용액공정이 가능한 게이트 유전체 기반 차세대 박막 트랜지스터 재료의 응용 연구

국문 초록 (Abstract)

박막 트랜지스터는 차세대 전자소자로의 다양한 응용이 가능하여 많은 관심을 받고 있다. 전자재료로 다양한 물질을 사용할 수 있으며 제작방법에 있어 공정온도와 비용을 낮출 수 있다면 소자가 더 나은 특성을 가질 수 있다. 이에 본 연구에서는 유기물과 무기물의 특징적인 성질을 혼합하여 한 단계의 공정 연구, 저온 용액 공정이 가능한 저렴한 고분자를 가교결합 시킨 유전체 박막을 연구하였다. 또한 제작에 있어 딥코팅 방법을 이용하여 스핀코팅 방법의 한계점을 보완하여 박막 트랜지스터 대량생산의 가능성을 확인하였다.
박막 트랜지스터를 연구하기 위해 저온에서 용액공정이 가능한 유기물의 유연한 특성과 높은 유전율, 낮은 누설전류의 특성을 가진 무기물의 혼합 박막을 적용하여 고성능의 저전압 구동 트랜지스터를 연구하였다. 유연성을 가진 유기물인 1,10-decanediylbis(phosphonic acid) (DBPA)와 1,12-dodecanediylbis(phosphonic acid) (DDBPA)를 합성하였고 좋은 유전특성을 가진 high-k ZrOx와 혼합하여 저온에서 용액공정을 하여 박막을 제작하였다. 또한 원-스텝으로 소수성 표면처리를 위하여 trimethoxy (octadecyl)sliane (OTMS)와 triethoxy(octadecyl)sliane (OTES)를 ZrOx와 혼합하여 저온에서 용액공정 유전체 박막을 제작하였다. 이 박막들은 높은 capacitance와 낮은 누설전류밀도, 열적 안정성을 보였다. 응용성을 확인하기 위하여 유기반도체(pentacene)기반 박막 트랜지스터를 제작하였고 이 소자들은 ~0.3 cm2V-1s-1의 전하이동도와 105이상의 Ion/Ioff를 가졌으며 2 V라는 저전압 구동의 장점을 보였다. 고분자를 가교결합 시켜 유전체로 이용하기 위하여 poly(4-vinylphenol) (PVP)와 poly(methyl metha crylate) (PMMA)를 사용하였다. PVP 박막은 용액 공정하여 비교적 낮은 온도(~200 ℃)에서 가열하면 탈수반응에 의해 유전체 박막을 형성하였다. PMMA 박막은 광 개시제에 의해 라디칼 반응이 일어나고 이를 통해 유전체 박막을 제작하였다. 이 두 박막은 무기물에 비해 저온에서 공정되었고 낮은 누설전류와 SiO2보다 높은 capacitance를 가졌으며 표면의 -OH기에 의해 친수성 특성을 보였다. 이에 self-assembled monolayers (SAMs)를 통해 표면의 특성을 소수성으로 개질시켜주었고 유기반도체(pentacene)를 이용한 유기 박막 트랜지스터를 제작하여 응용성을 확인하였다. 이 소자는 ~0.5 cm2V-1s-1의 전하이동도와 106의 Ion/Ioff를 가졌다.
딥코팅을 이용한 박막 트랜지스터 제작 연구를 위하여 유전체로는 ZrOx, HfOx를 사용하였고 반도체로는 무기반도체(In2O3, IGZO)를 휘발성이 좋은 용매에 용해시켜 소자를 제작하였다. 딥코팅으로 제작된 유전체 박막은 스핀코팅으로 제작된 유전체 박막과 비슷한 낮은 누설전류의 특성을 보였고 비교적 높은 capacitance를 가졌다. 또한 표면은 비교적 스무스한 특성(rms = ~0.3 nm)을 가졌다. 무기반도체(In2O3, IGZO)도 동일하게 딥코팅으로 제작하였고 이 소자들은 2 V이하에서 구동되는 특성을 보였으며 ~2 cm2V-1s-1의 전하이동도와 105이상의 Ion/Ioff를 가졌다. 이는 유전체와 반도체의 큰 면적의 대량생산이 가능함을 확인하였다.
본 연구에서는 전자재료로 다양한 물질을 적절하게 사용하였으며 딥코팅이라는 제작 방법으로 박막 트랜지스터 제작이 가능함을 보였다. 연구 결과가 여러 분야에서 적용 가능성을 확인하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Thin film transistors (TFTs) are getting much interest because they can be applied to next generation electronic devices. Various materials can be used as electronic materials. If the fabrication method can lower the process temperature and cost, the device can have better electrical characteristics. In this study, we studied a process of one step by mixing characteristic properties of organic and inorganic materials, and a dielectric thin film which is cross-linked with an cheap polymer of low temperature solution process. In addition, we supplemented the limit of spin coating method by using dip coating method. We confirmed the possibility of mass production of thin film transistor.
Solution-processable organic materials have flexible characteristics and high permittivity at low temperature and inorganic materials have low leakage current characteristics. We have mixed organic and inorganic materials to manufacture the high performance low voltage driving transistor. Flexible organic materials were synthesized and it was mixed with high-k ZrOx with good dielectric properties and fabricated by low temperature solution process. In addition, organic materials including silane groups were mixed with ZrOx for one-step hydrophobic surface treatment to fabricate a solution process dielectric thin film at low temperature. These films showed high capacitance, low leakage current density, and thermal stability. Organic semiconductor (pentacene) thin film transistor was fabricated to confirm the applicability and these devices have a charge mobility of ~ 0.3 cm2V-1s-1 and an Ion/Ioff of 105, demonstrating the advantage of low voltage operation of 2 V. Crosslinked polymer were formed by the dehydration reaction or radical reaction at a low temperature by solution process. These films were processed at low temperature compared to inorganic materials and had low leakage current and capacitance higher than SiO2 dielectric and showed hydrophilic property by -OH group on the surface. Self-assembled monolayers (SAMs) were used to modify the surface properties to hydrophobic. Organic (pentacene) thin film transistor had a charge mobility of ~0.5 cm2V-1s-1 and an Ion/Ioff of 106.
ZrOx and HfOx were used as dielectrics to study thin film transistor fabrication using dip-coating and inorganic semiconductor (In2O3, IGZO) was dissolved in a solvent with volatility to manufacture a device. Dielectric films fabricated by dip-coating exhibited low leakage current characteristics similar to dielectric films fabricated by spin-coating. It had a relatively high capacitance. Also, the surface had a smooth characteristic (rms = ~0.3 nm). Inorganic semiconductors (In2O3, IGZO) were also prepared by dip-coating and these devices were driven at less than 2 V and had a charge mobility of ~ 2 cm2V-1s-1 and an Ion/Ioff of 105. This confirmed that mass production of large area of ​​dielectrics and semiconductors is possible.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 1.1 연구배경 1
• 1.2 용액공정이 가능한 게이트 유전체 3
• 1.3 고성능의 저전압 구동이 가능한 박막 트랜지스터 4
• 2. 실험방법 7
• 2.1 유-무기 하이브리드 게이트 유전체를 이용한 고성능의 저전압 구동 박막 트랜지스터 연구 7
• 2.1.1 시약 7
• 2.1.2 1,10-decanediylbis(phosphonic acid) (DBPA),1,12-dodecanediylbis(phosphonic acid) (DDBPA)의 합성 8
• 2.1.3 혼합층 구조를 갖는 하이브리드 박막 제작 10
• 2.1.4 혼합층 구조를 갖는 하이브리드 유전체 및 박막 트랜지스터 제작 11
• 2.1.5 혼합층 구조를 갖는 하이브리드 유전체 및 박막 트랜지스터 특성평가 12
• 2.2 가교결합 고분자 게이트 유전체 기반 박막 트랜지스터 연구 13
• 2.2.1 가교결합 고분자를 이용한 박막 제작 13
• 2.2.2 가교결합 고분자 유전체 및 박막 트랜지스터 제작 15
• 2.2.3 가교결합 고분자 유전체 및 박막 트랜지스터 특성평가 15
• 2.3 스핀코팅과 딥코팅 방법을 이용한 high-k 게이트 유전체 연구 16
• 2.3.1 스핀코팅과 딥코팅 방법으로 박막 제작 15
• 2.3.2 스핀코팅과 딥코팅 방법으로 제작한 유전체 및 박막 트랜지스터 제작 17
• 2.3.3 스핀코팅과 딥코팅 방법으로 제작한 유전체 및 박막 트랜지스터 특성평가 18
• 3. 본론 19
• 3.1 유-무기 하이브리드 게이트 유전체를 이용한 고성능의 저전압 구동 박막 트랜지스터 연구 19
• 3.1.1 연구방향 19
• 3.1.2 유기물과 무기물 혼합을 이용한 유-무기 하이브리드 유전체 특성분석 20
• 3.1.3 유기물과 무기물 혼합을 이용한 유-무기 하이브리드 유전체를 이용한 유기 반도체 기반 박막 트랜지스터 32
• 3.2 가교결합 고분자 게이트 유전체 연구 36
• 3.2.1 연구방향 36
• 3.2.2 가교결합 고분자 유전체 특성분석 37
• 3.2.3 가교결합 고분자 유전체를 이용한 유기 반도체 기반 박막 트랜지스터 42
• 3.3 스핀코팅과 딥코팅 방법을 이용한 high-k 게이트 유전체 연구 47
• 3.3.1 연구방향 47
• 3.3.2 스핀코팅과 딥코팅 방법을 이용한 high-k 유전체 특성분석 48
• 3.3.3 스핀코팅과 딥코팅 방법을 이용한 high-k 유전체를 이용한 유기 반도체, 무기 반도체 기반 박막 트랜지스터 51
• 4. 결론 62
• 참고문헌 64
• Abstract 66