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김정민 명지대학교 일반대학원 2007 국내석사
PART I. SPM (Scanning Probe Microscopy)을 이용한 SiO2 층에서의 실리콘 나노 크리스탈의 전기적 특성 분석 메모리 소자의 집적도 향상을 위해서 나노 구조에 대한 연구가 활발히 진행 중이며 많은 관심이 집중되고 있다. 이중에서 단전자 비 휘발성 메모리 제작 실현을 위한 방법 중 하나로 플로팅 게이트에 나노 입자를 이용하는 방안이 제시되고 있다. SiO2층 내에 나노 크기의 입자를 위치시키는 이 방식은 전하를 저장 할 때많은 장점을 가지고 있다. 기존의 구조에서보다 낮은 동작 전압으로 구동되기 때문에 얇은 tunnel oxide 증착이 가능하고, punchthrough 현상이 감소하여 채널 길이를 짧게 할 수 있다. 또한 작은 셀 영역에서 누설전류를 억제할 수 있어 소자 집적도를 향상 시킬 수 있다. 이런 여러 가지 장점으로 인하여 Si nanocrystals(NCs)은 현 메모리 구조를 대체 할 수 있을 것으로 본다. 본 연구에서는 나노 크기의 입자로서 Si NCs을 이용하였다. Si NCs은 laser ablation 방법을 이용하여 크기 10~50 nm, 밀도 약 1011 /cm2를 갖도록 만들었다. Si NCs은 크기와 밀도에 따라 여러 가지 다른 전기적 특성을 갖게 된다. 따라서 이런 전기적 특성을 분석하기 위하여 Si NCs의 C-V를 측정하였다. 하지만 일반적으로 이러한 측정은 게이트 아래 Si NCs들의 전체적인 특성만을 보여준다. 따라서 본 연구에서는 SiO2층 내에 증착된 단일 Si NC의 특성을 규명하기 위하여 conducting tip을 이용한 SPM을 사용하여 국소영역에서 Si NC의 전기적인 특성을 측정하였다. Electrostatic force microscopy (EFM)를 이용하여 Si NC의 충전 현상을 관찰하였고,scanning capacitance microscopy (SCM)을 이용하여 dC/dV 그래프의 이동과 이미지 변화를 측정함으로써 단일 Si NC에 나타나는 충전현상과 절연 기판 위에 위치한 Si NC이 충전될 수 있다는 것을 관찰하였다. 이 방식으로 각각의 Si NC의 전기적 특성을 더욱 정밀히 관찰 할 수 있었으며, 전자 주입 변수를 더욱 정밀하고 정확하게 제어하였다. PART II. Polymer Gate Insulators에 따른 Pentacene Organic Thin-Film Transistors의 특성 분석유기물 반도체 재료는 그들이 가지고 있는 독특한 반도체 성질로 인하여 최근 활발한 연구가 진행되고 있다. 이런 유기물 반도체를 이용한 소자로 가장 많이 연구되는 것이 유기 박막 트랜지스터 (Organic Thin-Film Transistors)이다. 유기 박막 트랜지스터는 공정이 비교적 간단하고, 제작비용이 저렴하며 구부리거나 접을 수 있다는 등 여러 장점을 가지고 있어 Smart Cards, RFID Tags, Flexibly Displays 등 여러 분야에 응용되고 있다. 현재 유기 박막 트랜지스터에 적용하기 위하여 다양한 유기물 반도체들이 연구되고 있는데, 이중에서 펜타신을 이용한 유기 박막 트랜지스터가 가장 뛰어난 전기적 특성을 보여주고 있다. 따라서 우리는 기존의 무기물 활성층 대신 펜타신을 사용하여 유기 박막 트랜지스터를 제작하였다. 비록 펜타신의 전도 메커니즘은 완전히 규명되지 않았으나 펜타신의 표면 특성, grain 크기와 밀접한 관련이 있다고 알려져 있다. 이는 펜타신의 성장 조건뿐만 아니라 펜타신이 증착되는 게이트 절연막에 의해 크게 영향을 받는다. 따라서 본 연구에서는 hexamethyldisilazane (HMDS), polyvinyl alcohol(PVA), polymethyl methacrylate (PMMA)와 같은 다양한 폴리머 게이트 절연막을 기판으로 사용하여 폴리머 기판과 증착 온도에 따른 펜타신 박막의 표면 특성 및 grain 크기를 atomic force microscope (AFM)와 x-ray diffraction (XRD)을 이용하여 분석하였다. 또한, inverted-staggered 구조의 펜타신 박막 트랜지스터를 제작하여 폴리머 게이트 절연막에 따른 전기적 특성을 I-V 측정을 통하여 분석하였다. 유기물 반도체 재료는 그들이 가지고 있는 독특한 반도체 성질로 인하여 최근 활발한 연구가 진행되고 있다. 이런 유기물 반도체를 이용한 소자로 가장 많이 연구되는 것이 유기 박막 트랜지스터 (Organic Thin-Film Transistors)이다. 유기 박막 트랜지스터는 공정이 비교적 간단하고, 제작비용이 저렴하며 구부리거나 접을 수 있다는 등 여러 장점을 가지고 있어 Smart Cards, RFIDTags, Flexibly Displays 등 여러 분야에 응용되고 있다. 현재 유기 박막 트랜지스터에 적용하기 위하여 다양한 유기물 반도체들이 연구되고 있는데, 이중에서 펜타신을 이용한 유기 박막 트랜지스 터가 가장 뛰어난 전기적 특성을 보여주고 있다. 따라서 우리는 기존의 무기물 활성층 대신 펜타신을 사용하여 유기 박막 트랜지스터를 제작하였다. 비록 펜타신의 전도 메커니즘은 완전히 규명되지 않았으나 펜타신의 표면 특성, grain 크기와 밀접한 관련이 있다고 알려져 있다. 이는 펜타신의 성장 조건뿐만 아니라 펜타신이 증착되는 게이트 절연막에 의해 크게 영향을 받는다. 따라서 본 연구에서는 hexamethyldisilazane (HMDS), polyvinyl alcohol(PVA), polymethyl methacrylate (PMMA)와 같은 다양한 폴리머 게이트 절연막을 기판으로 사용하여 폴리머 기판과 증착 온도에 따른 펜타신 박막의 표면 특성 및 grain 크기를 atomic forcemicroscope (AFM)와 x-ray diffraction (XRD)을 이용하여 분석하였다. 또한, inverted-staggered 구조의 펜타신 박막 트랜지스터를 제작하여 폴리머 게이트 절연막에 따른 전기적 특성을 I-V 측정을 통하여 분석하였다.
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조성진 Graduate School, Yonsei University 2008 국내박사
높은 이동도와 우수한 반도체 특성 때문에 펜타신 유기반도체는 유기 박막 트랜지스터 소자에 가장 적합한 유기 반도체 물질로 많은 연구가 진행되고 있다. 현재까지 펜타신의 결정구조, 방향 및 결정립 크기 등은 펜타신의 전하 이동도 특성과 밀접한 관련이 있는 것으로 알려져 있다. 특히, 유기 박막 트랜지스터에서 전하의 이동은 반도체/유전막 계면에서 이루어지기 때문에 반도체/유전막 계면 조절을 통해 펜타신의 이동도를 높이는 것이 가장 효율적인 방법으로 생각된다. 본 연구에서는 반도체/유전막 계면의 물리, 화학적 처리를 통해 펜타신의 결정성장 방향 및 기구를 조절하여 높은 이동도를 갖는 유기 박막 트랜지스터를 구현하고자 한다. 반도체/유전막 계면의 물리, 화학적 특성 조절을 위해 본 연구에서는 다음과 같은 두 가지 접근법을 사용하고자 한다. 우선, 물리적 계면특성 조절을 위해 소프트 리소그래피법을 이용해 유전막 표면에 나노, 마이크로 간격의 패턴을 형성하고, 이에 따른 펜타신의 결정성장 및 이동도 특성을 살펴보고자 한다. 화학적 계면특성 조절을 위해서 poly(dimethyl siloxane) (PDMS)막의 UVO 처리를 통해 계면의 표면에너지를 조절하고, 이에 따른 펜타신의 성장모드 및 이동도 특성을 살펴보고자 한다. 첫째, 소프트 리소그래피법을 통해 다양한 크기의 패턴을 형성할 수 있음을 AFM 분석법을 통해 확인할 수 있었다. 그리고 나노 크기를 가지는 패턴에 의해 펜타신의 수평방향의 정렬도를 한 방향으로 향상 시킬 수 있었다. 이것은 패턴 끝단에서 펜타신의 핵생성이 열역학적으로 먼저 일어나게 되고, 패턴벽과 기판과의 상호작용에 의해 펜타신의 가장 안정한 면이 결정되기 때문이다. 하지만 마이크로 크기를 가지는 패턴은 위에서 설명한 구동력을 가지는 핵생성처보다 방향성을 가지지 못하는 핵생성처의 밀도가 더 크기 때문에 수평방향의 정렬도를 가지지 못하게 된다. 이와 같은 패턴 크기에 따른 펜타신의 수평방향에 대한 정렬 기구를 규명하였다. 또한, 다양한 분석법을 통해 나노 크기를 가지는 패턴에 의한 펜타신의 정렬도를 측정하였으며, 펜타신의 정렬도가 이동도에 미치는 영향을 평가하기 위해 유기 박막 트랜지스터를 제작하여 특성 평가를 하였다. 소자특성 평가 결과, 펜타신의 정렬방향에 따라 이동도가 크게 향상 되는 것을 확인할 수 있었으며, 반도체/유전막의 물리적 계면 특성이 소자 특성에 중요한 인자임을 확인하였다.둘째, PDMS의 UVO 처리를 통해 계면의 표면에너지를 다양하게 조절하였다. 표면에너지에 따라 펜타신의 결정립 크기가 달라짐을 확인할 수 있었으며, 이미 잘 알려진 바와 같이 결정립 크기에 따라 유기 박막 트랜지스터의 소자 특성도 변함을 확인할 수 있었다. 표면에너지에 따른 펜타신의 성장 모드를 관찰하기 위해 초기성장부터 펜타신의 두께를 증가시키면서 AFM 분석을 하였다. 표면에너지에 따라 펜타신의 성장모드가 2D에서 3D로 변화하는 것을 확인할 수 있었으며, 유기 박막 트랜지스터에서 전하의 이동은 반도체/유전막 계면에서 주로 이루어지기 때문에, 펜타신의 초기 성장모드가 소자 특성에 크게 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 본 연구에서는 반도체/유전막 계면의 물리, 화학적 특성 조절을 통해 펜타신의 수평정렬도 및 성장모드를 조절할 수 있었으며, 이에 따른 유기 박막 트랜지스터의 소자 특성 변화 원인을 규명하였다. Since the carriers induced by the gate bias are located within a few monolayers just above the dielectric layers in the OTFTs, the interface properties between the semiconductor and the gate dielectric are of tremendous importance on the performance of TFTs. In this study, two possible approaches are introduced to control semiconductor-dielectric interface: dielectric surface physical and chemical modification for control of in-plane orientation and pentacene growth mode, respectively.First, a new strategy for control of the in-plane orientation of pentacene molecules using nano-scale periodic groove patterns as an alignment layer was introduced. The process is based on the integration of the imprinting lithography of the substrate and growth of the pentacene film by high-vacuum sublimation on the fabricated pattern. With this technique, the distribution and size of the micro- and nano-scale substrate relief was able to precisely controlled in order to control the morphology and orientation of the pentacene. The nano-scale groove patterns, with 70 nm lines and 130 nm spaces, have been shown to control the in-plane orientation of the pentacene molecules. Compared to the pentacene films that are not aligned, enhanced field effect mobility of 1.67 cm2V-1s-1 has been achieved when the optimal π-orbital overlap direction is parallel to the direction of the current flow. The ability to control the molecular ordering at a local scale opens up important perspectives for high performance OTFTs. Second, PDMS was chosen as a chemical modification layer. Since the amount of methyl group on the surface of a PDMS dielectric can be controlled by ultraviolet/ozone (UVO) treatment, the surface energy of the gate dielectric was able to be systematically controlled from very hydrophobic to very hydrophilic (26.8~72.3 mJ/m2). The modified surface strongly affected the initial growth mechanism of pentacene and subsequently the performance of the TFTs. As the surface energy of the gate dielectric increased, the growth mode of pentacene changed from Volmen-Weber to Stranski-Krastanov. The performance of the pentacene TFTs with a higher surface energy was superior to that of the TFTs with a lower surface energy and exhibited a carrier mobility of 2.124 cm2/V s and an on/off current ratio of around 105 at an operating voltage of -5V.
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Optical properties of TIPS-pentacene
허승진 Graduate School, Yonsei University 2010 국내석사
We studied the optical properties of spin-coated TIPS-pentacene films using Grating Spectrophotometry, Terahertz Time-Domain Spectroscopy, and Spectroscopic Ellipsometry. Generally, the polymer grain size strongly depends on substrate temperature, surface treatment, and deposition rate. The effect of annealing temperature, solvent species, and substrate choice on TIPS-pentacene films were systematically investigated. The optical conductivity of TIPS-pentacene films from toluene was higher than those from cyclohexanone. As annealing temperature increases, toluene with a lower boiling point, leads to a degradation. Solvent species affect the HOMO-LUMO gap, grain size, and pin-hole formation.
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