 전해질막을 사용하고 있다.
즉, SiO2 등의 기판 (1) 상에 게이트 전극이 되는 금속층 (2)가 형성되고, 그 위에 무기 이온염을 포함하는 고체 전해질층 (3)이 형성되며, 추가로 그 위에 반도체층 (4)가 형성됨과 동시에, 이 반도체층 (4) 상에 소스 전극 (5) 및 드레인 전극 (6)이 형성된 것이다. 이 경우, 금속층으로서는 일반적인 ITO(Indium Tin Oxide; 산화인듐주석)막 또는 물리적 기상 증착법(Physical Vapor Deposition)이나 유기 금속 화학 기상 증착법(Metal Organic CVD: MOCVD)에 의한 Au, Cu, Al 등의 단독 금속 또는 Au/Ti, Cu/Ti, Al/Ti 등의 적층 금속을 사용할 수 있지만, 본 발명의 목적상 인쇄에 의해 제조할 수 있는 것이 바람직하기 때문에 실용상 문제가 없다면 도전성 금속 페이스트의 사용이 바람직하다.
본 발명의 박층 화학 트랜지스터에 있어서, 고체 전해질층을 형성하는 물질은 유기 용제에 용해 가능한 화합물 및 무기 이온염이다. 그 중, 유기 용제에 용해 가능한 화합물은 GPC에 의한 폴리스티렌 환산 중량 평균 분자량이 2,000 내지 1,000,000인 고분자 화합물이 바람직하고, 특히 시아노기를 갖는 절연성 고분자 화합물이 바람직하다. 구체적으로는 시아노에틸풀루란, 시아노에틸셀룰로오스, 시아노에틸폴리비닐알코올, 폴리아크릴로니트릴 등을 들 수 있으며, 그 중 시아노에틸풀루란이 특히 바람직하다. 시아노기를 갖는 절연성 고분자 화합물은 대부분의 분극기가 분자 내에 존재하기 때문에(예를 들면, 시아노에틸풀루란은 1 kHz에서 비유전율 19를 갖는 고유전체임), 고체 전해질층을 형성하는 또 하나의 성분인 무기 이온염의 정전 에너지를 완화시켜 이온에 대한 해리를 촉진하는 결과로, 음이온종과 양이온종이 가동 이온이 되고, 이온 전도도를 나타내는 고체 전해질이 된다.
이들 시아노기를 갖는 절연성 고분자 화합물은, 예를 들면 시아노에틸풀루란의 경우, 풀루란 수지를 알칼리 촉매의 존재하에 아크릴로니트릴과 반응시킴으로써 얻을 수 있다(일본 특허 공고 (소)59-31521호 공보 참조). 상기 반응의 부반응에 의해 비스-2-시아노에틸에테르가 생성되는데, 이것을 정제 공정에 의해 제거하는 것이 필요하게 된다. 그 이유는 시아노기를 갖는 절연성 고분자 화합물은 분자 내에 존재하는 극성기가 전기장에 배향됨으로써 유전성을 일으키는 물질인데, 상기 반응 부생성물인 비스-2-시아노에틸에테르가 다량으로 존재하면 손실 요인인 유전 정접이 증가하여 바람직하지 않기 때문이다. 따라서, 시아노기를 갖는 절연성 고분자 화합물 중에 잔존하는 비스-2-시아노에테르의 함량은 적어도 100 ppm 이하, 특히 50 ppm 이하가 바람직하다.
본 발명의 박층 화학 트랜지스터는 그 이온 이동에 의한 유기 반도체의 가역적 도핑을 이용하는 것이며, 이온 전도도는 높은 것이 바람직하고, 1×10-5 Scm-1 이상, 특히 1×10-4 Scm-1 이상인 것이 바람직하다. 또한, 그 상한은 특별히 제한되지 않는다.
본 발명의 시아노기를 갖는 절연성 고분자 화합물의 시아노기의 치환율(시아노에틸풀루란의 경우, 시아노에틸기의 치환율)은 80 몰％ 이상, 특히 85 내지 100 몰％인 것이 바람직하다. 이것은, 상술한 바와 같이 이온종의 해리는 분극기인 시아노기에 의해 촉진되기 때문에, 일정 이상의 시아노기의 극성기 농도가 필요할 뿐만 아니라, 잔존 수산기량이 많으면 손실 요인인 유전 정접이 증가하여 본 발명의 목적에 있어서 바람직하지 못한 경우가 있기 때문이다.
고체 전해질층을 형성하는 또 하나의 성분인 무기 이온염은 Li, Na, K, Cs, Ag, Cu, Mg 및 Rb 중 1종 이상의 원소를 포함하는 것이다. 이 경우, 음이온은 특별히 한정되지 않고, 무기 이온염을 사용하는 유기 용제에 용해되는 것이면 되며, 예를 들면 Ce-, I-, Br-, ClO4 -, SCN-, BF4 -, AsF5 -, CF3SO3 -, PF4 -, PF5 -, PF6 -, NO3 - 등을 들 수 있다.
상기 무기 이온염으로서, 구체적으로는 LiClO4, LiI, LiSCN, LiBF4, LiAsF5, LiCF3SO3, LiPF4, NaI, NaSCN, NaBr, NaPF5, KI, KSCN, KPF5, KAsF5, CsSCN, CsPF6, AgNO3, CuCl2Mg(ClO4)2, Rb4I1.75Cl3.25 등을 들 수 있으며, 이들은 1종 또는 2종 이상을 조합해서도 사용할 수 있다.
또한, 무기 이온의 사용량은, 상기 고분자 화합물에 대하여 0.01 내지 80 질량％, 특히 0.5 내지 20 질량％가 바람직하다.
본 발명의 박층 화학 트랜지스터에 있어서, 반도체층은 전기 화학적 산화ㆍ환원을 가역적으로 행할 수 있는 물질, 다시 말하면 p형 구조, n형 구조를 가역적으로 취할 수 있는 것이면 특별히 제한되지 않으며, 분자량에 상관없이 원리적으로 작동하는 것이다. 따라서, 반도체층은 전기 화학적으로 산화ㆍ환원이 가역적이고, 중성일 때와 비교하여 그 전기 전도도가 향상되는 물질이라면 특별히 한정되는 것은 아니지만, 고체 전해질층이 용해되지 않는 유기 용제에 용해될 필요가 있다. 이것은 일반적인 TFT의 경우, 적층에 의해 반도체층 및 절연층(본 발명에서는 고체 전해질층)을 형성하고자 하면, 일반적으로는 계면 상태가 균일해지지 않는다고 여겨지고 있기 때문이다.
종래, 유기 TFT의 검토에 있어서는, 일본 특허 공표 (평)5-508745호 공보(특허 문헌 1)에도 기재되어 있는 바와 같이, 유기 절연막 상에 유기 반도체층을 증착에 의해 형성하는 방법이나, 무기계 절연막 상에 유기 반도체층만을 형성하는 방법이 채용되었다. 예를 들면, 유기 반도체 재료 및 유기 절연 재료 모두 동일한 유기 용제에 용해하여 사용했을 경우, 도포, 건조에 의해 얻어진 유기 절연층 상에 유기 반도체 재료를 용해한 용해액을 도포하면 그 도포 계면에서 유기 절연 재료의 미세한 용해를 일으켜, 최종적으로 건조하여 얻어진 적층 계면에는 흐트러짐이 발생하게 된다. 그러나, 본 발명에 있어서는 반도체 재료 및 고체 전해질 재료를 용해하는 유기 용제 종류를 변경하는 것, 즉 어느 재료가 어느 유기 용제에 용해되지 않는 것을 이용함으로써 이 문제를 극복하는 데 성공하였다. 구체적으로는, 반도체층을 형성하는 유기 용제에 용해되는 화합물로서는 펜타센, 구리 프탈로시아닌, α-섹시티에닐 등의 저분자 화합물, 폴리티오펜류, 폴리피롤류, 폴리아닐린류, 폴리아세틸렌류, 폴리티에닐렌비닐렌류, 폴리페닐렌비닐렌류 등의 고분자 화합물을 들 수 있다. 그러나, 저분자 물질의 경우, 이른바 인쇄 기술에 의해 막형성하는 것이 어려운 경우가 있기 때문에, 본 발명에 있어서의 반도체층은 유기 용제에 용해 가능한 GPC에 의한 폴리스티렌 환산 중량 평균 분자량이 2,500 내지 1,000,000인 고분자 화합물이 바람직하고, 구체적으로는 폴리티오펜류, 폴리피롤류, 폴리아닐린류, 폴리아세틸렌류, 폴리티에닐렌비닐렌류, 폴리페닐렌비닐렌류 등을 들 수 있다. 또한, 유기 용제에 대한 가용성, 양호한 가공성, 안정성, 전기 화학적 산화ㆍ환원이 가역적으로 행해지고, 중성일 때와 비교하여 그 전기 전도도가 극적으로 향상되는 등의 점을 고려하면, 특히 폴리(3-헥실티오펜) 등의 폴리티오펜류가 바람직하다. 폴리티오펜류는 p형의 유기 전계 효과 트랜지스터를 제공하여 높은 전계 효과 이동도를 나타내는 중합체로서 알려져 있다. 또한, 폴리티오펜류는 유기 용제 중에서 전기 화학적으로 산화ㆍ환원을 가역적으로 행하는 것이 알려져 있으며, 전해법으로 제조되는 도핑한 폴리티오펜의 전기 전도도는 중성인 폴리티오펜의 1,000배 이상이 되는 것이 알려져 있다.
고체 전해질층을 형성하는 화합물을 용해하는 유기 용제로서는 N-메틸-2-피롤리돈, 디메틸포름아미드, 아세톤, 아세토니트릴, γ-부티로락톤 등이 사용되고, 한편 반도체층을 형성하는 화합물을 용해하는 유기 용제로서는 클로로포름, 톨루엔, 헥산, 알코올류 등이 사용된다. 어느 쪽의 경우에도 1종 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
본 발명에 있어서, 금속층을 포함하는 게이트 전극 상에, 유기 용제에 용해 가능한 화합물과 무기 이온염을 유기 용제에 용해한 용액을 도포, 건조시켜 고체 전해질층을 형성한 후, 고체 전해질층이 용해되지 않는 유기 용제에 용해된 반도체층을 형성하는 물질을 유기 용제에 용해한 용액을 도포, 건조시켜 반도체층을 형성하는 박층 화학 트랜지스터의 제조 방법은 공지된 방법을 이용할 수 있다. 예를 들면, 유리 또는 일반적인 중합체 시트 등으로부터 선택된 기판 상에 게이트 전극이 되는 금속층을 스퍼터링으로 형성하거나, 또는 금속 페이스트나 도전성 고분자 등을 스핀 코팅, 스크린 인쇄, 잉크젯 인쇄에 의해 도포, 건조하여 형성한다. 또한, 일반적으로 입수 가능한 ITO막이 부착된 유리를 사용할 수도 있다.
형성된 게이트 전극 상에 고체 전해질층을 형성하는 화합물과 무기 이온염을 유기 용제에 용해한 용액을 스핀 코팅, 스크린 인쇄, 잉크젯 인쇄에 의해 도포, 건조하여 고체 전해질층을 형성한다.
그 후, 상기 고체 전해질층을 형성하는 화합물이 용해되지 않는 유기 용제에 반도체층을 형성하는 물질을 용해한 용액을, 고체 전해질층 상에 스핀 코팅, 스크 린 인쇄, 잉크젯 인쇄에 의해 도포, 건조하여 반도체층을 제조한다. 또한, 이 때고체 전해질층-반도체층간의 계면에서 반도체 분자를 배향시키기 위해, 고체 전해질층 표면에 공지된 러빙(rubbing) 처리 등 물리적 처리를 행할 수도 있다.
마지막으로 반도체층 상에 소스 및 드레인 전극을 스퍼터링으로 형성하거나, 금속 페이스트나 도전성 고분자 등을 스크린 인쇄, 잉크젯 인쇄에 의해 도포, 건조한다.
또한, 고체 전해질의 두께는 0.2 내지 10 ㎛, 특히 0.5 내지 3 ㎛인 것이 바람직하고, 반도체층의 두께는 50 내지 300 nm, 특히 100 내지 200 nm인 것이 바람직하지만, 이것으로 한정되는 것이 아니다.
본 발명의 박층 화학 트랜지스터는, 금속층을 포함하는 게이트 전극 상에 무기 이온염을 포함하는 고체 전해질층을 설치하고, 추가로 그 위에 반도체층을 형성한 구조이며, 게이트에 전위가 부가됨으로써 무기 이온염의 해리를 일으켜 고체 전해질층 근방의 반도체 물질이 도핑된 전기 전도도가 높은 패스를 형성하는 것을 이용한 것이다. 따라서, 종래의 FET와 같이 공핍층도 반전층도 존재하지 않고, 고체 전해질의 고이온 전도성 및 반도체층을 형성하는 화합물, 예를 들면 폴리티오펜의 도핑에 대한 가역성의 두가지 성질을 이용하는 것이다.
즉, 본 발명의 박층 화학 트랜지스터의 원리는, 고체 전해질과 반도체의 층 계면 부근에 있어서, 도 2에 나타낸 바와 같이 게이트에 전위를 부가함으로써 하기의 산화ㆍ환원에 기초하는 전기 화학 반응을 일으켜, 도핑, 탈도핑에 의한 가역적인 반도체(금속)-고체 전해질 전이를 이용하여 상기 전기 화학 반응을 제어하고, 소스ㆍ드레인간의 전류치를 변조시킴으로써 작동하는 것이다. 중성의 폴리티오펜이 오프 상태에, 도핑한 상태가 온 상태에 대응한다.
폴리티오펜 + nBF4 -1 ↔ 폴리티오펜(BF4)n + ne-
따라서, 고체 전해질층과 반도체층의 계면 상태가 매우 중요하며, 그 계면이 평탄할 수록 바람직하다는 것을 의미한다.
<실시예>
이하, 실시예 및 비교예를 들어 본 발명을 구체적으로 설명하지만, 본 발명이 하기의 실시예로 제한되는 것은 아니다.
<실시예 1>
고체 전해질층을 형성하는 고분자 화합물로서 시아노에틸기 치환율이 85.2 몰％인 시아노에틸풀루란(CyEPL, 신에쓰 가가꾸 고교(주) 제조, CR-S, 중량 평균 분자량: 49,000, 비스-2-시아노에틸에테르 함유량: 46 ppm)을, 무기 이온염으로서 LiBF4를 사용하였다.
또한, 반도체층 재료로서 폴리(3-헥실티오펜)(P3HT, 알드리치사 제조, 중량 평균 분자량: 87,000)을 사용하고, 폴리(3-헥실티오펜)(P3HT)을 용해하는 유기 용제로서 시아노에틸풀루란을 용해하지 않는 클로로포름을 사용하여, 하기에 나타낸 방법으로 박층 화학 트랜지스터를 제조하여 평가하였다.
유리(SiO2) 기판 상에 실온, 배압 10-4 Pa의 조건으로 RF 스퍼터링법에 의해 Ti을 5 nm 증착하고, 이어서 Au를 20 nm의 막 두께로 증착함으로써 게이트 전극을 제조하였다.
이어서, 용제로서 N-메틸-2-피롤리돈에 15 질량％의 농도로 시아노에틸풀루란을 용해하고, 여기에 시아노에틸플루란에 대하여 5 질량％가 되도록 LiBF4를 첨가하여 용해하고, 0.2 ㎛의 멤브레인 필터로 여과한 후 스핀 코팅하고, 100 ℃에서 1 시간 건조하여 고체 전해질층을 형성하였다.
형성된 고체 전해질층 상에 반도체층 재료인 폴리(3-헥실티오펜)의 클로로포름 0.8 질량％ 용액을 0.2 ㎛ 멤브레인 필터로 여과한 후 스핀 코팅하고, 100 ℃에서 1 시간 건조하여 막 두께 50 nm의 반도체층을 형성하였다. 마지막으로 소스ㆍ드레인 전극을 열 증착법으로 제조하였다.
고체 전해질층 및 폴리(3-헥실티오펜)의 막 두께는 각각 700 nm, 100 nm였고, 소스ㆍ드레인간의 거리와 전극 폭은 각각 30 ㎛(도 1에서 L=30 ㎛), 2 mm(도 1에서 W=2 mm)였다. 전기 측정은 모두 실온, 차광, 1.3×10-3 Pa 이하의 진공하에서 행하였다.
각 게이트 전압에서의 소스ㆍ드레인 전류ㆍ전압 ISD-VSD 곡선을 도 3에 나타내었다. VSG>-1 V에서는 ISD에 변화가 없지만, VSG<-1 V에서는 게이트 전압이 증가함 에 따라 ISD도 증가하였다. VSG<-1 V에서는 BF4 -가 폴리(3-헥실티오펜)에 도핑되어 있기 때문에 반도체층은 p형이고, 게이트 전압에 대한 소스ㆍ드레인 전류의 응답성 은 전계 효과 트랜지스터와 동일해진다.
한편, VSD=-30 V에서의 VSG=0 V 및 -20 V의 ISD는 각각 -4.7 nA, -0.13 μA였고, 온/오프비는 28이었다.
이 트랜지스터의 스위칭 특성을 평가하기 위해, 교류 게이트 전압에 대한 ISD의 응답을 측정하였다. VSD를 -10 V로 고정하여 사인파의 게이트 전압 -6 V에서 0 V까지를 1 Hz 내지 1 kHz의 주파수로 인가하여 측정했더니, 약 300 Hz까지 ISD의 시간 변화가 관측되었다.
트랜지스터의 스위칭 속도로서 20 msec인 50 Hz에서의 ISD의 시간 변화를 살펴 보면, 도 4에 나타낸 바와 같이 VSG가 0 V에서 -6 V로 감소하는 영역에서는 폴리(3-헥실티오펜)에 대한 도핑이 발생하기 때문에 ISD의 값은 증가하였다. 한편, VSG가 -6 V에서 0 V로 증가하는 영역에서는 탈도핑이 발생하기 때문에 ISD가 감소하였다. ISD의 최대치와 최소치는 각각 5.9 nA, 4.3 nA였기 때문에 ISD의 증폭률은 38 ％였다.
도 1은 본 발명의 박층 화학 트랜지스터의 일 양태를 나타내는 사시도이다.
도 2는 전해질층과 반도체층의 층 계면 부근에서의 전기 화학 반응을 나타내는 도면이고, (A)는 전압을 부가하지 않은 오프(OFF) 상태, (B)는 전압을 부가한 온(ON) 상태(도핑한 상태)이다.
도 3은 본 발명의 실시예의 박층 화학 트랜지스터의 ISD-VSD 곡선을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예의 박층 화학 트랜지스터의 ISD-VSD 특성을 나타내는 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 기판 2: 금속층(게이트 전극)
3: 고체 전해질층 4: 반도체층
4a: 도핑된 반도체층 5: 소스 전극
6: 드레인 전극

Claims (12)

  1. 금속/고체 전해질/반도체 구조를 갖는 박층 화학 트랜지스터에 있어서, 고체 전해질층 및 반도체층을 형성하는 물질이 유기 용제에 용해 가능한 화합물이고, 고체 전해질층은 LiClO4, LiI, LiSCN, LiBF4, LiAsF5, LiCF3SO3, LiPF4, NaI, NaSCN, NaBr, NaPF5, KI, KSCN, KPF5, KAsF5, CsSCN, CsPF6, AgNO3, CuCl2Mg(ClO4)2, Rb4I1.75Cl3.25으로부터 선택되는 무기 이온염을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 박층 화학 트랜지스터.
  2. 제1항에 있어서, 고체 전해질층을 형성하는 화합물의 이온 전도율이 1×10-5 Scm-1 이상인 것을 특징으로 하는 박층 화학 트랜지스터.
  3. 제1항에 있어서, 고체 전해질층을 형성하는 화합물이 GPC에 의한 폴리스티렌 환산 중량 평균 분자량 2,000 내지 1,000,000의 고분자 화합물인 것을 특징으로 하는 박층 화학 트랜지스터.
  4. 제3항에 있어서, 고체 전해질층을 형성하는 화합물이 시아노기를 갖는 절연성 고분자 화합물인 것을 특징으로 하는 박층 화학 트랜지스터.
  5. 제3항에 있어서, 고체 전해질층을 형성하는 화합물이 시아노에틸기를 갖는 절연성 고분자 화합물인 것을 특징으로 하는 박층 화학 트랜지스터.
  6. 제5항에 있어서, 고체 전해질층을 형성하는 화합물이 시아노에틸풀루란인 것을 특징으로 하는 박층 화학 트랜지스터.
  7. 제5항에 있어서, 상기 시아노에틸기를 갖는 절연성 고분자 화합물이 비스-2-시아노에틸에테르를 100 ppm 이하 포함하는 것을 특징으로 하는 박층 화학 트랜지스터.
  8. 제1항에 있어서, 반도체층을 형성하는 화합물이 전기 화학적으로 가역적인 것을 특징으로 하는 박층 화학 트랜지스터.
  9. 제1항에 있어서, 반도체층을 형성하는 화합물이 구리 프탈로시아닌인 것을 특징으로 하는 박층 화학 트랜지스터.
  10. 제1항에 있어서, 반도체층을 형성하는 화합물이 GPC에 의한 폴리스티렌 환산 중량 평균 분자량 2,500 내지 1,000,000의 고분자 화합물인 것을 특징으로 하는 박층 화학 트랜지스터.
  11. 제10항에 있어서, 반도체층을 형성하는 화합물이 폴리티오펜류인 것을 특징으로 하는 박층 화학 트랜지스터.
  12. 금속층을 포함하는 게이트 전극 상에, 유기 용제에 용해 가능한 화합물과 LiClO4, LiI, LiSCN, LiBF4, LiAsF5, LiCF3SO3, LiPF4, NaI, NaSCN, NaBr, NaPF5, KI, KSCN, KPF5, KAsF5, CsSCN, CsPF6, AgNO3, CuCl2Mg(ClO4)2, Rb4I1.75Cl3.25으로부터 선택되는 무기 이온염을 유기 용제에 용해한 용액을 도포, 건조시켜 고체 전해질층을 형성한 후, 고체 전해질층이 용해되지 않는 유기 용제에 용해되는 반도체층을 형성하는 물질을 고체 전해질층에 도포, 건조시켜 반도체층을 형성하는 것을 특징으로 하는 박층 화학 트랜지스터의 제조 방법.
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Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8138075B1 (en) 2006-02-06 2012-03-20 Eberlein Dietmar C Systems and methods for the manufacture of flat panel devices
FI20070063A0 (fi) * 2007-01-24 2007-01-24 Ronald Oesterbacka Orgaaninen kenttävaikutustransistori
GB2449926A (en) * 2007-06-08 2008-12-10 Seiko Epson Corp Method for manufacturing an electrolyte pattern
FI20085737L (fi) * 2008-07-21 2010-01-22 Ronald Oesterbacka Komponentteja ja piirijärjestelyjä, joissa on ainakin yksi orgaaninen kenttävaikutustransistori
KR102069249B1 (ko) * 2018-06-08 2020-01-22 성균관대학교산학협력단 전기화학 트랜지스터 및 이의 응용
CN109950321B (zh) * 2019-03-25 2022-02-11 暨南大学 一种基于氧化钨的p型场效应晶体管及其制备方法
US11257962B2 (en) * 2019-05-02 2022-02-22 Micron Technology, Inc. Transistors comprising an electrolyte, semiconductor devices, electronic systems, and related methods
CN113410383B (zh) * 2021-06-19 2022-09-16 西北工业大学 一种基于聚噻吩的电池型电化学突触晶体管及其制备方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0818125A (ja) * 1994-06-28 1996-01-19 Hitachi Ltd 電界効果型トランジスタ、その製造方法及びそれを用いた液晶表示装置
US20020158295A1 (en) * 2001-03-07 2002-10-31 Marten Armgarth Electrochemical device
KR20040066931A (ko) * 2001-12-28 2004-07-27 도꾸리쯔교세이호진 상교기쥬쯔 소고겡뀨죠 유기 박막 트랜지스터 및 그 제조방법

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5931521B2 (ja) * 1979-07-23 1984-08-02 信越化学工業株式会社 シアノエチルプルランおよびその製造方法
US5892244A (en) * 1989-01-10 1999-04-06 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Field effect transistor including πconjugate polymer and liquid crystal display including the field effect transistor
FR2664430B1 (fr) 1990-07-04 1992-09-18 Centre Nat Rech Scient Transistor a effet de champ en couche mince de structure mis, dont l'isolant et le semiconducteur sont realises en materiaux organiques.
US6174623B1 (en) * 1994-03-08 2001-01-16 Valence Technology, Inc. Conductive-polymer-coated electrode particles
US5981970A (en) * 1997-03-25 1999-11-09 International Business Machines Corporation Thin-film field-effect transistor with organic semiconductor requiring low operating voltages
CN1157807C (zh) * 2001-11-09 2004-07-14 清华大学 一种有机薄膜场效应晶体管及其制备方法
US6674121B2 (en) * 2001-12-14 2004-01-06 The Regents Of The University Of California Method and system for molecular charge storage field effect transistor
CA2469912A1 (en) * 2001-12-19 2003-06-26 Avecia Limited Organic field effect transistor with an organic dielectric
EP1361619A3 (en) * 2002-05-09 2007-08-15 Konica Corporation Organic thin-film transistor, organic thin-film transistor sheet and manufacturing method thereof
WO2004075279A1 (ja) 2003-02-18 2004-09-02 Konica Minolta Holdings, Inc. 有機薄膜トランジスタ素子及びその製造方法
US7098525B2 (en) * 2003-05-08 2006-08-29 3M Innovative Properties Company Organic polymers, electronic devices, and methods
JP2005072528A (ja) * 2003-08-28 2005-03-17 Shin Etsu Chem Co Ltd 薄層電界効果トランジスター及びその製造方法
US7256436B2 (en) * 2004-03-30 2007-08-14 Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. Thin-film field-effect transistors and making method
US20050279995A1 (en) * 2004-06-21 2005-12-22 Samsung Electronics Co., Ltd. Composition for preparing organic insulating film and organic insulating film prepared from the same
US7315042B2 (en) * 2004-11-18 2008-01-01 3M Innovative Properties Company Semiconductors containing trans-1,2-bis(acenyl)ethylene compounds

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0818125A (ja) * 1994-06-28 1996-01-19 Hitachi Ltd 電界効果型トランジスタ、その製造方法及びそれを用いた液晶表示装置
US20020158295A1 (en) * 2001-03-07 2002-10-31 Marten Armgarth Electrochemical device
KR20040066931A (ko) * 2001-12-28 2004-07-27 도꾸리쯔교세이호진 상교기쥬쯔 소고겡뀨죠 유기 박막 트랜지스터 및 그 제조방법

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