KR101124545B1 - Organic thin film transistor and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 게이트 전극, 상기 게이트 전극과 중첩하며 제1 유기 반도체 물질을 포함하는 유기 반도체, 상기 게이트 전극과 상기 유기 반도체 사이에 위치하는 게이트 절연막, 그리고 상기 유기 반도체와 전기적으로 연결되어 있는 소스 전극 및 드레인 전극을 포함하고, 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극은 제2 유기 반도체 물질로 표면 처리되어 있는 유기 박막 트랜지스터 및 그 제조 방법에 관한 것이다. The present invention provides a gate electrode, an organic semiconductor overlapping the gate electrode and including a first organic semiconductor material, a gate insulating layer positioned between the gate electrode and the organic semiconductor, and a source electrode electrically connected to the organic semiconductor; An organic thin film transistor comprising a drain electrode, wherein the source electrode and the drain electrode are surface treated with a second organic semiconductor material, and a method of manufacturing the same.
유기 박막 트랜지스터, 유기 반도체, 표면 처리, 접촉 저항 Organic thin film transistor, organic semiconductor, surface treatment, contact resistance
Description
본 발명은 유기 박막 트랜지스터 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an organic thin film transistor and a method of manufacturing the same.
차세대 표시 장치의 구동 소자로서 유기 박막 트랜지스터(organic thin film transistor, O-TFT)에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.Research into organic thin film transistors (O-TFTs) has been actively conducted as driving elements of next generation display devices.
유기 박막 트랜지스터는 박막 트랜지스터를 이루는 반도체를 기존의 규소(Si)와 같은 무기 물질 대신 유기 물질로 바꾸어 형성한 것으로, 저온에서 단일 공정으로 제작 가능하기 때문에 공정상 이점이 크고 섬유(fiber) 또는 필름(film)과 같은 형태로 제작 가능하기 때문에 가요성 표시 장치(flexible display)의 핵심 소자로 주목받고 있다.The organic thin film transistor is formed by converting a semiconductor constituting the thin film transistor into an organic material instead of an inorganic material such as silicon (Si). Since the organic thin film transistor can be manufactured in a single process at low temperature, it has a large process advantage and a fiber or film ( Since it can be manufactured in a film-like form, it is attracting attention as a core element of a flexible display.
이러한 유기 박막 트랜지스터가 매트릭스(matrix) 형태로 배열되어 있는 유기 박막 트랜지스터 표시판은 기존의 박막 트랜지스터 표시판과 비교하여 구조 및 제조 방법에 있어서 많은 차이가 있다.The organic thin film transistor array panel in which the organic thin film transistors are arranged in a matrix form has many differences in structure and manufacturing method compared with the conventional thin film transistor array panel.
특히 유기 반도체는 규소와 달리 유기 물질로 만들어지므로 금속 따위의 무기 도전체로 만들어진 전극과 에너지 준위 차이가 크다. 이에 따라 유기 반도체와 전극 사이의 에너지 장벽(energy barrier)이 커져 전하 이동이 방해되어 박막 트랜지스터 특성이 저하될 수 있다.In particular, since the organic semiconductor is made of an organic material unlike silicon, the energy level is different from the electrode made of an inorganic conductor such as metal. As a result, an energy barrier between the organic semiconductor and the electrode may increase, which hinders charge transfer, thereby degrading thin film transistor characteristics.
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 유기 반도체와 전극 사이에 에너지 장벽을 줄여 박막 트랜지스터 특성을 개선하는 것이다.Therefore, the problem to be solved by the present invention is to improve the thin film transistor characteristics by reducing the energy barrier between the organic semiconductor and the electrode.
본 발명의 한 실시예에 따른 유기 박막 트랜지스터는 게이트 전극, 상기 게이트 전극과 중첩하며 제1 유기 반도체 물질을 포함하는 유기 반도체, 상기 게이트 전극과 상기 유기 반도체 사이에 위치하는 게이트 절연막, 그리고 상기 유기 반도체와 전기적으로 연결되어 있는 소스 전극 및 드레인 전극을 포함하고, 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극은 제2 유기 반도체 물질로 표면 처리되어 있다.An organic thin film transistor according to an exemplary embodiment of the present invention includes a gate electrode, an organic semiconductor overlapping the gate electrode and including a first organic semiconductor material, a gate insulating layer positioned between the gate electrode and the organic semiconductor, and the organic semiconductor. And a source electrode and a drain electrode electrically connected to each other, wherein the source electrode and the drain electrode are surface treated with a second organic semiconductor material.
상기 유기 반도체와 상기 표면 처리된 소스 전극 사이의 에너지 준위 차이 및 상기 유기 반도체와 상기 표면 처리된 드레인 전극의 에너지 준위 차이는 각각 0.4eV 이하일 수 있다.The energy level difference between the organic semiconductor and the surface treated source electrode and the energy level difference between the organic semiconductor and the surface treated drain electrode may be 0.4 eV or less, respectively.
상기 제1 유기 반도체 물질 및 상기 제2 유기 반도체 물질은 각각 테트라센, 나프탈렌, 안트라센, 펜탄센, 티오펜, 티올안트라센, 티올펜탄센, 6,13-비스(트리이소프로필실릴에티닐)펜타센(6,13-bis(triisopropylsilylethynyl)pentacene, TIPS 펜타센), 트리스(8-옥소퀴놀라토)알루미늄(Alq3), 2,9-디메틸-4,7-디페닐-1,10-페난트롤린(2,9-dimethyl-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline, BCP), 바소페난트롤 린(bathophenanthroline, Bphen) 및 이들의 유도체에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.The first organic semiconductor material and the second organic semiconductor material are tetracene, naphthalene, anthracene, pentanecene, thiophene, thiolanthracene, thiolpentanecene, 6,13-bis (triisopropylsilylethynyl) pentacene, respectively. (6,13-bis (triisopropylsilylethynyl) pentacene, TIPS pentacene), tris (8-oxoquinolato) aluminum (Alq3), 2,9-dimethyl-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline (2,9-dimethyl-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline (BCP), at least one selected from bathophenanthroline (Bphen) and derivatives thereof.
상기 제2 유기 반도체 물질은 에너지 준위 조절 치환기를 가질 수 있다.The second organic semiconductor material may have an energy level control substituent.
상기 에너지 준위 조절 치환기는 친전자성 작용기를 포함할 수 있다.The energy level controlling substituent may include an electrophilic functional group.
상기 제1 유기 반도체 물질과 상기 제2 유기 반도체 물질은 동일한 물질일 수 있다.The first organic semiconductor material and the second organic semiconductor material may be the same material.
상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극은 금(Au), 은(Ag), 니켈(Ni), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 탄탈늄(Ta), ITO 및 IZO 중에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.The source electrode and the drain electrode may include gold (Au), silver (Ag), nickel (Ni), copper (Cu), aluminum (Al), molybdenum (Mo), chromium (Cr), nickel (Ni), and titanium ( Ti), tantalum (Ta), ITO, and at least one selected from IZO.
상기 게이트 절연막은 유기 절연 물질을 포함할 수 있다.The gate insulating layer may include an organic insulating material.
본 발명의 한 실시예에 따른 유기 박막 트랜지스터의 제조 방법은 기판 위에 게이트 전극을 형성하는 단계, 상기 게이트 전극 위에 게이트 절연막을 형성하는 단계, 상기 게이트 절연막 위에 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 단계, 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극을 유기 반도체 물질로 표면 처리하는 단계, 그리고 상기 표면 처리된 소스 전극 및 드레인 전극 위에 유기 반도체를 형성하는 단계를 포함한다.In the method of manufacturing an organic thin film transistor according to an embodiment of the present invention, forming a gate electrode on a substrate, forming a gate insulating film on the gate electrode, forming a source electrode and a drain electrode on the gate insulating film, Surface treating the source electrode and the drain electrode with an organic semiconductor material, and forming an organic semiconductor on the surface treated source electrode and the drain electrode.
상기 표면 처리하는 단계는 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극 표면에 상기 유기 반도체 물질을 전기 화학적 방법으로 코팅할 수 있다.The surface treatment may include coating the organic semiconductor material on the surface of the source electrode and the drain electrode by an electrochemical method.
상기 유기 반도체와 상기 표면 처리된 소스 전극 사이의 에너지 준위 차이 및 상기 유기 반도체와 상기 표면 처리된 드레인 전극 사이의 에너지 준위 차이는 0.4eV 이하일 수 있다.The energy level difference between the organic semiconductor and the surface treated source electrode and the energy level difference between the organic semiconductor and the surface treated drain electrode may be 0.4 eV or less.
상기 유기 반도체는 상기 표면 처리하는 단계에서 사용된 유기 반도체 물질과 동일한 물질을 포함할 수 있다.The organic semiconductor may include the same material as the organic semiconductor material used in the surface treatment.
전극 표면을 유기 반도체 물질로 표면 처리함으로써 전극과 유기 반도체 사이의 에너지 준위를 동일하거나 유사하도록 하여 전하의 이동도를 높일 수 있다. 또한 표면 처리된 유기 반도체 물질에 치환기를 바꿈으로써 유기 반도체에 도핑 효과를 주어 저항성 접촉층 역할을 하여 접촉 저항을 낮출 수 있다.By surface-treating the electrode surface with an organic semiconductor material, the mobility of charge can be increased by making the energy level between the electrode and the organic semiconductor the same or similar. In addition, by changing the substituent on the surface-treated organic semiconductor material can give a doping effect to the organic semiconductor to act as a resistive contact layer to lower the contact resistance.
또한 전극 표면의 유기 반도체 물질이 스태킹(stacking) 구조로 성막되기 때문에 그 위에 형성되는 유기 반도체 또한 유기 반도체 물질 위에서 동일한 구조로 유도되어 동일한 결정 구조로 유도될 수 있어서 전극과 유기 반도체 사이의 전하 이동도를 높일 수 있다. In addition, since the organic semiconductor material on the surface of the electrode is formed into a stacking structure, the organic semiconductor formed thereon can also be led to the same structure on the organic semiconductor material, leading to the same crystal structure. Can increase.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부 분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.In the drawings, the thickness of layers, films, panels, regions, etc., are exaggerated for clarity. Like parts are designated by like reference numerals throughout the specification. When a part of a layer, film, region, plate, etc. is said to be "on" another part, this includes not only the other part being "right over" but also another part in the middle. On the contrary, when a part is "just above" another part, there is no other part in the middle.
그러면 도 1을 참고하여 본 발명의 한 실시예에 따른 유기 박막 트랜지스터에 대하여 설명한다.Next, an organic thin film transistor according to an exemplary embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 1.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 유기 박막 트랜지스터의 단면도이다.1 is a cross-sectional view of an organic thin film transistor according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 1을 참고하면, 유리, 플라스틱 또는 규소 따위로 만들어진 기판(101) 위에 게이트 전극(102)이 형성되어 있다. 게이트 전극(102)은 기판(101)의 어느 한 방향을 따라 뻗어 있는 게이트선(도시하지 않음)과 연결되어 있으며 게이트 신호를 인가받는다.Referring to FIG. 1, a
게이트 전극(102) 위에는 게이트 절연막(103)이 형성되어 있다. 게이트 절연막(103)은 무기 절연 물질 또는 유기 절연 물질로 만들어질 수 있으며, 이 중에서 폴리비닐페놀(poly vinyl phenol, PVP), 폴리이미드(polyimide) 및 이들의 유도체 따위의 유기 절연 물질이 바람직하다.The
게이트 절연막(103) 위에는 소스 전극(104) 및 드레인 전극(105)이 형성되어 있다. 소스 전극(104) 및 드레인 전극(105)은 게이트 전극(102)을 중심으로 소정 간격을 두고 마주하고 있다.The
소스 전극(104)은 게이트선과 교차하는 방향으로 형성되어 있는 데이터선(도시하지 않음)과 연결되어 있으며 데이터 신호를 인가받는다. 드레인 전극(105)은 데이터선과 분리되어 있으며 섬형이다. The
소스 전극(104)과 드레인 전극(105)은 금(Au), 은(Ag), 니켈(Ni), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 탄탈늄(Ta) 및 이들의 합금 따위의 금속 또는 ITO 및 IZO 따위의 도전성 산화물 중에서 선택된 적어도 하나를 포함한다.The
소스 전극(104)의 표면(104') 및 드레인 전극(105)의 표면(105')은 각각 유기 반도체 물질로 표면 처리되어 있다. 이는 후술하는 유기 반도체(106)와의 에너지 준위 차이를 줄이기 위한 것으로, 소스 전극(104)과 유기 반도체(106) 사이 및 드레인 전극(105)과 유기 반도체(106) 사이에서 저항성 접촉층(ohmic contact) 역할을 한다. 이에 대해서는 후술한다.The surface 104 'of the
유기 반도체 물질은 p형 반도체 물질 또는 n형 반도체 물질일 수 있으며, p형 유기 반도체 물질로는 예컨대 테트라센, 나프탈렌, 안트라센, 펜탄센, 티오펜, 티안트라센, 티올펜탄센, 6,13-비스(트리이소프로필실릴에티닐)펜타센(6,13-bis(triisopropylsilylethynyl)pentacene, TIPS 펜타센), 이들의 중합체 및 이들의 유도체 따위를 들 수 있으며, n형 반도체 물질로는 예컨대 트리스(8-옥소퀴놀라토)알루미늄(Alq3), 2,9-디메틸-4,7-디페닐-1,10-페난트롤린(2,9-dimethyl-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline, BCP), 바소페난트롤린(bathophenanthroline, Bphen), 이들의 중합체 및 이들의 유도체 따위를 들 수 있으며 이들 중에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. The organic semiconductor material may be a p-type semiconductor material or an n-type semiconductor material, and the p-type organic semiconductor material may be, for example, tetracene, naphthalene, anthracene, pentanecene, thiophene, thianthracene, thiolpentanecene, 6,13-bis (Triisopropylsilylethynyl) pentacene (6,13-bis (triisopropylsilylethynyl) pentacene, TIPS pentacene), polymers thereof and derivatives thereof, and the like, and n-type semiconductor materials, for example, tris (8- Oxoquinolato) aluminum (Alq3), 2,9-dimethyl-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline (2,9-dimethyl-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline, BCP ), Bashophenanthroline (bathphenanthroline, Bphen), polymers thereof and derivatives thereof, and the like, and may include one or more selected from these.
또한 상술한 화합물에 티오펜계 화합물 따위의 용해성 치환기를 결합한 유기 반도체 물질을 사용함으로써 용해성(solubility)을 높일 수 있으며, 상술한 화합물 에 친전자성 치환기 또는 친핵성 치환기를 결합한 유기 반도체 물질을 사용함으로써 유기 반도체에 도핑 효과를 부여할 수 있다.In addition, by using an organic semiconductor material in which a soluble substituent such as a thiophene compound is bonded to the above-described compound, solubility can be enhanced, and by using an organic semiconductor material in which an electrophilic substituent or a nucleophilic substituent is bonded to the above-mentioned compound. The doping effect can be imparted to the organic semiconductor.
예컨대 하기 화학식 1 및 화학식 2와 같이 안트라센 또는 펜타센에 티오펜 치환기를 결합하고 치환기의 측쇄 방향(R1)에 불소(F-), 염소(Cl-), 브롬(Br-) 따위의 친전자성 치환기를 결합한 유기 반도체 물질을 사용할 수 있다. For example, combining the thiophene substituents on anthracene or pentacene, as shown in formulas (1) and formula (2) and fluorine (F -) in the side chain direction (R 1) of the substituent (s), chlorine (Cl -), bromine (Br -) electrophilic of something The organic semiconductor material which combined the sex substituent can be used.
여기서 n은 1 내지 10이고 R1은 알킬기 또는 알콕시기이다.Wherein n is 1 to 10 and R 1 is an alkyl group or an alkoxy group.
소스 전극(104) 및 드레인 전극(105) 위에는 유기 반도체(106)가 형성되어 있다. The
유기 반도체(106)는 p형 반도체 물질 또는 n형 반도체 물질일 수 있으며, p형 유기 반도체 물질로는 예컨대 테트라센, 나프탈렌, 안트라센, 펜탄센, 티오펜, 티올안트라센, 티올펜탄센, 6,13-비스(트리이소프로필실릴에티닐)펜타센 및 이들의 유도체 따위를 들 수 있으며, n형 반도체 물질로는 예컨대 트리스(8-옥소퀴놀라토)알루미늄(Alq3), 2,9-디메틸-4,7-디페닐-1,10-페난트롤린, 바소페난트롤린 및 이들의 유도체 따위를 들 수 있으며, 이들 중에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. The
유기 반도체(106)는 소스 전극(104) 및 드레인 전극(105)에 표면 처리되어 있는 유기 반도체 물질과 동일한 물질일 수도 있고 다른 물질일 수도 있다. The
그러면 상술한 유기 박막 트랜지스터에서 유기 반도체(106)와 소스 전극(104)/드레인 전극(105) 사이의 전하 이동에 대하여 도 1 및 도 2를 참고하여 설명한다. Next, the charge transfer between the
도 2a는 본 발명의 한 실시예에 따른 p형의 유기 박막 트랜지스터에서 유기 반도체와 전극 사이의 에너지 준위를 보여주는 개략도이고, 도 2b는 본 발명의 한 실시예에 따른 n형의 유기 박막 트랜지스터에서 유기 반도체와 전극 사이의 에너지 준위를 보여주는 개략도이다.FIG. 2A is a schematic view illustrating an energy level between an organic semiconductor and an electrode in a p-type organic thin film transistor according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2B is an organic diagram of an n-type organic thin film transistor according to an embodiment of the present invention. A schematic diagram showing energy levels between a semiconductor and an electrode.
상술한 바와 같이, 본 발명의 한 실시예에 따른 유기 박막 트랜지스터는 유기 반도체 물질로 각각 표면 처리된 소스 전극(104) 및 드레인 전극(105)을 포함한다. 이와 같이 소스 전극(104)과 드레인 전극(105)을 유기 반도체 물질로 표면 처리하는 경우, 소스 전극(104)과 드레인 전극(105)의 표면(104', 105')에서 유효 일함수(effective work function)를 유기 반도체(106)의 에너지 준위와 일치시키거나 그 에너지 차이를 0.4eV 이하로 줄일 수 있다. As described above, the organic thin film transistor according to the exemplary embodiment of the present invention includes a
일반적으로 p형 반도체인 경우 전극의 유효 일함수와 유기 반도체의 HOMO 준 위의 차이가 작을수록 에너지 장벽이 낮아 정공(hole)의 이동이 용이하며, n형 반도체인 경우 전극의 유효 일함수와 유기 반도체의 LUMO 준위의 차이가 작을수록 에너지 장벽이 낮아 전자(electron)의 이동이 용이하다.In general, the smaller the difference between the effective work function of the electrode and the HOMO level of the organic semiconductor in the case of the p-type semiconductor, the easier the movement of holes due to the lower energy barrier.In the case of the n-type semiconductor, the effective work function of the electrode and the organic The smaller the difference in the LUMO level of the semiconductor, the lower the energy barrier and the easier the movement of electrons.
도 2a에서는, p형의 유기 박막 트랜지스터에서 소스 전극(104) 및 드레인 전극(105)은 일 함수(Φ(S), Φ(D))가 약 4.2eV인 몰리브덴(Mo)을 포함하며 유기 반도체(106)는 약 2.9eV의 LUMO(lowest unoccupied molecular orbital) 준위와 약 5.0eV의 HOMO(highest occupied molecular orbital) 준위를 가지는 펜타센을 예로 들어 설명한다. 또한 소스 전극(104) 및 드레인 전극(105)은 유기 반도체(106)와 동일한 물질인 펜타센으로 표면 처리되어 있다.In FIG. 2A, in the p-type organic thin film transistor, the
도 1 및 도 2a를 참고하면, 소스 전극(104) 및 드레인 전극(105)이 유기 반도체(106)와 동일한 펜타센으로 표면 처리된 경우, 유기 반도체(106)와 접하는 소스 전극(104) 및 드레인 전극(105)의 표면(104', 105')은 유기 반도체(106)의 HOMO 준위와 실질적으로 동일한 약 5.0eV의 유효 일함수((Φ'(S), Φ'(D))를 나타냄으로써 소스 전극(104)의 표면(104')과 유기 반도체(106) 사이 및 유기 반도체(106)와 드레인 전극(105)의 표면(105') 사이에는 에너지 장벽이 실질적으로 존재하지 않음을 알 수 있다. 따라서 소스 전극(104)에서 유기 반도체(106)로, 유기 반도체(106)에서 드레인 전극(105)으로 정공이 용이하게 이동할 수 있음을 알 수 있다. 마찬가지로, 도 2b에서는, n형의 유기 박막 트랜지스터에서 소스 전극(104) 및 드레인 전극(105)는 일 함수(Φ(S), Φ(D))가 약 4.2eV인 몰리브덴(Mo)을 포함하며 유기 반도체(106)는 소정의 HOMO 준위 및 LUMO 준위를 가지는 n형 유기 반도 체 물질을 가진다. 또한 소스 전극(104) 및 드레인 전극(105)의 표면(104', 105')은 유기 반도체(106)를 이루는 물질과 동일한 물질로 표면 처리되어 있다.1 and 2A, when the
도 1 및 도 2b를 참고하면, n형의 유기 박막 트랜지스터에서 소스 전극(104) 및 드레인 전극(105)이 유기 반도체(106)와 동일한 유기 반도체 물질로 표면 처리된 경우, 유기 반도체(106)와 접하는 소스 전극(104) 및 드레인 전극(105)의 표면(104', 105')은 유기 반도체(106)의 LUMO 준위와 실질적으로 동일한 유효 일함수((Φ'(S), Φ'(D))를 나타낼 수 있고 이에 따라 소스 전극(104)의 표면(104')과 유기 반도체(106) 사이 및 유기 반도체(106)와 드레인 전극(105)의 표면(105') 사이에는 에너지 장벽이 실질적으로 존재하지 않게 된다. 따라서 소스 전극(104)에서 유기 반도체(106)로, 유기 반도체(106)에서 드레인 전극(105)으로 전자가 용이하게 이동할 수 있음을 알 수 있다.1 and 2B, when the
여기서는 소스 전극(104) 및 드레인 전극(105)의 표면(104', 105')이 유기 반도체(106)와 동일한 물질로 표면 처리된 경우를 예로 들어 설명하였기 때문에 에너지 장벽이 실질적으로 존재하지 않았지만, 표면 처리된 유기 반도체 물질과 유기 반도체(106)와 다른 물질인 경우라도 그 에너지 준위 차이가 약 0.4eV 이하인 경우 에너지 장벽을 충분히 낮출 수 있으므로 가능하다.Here, since the surfaces 104 'and 105' of the
표면 처리된 유기 반도체 물질과 유기 반도체(106)가 다른 물질인 경우에는 상기 나열한 유기 반도체 물질에 친전자성 치환기 또는 친핵성 치환기를 결합함으로써 유기 반도체에 도핑 효과를 부여할 수 있다. 이 경우 유기 반도체의 도핑 효과에 의해 유효 일함수(Φ'(S), Φ'(D))가 조절될 수 있기 때문에 유기 반도 체(106)와의 에너지 준위를 최대한 가깝게 조절할 수 있다.When the surface-treated organic semiconductor material and the
한편 상술한 바와 같이 소스 전극(104) 및 드레인 전극(105)을 유기 반도체 물질로 표면 처리한 후 그 위에 유기 반도체(106)를 형성하는 경우, 전극 표면(104', 105')의 유기 반도체 물질이 스태킹(stacking) 구조로 성막되기 때문에 그 위에 형성되는 유기 반도체(106) 또한 유기 반도체 물질 위에서 동일한 구조로 유도되어 동일한 결정 구조로 형성될 수 있다. 이는 스태킹 구조에 의해 평면 모양의 벤젠 고리들이 페이스 투 페이스(face-to-face)의 형태로 파이-파이(π-π) 스태킹 구조를 이루기 때문에 그 위에 형성되는 유기 반도체(106) 또한 파이-파이 스태킹 구조로 유도할 수 있고 이에 따라 소스 전극(104)에서 유기 반도체(106)를 통해 드레인 전극(105)으로 전하 이동도를 높일 수 있다.On the other hand, in the case where the
상술한 본 발명의 실시예를 도 3 내지 도 5의 비교예와 비교하여 살펴볼 수 있다.An embodiment of the present invention described above may be compared with the comparative example of FIGS. 3 to 5.
도 3의 (a)는 소스 전극 및 드레인 전극이 모두 표면 처리되지 않은 기존의 유기 박막 트랜지스터의 단면도이고, 도 3의 (b)는 도 3의 (a)의 유기 박막 트랜지스터에서 유기 반도체와 전극 사이의 에너지 준위를 보여주는 개략도이고, 도 4의 (a)는 소스 전극만 표면 처리된 유기 박막 트랜지스터의 단면도이고, 도 4의 (b)는 도 4의 (a)의 유기 박막 트랜지스터에서 유기 반도체와 전극 사이의 에너지 준위를 보여주는 개략도이고, 도 5의 (a)는 드레인 전극만 표면 처리된 유기 박막 트랜지스터의 단면도이고, 도 5의 (b)는 도 5의 (a)의 유기 박막 트랜지스터에서 유기 반도체와 전극 사이의 에너지 준위를 보여주는 개략도이다.FIG. 3A is a cross-sectional view of a conventional organic thin film transistor in which both a source electrode and a drain electrode are not surface treated, and FIG. 3B is a cross-sectional view of the organic thin film transistor of FIG. 4A is a cross-sectional view of an organic thin film transistor in which only a source electrode is surface treated, and FIG. 4B is an organic semiconductor and an electrode in the organic thin film transistor of FIG. 5A is a cross-sectional view of an organic thin film transistor having only a drain electrode surface treated, and FIG. 5B is a cross-sectional view of an organic semiconductor in FIG. 5A. Schematic showing energy levels between electrodes.
도 3 내지 도 5에서는 도 2(a)와 마찬가지로 p형 유기 박막 트랜지스터를 예로 들었다.3 to 5 illustrate p-type organic thin film transistors as in FIG. 2A.
도 3을 참고하면, 소스 전극(104) 및 드레인 전극(105)의 일 함수(Φ(S), Φ(D))는 약 4.2eV이고 소스 전극(104) 및 드레인 전극(105)이 표면 처리되지 않았으므로 소스 전극(104) 및 드레인 전극(105)의 표면에서 유효 일함수(Φ'(S), Φ'(D)) 또한 약 4.2eV이다. 한편 유기 반도체(106)의 HOMO 준위는 약 5.0eV이므로, 소스 전극(104)과 유기 반도체(106) 사이 및 유기 반도체(106)와 드레인 전극(105) 사이에는 각각 약 0.8eV의 에너지 장벽(L)이 존재한다. Referring to FIG. 3, the work functions Φ (S) and Φ (D) of the
한편 도 4를 참고하면, 소스 전극(104)의 표면(104')에만 유기 반도체 물질로 표면 처리한 경우, 소스 전극(104)과 유기 반도체(106) 사이에는 에너지 장벽이 거의 존재하지 않으므로 소스 전극(104)에서 유기 반도체(106)로 정공들이 용이하게 이동할 수 있다. 반면 드레인 전극(105)의 표면(105')은 유기 반도체 물질로 표면 처리되지 않았으므로 상술한 비교예와 마찬가지로 유기 반도체(106)와 드레인 전극(105) 사이에는 약 0.8eV의 에너지 장벽(L)이 존재한다. 이 경우 본 발명의 실시예만큼 전하 이동도가 높아지지는 않지만 소스 전극(104)에서 유기 반도체(105)로 이동하는 전하 이동도는 어느 정도 높아졌으므로 상술한 비교예에 비해서 전하 이동도가 개선되었다. Meanwhile, referring to FIG. 4, when only the
한편, 도 5를 참고하면, 드레인 전극(105)의 표면(105')에만 유기 반도체 물질로 표면 처리한 경우, 정공을 방출하는 소스 전극(104)과 유기 반도체(106) 사이에 이미 약 0.8eV의 에너지 장벽이 존재하기 때문에 소스 전극(104)에서 유기 반도 체(106)로 방출되는 정공의 갯수가 적다. 따라서 소스 전극(104), 유기 반도체(106) 및 드레인 전극(105)을 통하여 이동하는 정공의 갯수가 줄어든다.Meanwhile, referring to FIG. 5, when surface treatment is performed only on the
이러한 결과는 도 6을 참고하여 확인할 수 있다. This result can be confirmed with reference to FIG. 6.
도 6은 도 3 내지 도 5의 유기 박막 트랜지스터의 전류 특성을 보여주는 그래프이다.6 is a graph illustrating current characteristics of the organic thin film transistor of FIGS. 3 to 5.
도 6에서, 'A'는 소스 전극(104)과 드레인 전극(105) 모두에 표면 처리를 하지 않은 경우의 전류 특성을 나타내고, 'B'는 소스 전극(104)에만 표면 처리를 하고 드레인 전극(105)에는 표면 처리를 하지 않은 경우의 전류 특성을 나타내고, 'C'는 드레인 전극(105)에만 표면 처리를 하고 소스 전극(104)에는 표면 처리를 하지 않은 경우에 전류 특성을 나타낸다. In FIG. 6, 'A' represents current characteristics when both the
도 6을 참고하여 전하 이동도를 계산해보면, 소스 전극(104) 및 드레인 전극(105) 모두에 표면 처리를 하지 않은 경우(A), 소스 전극(104)만 표면 처리된 경우(B) 및 드레인 전극(105)만 표면 처리된 경우(C)의 전하 이동도는 각각 약 0.005㎠/Vs, 약 0.002㎠/Vs 및 약 0.00005㎠/Vs로 측정되었다.Referring to FIG. 6, when the charge mobility is calculated, when both the
여기서 보는 바와 같이, 전류 특성은 소스 전극(104)에만 표면 처리한 경우(B)에 가장 우수하고, 드레인 전극(105)에만 표면 처리한 경우(C)에는 소스 전극(104) 및 드레인 전극(105) 모두에 표면 처리하지 않은 경우(A)보다 오히려 전류 특성이 떨어짐을 알 수 있다. As shown here, the current characteristics are best when the surface treatment is performed only on the source electrode 104 (B), and when the surface treatment is performed only on the drain electrode 105 (C), the
이는 양방향 전류를 인가하는 경우 반대의 결과를 가져오므로, 실제로는 상술한 본 발명의 실시예와 같이 소스 전극(104)과 드레인 전극(105) 모두에 유기 반 도체 물질로 표면 처리하는 것이 가장 바람직하다.This has the opposite effect when a bidirectional current is applied, so in practice it is most desirable to surface treat the organic semiconductor material on both the
그러면 도 1에 도시한 유기 박막 트랜지스터의 제조 방법에 대하여 설명한다.Next, the manufacturing method of the organic thin film transistor shown in FIG. 1 is demonstrated.
먼저 기판(101) 위에 도전층을 적층하고 사진 식각하여 게이트 전극(102)을 포함하는 게이트선(도시하지 않음)을 형성한다.First, a conductive layer is stacked on the
다음 게이트선 및 기판(101) 위에 폴리비닐페놀 따위의 유기 절연 물질을 형성하여 게이트 절연막(103)을 형성한다.Next, an organic insulating material such as polyvinylphenol is formed on the gate line and the
다음 게이트 절연막(30) 위에 도전층을 적층하고 사진 식각하여 소스 전극(104)을 포함하는 데이터선(도시하지 않음)과 그와 떨어져 있는 드레인 전극(105)을 형성한다.Next, a conductive layer is stacked on the
다음 소스 전극(104) 및 드레인 전극(105)을 유기 반도체 물질로 표면 처리한다. 표면 처리는 전기 화학적 방법, 딥핑(dipping) 방법, 인쇄 방법 등으로 수행할 수 있으나 이 중 전기 화학적 방법이 가장 바람직하다. The
전기 화학적 방법은 다음과 같은 방법으로 수행될 수 있다. 먼저 소스 전극(104) 및 드레인 전극(105)이 형성되어 있는 기판(101)을 전해질 용액에 담근다. 이 때 전해질 용액은 예컨대 테트라부틸암모늄 테트라플루오로보레이트(tetrabutyl ammonium tetrafluoroborate, TBAB) 및 염화메틸렌(methylene chloride)의 혼합 용액일 수 있다. 전해질 용액에는 기준 전극(도시하지 않음)과 대향 전극(도시하지 않음)이 배치되어 있다. The electrochemical method can be performed by the following method. First, the
다음 Epsilon CV(cyclic voltametry) 장비를 이용하여 기준 전극에 일정 전 압을 인가한 상태에서 소스 전극(104) 및 드레인 전극(105)과 대향 전극 사이에 전압의 세기를 조절하면서 전압을 인가한다. Next, the voltage is applied while controlling the intensity of the voltage between the
다음 기판(101)을 전해질 용액에서 꺼내어 건조하면 소스 전극(104) 및 드레인 전극(105)이 표면 처리된다.Next, when the
다음 표면 처리된 소스 전극(104) 및 드레인 전극(105) 위에 유기 반도체(106)를 형성한다.Next, the
이와 같이 본 발명의 실시예에서는 전기화학적 방법 따위로 전극 표면을 유기 반도체 물질로 표면 처리할 수 있으며, 이에 따라 전극 표면의 유효 일함수와 유기 반도체 사이에 에너지 장벽이 감소하여 전하 이동도를 높일 수 있다.As described above, according to the exemplary embodiment of the present invention, the surface of the electrode may be treated with an organic semiconductor material, such as an electrochemical method. Accordingly, an energy barrier between the effective work function of the electrode surface and the organic semiconductor may be reduced, thereby increasing charge mobility. have.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다. Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements of those skilled in the art using the basic concepts of the present invention defined in the following claims are also provided. It belongs to the scope of the invention.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 유기 박막 트랜지스터의 단면도이고,1 is a cross-sectional view of an organic thin film transistor according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 2a는 본 발명의 한 실시예에 따른 p형의 유기 박막 트랜지스터에서 유기 반도체와 전극 사이의 에너지 준위를 보여주는 개략도이고, 2A is a schematic diagram illustrating an energy level between an organic semiconductor and an electrode in a p-type organic thin film transistor according to an embodiment of the present invention;
도 2b는 본 발명의 한 실시예에 따른 n형의 유기 박막 트랜지스터에서 유기 반도체와 전극 사이의 에너지 준위를 보여주는 개략도이고,2B is a schematic diagram illustrating energy levels between an organic semiconductor and an electrode in an n-type organic thin film transistor according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 3의 (a)는 소스 전극 및 드레인 전극이 모두 표면 처리되지 않은 기존의 유기 박막 트랜지스터의 단면도이고, 3A is a cross-sectional view of a conventional organic thin film transistor in which both the source electrode and the drain electrode are not surface treated.
도 3의 (b)는 도 3의 (a)의 유기 박막 트랜지스터에서 유기 반도체와 전극 사이의 에너지 준위를 보여주는 개략도이고, FIG. 3B is a schematic diagram showing energy levels between an organic semiconductor and an electrode in the organic thin film transistor of FIG. 3A.
도 4의 (a)는 소스 전극만 표면 처리된 유기 박막 트랜지스터의 단면도이고, 4A is a cross-sectional view of an organic thin film transistor in which only a source electrode is surface treated.
도 4의 (b)는 도 4의 (a)의 유기 박막 트랜지스터에서 유기 반도체와 전극 사이의 에너지 준위를 보여주는 개략도이고, FIG. 4B is a schematic diagram showing energy levels between an organic semiconductor and an electrode in the organic thin film transistor of FIG. 4A.
도 5의 (a)는 드레인 전극만 표면 처리된 유기 박막 트랜지스터의 단면도이고, 5A is a cross-sectional view of an organic thin film transistor having only a drain electrode surface treated;
도 5의 (b)는 도 5의 (a)의 유기 박막 트랜지스터에서 유기 반도체와 전극 사이의 에너지 준위를 보여주는 개략도이고,FIG. 5B is a schematic diagram showing an energy level between an organic semiconductor and an electrode in the organic thin film transistor of FIG. 5A,
도 6은 도 3 내지 도 5의 유기 박막 트랜지스터의 전류 특성을 보여주는 그래프이다.6 is a graph illustrating current characteristics of the organic thin film transistor of FIGS. 3 to 5.
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