전극의 일함수 변화가 n형 유기 박막 트랜지스터와 터널링 다이오드의 전기적 특성에 미치는 영향 = Effects of Electrode Work Function Variation on the Electrical Characteristics of n-type Organic Thin-Film Transistors and Tunneling Diodes

국문 초록 (Abstract)

다층 박막 기반 전자 소자(Thin-film electronic devices: TFEDs)는 nm 단위의 박막을 적층 또는 패터닝하여 구성된 소자로, 계면의 전하 전달과 층간 전계를 제어하도록 설계되어 차세대 전자 소자에 응용된다. 이 소자는 각 층의 두께와 결함 여부, 층간 에너지 밴드 정렬(energy band alignment)이 소자의 전기적 특성에 영향을 미친다. 이 중 에너지 밴드 정렬은 금속과 반도체의 접합에서 중요하게 고려해야 하는 부분이다. 금속의 일함수(ΦM)와 반도체의 전자 진화도(χ) 사이의 에너지 차이가 전하 주입 장벽을 결정하며, 그 크기에 따라 소자의 성능이 크게 달라진다. 따라서 대표적인 TFEDs인 유기 박막 트랜지스터와 산화물 박막 다이오드 같은 소자에서 금속 전극의 일함수가 소자의 전기적 특성에 미치는 영향을 자세하게 분석하는 연구가 필요하다.

유기 박막 트랜지스터(Organic thin-film transistors: OTFTs)는 대면적 공정 가능성, 기계적 유연성을 바탕으로 차세대 전자 소자 응용에서 활발히 연구되고 있으며, 그 성능은 소스 전극과 유기 반도체 계면의 주입 거동에 따라 달라진다. 특히 n형의 경우 소스 전극 일함수와 유기 반도체 LUMO의 정렬로 결정되는 전자 주입 장벽이 핵심 변수이다. ZnO, PEIE와 같은 버퍼층을 삽입해 접촉을 완화하는 연구가 주로 보고되었으나, 전극 자체의 일함수 조절은 작은 일함수 금속의 화학적 불안정성, 산화 문제로 체계적인 연구가 제한적이다. 산화물 반도체는 넓은 밴드갭에 따른 낮은 누설 전류와 저온 공정 적합성으로 TFT뿐만 아니라 산화물 박막 다이오드(Oxide thin-film diodes: Ox-TFDs) 분야로도 확대되었고, p-n, MSM, MIM과 같은 다양한 구조가 제안되었으나 전기적 불안정성, 낮은 정류비, 좁은 작동 전압 범위의 한계가 있다. 금속/절연체/산화물 반도체/금속(MIOsM) 구조의 Ox-TFDs는 양단 전압에 따라 산화물 반도체 내 전하의 축적 및 공핍이 조절되고, 이에 의해 절연층 트랩을 통한 주입/차단이 가능해 비교적 높은 정류비와 넓은 동작 전압 범위를 기대할 수 있다. 다만 절연층이 수십-수백 nm로 두꺼워지면 동작 전압이 증가하여 전력 소모가 크다. 절연층이 수 nm의 수준으로 얇아지면 양자 터널링이나 결함 상태가 전하 이동의 지배적인 경로가 될 수 있다. MIOsM 구조의 Ox-TFDs에서 양극의 일함수와 절연층의 두께를 설계 변수로 하여 전기적 특성을 체계적으로 분석한 연구는 제한적이다.

본 논문의 전반부에서는 용액 공정이 가능한 n형 유기 반도체인 poly{[N,N-bis(2-octyldodecyl)naphthalene-1,4,5,8-bis(dicarboximide)-2,6-diyl]-alt-5,5-(2,2-bithiophene)}(P(NDI2OD-T2))를 활성층으로 사용한 유기 박막 트랜지스터를 대상으로 소스 전극의 일함수 변화가 소자의 전기적 특성에 미치는 영향에 대해 논의한다. 먼저, 금(Au)과 알루미늄(Al)으로 구성된 이중층 소스 전극을 도입하여 전극의 유효 일함수를 정밀하게 제어하였고, 그 값이 Au와 Al의 중간 영역에 위치함을 확인하였다. 이것은 트랜지스터의 턴-온 전압(Vto)과 전계-효과 이동도(mFE)의 차이로 나타났다. 일함수가 큰 전극은 소스와 유기 반도체 계면의 전하 주입 장벽을 증가시켜 Vto를 크게 만드는 반면, 일함수가 작은 전극은 주입 장벽이 낮아져 Vto가 작게 나타났다. 중간값의 일함수를 갖도록 설계한 Au/Al 이중층 전극은 단일 Al 및 Au 전극의 사이의 값을 가진다. 한편, 이동도는 Au/Al 이중층, Au, Al 순으로 감소하였다. 이를 통해 Au/Al 이중층 소스 전극을 적용해 중간값의 일함수를 도입함으로써 주입 장벽과 접촉 저항의 균형을 확보하고 n형 유기 박막 트랜지스터의 성능을 최적화할 수 있음을 제시한다.

본 논문의 후반부에서는 터널링 현상을 이용한 Ox-TFDs를 대상으로 양극(Anode)의 일함수와 절연체(Al2O3)의 두께가 소자의 전기적 특성에 미치는 영향을 분석하였다. 큰 일함수의 Au, 작은 일함수의 Al 그리고 Al/Au 이중층 양극을 도입하여 금속/절연체/산화물 반도체 계면의 에너지 밴드 정렬과 유효 터널링 장벽 높이(Φox) 현상을 변화시켰고 이에 따라 순·역방향에서의 전류 밀도 특성이 변하는 경향을 확인하였다. Al 경우 Φox가 작아 작은 전계에서도 터널링에 의한 전자 이동 현상이 증가하여 순방향에서 큰 전류 흐름을 나타내었고, Au의 경우 Φox가 크기에 역방향 누설 전류의 값이 매우 작았다. 또한 Al2O3의 두께가 증가함에 따라 작은 전계에서 흐르는 전류가 줄어들고 동작 전압이 확대되어, Ox-TFDs의 구동 특성을 공정적으로 제어할 수 있음을 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ . 서 론 1
• Ⅱ . 소스 전극의 일함수 변화에 따른 n형 유기 박막 트랜지스터의 전기적 특성에 관한 연구 7
• 1. 연구 개요 7
• 2. 연구 과정 9
• 2.1 이중층 금속 전극 형성 9
• 2.2 n형 유기 박막 트랜지스터 제작 10
• 2.3 전극 및 소자 특성 분석 12
• 3. 연구 결과 및 고찰 13
• 3.1 이중층 금속의 일함수 변화 13
• 3.2 소스 전극의 일함수에 따른 전기적 특성 분석 15
• 4. 요약 및 결론 19
• Ⅲ. 금속-절연체-산화물 반도체-금속 구조 박막 다이오드의 양극 일함수 변화에 따른 전기적 특성에 관한 연구 20
• 1. 연구 개요 20
• 2. 연구 과정 23
• 2.1 산화물 반도체층 및 절연층의 형성 23
• 2.2 산화물 박막 터널링 다이오드 제작 25
• 2.3 전극 및 소자 특성 분석 26
• 2.4 박막 다이오드의 반파 정류 회로 구현 27
• 3. 연구 결과 및 고찰 28
• 3.1 이중층 금속의 일함수 변화 28
• 3.2 터널링층 두께 변화에 따른 정류 특성 분석 30
• 3.3 양극의 일함수 변화에 따른 정류 특성 분석 37
• 3.4 Ox-TFDs의 반파 정류 회로 특성 분석 40
• 4. 요약 및 결론 42
• Ⅳ. 결 론 43