용액공정 유기 박막 트랜지스터용 혼합 게이트 절연물질 특성 연구 = Study of Solution-Processed Gate Dielectrics for Organic Thin Film Transistors

국문 초록 (Abstract)

유기박막트랜지스터(OTFT)에 많은 연구와 관심이 집중되고 있다. 이는 저온 공정이 가능하여 플라스틱과 같은 유연한 기판 위에서 대면적의 박막을 형성할 수 있고, 진공 증착방법이 아닌 용액공정의 방법을 사용할 수 있기 때문에 실리콘 TFT(a-Si:H TFTs)와 비교하여 잠재적으로 공정단가를 줄일 수 있기 때문이다. 유기박막트랜지스터용 게이트 절연막은 낮은 게이트 누설전류, 열/화학적 안정성, 저전압에서 소자가 구동가능하기 위한 높은 정전용량, 용액공정 방법과 같은 효율적인 공정방법 등의 특성이 요구된다.
본 연구에서는 용액공정의 방법을 이용하여 1) 높은 정전용량을 가지는 절연물질을 쉽게 합성하는 방법을 찾고, 2) 공기중에서 보다 안정적인 소자를 제작하고자 하였다.
첫째, 높은 정전용량을 갖는 게이트 절연물질을 합성하기 위해서 spin-on-glass(SOG)와 high-k 금속 전구체(titanium (IV) diisopropoxide bis(acetylacetonate), zirconium(IV) diisopropoxide bis(acetylacetonate))를 혼합하여 spin-on-glass(SOG)/ 금속 전구체 혼합 게이트 절연물질을 준비하였다. SOG절연물질은 진공증착방법과 자기조립단층막 방법과 비교하여 간단히 저비용으로 OTFT에 적용될 수 있다. SOG절연물질은 표면 평탄효과와 낮은 누설전류의 장점이 있지만 상대적으로 낮은 유전상수를 Ti 전구체를 이용하여 개선하고자 하였다.
둘째, OTFT소자의 안정성을 증가 시키기 위해서 DNTT라는 새로운 유기 반도체를 증착하였다. DNTT는 펜타센의 가장 반응성이 큰 center ring을 황(S)으로 치환하여 보다 안정적이다.
SOG/금속 전구체 혼합 게이트 절연막은 SiO2기판 위에 딥 코팅과 스핀 코팅 방법으로 형성하였고, 200℃ 와 300℃ 에서 열처리 하였다. 딥 코팅과 스핀 코팅 방식으로20~90 nm 수준의 얇은 박막을 상온에서 쉽게 형성할 수 있었다. 300℃ 열처리 조건에서 게이트 절연막의 표면이 손상되는 것을 관찰할 수 있었고 그 결과 200℃ 열처리 조건과 비교하여 유전상수와 이동도가 감소하고, 누설전류의 증가하였다. SOG/금속 전구체 혼합 게이트 절연물질은 SOG 절연물질과 비교하여 누설전류는 약간 증가하였지만 높은 유전상수를 가지고 있다. 게이트 절연물질 위에 펜타센과 DNTT를 적층하여 OTFT특성을 조사하였다. SOG/금속 전구체 혼합 게이트 절연물질은 높은 유전상수 때문에 점멸비와 이동도가 증가하였다. SOG/Ti 전구체 혼합 게이트 절연물질의 OTFT특성은 펜타센의 경우 VDS=-6V에서 1.3cm2/Vs의 이동도, -5.0V의 문턱전압, 0.23V/dec의 sub-threshold, 1.0x107의 on/off current ratio를 가진다. 그리고 DNTT를 적층한 경우 약 20일 정도의 안정성을 보인다. 결과적으로 SOG/금속 전구체 혼합 게이트 절연물질은 좋은 성능으로 OTFT 소자의 구동전압을 낮추어 고분자를 대체하여 플렉서블 디스플레이에 적용 가능 할 것이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Organic thin-film transistors (OTFT) has received considerable attention because they can be fabricated at reduced temperature and potentially reduced cost compared to hydrogenated amorphous silicon thin-film transistors (a-Si:H TFTs). Gate dielectric research of organic thin film transistor (OTFT) includes achieving low gate leakage current, good chemical/thermal stability, enhanced capacitance to lower OTFT operating voltage, and efficient fabrication via solution-phase processing methods.
In this study, we tested two main subjects using solution-processed fabrication: 1) how to design enhanced capacitance dielectric materials, 2) how to make more stable OTFT device.
Firstly to have enhanced capacitance values as gate insulators, Spin-on-glass (SOG)/Metal precursor hybrid dielectric materials was prepared. This solution was prepared by mixing with SOG and high-k metal precursor (Titanium (IV) diisopropoxide bis(acetylacetonate), Zirconium(IV) diisopropoxide bis(acetyl-acetonate)). The use of the SOG dielectric offered easy and low cost fabrication of OTFT compared to vacuum-deposited inorganic dielectrics or self-assembly monolayer dielectrics. Also the advantages of SOG dielectric materials include smoothing of the surface and good uniformity, lower defect density, lower gate leakage currents. Its low dielectric constant can be improved by adding Metal precursor.
Secondly in order to make more stable OTFT device, we deposited a new organic semiconductor DNTT. This semiconductor is more stable because the most reactive center ring of pentacene was substituted with surfur.
SOG/Metal precursor hybrid dielectrics was coated on SiO2 as substrate using either spin coating or dip coating method and was heat-treated at 200℃ or 300℃. With a simple dip or spin coating method, our SOG/Metal precursor hybrid gate dielectric on the order of 20~90nm thickness can be easily coated at room temperature, and were suitable for use as gate insulators. The thermal treatment at 300℃ showed the damaged surface of dielectric layer and resulted in low dielectric constant and mobility, also higher leakage current compared with the film treated at 200℃. SOG/Metal precursor hybrid dielectrics showed higher dielectric constant than SOG although it had somewhat larger leakage current. To check OTFT performance, pentacene and DNTT was deposited on gate dielectrics. Our SOG/Ti precursor hybrid gate dielectric provided OTFTs with the increased on to off current ratio and the enhanced mobility due to its higher dielectric property than that of SOG dielectric. Petacene OTFT characteristics with SOG/Ti hybrid precursor dielectrics exhibited a mobility of 1.3cm2/Vs, a threshold voltage of -5.0V, a sub-threshold of 0.23V/dec, and on/off current ratio of 1.0x107 at VDS= -6V. And DNTT OTFT had stability about 20 days. So these results demonstrate that our SOG/Ti precursor hybrid gate dielectric is a viable one for lowering the operating voltages of OTFTs. These desirable performance characteristics could open the way to replacing the polymer gate dielectric with SOG/Ti precursor hybrid dielectric, perhaps expect in flexible display applications.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서 론 1
• 1.1. 유기 박막 트랜지스터(OTFT) 2
• 1.2. 게이트 절연물질의 중요성 5
• 1.3. 연구 목적 6
• 2. 이 론 8
• 2.1. 유기박막트랜지스터의 구조 8
• 2.2. 유기박막트랜지스터의 재료 10
• 2.2.1. 게이트 절연체 10
• 2.2.1.1. 유전상수 11
• 2.2.2. 유기 반도체 12
• 2.3. 유기박막트랜지스터의 동작원리 14
• 2.4. 유기박막트랜지스터의 전기적 특성평가 17
• 2.4.1. 선형영역(linear region)에서 이동도 계산 17
• 2.4.2. 포화영역(saturation region)에서 이동도 계산 17
• 2.4.3. sub-threshold swing (S.S) 19
• 2.4.4. 문턱전압(threshold voltage) 19
• 2.4.5. 점멸비(on/off ratio) 20
• 2.4.6. 차단누설전류(off-state leakage current) 20
• 3. 실험 21
• 3.1. SOG/ 금속 전구체 혼합 게이트 절연물질 제조 21
• 3.2. 유기박막트랜지스터 소자제작 24
• 3.2.1. 기판 표면처리 25
• 3.2.2. 게이트 전극 형성 25
• 3.2.3. 게이트 절연막 형성 26
• 3.2.4. 활성층 형성 29
• 3.2.5. 소스-드레인(source-drain) 전극 형성 33
• 3.3. 혼합 게이트 절연물질의 분석 34
• 3.4. 물리적 특성 34
• 3.4.1. 유전상수 34
• 3.4.2. 게이트 절연막의 표면 특성 35
• 3.4.3. 활성층의 표면 특성 35
• 3.5. 전기적 특성 36
• 3.5.1. 게이트 절연막의 누설전류 36
• 3.5.2. 유기박막트랜지스터의 전기적 특성 36
• 4. 결과 및 고찰 38
• 4.1. 혼합 게이트 절연물질의 분석 38
• 4.1.1. Fourier transform IR(FT-IR) 38
• 4.1.2. EDX 38
• 4.2. 물리적 특성 40
• 4.2.1. 두께 40
• 4.2.2. 유전상수/ 정전용량 41
• 4.2.3. 게이트 절연막의 표면분석 45
• 4.2.4. 접촉각 50
• 4.2.5. 활성층의 표면분석 52
• 4.3. 전기적 특성 55
• 4.3.1. 게이트 절연막의 누설전류 55
• 4.3.2. 펜타센 OTFT의 전기적 특성 57
• 4.3.3. DNTT OTFT의 소자 안정성 71
• 5. 결론 74
• 참고문헌 76
• 초록 78
• Abstract 80