KR101087702B1 - Organic Diode - Google Patents
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Abstract
본 발명은 유기 다이오드에 관한 것이다. 보다 상세하게는 전하이동도가 높은 n형 유기 반도체와 p형 금속 산화물 반도체를 이용하여 저전압에서 동작 가능하며 높은 순방향 전류와 낮은 역방향 전류 특성을 갖도록 한 유기 다이오드에 관한 것이다. 본 발명은 기판 상부에 형성되며 풀러린(Fullerene)을 포함하는 전자 수송층, 상기 기판과 상기 전자 수송층 사이에 형성되며 상기 전자 수송층과 정류 접합이 이루어지는 제1 전극층, 및 상기 전자 수송층 상부에 형성되며 상기 전자 수송층과 오믹(Ohmic) 접합이 이루어지는 제2 전극층을 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면 전하의 이동 방향이 기판에 대하여 수직 방향인 MIM 구조를 가지면서도 종래의 유기 다이오드와 비교시에 높은 순방향 전류와 매우 낮은 역방향 전류를 갖는 것이 가능한 효과를 갖는다.The present invention relates to an organic diode. More particularly, the present invention relates to an organic diode that can operate at a low voltage by using an n-type organic semiconductor and a p-type metal oxide semiconductor having high charge mobility, and has high forward current and low reverse current characteristics. The present invention provides an electron transport layer formed on a substrate and including a fullerene, a first electrode layer formed between the substrate and the electron transport layer, and rectified by the electron transport layer, and formed on the electron transport layer. And a second electrode layer on which the transport layer and the ohmic junction are formed. According to the present invention, it is possible to have a high forward current and a very low reverse current in comparison with a conventional organic diode while having a MIM structure in which the charge movement direction is perpendicular to the substrate.
Description
본 발명은 유기 다이오드에 관한 것이다. 보다 상세하게는 전하이동도가 높은 n형 유기 반도체와 p형 금속 산화물 반도체를 이용하여 저전압에서 동작 가능하며 높은 순방향 전류와 낮은 역방향 전류 특성을 갖도록 한 유기 다이오드에 관한 것이다.The present invention relates to an organic diode. More particularly, the present invention relates to an organic diode that can operate at a low voltage by using an n-type organic semiconductor and a p-type metal oxide semiconductor having high charge mobility, and has high forward current and low reverse current characteristics.
다이오드는 기본적인 반도체 소자 중 하나로써 4가의 실리콘 단결정에 3가 또는 5가의 불순물 원소를 첨가한 PN 접합 다이오드나 반도체 일측에 쇼트키 베리어를 갖는 금속을 배치하고 타측에는 오믹(Ohmic) 접합을 갖는 금속을 배치하는 쇼트키 다이오드를 기본형태로 하며, 높은 정류비(Rectification Ratio), 낮은 직렬 저항(Series resistance), 및 높은 항복 전압(Breakdown voltage) 등의 장점을 가지므로 정류기, 리미터(limiter), 배전압기(voltage doubler) 등과 같은 전자기기 회로의 주요 비선형 소자로 폭넓게 활용되고 있다.One of the basic semiconductor devices is a PN junction diode in which trivalent or pentavalent impurity elements are added to a tetravalent silicon single crystal, or a metal having a Schottky barrier on one side of the semiconductor, and a metal having an ohmic junction on the other side. Based on the Schottky diode that is placed, it has the advantages of high rectification ratio, low series resistance, and high breakdown voltage, so it is a rectifier, limiter, and voltage divider. It is widely used as a major nonlinear device in electronic circuits such as voltage doublers.
최근 사용자들의 전자기기에 대한 요구 경향이 저비용, 투명성, 유연성, 및 초박화 등에 치우침에 따라 이러한 요구 경향에 부합되도록 유기 반도체 소자를 이용한 다이오드의 구현 필요성이 다양한 분야에서 대두되고 있으며, 유기 반도체 소자를 이용한 다이오드의 경우 기존의 유기 발광 다이오드(Organic light-emitting diode)와 유기 태양 전지(Organic photovoltaic 또는 Organic solar cell:OPV)의 형태로 많은 연구가 진행되어 왔으나 유기 발광 다이오드와 유기 태양 전지의 경우주목적인 전기를 빛으로 변환하거나 또는 빛을 전기로 변환하는 것에 초점을 맞추어 개발이 되어 왔다.Recently, the necessity of the implementation of the diode using the organic semiconductor device has emerged in various fields, as users' demand for electronic devices is biased in low cost, transparency, flexibility, and ultra-thinning. In the case of the used diode, many researches have been conducted in the form of an organic light-emitting diode and an organic photovoltaic or organic solar cell (OPV), but in the case of an organic light-emitting diode and an organic solar cell, The development has been focused on the conversion of electricity to light or light to electricity.
따라서, 이러한 유기 반도체 소자를 이용한 다이오드의 주요 연구 경향에서 벗어나 다이오드의 가장 기본 특성인 정류특성을 활용하여, 기존의 바코드(barcode)를 이용한 구매 방식, 재고 및 유통관리 기술을 대체할 수 있어 차세대 기술로써 각광받고 있는 RFID에 사용되는 RFID 태그(Radio-Frequency Idantification Tag) 내의 반도체 소자에 직류 전압을 공급하는 역할을 하는 유기 반도체 다이오드 기반 정류자가 또한 개발되었다.Therefore, it is possible to replace the existing barcode method of purchasing method, inventory and distribution management technology by utilizing the rectification characteristic, which is the most basic characteristic of the diode, from the main research trend of the diode using the organic semiconductor device. An organic semiconductor diode-based commutator is also developed to supply a direct current voltage to a semiconductor device in a radio-frequency identification tag used in a popular RFID.
RFID 태그의 경우 크게 자체전원을 갖지 않는 저가의 수동형과 일부 고가 제품의 물류 추적등에 쓰이도록 하는 고가의 능동형으로 나눌 수 있으며, 수동형의 경우 외부의 리더기로부터 송신되는 십~수백 MHz의 캐리어 주파수를 갖는 교류신호를 다이오드와 축전지(Capacitor)로 이루어진 정류회로로 정류하여 직류 전원으로 활용하게 된다.RFID tag can be divided into low cost passive type that does not have its own power supply and expensive active type to be used for logistics tracking of some expensive products, and passive type has a carrier frequency of tens to hundreds of MHz transmitted from an external reader. The AC signal is rectified into a rectifier circuit composed of a diode and a capacitor to be used as a DC power source.
상기와 같은 방식으로 RFID 태그에 공급되는 직류전원은 RFID 태그 내의 식별관련 반도체 직접소자에 필요한 전원을 공급해주어, 태그가 붙어있는 아이템의 식별에 관련된 정보를 리더기에서 인식 가능하도록 하는데 있어 필수적인 역할을 한다.The DC power supplied to the RFID tag in the above manner supplies the necessary power to the semiconductor direct devices related to identification in the RFID tag, and thus plays an essential role in enabling the reader to recognize information related to the identification of the tagged item. .
이때, 정류기 역할을 하는 다이오드는 고속 신호에 대한 응답이 가능해야 하고, 다이오드에 순방향 전압이 가해졌을때 높은 전류를 발생시켜 축전기에 빠르게 전하를 저장할 수 있어야 하며, 반대로 다이오드에 역방향 전압이 가해졌을때는 누설전류가 거의 없어서 축전지에 저장된 전하가 빠져나오는 것을 방지할 수 있어야 한다. At this time, the diode acting as a rectifier should be able to respond to a high-speed signal, and when the forward voltage is applied to the diode, it must be able to generate a high current and quickly store the charge in the capacitor.In contrast, when the reverse voltage is applied to the diode, There should be little leakage current to prevent the discharge of charge stored in the battery.
또한, 다이오드의 순방향 특성의 경우 턴-온 전압(Turn-on voltage)이 존재하며 다이오드에 가해지는 순방향 전압이 턴-온 전압보다 낮을 경우에는 전류가 거의 흐르지 않다가 순방향 전압이 턴-온 전압에 도달하면 순방향 전류가 다이오드를 따라 흐르기 시작하며 순방향 전압이 턴-온 전압보다 큰 경우 대량의 순방향 전류가 다이오드를 따라 흐르게 된다.In addition, there is a turn-on voltage in the forward characteristic of the diode. When the forward voltage applied to the diode is lower than the turn-on voltage, almost no current flows, and the forward voltage is applied to the turn-on voltage. When it reaches, forward current begins to flow along the diode, and when the forward voltage is greater than the turn-on voltage, a large amount of forward current flows along the diode.
이때, 턴-온 전압이 너무 크면 전력소모가 클 수 있을뿐더러, 리더기에서 보내오는 신호의 진폭이 커야만 RFID 태그가 전기적으로 동작(Wake-up) 할 수 있으므로 턴-온 전압의 크기를 최소화하는 것이 요구된다.In this case, if the turn-on voltage is too large, power consumption may be large, and the RFID tag may be electrically wakened only when the amplitude of the signal sent from the reader is large, thereby minimizing the size of the turn-on voltage. Is required.
따라서, RFID에 적용되는 유기 반도체를 이용한 다이오드의 경우 고속응답, 높은 순방향전류, 낮은 턴-온 전압, 및 매우 낮은 역방향 누설전류 등의 특성이 필수적으로 요구된다 하겠다.Therefore, in the case of a diode using an organic semiconductor applied to RFID, characteristics such as high speed response, high forward current, low turn-on voltage, and very low reverse leakage current are essential.
이러한 특성 중 고속 응답과 높은 순방향 전류는 모두 다이오드를 구성하는반도체의 전하 이동도에 의해 제한될 수 있는데, 유기 반도체의 경우 결정질인 무기 반도체에 비해 훨씬 낮은 전하 이동도 값을 가지는 것이 일반적이다.Among these characteristics, both high-speed response and high forward current may be limited by the charge mobility of the semiconductor constituting the diode. In the case of the organic semiconductor, it is generally much lower than the crystalline inorganic semiconductor.
이와 같이 전하 이동도가 낮은 경우 전극과 반도체가 오믹(Ohmic) 접합을 이루어, 전극에서 반도체로의 원활한 전하 주입이 가능하더라도, 반도체에 흐를 수 있는 전류는 공간 전하(space charge) 효과에 의해 제한되는 현상이 발생한다.In this case, when the charge mobility is low, the electrode and the semiconductor make ohmic junctions, so that even if a smooth charge injection is possible from the electrode, the current that can flow through the semiconductor is limited by the space charge effect. Phenomenon occurs.
이를 공간전하 제한 전류(space-charge-limited current)라고 부르며, 공간전하 제한 전류의 전하 밀도 JSCLS는 아래의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.This is called a space-charge-limited current, and the charge density J SCLS of the space charge-limited current can be expressed by
여기에서, εr은 반도체 물질의 상대 유전상수, ε0은 진공의 유전상수, μ는 전하 이동도, 및 d는 소자의 반도체 물질 두께를 의미한다.Where ε r is the relative dielectric constant of the semiconductor material, ε 0 is the dielectric constant of the vacuum, μ is the charge mobility, and d is the thickness of the semiconductor material of the device.
수학식 1에서 알 수 있듯이 전하 밀도는 전하 이동도에 비례하며 전하 이동도를 높이는 방법 외의 전하 밀도를 높이는 방법으로 반도체 물질의 두께 d를 줄이거나 소자의 면적 자체를 넓히는 방법이 가능하다.As can be seen from
그러나, 반도체 물질의 두께를 줄이거나 소자의 면적 자체를 넓히는 방법의 경우 소자 자체의 유효 축전용량(Capacitance)을 높이므로 고속동작에 좋지 못하며, 소자가 얇아질 경우 낮은 역전압에서도 항복(Break-down) 현상이 발생될 수 있으므로 한계가 가지게 된다.However, the method of reducing the thickness of the semiconductor material or increasing the area of the device itself is not good for high speed operation because it increases the effective capacitance of the device itself, and when the device becomes thin, breakdown even at a low reverse voltage Phenomena can occur, so there is a limit.
또한, 공간전하에 의해 전류가 제한받기 전에는 전극에서 반도체로 주입되는 전하에 의해 영향을 받게 되는데, 전극/반도체 계면에서의 전하 재결합 가능성을 고려한 순주입 전류밀도(Net Injection Current Density) 또한 반도체의 전하 이동도에 비례한다.In addition, before the current is limited by the space charge, it is influenced by the charge injected into the semiconductor. The net injection current density considering the possibility of charge recombination at the electrode / semiconductor interface also affects the charge of the semiconductor. Proportional to mobility.
따라서, 전하주입에 의해 제한을 받는 낮은 동작 전압 영역의 경우와 공간전하에 제한을 받게 되는 비교적 높은 동작 전압 경우 모두에 있어, 전하 이동도가 높은 경우 더 높은 전류가 가능함을 알 수 있다.Thus, it can be seen that higher currents are possible when the charge mobility is high, both in the low operating voltage range limited by charge injection and in the relatively high operating voltage case limited by space charge.
종래에 전하 이동도를 향상시킨 유기 다이오드로써 현재까지 가장 높은 전하 이동도를 갖는 p-형 유기 반도체인 펜타신(Pentacene)을 기반으로 MIM(Metal/Insulator/Metal) 구조를 갖는 다이오드가 개발되었으며, 이를 이용하여 전파 식별 기술의 표준 캐리어 주파수의 하나인 13.56MH 신호에 대한 정류 가능한 회로를 구현하였으며, 상기와 같이 펜타신을 기반으로 한 MIM 구조를 갖는 다이오드의 경우 최대 0.15cm2V-1sec-1 수준의 전하 이동도가 측정되었다.Conventionally, as an organic diode having improved charge mobility, a diode having a MIM (Metal / Insulator / Metal) structure has been developed based on pentacene, a p-type organic semiconductor having the highest charge mobility to date. this was used to implement the commutation circuit for one of the possible 13.56MH signal of the standard carrier frequency of the RFID technology, in the case of a diode having a MIM structure to put penta-based as described above up to 0.15cm 2 V -1 sec -1 Level charge mobility was measured.
그러나, 상기와 같이 펜타신을 기반으로 한 MIM 구조의 다이오드의 전하 이동도 값은 동일한 펜타신에 기반한 박막 트랜지스터 소자 형태에서 측정되는 전하 이동도 값과 비교시에 1/10 정도에 불과한 값이 된다.However, as described above, the charge mobility value of the diode of the pentacin-based MIM structure is only about 1/10 when compared to the charge mobility value measured in the same pentacin-based thin film transistor element type.
이와 같이 박막 트랜지스터 소자와 비교시에 전하 이동도 값이 현저히 떨어지는 이유는, 트랜지스터 소자에서는 전하가 기판에 대하여 수평한 방향으로 이동하는 반면, MIM 구조를 갖는 다이오드의 경우에서는 전하가 기판에 대하여 수직한 방향으로 이동하게 되며 펜타신의 경우 결정 내의 펜타신 분자 배열과 펜타신의 비등방 형태 때문에 기판에 대하여 수직 방향의 전하이동도가 수평 방향의 전하 이동도에 비해 상대적으로 떨어지기 때문이다.The reason why the charge mobility value drops significantly in comparison with the thin film transistor element is that in the transistor element, the charge moves in a horizontal direction with respect to the substrate, whereas in the case of a diode having a MIM structure, the charge is perpendicular to the substrate. In the case of pentacin, because of the arrangement of pentacin molecules in the crystal and the anisotropic shape of pentacin, the charge mobility in the vertical direction with respect to the substrate is relatively lower than that in the horizontal direction.
따라서, 펜타신을 기반으로한 MIM 구조를 갖는 다이오드의 경우 상기와 같은 낮은 전하 이동도로 인해, 동작 전압 영역에서 공간전하에 제한된 전류에 이미 제한을 받았으며 따라서 충분한 전류를 얻기 위해서는 높은 동작전압이 요구되며, 부분적으로 낮은 전하 이동도와 계면에서의 에너지 장벽 등으로 인해 턴-온 전압도 상대적으로 높으며, 동작속도가 제한되고, 전력사용이 커지는 문제점이 있었다.Therefore, in the case of a diode having a pentacin-based MIM structure, due to the low charge mobility as described above, the limited current is limited to the space charge in the operating voltage region, and thus a high operating voltage is required to obtain sufficient current. The turn-on voltage is also relatively high due to low charge mobility and energy barrier at the interface, and the operation speed is limited and power usage is increased.
특히, 저전력 동작은 모든 전자기기에서 중요한 문제로 대두되고 있으며, 특히 휴대용 기기 등에선 필수 요건 중 하나이다. In particular, low-power operation has emerged as an important problem in all electronic devices, and is one of the essential requirements in portable devices.
무엇보다도, 전술한 바와 같은 저가 수동형 RFID 태그 회로에서의 파워소비가 제한됨은 물론 무선통신기술을 근본으로 하는 전파 식별 기술에서는 신호 대 잡음비 감소로 인한 무선 통신 불가능성을 잠재하고 있다.Above all, the power consumption in the low-cost passive RFID tag circuit as described above is limited, and in radio wave identification technology based on the radio communication technology, there is a potential for radio communication impossibility due to the reduction of the signal-to-noise ratio.
도 1은 MIM 형태 소자의 공간전하 전류밀도-전압 특성에 대한 그래프 이다.1 is a graph of space charge current density-voltage characteristics of a MIM type device.
이때, d=100nm, εr=3.5이며 (a)는 로그-로그 스케일에서 관찰되는 전하 이동도에 따른 공간전하 전류밀도(JSCLC)-전압(V) 특성 그래프, (b)는 선형 스케일에서 관찰되는 공간전하 전류밀도(JSCLC)-전압(V) 특성 그래프이다.At this time, d = 100nm, εr = 3.5, (a) is a graph of the space charge current density (J SCLC ) -voltage (V) characteristics according to the charge mobility observed on the log-log scale, (b) is observed on the linear scale This is a graph of space charge current density (J SCLC ) -voltage (V).
도 1에 도시된 바와 같이 전하 이동도의 크기에 따라 1.5V의 낮은 전압에서도 공간전하 전류밀도가 크게 증가하므로 MIM 구조에서도 높은 전하 이동도를 가질 수 있는 유기 다이오드의 개발이 요구된다 하겠다.As shown in FIG. 1, since the space charge current density increases greatly at a low voltage of 1.5V according to the magnitude of the charge mobility, it is required to develop an organic diode having high charge mobility even in the MIM structure.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 기판에 대하여 수직 방향으로도 높은 전하 이동도를 갖는 풀러린(Fullerene)을 반도체로 하고 이것이 p형 금속 산화물 반도체와 이루는 정류 접합을 통해, 높은 순방향 전류와 낮은 역방향 전류를 갖는 유기 다이오드를 제공하는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and has a fullerene (Fullerene) having a high charge mobility in the vertical direction with respect to the substrate as a semiconductor, and through the rectifying junction formed with a p-type metal oxide semiconductor, a high forward direction It is an object to provide an organic diode having a current and a low reverse current.
또한, 턴 온 전압을 최소화하여 전압강하를 줄임으로써 과도한 전력 소비를 줄일 수 있는 유기 다이오드를 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, it is an object of the present invention to provide an organic diode that can reduce the excessive power consumption by minimizing the turn-on voltage to reduce the voltage drop.
또한, 제조 과정에 있어서 일함수가 큰 귀금속을 사용하지 않으며 불필요한 도핑이나 열처리 공정이 요구되지 않아 제조 비용을 절감할 수 있는 유기 다이오드를 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, an object of the present invention is to provide an organic diode which does not use a precious metal having a large work function in the manufacturing process and does not require unnecessary doping or heat treatment processes, thereby reducing manufacturing costs.
또한, 항복 전압을 높여서 신뢰성을 갖는 유기 다이오드를 제공하는 것을 목적으로 한다.It is also an object of the present invention to provide an organic diode having high reliability by increasing the breakdown voltage.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 유기 다이오드는 기판 상부에 형성되며 풀러린(Fullerene)을 포함하는 전자 수송층, 상기 기판과 상기 전자 수송층 사이에 형성되며 상기 전자 수송층과 정류 접합이 이루어지는 제1 전극층, 및 상기 전자 수송층 상부에 형성되며 상기 전자 수송층과 오믹(Ohmic) 접합이 이루어지는 제2 전극층을 포함하는 것을 특징으로 한다.The organic diode according to the present invention for achieving the above object is formed on the substrate and an electron transport layer including a fullerene (Fullerene), a first electrode layer formed between the substrate and the electron transport layer and the rectifying junction with the electron transport layer, And a second electrode layer formed on the electron transport layer and forming an ohmic junction with the electron transport layer.
또한, 상기 제1 전극층은 상기 기판 상부에 형성되는 제1 전극판 및 상기 제1 전극판 상부에 형성되는 금속 산화물층을 포함할 수 있다.In addition, the first electrode layer may include a first electrode plate formed on the substrate and a metal oxide layer formed on the first electrode plate.
또한, 상기 제1 전극층은 상기 금속 산화물 상부에 형성되는 자기조립 단층(Self -Assembled Monolayer:SAM)을 더 포함할 수 있다.In addition, the first electrode layer may further include a self-assembled monolayer (SAM) formed on the metal oxide.
또한, 상기 금속 산화물층은 텅스텐 산화물, 몰리브덴 산화물, 바나디움 산화물, 또는 니켈 산화물 중 어느 하나를 포함하여 형성될 수 있다.In addition, the metal oxide layer may be formed including any one of tungsten oxide, molybdenum oxide, vanadium oxide, or nickel oxide.
또한, 상기 자기조립형 분자 단층은 HDMS(HexaMethylDiSilazane) 또는 ODS(OctaDecyltrimethoxySilane)일 수 있다.In addition, the self-assembled molecular monolayer may be HDMS (HexaMethylDiSilazane) or ODS (OctaDecyltrimethoxySilane).
또한, 상기 제2 전극층은 상기 전자 수송층 상부에 형성되는 버퍼층 및 상기 버퍼층 상부에 형성되는 제2 전극판을 포함할 수 있다.In addition, the second electrode layer may include a buffer layer formed on the electron transport layer and a second electrode plate formed on the buffer layer.
또한, 상기 제2 전극판은 칼슘, 마그네슘, 은, 또는 알루미늄 중 어느 하나를 포함하여 형성될 수 있다.In addition, the second electrode plate may include any one of calcium, magnesium, silver, and aluminum.
또한, 상기 버퍼층은 bathocuproine(BCP), bathophenanthroline(BPhen),8-hydroxyquinolatolithium (Liq), LiF, CsF, BaF2, CS2CO3, TiOx, ZnO 중 어느 하나를 포함하여 형성될 수 있다.In addition, the buffer layer may include any one of bathocuproine (BCP), bathophenanthroline (BPhen), 8-hydroxyquinolatolithium (Liq), LiF, CsF, BaF 2 , CS 2 CO 3 , TiO x , ZnO.
본 발명에 의하면 전하 수송층으로 풀러린을 사용함으로써 전하의 이동 방향이 기판에 대하여 수직 방향인 MIM 구조와 관계없이 높은 전하 이동도를 가지며 높은 전도도와 큰 일함수를 갖는 p형 금속 산화물 반도체로 형성되는 금속 산화물층과의 정류 접합이 이루어지므로 종래의 유기 다이오드와 비교시에 높은 순방향 전류와 매우 낮은 역방향 전류를 갖는 것이 가능한 효과를 갖는다.According to the present invention, by using fullerene as a charge transport layer, a metal formed of a p-type metal oxide semiconductor having high charge mobility and high conductivity and a large work function regardless of the MIM structure in which the charge transfer direction is perpendicular to the substrate Since the rectifying junction with the oxide layer is made, it is possible to have a high forward current and a very low reverse current as compared with the conventional organic diode.
또한, 유기 다이오드의 구동을 위한 턴 온 전압을 낮추는 것이 가능하므로 유기 다이오드가 적용되는 전자기기의 불필요한 전력 소비를 줄이는 것이 가능한 효과를 갖는다.In addition, since it is possible to lower the turn-on voltage for driving the organic diode, it is possible to reduce unnecessary power consumption of the electronic device to which the organic diode is applied.
또한, 유기 다이오드의 제조 과정 중 정류 접합을 위한 금속 산화물 층을 형성하는데 있어서 금 또는 백금과 같은 귀금속 대신 저가의 p형 금속 산화물을 사용 가능하며 별도의 도핑이나 열처리 공정이 필요 없으므로 저비용으로 유기 다이오드 를 제조하는 것이 가능한 효과를 갖는다.In addition, a low-cost p-type metal oxide may be used instead of a precious metal such as gold or platinum in forming a metal oxide layer for rectifying junctions during the manufacturing process of the organic diode, and an organic diode may be manufactured at low cost since no additional doping or heat treatment is required. It has the effect possible to manufacture.
또한, 유기 다이오드의 항복 전압을 높여서 신뢰성 높은 유기 다이오드를 제조하는 것이 가능한 효과를 갖는다.In addition, it is possible to manufacture a highly reliable organic diode by increasing the breakdown voltage of the organic diode.
도 1은 도 1은 MIM 형태 소자의 공간전하 전류밀도-전압 특성에 대한 그래프,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유기 다이오드의 단면도,
도 3은 도 2의 제1 전극층의 상세 단면도,
도 4는 도 2의 제2 전극층의 상세 단면도, 및
도 5와 도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유기 다이오드의 전압-전류밀도 특성에 대한 그래프이다.1 is a graph of the space charge current density-voltage characteristics of the MIM type device,
2 is a cross-sectional view of an organic diode according to a preferred embodiment of the present invention;
3 is a detailed cross-sectional view of the first electrode layer of FIG. 2;
4 is a detailed cross-sectional view of the second electrode layer of FIG. 2, and
5 and 6 are graphs showing the voltage-current density characteristics of the organic diode according to the preferred embodiment of the present invention.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 첨가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 실시될 수 있음은 물론이다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. First, in adding reference numerals to the components of each drawing, it should be noted that the same reference numerals are used as much as possible even if displayed on different drawings. In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear. In addition, preferred embodiments of the present invention will be described below, but the technical idea of the present invention may be implemented by those skilled in the art without being limited or limited thereto.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유기 다이오드의 단면도이다.2 is a cross-sectional view of an organic diode according to a preferred embodiment of the present invention.
도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유기 다이오드(1) 는 기판(10), 전자 수송층(20), 제1 전극층(30), 및 제2 전극층(40)을 포함한다.As shown in FIG. 2, the
기판(10)은 유기 다이오드(1)의 형성을 위해 구비되며, 전자 수송층(20)은 기판(10)의 상부에 형성되며 풀러린(Fullerene)을 포함한다.The
여기에서, 풀러린은 C60, C70과 같이 다수의 탄소 원자로 구성되는 분자이며,분자 구조 자체가 이방성이 없거나 거의 없어 운송 방향에 상관없이 전자의 전하 이동도가 높은 값을 보이는 유기 반도체이며, 전자 수송층(20)은 풀러린에 더하여 풀러린 유도체를 더 포함할 수 있다.Here, fullerene is a molecule composed of a plurality of carbon atoms, such as C 60 , C 70 , an organic semiconductor showing high charge mobility of electrons regardless of the transport direction because the molecular structure itself is rarely or anisotropic. The
제1 전극층(30)은 양전극부로써 기판(10)과 전자 수송층(20) 사이에 형성되며 전자 수송층(20)과의 정류 접합이 이루어진다.The
이때, 제1 전극층(30)의 상세 구조는 이하 도 3에서 설명하도록 한다.In this case, a detailed structure of the
제2 전극층(40)은 음전극부로써 전자 수송층(30) 상부에 형성되며 전자 수송층(20)과의 오믹(Ohmic) 접합이 이루어진다.The
이때, 제2 전극층(40)의 상세 구조는 이하 도 4에서 설명하도록 한다.In this case, the detailed structure of the
또한, 도 2에서는 제1 전극층(30)이 기판(10)과 전자 수송층(20) 사이에 형성되고 제2 전극층(40)이 전자 수송층(20) 상부에 형성되는 유기 다이오드(1)의 구조를 도시하였으나, 이는 실시예의 하나일뿐 제2 전극층(40)이 기판(10)과 전자 수송층(20) 사이에 형성되고 제1 전극층(30)이 전자 수송층(20) 상부에 형성되는 구성 또한 가능하다.In addition, in FIG. 2, the structure of the
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유기 다이오드(1)의 경우 수직 방향의 전도를 요하는 MIM(Metal/Insulator/Metal) 구조를 가지지만 전자 수송층(20)으로 운송 방향에 상관없이 전자의 전하 이동도가 높은 값을 보이는 풀러린과 풀러린 유도체를 사용함으로써 트랜지스터에서 구현되는 것과 동일한 수준의 높은 전하 이동도를 갖는 것이 가능하다.The
도 3은 도 2의 제1 전극층에 대한 상세 단면도이다.3 is a detailed cross-sectional view of the first electrode layer of FIG. 2.
도 3에 도시된 바와 같이 제1 전극층(30)은 기판(10) 상부에 형성되는 제1 전극판(32), 제1 전극판(32) 상부에 형성되는 금속 산화물층(34), 및 금속 산화물층(34) 상부에 형성되는 자기조립 단층(Self-Assembled Monolayer:SAM)(36)을 포함한다.As shown in FIG. 3, the
금속 산화물층(34)은 제1 전극판(32)과 전자 수송층(20) 사이에 형성되며 전자 수송층(20)과의 정류 접합이 용이하도록 전도도가 충분히 높고 일함수가 큰 p형 금속 산화물 반도체인 텅스텐 산화물(WO3), 몰리브덴 산화물(MoOx), 바나디움 산화물(V2O5), 니켈 산화물(NiOx) 중 어느 하나를 포함하여 형성될 수 있다.The
p-형 금속 반도체로 형성되는 금속 산화물층(34)은 그 일함수가, 풀러린에 정류접합을 이룰 수 있는 금이나 백금과 유사한 값을 가지므로, 금이나 백금을 이용하지 않고도 전자 수송층(20)에 정류접합을 형성할 수 있다.The
따라서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유기 다이오드(1)의 제작에 금 또는 백금과 같은 귀금속을 사용할 필요가 없으므로 제조 비용을 절감하는 것이 가능하다.Therefore, it is not necessary to use precious metals such as gold or platinum in the fabrication of the
자기조립 단층(36)은 금속 산화물층(34) 상부에 코팅의 형태로 형성되어 유기 다이오드(1)의 턴-온 전압을 낮춤으로써 보다 낮은 외부 전압에 의해서도 정류가 시작되어 종래에 사용되는 유기 다이오드와 비교시에 동일한 순방향 전압에서도 보다 높은 전류를 얻도록 하는 것이 가능하다.The self-assembled
금속 산화물층(34) 상부에 자기조립 단층(36)을 코팅할 시에 자기조립형 분자 단층(36)이 잘 흡착될 수 있도록, 자기조립 단층(36)의 코팅에 앞서서 금속 산화물층(34) 상부에 산소, 질소, 또는 아르곤 중 어느 하나로 이루어진 플라즈마 처리나 자외선 오존 처리를 하여 표면의 친수성을 도모하는 것이 가능하다.The
이때, 자기조립 단층(36)은 쌍극자 모멘트의 분자 구조를 갖고, 턴-온 전압의 강하가 제1 전극층(30)과 전자 수송층(20)간의 정류 접합이 유지되는 선에서 이루어지며, 금속 산화물층(32)과의 접착성이 우수하고, 상부에 형성되는 전자 수송층(20)의 박막 성장이 고르게 일어나도록 하기 위한 템플릿의 역할을 수행할 수 있는 Hexmethyldisilazane(HDMS) 또는 Octadecyltrimethoxysilane(ODS)로 형성되는 것이 바람직하다.At this time, the self-assembled
또한, 제1 전극판(32)은 제1 전극판(32) 상부에 형성되는 금속 산화물층(34)이 높은 전도도를 갖는 것을 고려하여 유기 다이오드(1)의 제작 비용 절감을 위해 알루미늄 또는 구리 중 어느 하나로 형성될 수 있다.In addition, the
도 4는 도2의 제2 전극층에 대한 상세 단면도이다.4 is a detailed cross-sectional view of the second electrode layer of FIG. 2.
도 4에 도시된 바와 같이 제2 전극층(40)은 전자 수송층(20) 상부에 형성되는 버퍼층(44) 및 버퍼층(44) 상부에 형성되는 제2 전극판(42)을 포함한다.As shown in FIG. 4, the
이때, 제2 전극층(40)은 전자 수송층(20)과 오믹(Ohmic) 접합이 이루어져야 하므로 제2 전극판(42)으로써 일함수가 전자 수송층(30)의 LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital) 보다 작거나, 큰 경우에도 그 차이가 1eV 이내일 수 있는 금속인 칼슘, 마그네슘, 은, 또는 알루미늄 중 어느 하나를 사용할 수 있다.In this case, since the
또한, 버퍼층(44)은 Bathocuproine(BCP), Bathophenanthroline(BPhen),8-hydroxyquinolatolithium(Liq)와 같은 유기반도체 층이나 LiF, CsF, BaF2, CS2CO3, TiOx, ZnO 중 어느 하나를 포함하여 이루어질 수 있다.In addition, the buffer layer 44 includes an organic semiconductor layer such as Bathocuproine (BCP), Bathophenanthroline (BPhen), or 8-hydroxyquinolatolithium (Liq), or any one of LiF, CsF, BaF 2 , CS 2 CO 3 , TiO x , and ZnO. It can be done by.
도 5와 도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유기 다이오드의 전압-전류밀도 특성에 대한 그래프이다.5 and 6 are graphs showing the voltage-current density characteristics of the organic diode according to the preferred embodiment of the present invention.
여기에서, 전자 수송층(20)은 100nm 두께의 C60을 사용하였고, 제1 전극판(32)은 알루미늄, 금속 산화물 층(34)은 20nm 두께의 텅스텐 산화물, 제2 전극판(42)은 알루미늄, 및 버퍼층(44)은 BCP를 사용하였다.Here, the
도 5에 도시된 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유기 다이오드(1)의 경우 정류비가 104 정도이고, 종래의 펜타신으로 제조된 유기 다이오드와 비교시에 턴-온 전압이 훨씬 적으며, 높은 전하이동도로 인해 공간전하에 제한된 특성도 보이지 않는 이상적인 다이오드 특성을 보인다.As shown in FIG. 5, in the
또한, 도 5의 그래프에서 점선 부분은 상기의 구성에서 금속 산화물 층(34)을 제외하여 구성한 유기 다이오드의 전압-전류밀도에 대한 그래프이며, 도 5의 실선 부분과 비교시에 역방향 전압에서 전류가 억제되며 정류 특성이 우수한 것을 확인할 수 있다.In addition, the dotted line in the graph of FIG. 5 is a graph of the voltage-current density of the organic diode configured by excluding the
또한, 도 6의 그래프에서 실선 부분은 상기의 구성에서 추가로 금속 산화물 층(34)에 공기 플라즈마 처리를 하고, 플라즈마 처리된 금속 산화물층(34) 상부에 자기조립 단층(36)을 형성한 경우의 전압-전류밀도 그래프이며, 자기조립 단층(36)이 없는 경우(도 6의 점선 부분)과 비교시에 유기 다이오드의 턴-온 전압이 더욱 낮아져 동일한 순방향 전압에서 더 높은 전류가 흐를 수 있는 것을 확인할 수 있다.In addition, in the graph of FIG. 6, the solid line portion further includes an air plasma treatment on the
본 발명의 유기 다이오드는 전자 수송층(20)으로 분자구조 자체의 이방성이 없거나 거의 없어 전하의 이동 방향과 관계없이 높은 전하 이동도를 가질 수 있는 풀러린을 사용함으로써 전하의 이동 방향이 기판에 대하여 수직 방향인 MIM 구조에서도 종래의 유기 다이오드와 비교시에 높은 순방향 전류와 매우 낮은 역방향 전류를 갖는 것이 가능한 효과를 갖는다.The organic diode of the present invention uses an
또한, 금속 산화물층(34) 상부에 자기조립 단층(36)을 형성함으로써 유기 다이오드의 구동을 위한 턴 온 전압을 낮추는 것이 가능하므로 유기 다이오드가 적용되는 전자기기의 불필요한 전력 소비를 줄이는 것이 가능한 효과를 갖는다.In addition, by forming the self-assembled
또한, 유기 다이오드의 제조 과정 중 전자 수송층(20)과의 정류 접합을 위한 금속 산화물층(34)을 형성하는데 있어서 금 또는 백금과 같은 귀금속 대신 저가의 p형 금속 산화물 반도체를 사용 가능하며 제조 과정에서 별도의 도핑이나 열처리 공정이 필요 없으므로 저비용으로 유기 다이오드 소자를 제조하는 것이 가능한 효과를 갖는다.In addition, in forming the
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경, 및 치환이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면들에 의해서 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구 범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The above description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and various modifications, changes, and substitutions may be made by those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention. It will be possible. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention and the accompanying drawings are intended to illustrate and not to limit the technical spirit of the present invention, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments and the accompanying drawings . The protection scope of the present invention should be interpreted by the following claims, and all technical ideas within the equivalent scope should be interpreted as being included in the scope of the present invention.
(1) : 유기 다이오드 (10) : 기판
(20) : 전자 수송층 (30) : 제1 전극층
(32) : 제1 전극판 (34) : 금속 산화물층
(36) : 자기조립 단층 (40) : 제2 전극층
(42) : 제2 전극판 (44) : 버퍼층(1): organic diode (10): substrate
20: electron transport layer 30: first electrode layer
(32): First electrode plate 34: Metal oxide layer
36: self-assembled monolayer 40: second electrode layer
42: second electrode plate 44: buffer layer
Claims (8)
상기 기판과 상기 전자 수송층 사이에 형성되며 상기 전자 수송층과 정류 접합이 이루어지는 제1 전극층; 및
상기 전자 수송층 상부에 형성되며 상기 전자 수송층과 오믹(Ohmic) 접합이 이루어지는 제2 전극층을 포함하고,
상기 제1 전극층은 상기 기판 상부에 형성되는 제1 전극판, 상기 제1 전극판 상부에 형성되는 금속 산화물층, 및 상기 금속 산화물층 상부에 형성되는 자기조립 단층(Self -Assembled Monolayer:SAM)을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 다이오드.An electron transport layer formed on the substrate and including fullerenes;
A first electrode layer formed between the substrate and the electron transport layer and configured to be rectified by the electron transport layer; And
A second electrode layer formed on the electron transport layer and configured to form an ohmic bond with the electron transport layer,
The first electrode layer may include a first electrode plate formed on the substrate, a metal oxide layer formed on the first electrode plate, and a self-assembled monolayer (SAM) formed on the metal oxide layer. An organic diode comprising a.
상기 금속 산화물층은 텅스텐 산화물, 몰리브덴 산화물, 바나디움 산화물, 또는 니켈 산화물 중 어느 하나를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 유기 다이오드.The method of claim 1,
The metal oxide layer is formed of an organic diode comprising any one of tungsten oxide, molybdenum oxide, vanadium oxide, or nickel oxide.
상기 자기조립 단층은 HDMS(HexaMethylDiSilazane) 또는 ODS(OctaDecyltrimethoxySilane)인 것을 특징으로 하는 유기 다이오드.The method of claim 1,
The self-assembled monolayer is an organic diode, characterized in that HDMS (HexaMethylDiSilazane) or ODS (OctaDecyltrimethoxySilane).
상기 제2 전극층은 상기 전자 수송층 상부에 형성되는 버퍼층 및 상기 버퍼층 상부에 형성되는 제2 전극판을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 다이오드.The method of claim 1,
And the second electrode layer includes a buffer layer formed on the electron transport layer and a second electrode plate formed on the buffer layer.
상기 제2 전극판은 칼슘, 마그네슘, 은, 또는 알루미늄 중 어느 하나를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 유기 다이오드.The method of claim 6,
The second electrode plate is formed of an organic diode comprising any one of calcium, magnesium, silver, or aluminum.
상기 버퍼층은 bathocuproine(BCP), bathophenanthroline(BPhen),8-hydroxyquinolatolithium (Liq), LiF, CsF, BaF2, CS2CO3, TiOx, ZnO 중 어느 하나를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 유기 다이오드.The method of claim 6,
The buffer layer is an organic diode comprising any one of bathocuproine (BCP), bathophenanthroline (BPhen), 8-hydroxyquinolatolithium (Liq), LiF, CsF, BaF 2 , CS 2 CO 3 , TiO x , ZnO .
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