Rubrene을이용한유기전계효과...

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Rubrene을 이용한 유기전계효과트랜지스터(OFET)의 특성 연구

高高高高麗麗麗麗大大大大學學學學校校校校大大大大學學學學院院院院

物物物物理理理理學學學學科科科科

金金金金敏敏敏敏基基基基

2006200620062006年年年年 7777月月月月日日日日



高麗大學校大學院

物理學科

金敏基

2006200620062006年年年年 7777月月月月日日日日

朱朱朱朱眞眞眞眞秀秀秀秀敎敎敎敎授授授授指指指指導導導導



이이이 論論論文文文을을을 理理理學學學碩碩碩士士士學學學位位位論論論文文文으으으로로로 提提提出出出함함함

2006年 7月日

高高高高麗麗麗麗大大大大學學學學校校校校大大大大學學學學院院院院

物物物物理理理理學學學學科科科科

金金金金敏敏敏敏基基基基

金敏基 의 理學碩士學位論文審査를 完了함.

2006年 7月日

委員長 주 진 수 印

委員 김 상 식 印

委員 최 동 훈 印

AbstractAbstractAbstractAbstract

-공액구조를 가진 단분자인 rubrene을 활성층으로 이용하는 유

기 전계효과 트랜지스터(OFET)를 제작하기 위해 organic molecul

ar beam deposition (OMBD)와 furnace를 사용하였다. X-ray diff

raction (XRD), scanning electron microscope (SEM), single cr

ystal diffractometer (SCD)를 통해 rubrene 박막과 단결정의 구

조적 특성을 확인하였다. Rubrene 단결정과 박막을 각각 활성층으

로 사용하는 두가지 종류의 OFET 소자를 제작하였다. 각각의 rubr

ene OFET 소자에 대해 게이트 전압 인가에 따른 소스와 드레인

사이의 전류를 측정하여 점멸비, 이동도 등의 특성을 측정하였다.

박막형과 단결정형 rubrene OFET들의 전하 이동도는 각각 1.9×10-5

cm2/V∙s 와 0.2 cm2/V∙s로 측정되었다.

- I -

CCCooonnnttteeennntttsss

111...서서서론론론.............................................................................................................................................................................................................................................1

222...이이이론론론.............................................................................................................................................................................................................................................42.1FET..........................................................................................................42.1.1MS접합............................................................................................42.1.2MOSFET.......................................................................................152.1.3TFT................................................................................................21

333...실실실험험험.......................................................................................................................................................................................................................................3331113.1FET 패턴 제작...................................................................................313.2Rubrene단결정 성장을 위한 furnace실험장치.......................343.3Organicmolecularbeam deposition(OMBD).............................363.4전기적 특성 측정...............................................................................38

444...실실실험험험 결결결과과과 및및및 토토토의의의..................................................................................................................................................................3339994.1Rubrene단결정을 이용한 OFET..................................................394.2OMBD를 이용한 rubreneOTFT소자의 전기적 특성...........50

555...결결결론론론.................................................................................................................................................................................................................................555666BBBiiibbbllliiiooogggrrraaappphhhyyy...................................................................................................................................................................................................555888

- II -

List List List List of of of of FiguresFiguresFiguresFigures

1-1Rubrene의 (a)화학적 분자 구조[13],(b)단결정 구조[12].......................3

2-1 (a)접촉 전의 금속과 반도체의 에너지밴드 다이어그램 (b)

인 경우 금속-n반도체 접합의 이상적인 에너지 밴드 다이어그램[15].....92-2 금속-반도체 접합의 이상적인 에너지 밴드 다이어그램

(a)역방향 바이어스,(b)순방향 바이어스 경우[15]...............................102-3 영상 전하에 의한 장벽 저하 효과를 포함한 순방향 바이어스된

금속-반도체 접합의 에너지 밴드 다이어그램[15]..................................112-4

인 경우 금속-반도체에 대한 이상적인 에너지 밴드

다이어그램 (a)접촉 전 (b)접촉 후[15]...................................................122-5 금속-n형 반도체 저항성 접촉의 이상적인 에너지 밴드 다이어그램(a)금속에 양의 전압을 가한 경우 (b)반도체에 양의 전압을 가한 경우[15]..132-6

인 경우 금속-p형 반도체에 대한 이상적인 에너지 밴드

다이어그램 (a)접촉 전,(b)접촉 후[15]................................................142-7 (a)접촉 전 MOS 구조의 에너지 준위,(b)접촉 후 열적 평형에서의

MOS구조의 에너지밴드 그림 [15]............................................................232-8 MOS구조의 금속에 전압 인가 시 에너지 밴드 변화,

- III -

(a)축적(V0),(c)반전(V>>0)[15].......................242-9MOS접합에서 표면 전위 함수에 따른 표면 전하 밀도의 변화[15]....252-10 일 때 단면도와 대 곡선 (a) 가 작을 때

(b)가클때(c) 일때(d) 일때[15]..26

2-11 MOSFET에서의 특성곡선[15]..............................................272-12(a)축적 모드에 대한 MOS커패시터의 에너지 밴드 그림[15]

(b)게이트 전압의 미소변화에 대한 축적모드의 미소전하 분포[15]...282-13(a)공핍에 대한 MOS커패시터의 에너지밴드 그림,(b)게이트 전압의

저주파에서의 미소변화에 대한 반전모드에서의 미소전하 분포[15]...292-14 (a)반전 모드에 대한 MOS커패시터의 에너지밴드 그림,[15]

(b)게이트 전압의 미소변화에 대한 반전모드에서의 미소전하 분포[15]...30

3-1 패턴 제작 과정 (a)substrate형성 (b)게이트 형성 (c)유전층 형성(d)소스-드레인 전극 형성.............................................................................33

3-2(a)Furnace실제 사진 (b)내부구조 도식도.............................................353-3(a)OMBD장비 사진 (b)내부구조 도식도.................................................37

4-1Rubrene단결정 성장과정..................................................................................424-2Rubrene단결정 SEM 사진 (a)위에서 찍은 사진 (b)부분 확대(c)측면에서 찍은 사진........................................................................................43

4-3Rubrene단결정의 XRD패턴...........................................................................444-4Rubrene단결정의 SCD결과...........................................................................454-5Rubrene단결정을 이용한 bottom-contactOFET소자의 Ids-Vd특성 곡선..47

- IV -

4-6Rubrene단결정을 이용한 bottom-contactOFET소자의 Ids-Vg특성곡선................................................................................................................48

4-7Rubrene단결정 OFET소자의 SEM 사진.................................................494-8Rubrene박막 표면의 SEM 사진...................................................................514-9Rubrene박막의 XRD패턴..............................................................................524-10 Rubrene박막을 이용한 bottom-contactOFET 소자의 Ids-Vd

특성 곡선............................................................................................................544-11 Rubrene 박막을 이용한 bottom-contact OFET 소자의 Ids-Vg

특성 곡선........................................................................................................55

- V -

LLLiiissstttooofffTTTaaabbbllleeesss

4-1Rubrene단결정 성장 방법 및 조건 비교.....................................41

1

CCChhhaaapppttteeerrr111

서서서 론론론

최초의 트랜지스터는 1947년 Bell연구소의 J.Bardeen,W.Brattain,W.Shockley에 의해 발명된 germanium (Ge)트랜지스터이었다[1].그 후 무기물 트랜지스터는 진공관을 대체하면서 가장 기본적인 전자소자로서 끊임없이 발전해왔다.현재는 전계 효과 트랜지스터 (field effecttransistor,FET)[2]가 논리회로 및 microprocessor등에 널리 사용되어지고 있다.FET는 두 단자간의 전류 흐름이 다른 단자의 전압으로 인해 조절되는 소자로서,좀 더 빠르고,더 작으면서,저 전력을 소비하고,더 싸게 만들려는 연구가 지금도 계속되고 있으며 이에 따라 새로운 물질,혁신적인 제조 기술등이 계속해서 연구되고 있다.현재는 π-conjugated(공액구조)유기 소재의 개발과 이를 이용한 유기물 (organic)FET (OFET)응용 연구들이 활발히 진행되고 있다[3,17].유기물은 1970년대 후반부터 공액 구조의 유기 고분자에 적절한 도핑을

2

통해 전기 전도도가 구리에 가깝게 도달될 수 있다는 것이 알려졌다[4].현재 유기물은 평판 디스플레이,전자파 차폐막,캐패시터,유기 박막 트랜지스터,태양전지 등 여러 분야에서 응용되고 있으며 그 영역은 계속해서 확장되어 가고 있다.특히 유기 EL(electroluminescence)디스플레이 분야는유기물을 이용한 응용 연구를 활성화 시키는데 촉매제 역할을 하고 있다.유기 EL의 경우 실리콘(Si)을 사용한 박막 트랜지스터를 사용할 경우,유기 EL의 장점인 상온 공정과 flexible한 장점을 충분히 살리지 못한다.따라서 유기물 반도체를 이용한 유기 트랜지스터의 개발이 필요하게 되었다.유기 트랜지스터에 관한 연구는 1980년대 일본의 Tsumura등이 polythi

ophene을 이용하여 만든 OFET[5]와 미국의 Friend그룹이 polyacetylene을 이용하여 만든 OFET[6]이후부터 전 세계적으로 연구가 진행중이다.유기 박막 트랜지스터를 제작 시 spincoating,solutioncasting,printing,stamping방법 등을 이용하면 대면적화가 용이하고,상온 정도의 저온에서제작되므로 유연한 기판위에 적용이 가능하며,비교적 단순한 공정으로 제조비용이 저렴하고,충격에 의해 깨지지 않고,구부리거나 접을 수 있다는장점들이 있다.본 연구에서는 공액구조를 가진 단분자인 rubrene(그림 1-1참조,[12,13])

을 활성층으로 사용한 OFET소자를 제작하고 전기적 특성을 연구하였다.

3

Figure1-1Rubrene의 (a)화학적 분자 구조[13],(b)단결정 구조[12].

a : 14.4a : 14.4a : 14.4a : 14.4Å

b : 7.2b : 7.2b : 7.2b : 7.2Å

c : 26.8c : 26.8c : 26.8c : 26.8Å

aaaa

bbbb

cccc

a : 14.4a : 14.4a : 14.4a : 14.4Å

b : 7.2b : 7.2b : 7.2b : 7.2Å

c : 26.8c : 26.8c : 26.8c : 26.8Å

aaaa

bbbb

cccc

(a)

(b)

4


이이이 론론론

222...111FFFEEETTT222...111...111MMMSSS접접접합합합222...111...111...111SSSccchhhooottttttkkkyyy장장장벽벽벽 다다다이이이오오오드드드

그림 2-1(a)은 금속과 n형 반도체를 접촉시키기 전의 이상적인 에너지띠 그림이다. 진공준위가 기준 준위이고 은 금속의 일함수(workfunction),

는 반도체의 준페르미준위(quasi-Fermilevel),는 전자친화

력(electronaffinity)이다.그림 2-1(a)에서 일함수는 로 가정하였다.이 상황에 대한 이상적인 열평형 금속-반도체 에너지띠 그림을 그림2-1(b)에 나타내었다.양으로 대전된 도너원자가 반도체 내에 남게 되어 공

5

간전하 영역을 만들게 된다.이 전자가 금속에서 반도체 쪽으로 이동하려고 할 때 느끼는 Schottky장벽 이며 는 전도대 내의 전자가 금속 쪽으로 이동하려고 할 때 느끼는 내부 전위 장벽이다.

(2.1)

(2.2)이 식에서 보면 가 반도체의 도핑에 많이 의존하지 않는 함수로 된다.만일 금속을 기준으로 반도체에 양의 전압을 인가하면,은 이상화된 경우에 있어서는 일정하게 남아있는 반면 반도체-금속간의 방벽높이는 증가한다.반대로 금속에 양(positive)의 전압을 인가하면 은 역시 본래대로일정하게 남아있는 반면 반도체-금속 간 장벽 는 줄어든다.이 상황에있어서 장벽이 줄어들었기 때문에 전자는 반도체 쪽에서 금속 쪽으로 더욱쉽게 흐르게 된다.각각의 에너지띠 그림을 그림 2-2(a),그림 2-2(b)에 나타내었다.순방향 바이어스 전류의 방향은 금속에서 반도체 쪽으로의 방향이다.이것은 순방향 바이어스 전압 의 지수함수이다.

을 공간전하 체적밀도,을 반도체 유전율이라 할 때 Poisson방정식은 다음과 같고,

(2.3)

이로부터 전계와 공간 전하 폭을 다음과 같이 얻을 수 있다.

(2.4)

(2.5)

6

여기서 은 인가한 역방향 바이어스 전압의 크기이다.여기서도 다시금계단접합 근사를 가정하고 있다.금속-반도체 접합에서의 전류 전송은 다수 캐리어에 기인하는 것이다.

n형 반도체와 접촉된 정류접촉에서의 기본과정은 전위장벽을 넘어가는 전자의 전송에 의한 것으로 열전자 방출이론으로 설명할 수 있다.그림 2-3에 순방향 바이어스 전압가 인가된 일차 도너 장벽과 두 전자 전류밀도성분을 보인다.전류 은 반도체로부터 금속 쪽으로 흘러들어감으로 생기는 전자전류밀도이며,전류 은 금속으로부터 반도체 쪽으로 흘러들어감으로 생기는 전자 전류밀도이다.전류의 첨자는 전자가 흐르는 방향을 나타낸다.통상적인 전류방향은 전자가 흐르는 방향과 반대방향이다.전류밀도 은 장벽을 넘기 충분한 x방향의 속도를 갖는 전자의 농도에 대한 함수이며 다음과 같이 쓸 수 있다.

′

∞

(2.6)

여기서 ′ 는 금속쪽으로 열전자가 방출하는데 필요한 최소 에너지이고,는 전송방향 내에서의 전하수송자 속도이다.증분 전자의 농도는 다음과같다.

(2.7)여기서 는 전도대 내에서의 상태 밀도이고, 는 Fermi-Dirac확률함수이다.Maxwell-Boltzmann근사를 적용하면 다음과 같이 된다.

(2.8)

만약 위의 모든 전자 에너지가 운동에너지라고 가정하면 다음과 같이

7

된다.

(2.9)

금속 대 반도체 접합에서의 순수 전류밀도는 다음과 같다. (2.10)

여기서 금속쪽에서 반도체 쪽으로의 방향을 양(+)으로 정의 하였다.전류밀도는 다음과 같다.

(2.11)

여기서 상수 는 다음과 같다.

≡

(2.12)

파라미터 를 열전자 방출에 대한 유효 Richardson상수라 부른다.식(2.11)는 통상적인 다이오드의 형식처럼 다음과 같이 쓸 수 있다.

(2.13)여기서 는 역포화 전류밀도이며 다음과 같다.

(2.14)

222...111...111...222금금금속속속---반반반도도도체체체 ooohhhmmmiiiccc접접접촉촉촉

Ohmic접촉은 낮은 저항성 접합으로서 금속과 반도체 사이에서 양방향으로 전도가 이루어지며 이상적으로는 ohmic접촉을 통하는 전류는 인가한 전압의 선형함수이고 인가한 전압은 매우 작아야만 한다. (그림 2-1)인 경우와 반대로 그림 2-4에서는 인 경우이다.그림

8

2-4(a)는 접촉전의 에너지준위이며,그림 2-4(b)에는 열평형에 대한 접촉후의 장벽을 보인다.이 접합에서 열평형을 위해 전자는 금속으로부터 에너지준위가 낮은 반도체 쪽으로 흘러가며 이것은 표면을 더욱 더 n형 반도체로 만든다.n형 반도체 내의 과잉 전자전하는 반도체표면에 존재하게 된다.이 때 반도체로부터 금속으로 흘러들어가는 전자에 대한 장벽은 없게된다.또한 금속에서 반도체로 흘러들어가는 전자에 대한 유효장벽높이는근사적으로 이고 이는 도핑된 반도체에서 충분히 작다.이 바이어스 조건에 대해 전자는 금속에서 반도체로 쉽게 흘러들어간다.그림2-5(a)는 반도체에 대해서 금속에 양인 전압이 인가될 때의 ohmic접촉인 에너지띠 그림이다.마찬가지로 그림 2-6에서는 금속과 p형 반도체 사이의 접합을 보여주고 있다.그림 2-6(a)에 일 때의 접촉 전의 에너지준위이며,접촉이 이루어졌을 때 반도체로부터의 전자들은 열평형을 위해 금속으로 흘러들어갈 것이며,이는 결국 정공들이 금속으로부터 반도체로 들어가게 됨을 의미하는 것이다.이러한 접합도 ohmic접촉이다.그림 2-4및 그림 2-6에 보인 이상적인 에너지띠는 표면준위의 영향들을 고려하지 않았다.만약 반도체의 금지대 중간 뒷부분에 억셉터 표면준위가 있다고 가정하면 그림 2-4(b)에 나타낸 경우에 대하여 모든 억셉터 준위들은 아래에 있기 때문에 이들 표면준위들은 음으로 대전될 것이며,에너지띠 그림이 변하게 된다.

9

Figure2-1 (a)접촉 전의 금속과 반도체의 에너지밴드 다이어그램[15].(b)

인 경우 금속-n반도체 접합의 이상적인

에너지 밴드 다이어그램[15].

10

Figure2-2 금속-반도체 접합의 이상적인 에너지 밴드 다이어그램(a)역방향 바이어스,(b)순방향 바이어스 경우[15].

11

Figure2-3영상 전하에 의한 장벽 저하 효과를 포함한 순방향 바이어스된금속-반도체 접합의 에너지 밴드 다이어그램[15].

12

Figure2-4

인 경우 금속-반도체에 대한 이상적인 에너지 밴드

다이어그램 (a)접촉 전 (b)접촉 후[15].

13

Figure2-5 금속-n형 반도체 저항성 접촉의 이상적인 에너지 밴드 다이어그램(a)금속에 양의 전압을 가한 경우 (b)반도체에 양의 전압을 가한 경우[15].

14

Figure2-6

인 경우 금속-p형 반도체에 대한 이상적인 에너지 밴드

다이어그램 (a)접촉 전,(b)접촉 후[15].

15

222...111...222MMMOOOSSSFFFEEETTT(((MMMeeetttaaalll---OOOxxxiiidddeee---SSSeeemmmiiicccooonnnddduuuccctttooorrr---FFFiiieeelllddd---EEEffffffeeecccttt---TTTrrraaannnsssiiissstttooorrr)))222...111...222...111MMMOOOSSS (((MMMeeetttaaalll---OOOxxxiiidddeee---SSSeeemmmiiicccooonnnddduuuccctttooorrr)))접접접합합합그림 2-7은 전압이 인가되지 않은 상태(zerobias)의 MOS계의 에너지

띠 구조로서 반도체는 p-형 반도체를 이용한 경우이다.그림 2-7(a)는 접촉 전 MOS계의 에너지 준위이고,그림 2-7(b)는 접촉 후 열적 평형에서의MOS구조의 에너지밴드 그림이다.절연층과 반도체 사이의 약간의 띠 구부러짐(bandbending)이 보여지는데 이는 금속과 반도체와의 일함수(workfunction)차이에 기인한다.이 차이는 외부에서 금속에 일정한 전압을 인가해야 평탄하게 되는데 이 전압을 flat-band전압이라고 하며,다음과 같이주어진다.

(2.15)이때 금속에 양 전압을 인가하게 되면,에너지띠는 아래로 휘어지며,음전압을 인가하게 되면 에너지띠는 위로 휘어진다(그림 2-8(a)).음 전압을 금속에 인가하면,페르미준위는 보다 가전자 띠 쪽으로 이동하게 된다(그림2-8(b)).결과적으로 다수 전하 운반자인 정공(hole)은 절연층과 반도체 계면에 집중하게 되어,반도체내에 있는 정공의 농도보다 반도체 계면에서의정공의 농도가 높아지는데 이를 축적(accumulation)상태라고 한다.반대로양 전압을 금속에 인가하게 되면 flatband 상태를 거쳐 에너지띠는 아래로 휘어지게 되는데,반도체와 절연층의 계면 근처에서의 페르미준위는 가전자 띠의 가장자리와 더욱 멀어지게 되며.결과적으로 정공의 농도는 낮아지는데 이를 공핍(depletion)상태라고 한다.

16

양 전압을 계속 증가시키면 반도체와 절연 층의 계면 근처에서의 페르미준위는 전도띠의 가장자리에 접근하게 되는데,이렇게 되면 절연층계면의반도체는 n-형 반도체의 특성을 보이게 된다.즉 p-형 반도체의 계면만 n-형 반도체로 바뀌게 되는 것인데 이를 반전(inversion)이라 한다.위의 내용을 정량적으로 계산하기 위해 Poisson방정식과 Boltzmann분포함수[8]를이용하여 MOS구조에서의 전하밀도를 구하게 되면

(2.16)로 쓸 수 있으며,여기서 와 는 각각 이온화된 도너(donor)와 억셉터(acceptor)의 농도를 나타낸다.그리고 와 는 평형상태에서의 전자와정공의 농도이다.이 식에서 반도체내에서의 전기적 성질은 중성이 되어야하므로,다음과 같이 됨을 알 수 있다.

(2.17)위의 식 (2.16)와 식 (2.17)을 possion방정식에 대입하면

(2.18)

을 얻는다.이 미분 방정식을 풀기 위해,전기장 E를 도입하면

(2.19)

에서

(2.20)

로 쓸 수 있다.여기서 식 (2.20)오른쪽 항을 식 (2.18)에 대입하여 얻어진미분 방정식을 V에 대하여 적분하면

(2.21)

17

로 표현되며,여기서 f(V)는

±

(2.22)

이다.식 (2.22)의 우측항의 ± 기호는 인가되는 전압의 부호를 의미한다.반도체 내부의 총 전하량 는 절연층과 반도체의 계면의 전기장 와

관련되어 있는데,가우스 법칙에 의하여 (2.23)

계면전하의 절대값의 변화를 그림 2-9에서 보여주고 있다.이 그림에서MIS접합에서의 축적(accumulation),공핍(depletion),반전(inversion)상태를 보여주고 있다.그러나 우리가 반도체 표면의 전압을 측정하기는 매우어려우므로 금속에 인가되는 전압 와 반도체 표면의 전압 와의 관계를 알아야 한다.절연층과 반도체의 계면에서의 전기장이 연속성을 가진다고 가정하면

(2.24)이며 는 절연층의 유전율(permitivity),는 절연층의 전기장을 나타낸다.따라서 절연층의 두께를 라 하며 절연층 내부에서의 전압 강하는 로주어지고,금속에 인가되는 전압은 다음과 같이 쓸수 있다.

(2.25)

여기서 로 단위 면적당 절연층의 전기용량(capacitance)을 의미한

다.관심을 가지는 또 하나의 중요한 변수로 문턱전압(thresholdvoltage)

가 있는데 이는 반전이 시작되는 상태에 해당하는 전압을 의미한다.

18

그림 2-9에서 보듯이 (2.26)

을 만족하는 시점을 문턱전압 이라 하고,식 (2.26)을 식 (2.25)에 대입하여 다음을 구할 수 있다.

(2.27)

다시 쓰면

(2.28)

여기서 첫 항은 금속과 반도체 간의 일함수차이에 의해 생기고,두 번째항은 문턱전압의 이상적인 정의이며,세 번째 항은 절연층을 통하면서 생기는 전압 강하(voltagedrop)를 나타내고 있다.

222...111...222...222MMMOOOSSSFFFEEETTT 기기기본본본동동동작작작 원원원리리리

일반적인 MOSFET에서는 p-형 반도체 기판 위에 n-형 영역을 소스(source)와 드레인(drain)으로 사용하고 게이트(gate)전극과 반도체 기판은 절연층으로 분리되어 있다.MOSFET의 가장 큰 장점은 p-형 기판과 n-형전극이 공핍층(depletion)영역으로 서로 분리되어있다는 것이고,채널(channel)도 p-형 기판과는 공핍층(depletion)으로 서로 분리되어 있다는 것이다(그림 2-10(a)참조).따라서 동일 기판 위에 제작되는 다른 소자들과도 자연스럽게 분리될 수 있다.기하학적인 변수로 채널길이(channellength)L,채널폭(channelwidth)W,절연층의 두께인 d가 있으며,일반적으로 소스

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는 접지되어 있다.이 상태에서 게이트에 양의 전압 를 인가하게 되면절연층과 반도체 계면의 전하 분포는 flat-band,공핍상태를 지나 반전에이르게 된다(그림 2-10(a)).즉 계면에는 음의 전하들이 유도되고 n-형 소스와 드레인 사이에 채널을 통하여 전류 는 에 비례하게 된다.만약가 점점 감소하게 되고 (그림2-10(b)),채널 두께가 “0”이 되는 전압을흔히 pinch-off또는 포화(saturation)전압()이라고 한다(그림 2-10(c)참조).이 이상의 전압에서는 pinch-off지점은 점점 소스쪽으로 이동하게 되고,전하운반자들은 이 지점에서 드레인 근처의 공핍 영역으로 주입된다.따라서 pinch-off지점에 도달하는 전하운반자의 숫자는 일정하게 되고,드레인 전류 는 일정하게 된다.()(그림2-10(d)참조).MOSFET의 전류-전압과의 관계를 계산하기 위하여 여기서는 gradual

channelapproximation[18]을 사용하기로 한다.이 방법을 사용하기 위하여채널 방향의 전기장의 변화 보다는 채널 수직 방향의 전기장의 변화가 크

다고 가정한다.즉 xE

y

Exy

∂∂>d)이러한 가정에서 소스에서 드레인 방향으로 주어진 거리 y의 계면전압을 을 로 놓고,절연층과 반도체계면에 유도된 단위 면적당의 전하를 라고 하면,y에서의 는

(2.29)여기서 는 절연층의 단위 면적당 전기용량 은 flat-band전압이다.그리고 채널을 만드는 반전층의 전하 은

(2.30)으로 쓸 수 있다.강반전(stronginversion)영역에서는

20

(2.31)일 경우를 말하며,여기서 는 y에서의 역방향전압을 의미한다.식(2.30)에 식 (2.29)와 식 (2.31)을 넣어 다시 정리하면

(2.32)로 표현된다.를 channelconductance(g)를 이용하여 계산하면

′′

(2.33)

여기서 는 채널 전도도,는 전자의 이동도로 모든 채널 영역에서일정하다고 본다.따라서 채널의 길이요소 dy의 저항 dR은

(2.34)이다.그리고 이 길이요소에서 전압강하는

(2.35)따라서 식 (2.32)를 식 (2.35)에 대입하여 적분하면

(2.36)

로 표현된다.단 flatband는 무시하였다.앞에서 설명한 바와 같이 특정게이트 전압에서 드레인 전압을 증가 시키면,처음에는 드레인 전압에 비례하여 는 증가하고(선형영역),점점 드레인 전압과는 관계없이 드레인전류가 일정한 값으로 접근하게 된다(포화영역).따라서 선형영역과 포화영역의 드레인 전류를 나누어 생각하면,우선 선형영역의 전류는, 를 고려하여 식 (2.36)을 다시 쓰면

21

≈

(2.37)

로 쓸수 있으며,포화영역의 전류는

≈

(2.38)로 표현된다.여기서 m은 도핑함수이며,약간 도핑한 경우는 0.5정도이다[9].위의 식 (2.37)과 식 (2.38)를 사용하여 이동도등을 구할 수 있다.

222...111...333TTTFFFTTT

TFT는 MOSFET 와는 다르게 기판과 채널 사이에 공핍층이 없다.따라서 전류-전압 특성은 비교적 간단하게 계산될 수 있는데,채널에 평행한방향을 x라 하면,식 (2.29)를 다시 써서

(2.39)이며 라고 가정하였기 때문에,위의 식 (2.39)는 모든 채널 영역에걸쳐 전하가 축적(accumulation)상태임을 보여주고 있다.를 계산하기 위해

(2.40)로 쓸 수 있고, 로 반도체의 부피전하(bulkcharge)를 나타내며,는 부피전하밀도를 는 반도체의 두께를 나타낸다.식 (2.40)을 적분하여 정리하면

(2.41)로 드레인 전류 방정식을 구할 수 있다.따라서 문턱전압은 다음과 같이

22

쓸 수 있으며

(2.42)

반도체가 p-형 인 경우에는

(2.43)

로 부호가 변경된다.축적상태에서 게이트와 드레인에 인가되는 전압의 부호는 동일하게 된다.따라서 드레인 전압이 게이트전압에 접근하게 되면 드레인-게이트간의 전압차이는 감소하게 된다.따라서 식 (2.41)는 일 경우에는 더 이상 유용한 식이 될 수 없다.그리고 드레인 영역 근처에 공핍영역이 생기게 된다.여기서 되는 지점을 경계로 나누어 드레인 전류를 구하게 되면

(2.44)로 쓸 수 있다.여기서 W는 공핍영역의 폭을 의미하며

(2.45)로 표현되어진다.는 반도체의 유전율,N은 도펀트(dopant)의 농도이다.식 (2.45)를 식 (2.44)에 대입하고 ≫ 로 가정하여 단순화 시키면

(2.46)을 얻는다.식 (2.46)로부터 이동도를 구하게 된다.

23

Figure2-7(a)접촉 전 MOS구조의 에너지 준위,(b)접촉 후 열적 평형에서의MOS구조의 에너지밴드 그림[15].

24

Figure2-8 MOS구조의 금속에 전압 인가 시 에너지 밴드 변화,(a)축적(V0),(c)반전(V>>0)[15].

(a)(a)

(b)(b)

(c)(c)

25

Figure2-9MOS접합에서 표면 전위 함수에 따른 표면 전하 밀도의 변화[15].

26

Figure2-10 일 때 단면도와 대 곡선 (a)가 작을 때(b)가클때(c) 일때(d) 일때[15].

27

Figure2-11 MOSFET에서의 특성곡선[15]

28

Figure2-12(a)축적 모드에 대한 MOS커패시터의 에너지 밴드 그림[15](b)게이트 전압의 미소변화에 대한 축적모드의 미소전하 분포[15]

29

Figure2-13(a)공핍에 대한 MOS커패시터의 에너지밴드 그림,(b)게이트전압의 저주파에서의 미소변화에 대한 반전모드에서의 미소전하 분포[15]

30

Figure2-14[15](a)반전 모드에 대한 MOS커패시터의 에너지밴드 그림,(b)게이트 전압의 미소변화에 대한 반전모드에서의 미소전하 분포

31


실실실 험험험 방방방 법법법

333...111FFFEEETTT 패패패턴턴턴 제제제작작작

유기 rubrene단결정이나 박막을 활성층으로 쓰는 OFET소자의 특성을확인하기 위하여 실리콘 기반의 트랜지스터 패턴을 제작하였다.패턴을 만드는 모든 과정은 서울대 반도체 공정 연구소의 장비를 이용하였다.먼저p형 실리콘 기판위에 P-5000TEOS장비를 사용하여 2500Å의 절연층을 형성하였다(그림 3-1(a)참조).게이트 전극을 만들기 위해서 LPCVD를 사용하여 폴리실리콘을 2000Å 형성시킨 후 Furnace로 도핑을하여 게이트 전극의 전도도를 확보하였다(그림 3-1(b)참조).유전층은2000Å의 를 사용하였다(그림 3-1(c)참조).소스-드레인 전극은 포토공정과 Au스퍼터링,lift-off과정을 거쳐 5m 폭을 가진 Au전극으로 형

32

성되었다(그림 3-1(d)참조).포토 공정에 쓰인 마스크는 이빔 패터닝을 통해 제작하였다.소스-드레인 간의 채널 길이는 2,5,10,20,50,100 m 로제작하여 측정을 하였고,채널 폭은 모두 2mm 로 동일하게 하였다.

33

Figure3-1 패턴 제작 과정 (a)substrate형성 (b)게이트 형성(c)유전층 형성 (d)소스-드레인 전극 형성

(b)(b)(b)(b)

p형 실리콘 기판

SiO2


SiO2

폴리 실리콘

POClPOClPOClPOCl3333


SiO2

폴리 실리콘

SiO2


SiO2

폴리 실리콘

SiO2

Au Au

(a)(a)(a)(a)

(c)(c)(c)(c)

(d)(d)(d)(d)

34

333...222RRRuuubbbrrreeennneee단단단결결결정정정 성성성장장장을을을 위위위한한한 fffuuurrrnnnaaaccceee실실실험험험장장장치치치

그림 3-2는 본 실험에서 사용된 furnace장비의 실제 사진과 도식화를보여주고 있다.Furnace는 주로 열처리를 하기 위해 쓰이는 장비로써,소자나 물질을 활성화 시키거나,확산,그리고 stress를 줄여주는 목적 등으로쓰이고 있다.Furnace에 열을 가하면서 gas를 주입한다면 CVD (chemicalvapordeposition)공정이나 PVT (physicalvaportransport)공정도 가능하다.본 실험에서 사용된 장비는 직경 7.5cm의 석영관이 가로로 놓여있고 측면으로 gas를 주입할 수 있게 되어있다.실험 방법은 적당량의 시료를 보트(boat)에 담아 석영관의 중앙에 놓고,온도를 가열해 준다.가열 온도는 시료의 상태를 지켜보면서 적당한 시간을 두면서 조절해준다.

35

Figure3-2 (a)Furnace실제 사진 (b)내부구조 도식도

(b)(b)(b)(b)

(a)(a)(a)(a)

보트보트보트보트(boat)(boat)(boat)(boat)

석영석영석영석영 튜브튜브튜브튜브7.5 cm7.5 cm7.5 cm7.5 cm

36

333...333OOOrrrgggaaannniiicccmmmooollleeecccuuulllaaarrrbbbeeeaaammm dddeeepppooosssiiitttiiiooonnn(((OOOMMMBBBDDD)))

그림 3-3(a)는 본 연구에서 rubrene박막 증착을 위해서 사용된 OMBD장비의 실제 사진이다.장비는 크게 고진공 챔버와 진공을 확보하기 위한 펌프로구성되어있다.본 OMBD장비에는 저 진공확보를 위한 rotarypump와 고진공확보를 위한 turbomolecularpump가 쓰인다.이를 통해 현재 ∼ Torr까지의 진공을 확보할 수 있다.다음으로 챔버의 내부를 보면 크게 박막이 형성되는 기판,시료를 가열시킬 수 있는 4개의 도가니로 구성되어 있다[그림 3-3(b)참조].기판은 텅스텐 필라멘트를 통해 온도의 통제가 가능하여 온도변화에따른 박막형성이 가능하다.증착하고자 하는 시료를 담는 4개의 도가니는 각각개별적으로 온도 통제가 가능하고,각각의 도가니는 직경 ∼1mm의 구멍을갖는 뚜껑으로 덮여있다.실험과정은 기판에 FET패턴을 붙인 후 도가니 안에시료를 넣고 충분한 진공을 확보하여준다.충분한 진공(∼ Torr)이 확보되면 도가니의 온도를 서서히 올려준다.도가니안의 시료가 녹는점에 도달하기전,특정온도에서 승화가 시작되면서 도가니 안은 상대적으로 매우 높은 압력의 상태가 된다.이때 도가니 외부는 고 진공 상태이므로 도가니 내부의 시료입자들이 직경 1mm의 좁은 구멍을 통해서 빠른 속도로 분출된다.이렇게 분출된 시료는 기판에 부착된 패턴에 이르러 박막을 형성하게 된다.이때 도가니의 온도를 통제함으로써 증착 속도를 조절할 수 있으며,모니터를 통해 박막의 두께 및 증착 속도를 확인할 수 있다.이런 과정을 거쳐 bottom-contact방식으로 제작된 FET패턴 위에 박막형태의 활성층을 형성시키게 된다.

37

Figure3-3(a)OMBD장비 사진 (b)내부구조 도식도

1 mm1 mm1 mm1 mm1 mm1 mm1 mm1 mm

기판기판기판기판

도가니도가니도가니도가니

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b)

38

333...444전전전기기기적적적 특특특성성성 측측측정정정

전기적 특성을 측정하기 위한 장비로는 Keithley237highvoltageSource-MeasureUnit(SMU)장비를 사용하였다.우선 특정 게이트 전압에서 드레인 전압(Vds)을 sweep하면서 드레인 전류(Ids)를 측정한다.이를 통해서 활성층이 p형 인지 n형 인지 결정을 할 수 있을 뿐 아니라,fieldeffect특성을 조사할 수있다.앞의 측정을 통해서 확인한 드레인 전류가 포화되는 범위의 드레인 전압을 일정하게 걸어주면서 게이트 전압(Vg)을 sweep하여 드레인 전류를 측정한다.이를 통해 OFET의 성능을 결정하는 점멸비(on/offratio)와 전하 이동도(chargemobility),문턱전압(Vth)을 구하게 된다.

39


실실실험험험 결결결과과과 및및및 토토토의의의

444...111RRRuuubbbrrreeennneee단단단결결결정정정을을을 이이이용용용한한한 OOOFFFEEETTT

444...111...111RRRuuubbbrrreeennneee단단단결결결정정정 성성성장장장

기존에 보고되어있는 rubrene단결정의 성장방법은 physicalvaportran

sport(PVT)방식이었다[10].본 실험에는 이와 다른 방법으로 rubrene단결정을 제작하였다.우선 furnace의 중앙에 rubrenepowder를 넣고 온도를 260℃로 조절하였다.이 온도를 특정 시간동안 계속 유지시켜 주면 rubrene단결정이 성장되었다.약 20분 후 부터는 성장된 rubrene단결정을 눈으로확인할 수 있었다.이때부터는 눈으로 확인하면서 적당한 크기의 단결정이형성 되었을 때 잘라서 측정을 하였다(그림 4-1(a)참조).그림 4-1(b)는60분 경과 후의 사진으로 성장된 rubrene단결정을 확인할 수가 있다.그

40

림 4-1(c)는 3시간 경과 후 약 1.5cm의 길이 까지 성장된 rubrene단결정들의 사진이다.이때 rubrene단결정을 성장시키고 남은 시료를 가지고위 과정을 반복하면 단결정을 다시 성장 시킬 수 있었다.표 4-1은 기존에보고된 rubrene단결정 제작 방법과 본 실험에서 사용한 방법을 비교하였다.본 연구의 경우 상대적으로 적은 양의 시료,단시간에 rubrene단결정을 제작할 수 있다는 장점이 있다.그림 4-2는 furnace를 통해 성장 시킨 rubrene단결정의 ScanningElectronMicroscope(SEM)사진이다.이 사진을 통해서 furnace를 이용하여 성장시킨 rubrene결정이 단결정임을 확인할 수 있었다.다음으론 X-RayDiffraction(XRD)를 통해 결정성을 확인하였다(그림 4-3참조).이 측정을 통해furnace를 이용하여 제작된 rubrene결정이 구조적으로 c축 방향으로 13.4Å의 간격을 가진다는 것을 확인 할 수 있었다.그러나 rubrene단결정의 크기가 너무 작아 XRD로는 정확한 값을 측정하기 어려워 SingleCrystalDiffractometer(smartapexII)를 이용하여 구조를 분석해 보았다(그림4-4참조).SCD를 통해 x선 회절 정보를 분석한 결과 rubrene결정의 구조가 (a축:14.4Å,b축:7.2Å,c축:26.9Å)로 rubrene단결정의 문헌값 (a축:14.4Å ,b축:7.2Å ,c축:26.8Å)[11,12,13]과 일치함을 확인하였다.

41

표 4-1Rubrene단결정 성장 방법 및 조건 비교

기존 방식 [10]본 실험에서 사용한 방법

튜브의 직경 2cm 7.5cm

온 도 300℃ 260℃

시 간 50시간 30분 ∼ 4시간

시료의 양 300mg 20∼ 30mg

가스 사용 H2 사용 안함

성장방법 튜브표면에 형성 직접 성장

42

Figure4-1Rubrene단결정 성장과정

(b)(b)(b)(b)

~1.5 cm~1.5 cm~1.5 cm~1.5 cm

60 min60 min60 min60 min

총총총총 3333시간시간시간시간 경과경과경과경과

(a)(a)(a)(a) (c)(c)(c)(c)

43

Figure4-2Rubrene단결정 SEM 사진(a)위에서 찍은 사진 (b)부분 확대 (c)측면에서 찍은 사진.

44

Figure4-3 Rubrene단결정의 XRD패턴.

5 10 15 20 25 30 35 40 451000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000In

tens

ity (A

rb. u

nit)

2θθθθ (degree)

Ref : Carbon Tape

a : 14.4a : 14.4a : 14.4a : 14.4Å

b : 7.2b : 7.2b : 7.2b : 7.2Å

c : 26.8c : 26.8c : 26.8c : 26.8Å

aaaa

bbbb

cccc

a : 14.4a : 14.4a : 14.4a : 14.4Å

b : 7.2b : 7.2b : 7.2b : 7.2Å

c : 26.8c : 26.8c : 26.8c : 26.8Å

aaaa

bbbb

cccc

n=1n=1n=1n=1

2222ΘΘΘΘ=6.6 =6.6 =6.6 =6.6 °°°°

d= 13.4d= 13.4d= 13.4d= 13.4ÅÅÅÅ

5 10 15 20 25 30 35 40 450

2000

4000

6000

Inte

nsity

(Arb

. uni

t)

2θθθθ (degree)

45

Figure4-4Rubrene단결정의 SCD결과[고려대학교 화학과 홍창섭 교수 연구실에서 측정].

측정값측정값측정값측정값

a : 14.4a : 14.4a : 14.4a : 14.4Å

b : 7.2b : 7.2b : 7.2b : 7.2Å

c : 26.9c : 26.9c : 26.9c : 26.9Å

cccc

bbbb

aaaa

°=== 90γβαcccc

bbbb

aaaa

°=== 90γβα

46

444...111...222RRRuuubbbrrreeennneee단단단결결결정정정을을을 이이이용용용한한한 OOOFFFEEETTT소소소자자자의의의 전전전기기기적적적 특특특성성성

Bottom-contactOFET 패턴 위에 rubrene단결정을 올리고 전기적 특

성을 측정하였다.그림 4-5는 게이트 전압 (Vg)의 변화에 따른 드레인 전류(Ids)-전압(Vd)특성을 측정한 결과이다.게이트 전압을 0V에서 -20V까지 -5V간격으로 변화 시키면서,각각의 게이트 전압에 대해 드레인 전압을 0V에서 -50V까지 -5V간격으로 하여 드레인 전류를 측정한 그래프이다.게이트 전압이 음으로 증가함에 따라 드레인 전류가 증가하는 것을 통해 소자가 p형 반도체 특성 및 전계효과를 확인 할 수 있었다.드레인 전압을 -30V로 고정시키고 게이트 전압을 10V에서 -50V까지 변

화시키면서 드레인 전류를 측정하였다(그림 4-6참조).이를 통해 전하이동도가 ∼0.2cm2/V・s와 ∼104의 점멸비와 ∼-10V의 문턱전압 값을 측정할 수 있었다.다른 그룹의 경우 rubrene단결정 FET 소자의 이동도가 ∼20cm2/V・s을 넘어선 결과들이 보고되고 있다[14].본 실험에서는 bottom-contact방식의 패턴에 rubrene단결정을 올려 놓는 과정에서 접촉이 불확실 하기 때문에 상대적으로 낮은 이동도가 나온 것으로 분석된다.이는그림 4-7(a)의 FET 패턴위에 rubrene단결정을 올려놓은 소자의 SEM사진을 통해,소스-드레인 전극과 rubrene단결정의 접촉이 불확실함을 확인할 수 있었다.그림 4-7(b)는 rubrene단결정과 소스-드레인 전극 사이를 확대해서 찍은 SEM 사진이다.

47

Figure4-5Rubrene단결정을 이용한 bottom-contactOFET 소자의 Isd-Vd특성 곡선.

0 -1 0 -2 0 -3 0 -4 0 -5 0

0 .0

-2 .0 x 1 0 -8

-4 .0 x 1 0 -8

-6 .0 x 1 0 -8

-8 .0 x 1 0 -8

I sd(

A)

Vd(V )

Vg= 0 V

-5 V -1 0 V -1 5 V -2 0 V

48

Figure4-6Rubrene단결정을 이용한 bottom-contactOFET소자의 Ids-Vg특성 곡선.

10 0 -10 -20 -30 -40 -5010-10

10-9

10-8

10-7

10-6

0.02.0x10-44.0x10-46.0x10-48.0x10-41.0x10-31.2x10-31.4x10-3

(-Ids

)1/2(A

1/2)

Vg (V)

-I ds

(A)

Vsd

=-30V

49

Figure4-7Rubrene단결정 OFET소자의 SEM 사진.

테이프테이프

Rubrene 단결정

FET FET FET FET 패턴패턴패턴패턴

RubreneRubreneRubreneRubrene 단결정단결정단결정단결정

드레인 전극소스 전극

게이트 전극

50

444...222OOOMMMBBBDDD를를를 이이이용용용한한한 rrruuubbbrrreeennneee박박박막막막 OOOTTTFFFTTT소소소자자자의의의전전전기기기적적적 특특특성성성

444...222...111RRRuuubbbrrreeennneee박박박막막막 형형형성성성

Rubrene박막을 형성시키기 위해 OMBD 방법을 사용하였다.실험에는시그마 알드리치 회사에서 구입한 rubrene(sublimedgrade)을 사용하였다.우선 박막의 결정성을 확인하기 위해 유리위에 OMBD 방법으로 증착하였다. ∼10-6Torr의 진공도에서 도가니의 온도를 225℃로 설정하여 분당0.2Å의 속도로 증착 하였다.그림 4-8은 증착된 rubrene박막의 SEM 사진이다.사진을 통해 0.7 m의 작은 결정들로 박막이 형성되었음을 관측할수 있다.그림 4-9는 같은 조건에서 증착된 rubrene박막의 XRD 결과이다.이 결과를 통해 OMBD를 이용하여 증착된 rubrene박막이 구조적으로 b축 방향으로 7.2Å의 간격을 가진다는 것을 확인 할 수 있었다.Rubrene결정의 문헌 값 (a축:14.4Å ,b축:7.2Å ,c축:26.8Å )[11,12,13]을 통해 b축방향으로 결정성이 형성되었음을 관측할 수 있었다.

51

Figure4-8Rubrene박막 표면의 SEM 사진.

52

Figure4-9 Rubrene박막의 XRD패턴.

10 20 30 40 50 600

5001000150020002500300035004000

Inte

nsity

(A

rb. u

nit)

2θθθθ (degree)

n=1n=1n=1n=1

2222ΘΘΘΘ=12.2=12.2=12.2=12.2°°°°

d= 7.23 d= 7.23 d= 7.23 d= 7.23 ÅÅÅÅ

n=2n=2n=2n=2

2222ΘΘΘΘ=25.0 =25.0 =25.0 =25.0 °°°°

d= 7.12 d= 7.12 d= 7.12 d= 7.12 ÅÅÅÅ

n=3n=3n=3n=3

2222ΘΘΘΘ=37.6 =37.6 =37.6 =37.6 °°°°

d= 7.17 d= 7.17 d= 7.17 d= 7.17 ÅÅÅÅ

a : 14.4 a : 14.4 a : 14.4 a : 14.4 Å

b : 7.2 b : 7.2 b : 7.2 b : 7.2 Å

c : 26.8 c : 26.8 c : 26.8 c : 26.8 Å

aaaa

bbbb

cccc

a : 14.4 a : 14.4 a : 14.4 a : 14.4 Å

b : 7.2 b : 7.2 b : 7.2 b : 7.2 Å

c : 26.8 c : 26.8 c : 26.8 c : 26.8 Å

aaaa

bbbb

cccc

53

444...111...222RRRuuubbbrrreeennneee박박박막막막 OOOTTTFFFTTT소소소자자자의의의 전전전기기기적적적 특특특성성성

Bottom-contactOFET 패턴 위에 OMBD를 이용하여 분당 0.2Å의 증착 속도로 rubrene박막을 형성시킨 후 전기적 특성을 측정하였다.그림4-10은 게이트 전압 (Vg)의 변화에 따른 드레인 전류 (Ids)-전압 (Vd)특성을 측정한 결과이다.게이트 전압을 0V에서 -60V 까지 -10V 간격으로 변화 시키면서,각각의 게이트 전압에 대해 드레인 전압을 0V에서 -50V 까지 -5V 간격으로 하여 드레인 전류를 측정한 Ids-Vd특성 그래프이다.게이트 전압이 음으로 증가함에 따라 드레인 전류가 증가하는 것을 통해 본 rubreneOTFT 소자로 p형 반도체 특성 및 전계효과를 확인 할 수있었다.드레인 전압을 -80V로 고정시키고 게이트 전압을 10V에서 -70V까지 변화

시키면서 드레인 전류를 측정하였다(그림 4-11참조).이를 통해 전하 이동도가 1.9×10-5

cm2/V・s로,∼104의 점멸비와 ∼1V의 문턱전압 값을 구할 수 있었다.XRD 실험을 통해 결정성이 좋음을 확인 하였는데,측정된 전하 이동도가∼10-5cm2/V・s으로 낮은 값이 나온 것은 그림 4-8의 rubrene박막의 SEM 사진을 통해 설명이 가능하다. 0.7m의 두께를 갖는 작은 결정들이 박막을 형성하기 때문에 XRD실험 결과 결정성은 보이나,각각의 결정들이 이루는 grainboundary로 인해 전하 이동도가 낮게 나온다는 것을 알 수 있다[12].

54

Figure4-10Rubrene박막을 이용한 bottom-contactOFET 소자의 Ids-Vd특성 곡선

0 -10 -20 -30 -40 -505.0x10-9

0.0

-5.0x10-9

-1.0x10-8

-1.5x10-8

Vg=0V

-10V -20V -30V -40V -50V -60V

Vsd

(V)

I ds(

A)

55

Figure4-11Rubrene박막을 이용한 bottom-contactOFET 소자의 Ids-Vg특성 곡선.

10 0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 -7010-10

10-9

10-8

10-7

10-6

0.0

1.0x10-42.0x10-43.0x10-44.0x10-45.0x10-46.0x10-47.0x10-4

Vsd

=-80V

(-I d

s)1/

2 (A

1/2 )

-I ds (

A)

Vg (V)

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결결결 론론론유기 전계 효과 트랜지스터 제작을 위해서 furnace와 OMBD를 이용하여각각 rubrene단결정과 rubrene박막을 형성시켰다.Rubrene단결정과 박막의 결정성을 알아보기 위해 SEM,XRD,SCD 실험을 수행하였다.형성된 rubrene단결정과 박막을 각각 활성층으로 사용하는 rubreneOFET 소자를 제작하였다.Rubrene단결정 OFET 소자의 경우 ∼0.2cm2/Vs의 전하 이동도,∼104의 점멸비,∼-10V의 문턱 전압의 값을 측정하였다.본실험에서 사용된 단결정 제작 방법은 기존의 PVT 방식에 의한 단결정 제작 방법[10]과 비교했을 때 제작시간,시료 사용 비용 면에서 장점을 갖고있다(표 4-1참조).하지만 bottom-contactFET 소자의 경우 rubrene단결정 활성층과 FET 패턴 간의 접촉 불안정으로 인해 소자의 성능을 직접적으로 비교하지 못하였다.이 문제는 top-contact방식의 FET소자를 제작함으로써 확인이 가능 할 것이다.OMBD를통해rubrene을활성층으로증착한OTFT소자의경우 ∼1.9×10-5cm2/Vs의

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전하 이동도,∼104의 점멸비,∼-1V의 문턱 전압의 값을 얻었다.박막의SEM 사진(그림 4-8)을 통해서 알 수 있듯이 0.7m의 두께를 갖는 작은 결정들이 박막을 형성하기 때문에 각각의 결정들이 형성하는 grainboundary로 인해 전하 이동도가 낮게 나온다는 것을 추측 할 수 있었다.이 문제를 해결하기 위해서는 현재 0.7 m의 두께인 결정의 크기를 더욱 크게 하여 결정성을 향상 시키는 방법이 있겠다.이를 위해서는 증착 속도,장비의 진공도,도가니 구멍의 크기,기판의 온도 등을 조절하면서 최적의 증착 조건을 찾아야 할 것이다.하지만OMBD를 통한 rubrene박막의 형성은 rubrene의 비 평면 구조 때문에 높은 결정성을 갖기 어렵다고 보고된바 있다[12,16].때문에 hot-wall방식[12]과 같은 새로운 기술적인 시도를 통해 rubrene박막의 결정성을 높이는 방법이 현재 연구되고있고,계속 새로운 방법이 연구 되어야 할 것이다.

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Contents1.서론.2.이론.2.1FET.2.1.1MS접합.2.1.2MOSFET.2.1.3TFT.

3.실험.3.1FET패턴 제작.3.2Rubrene단결정 성장을 위한 furnace실험장치.3.3Organicmolecularbeam deposition(OMBD).3.4전기적 특성 측정.

4.실험 결과 및 토의.4.1Rubrene단결정을 이용한 OFET.4.2OMBD를 이용한 rubreneOTFT소자의 전기적 특성.

5.결론.Bibliography.

AbstractList of Figures1-1Rubrene의 (a)화학적 분자 구조[13],(b)단결정 구조[12].2-1 (a)접촉 전의 금속과 반도체의 에너지밴드 다이어그램 (b)？? ？？?인 경우 금속-n반도체 접합의 이상적인 에너지 밴드 다이어그램[15].2-2 금속-반도체 접합의 이상적인 에너지 밴드 다이어그램(a)역방향 바이어스,(b)순방향 바이어스 경우[15].2-3 영상 전하에 의한 장벽 저하 효과를 포함한 순방향 바이어스된금속-반도체 접합의 에너지 밴드 다이어그램[15].2-4 ？? ？？? 인 경우 금속-반도체에 대한 이상적인 에너지 밴드다이어그램 (a)접촉 전 (b)접촉 후[15].2-5 금속-n형 반도체 저항성 접촉의 이상적인 에너지 밴드 다이어그램(a)금속에 양의 전압을 가한 경우 (b)반도체에 양의 전압을 가한 경우[15].2-6 ？? ？？?인 경우 금속-p형 반도체에 대한 이상적인 에너지 밴드다이어그램 (a)접촉 전,(b)접촉 후[15].2-7(a)접촉 전 MOS 구조의 에너지 준위,(b)접촉 후 열적 평형에서의MOS구조의 에너지밴드 그림 [15].2-8 MOS구조의 금속에 전압 인가 시 에너지 밴드 변화,(a)축적(V0),(c)반전(V>>0)[15].2-9MOS접합에서 표면 전위 함수에 따른 표면 전하 밀도의 변화[15].2-10 ？？？？？？ 일 때 단면도와 ？？ 대 ？？？ 곡선 (a) ？？？가 작을 때(b)？？？가클때(c)？？？？？？？？???？일때(d)？？？？？？？？???？일때[15].2-11 MOSFET에서의 ？？？？？？？？ 특성곡선[15].2-12(a)축적 모드에 대한 MOS커패시터의 에너지 밴드 그림[15](b)게이트 전압의 미소변화에 대한 축적모드의 미소전하 분포[15].2-13(a)공핍에 대한 MOS커패시터의 에너지밴드 그림,(b)게이트 전압의저주파에서의 미소변화에 대한 반전모드에서의 미소전하 분포[15].2-14 (a)반전 모드에 대한 MOS커패시터의 에너지밴드 그림,[15](b)게이트 전압의 미소변화에 대한 반전모드에서의 미소전하 분포[15].3-1 패턴 제작 과정 (a)substrate형성 (b)게이트 형성 (c)유전층 형성(d)소스-드레인 전극 형성.3-2(a)Furnace실제 사진 (b)내부구조 도식도.3-3(a)OMBD장비 사진 (b)내부구조 도식도.4-1Rubrene단결정 성장과정.4-2Rubrene단결정 SEM 사진 (a)위에서 찍은 사진 (b)부분 확대(c)측면에서 찍은 사진.4-3Rubrene단결정의 XRD패턴.4-4Rubrene단결정의 SCD결과.4-5Rubrene단결정을이용한bottom-contactOFET소자의 Ids-Vd특성 곡선.4-6Rubrene단결정을 이용한 bottom-contactOFET소자의 Ids-Vg특성곡선.4-7Rubrene단결정 OFET소자의 SEM 사진.4-8Rubrene박막 표면의 SEM 사진.4-9Rubrene박막의 XRD패턴.4-10 Rubrene박막을 이용한 bottom-contactOFET소자의 Ids-Vd특성 곡선.4-11 Rubrene 박막을 이용한 bottom-contact OFET 소자의 Ids-Vg특성 곡선.

ListofTables4-1Rubrene단결정 성장 방법 및 조건 비교.

Rubrene을이용한유기전계효과...

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