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KR100303934B1 - Thin-film field-effect transistor with organic semiconductor requiring low operating voltages - Google Patents

Thin-film field-effect transistor with organic semiconductor requiring low operating voltages Download PDF

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KR100303934B1
KR100303934B1 KR1019980008316A KR19980008316A KR100303934B1 KR 100303934 B1 KR100303934 B1 KR 100303934B1 KR 1019980008316 A KR1019980008316 A KR 1019980008316A KR 19980008316 A KR19980008316 A KR 19980008316A KR 100303934 B1 KR100303934 B1 KR 100303934B1
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피터 리차드 던콤
브루스 케이 푸만
로버트 비 라이보비츠
드보라 앤 뉴메이어
샘퍼쓰 푸루소타만
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포만 제프리 엘
인터내셔널 비지네스 머신즈 코포레이션
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Abstract

본 발명은 높은 전장 효과 이동도(field effect mobility), 높은 전류 변조(current modulation), 현재의 유기 TFT 소자에 비해 보다 낮은 작동 전압에서 임계 전압 아래 영역에서의 보다 작은 기울기(sub-threshold slope)를 나타내는 유기 반도체 물질을 기재로 하는 박막 트랜지스터(thin film transistor: TFT) 소자 구조물에 관한 것이다. 본 발명은 이러한 구조물의 제조방법, 특히 화학 용액을 이용한 게이트 절연체의 침착에 의한 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 구조물은 높은 유전상수의 절연체로 덮인 한 셋트의 전도성 게이트 전극, 유기 반도체의 층, 각각의 게이트 라인에 상응하는 여러 셋트의 전기 전도성 소스 및 드레인 전극, 임의로 소자 구조물을 피복하여 보호할 수 있는 패시베이션(passivation)층이 순서대로 위치된 적합한 기판을 포함한다.The present invention provides high field effect mobility, high current modulation, and a smaller sub-threshold slope in the region below the threshold voltage at lower operating voltages compared to current organic TFT devices. A thin film transistor (TFT) device structure based on an organic semiconductor material represented. The present invention relates to a method of manufacturing such a structure, in particular to a method of depositing a gate insulator using a chemical solution. The structure of the present invention can be protected by covering a set of conductive gate electrodes covered with high dielectric constant insulators, layers of organic semiconductors, several sets of electrically conductive source and drain electrodes corresponding to each gate line, and optionally device structures. Passive passivation layers comprise suitable substrates positioned in sequence.

높은 유전상수의 게이트 절연체를 사용하면 유기 반도체의 예상치못한 게이트 전압 의존성을 활용하게 되어 매우 낮은 작동 전압에서 높은 전장 효과 이동도 수준을 달성할 수 있다. 이러한 절연체의 재료와 이를 TFT 구조내로 집적시키는 수단을 적절하게 선택, 조합하면 유기 또는 플라스틱 기판상에의 제작을 용이하게 할 수 있고 이러한 소자를 평판 디스플레이 용도에 사용할 수 있다고 교시되어 있다.The use of high dielectric constant gate insulators exploits the unexpected gate voltage dependence of organic semiconductors to achieve high field effect mobility levels at very low operating voltages. Appropriate selection and combination of such insulator materials and means for integrating them into the TFT structure is said to facilitate fabrication on organic or plastic substrates and that such devices can be used for flat panel display applications.

Description

낮은 작동 전압을 필요로 하는 유기 반도체를 갖는 박막 전장 효과 트랜지스터{THIN-FILM FIELD-EFFECT TRANSISTOR WITH ORGANIC SEMICONDUCTOR REQUIRING LOW OPERATING VOLTAGES}THIN-FILM FIELD-EFFECT TRANSISTOR WITH ORGANIC SEMICONDUCTOR REQUIRING LOW OPERATING VOLTAGES}

본 발명은 유기 박막 전장 효과 트랜지스터 분야에 관한 것이며, 더욱 특히는 이러한 트랜지스터를 사용하는 평판 액정 디스플레이에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to the field of organic thin film field effect transistors, and more particularly to flat liquid crystal displays using such transistors.

본 발명은 더욱 구체적으로는 바륨 스트론튬 티타네이트가 화학 용액 공정에 의해 침착된 게이트 유전체를 포함하는 유기 박막 전장 효과 트랜지스터(TFT)에 관한 것이다. 특히 본 발명은 이러한 트랜지스터를 사용하는 평판 액정 디스플레이에 관한 것이다.More particularly, the present invention relates to an organic thin film field effect transistor (TFT) comprising a gate dielectric in which barium strontium titanate is deposited by a chemical solution process. In particular, the present invention relates to flat panel liquid crystal displays using such transistors.

액정 디스플레이(liquid crystal display: LCD)에 사용되는 박막 전장 효과 트랜지스터는 전형적으로 반도체로서 무정형 실리콘(a-Si:H) 및 게이트 절연체로서 산화실리콘 및/또는 질화실리콘을 사용한다. 근래에 재료에 대한 연구가 이루어진 결과, 박막 전장 효과 트랜지스터내의 반도체로서 무정형 실리콘에 대한 잠재적인 대체물로서 헥사티오펜 및 그의 유도체와 같은 유기 올리고머 및 펜타센과 같은 유기 분자{지 호로비츠(G.Horowitz), 디.피쵸우(D.Fichou), 엑스.펭(X.Peng), 제트.엑슈(Z.Xu), 에프.가르니에(F.Garnier)의 문헌[Solid State Commun. Volume 72, pg.381, 1989] 및 에프.가르니에, 지.호르비츠, 디.피쵸우의 미국 특허 제 5,347,144 호를 참조}가 개발되었다.Thin film field effect transistors used in liquid crystal displays (LCDs) typically use amorphous silicon (a-Si: H) as the semiconductor and silicon oxide and / or silicon nitride as the gate insulator. Recent studies of materials have shown that organic oligomers such as hexathiophene and derivatives thereof and organic molecules such as pentacene as potential semiconductors for amorphous silicon as semiconductors in thin film field effect transistors (G.Horowitz, D. Fichou, X. Peng, Z. Xu, F. Garnier, Solid State Commun. Volume 72, pg. 381, 1989 and US Patent No. 5,347,144 to F. Garnier, Z. Horwitz, D. Pichou.

티오펜-올리고머를 기재로 하는 TFT의 가장 높은 전장 효과 이동도는 통상적으로 약 0.06cm2V-1sec-1인데{에프.가르니에, 알 하즐라위(R.Hajlaui), 에이.야사 (A.Yassar), 피.스리바스타바(P.Srivastava)의 문헌[Science, Volume 265, pg 1684, 1994]를 참조}, 이는 표준 a-Si:H TFT의 이동도보다 훨씬 더 낮다. 시아노에틸풀루란 유기 절연체가 사용될 경우에서만 보다 높은 전장 효과 이동도가 측정되었다(0.4cm2V-1sec-1, 에프.가르니에, 지.호로비츠, 디.피쵸우의 미국 특허 제 5,347,144 호를 참조). 그러나, 이 절연체는 유전 강도(dielectric strength) 및 유동 전하(mobile charges)가 떨어지고{지.호로비츠, 에프.델로프레(F.Deloffre), 에프.가르니에, 알.하즐라위, 엠.멘(M.Hmyene), 에이.야사(A.Yassar)의 문헌[Synthetic Metals, Volume 54, pg 435, 1993]을 참조} 습기에 대해 취약하다는 등의 몇몇 바람직하지 못한 특성들을 나타낸다. 따라서, 이는 실용 TFT 소자의 제조에 있어 게이트 절연체로서 사용하기에 적합하지 않다.The highest field effect mobility of TFTs based on thiophene-oligomers is typically about 0.06 cm 2 V −1 sec −1 (F. Garnier, R. Hajlaui, A. Yasa (A. Yassar), see P. Srivastava, Science, Volume 265, pg 1684, 1994, which is much lower than the mobility of standard a-Si: H TFTs. Higher field effect mobility was measured only when cyanoethyl pullulan organic insulators were used (see US Pat. No. 5,347,144 to 0.4 cm 2 V −1 sec −1 , F. Garnier, Z. Horowitz, D. Pichou). ). However, these insulators have poor dielectric strength and mobile charges {H. Horowitz, F. Deloffre, F. Garnier, Al. Hazlawi, M. Men. Hmyene), see A. Yassar, Synthetic Metals, Volume 54, pg 435, 1993. Some undesirable properties are indicated such as being susceptible to moisture. Therefore, it is not suitable for use as a gate insulator in the manufacture of practical TFT elements.

근래에, 게이트 절연체로서 SiO2를 갖는 펜타센-기재의 TFT에서 0.6cm2V-1sec-1이하의 전장 효과 이동도가 달성되어{와이.와이.린(Y.Y.Lin), 디.제이.군들라치 (D.J.Gundlach), 티.엔.잭슨(T.N.Jackson)의 문헌[54thAnnual Device Research Conference Digest, 1996 pg.80]을 참조}, 이들이 상기와 같은 용도에서 잠재적인 후보가 되었다. 이들 펜타센-기재의 유기 TFT의 주요 단점은 높은 임계 전압, 높은 이동도를 달성함과 동시에 높은 전류 변조를 달성하는데 요구되는 높은 작동 전압(두께가 0.4㎛인 SiO2절연체가 사용되는 경우 전형적으로 약 100V), 임계 전압 아래 영역에서의 큰 기울기(S)인데, 이는 a-Si:H를 기재로 하는 TFT에서 달성되는 전류 변조 10회당 약 0.3V와 비교해볼때(씨-와이.첸(C.Y.Chen), 제이.카닉키 (J.Kanicki)의 문헌[54thAnnual Device Research Conference Digest, 1996, pg.68]을 참조}, 전류 변조 10회당 약 14V이다{와이.와이.린, 디.제이.군들라치, 티.엔.잭슨의 문헌[54thAnnual Device Research Conference Digest, 1996, pg.80]을 참조}. 게이트 절연체의 두께를 감소시키면 전술된 특성이 개선되기는 하지만, 절연체 두께를 감소시키는데에는 한계가 있고, 이는 제조의 용이성 및 신뢰성 문제와 관련이 있다. 예를 들면 현재 TFT LCD 소자의 제조에 있어서, TFT 게이트 절연체의 두께는 전형적으로 0.4㎛이다.In recent years, field effect mobility of 0.6 cm 2 V −1 sec −1 or less has been achieved in pentacene-based TFTs having SiO 2 as a gate insulator {YYLin, D. J. See DJGundlach, TNJackson, 54 th Annual Device Research Conference Digest, 1996 pg. 80, which became potential candidates for such use. The main drawback of these pentacene-based organic TFTs is that high operating voltages (typically 0.4 μm thick SiO 2 insulators typically required to achieve high threshold voltages, high mobility and at the same time high current modulation are typically used. 100V), which is a large slope (S) in the region below the threshold voltage, compared to about 0.3V per 10 current modulations achieved in a TFT based on a-Si: H (CYChen). , J. South Nicky see document [54 th Annual Device Research Conference Digest , 1996, pg.68] of (J.Kanicki)}, current modulation is about 10 per 14V {Y. Y. Lin, D. J. tiers Latch, T. N. Jackson, 54 th Annual Device Research Conference Digest, 1996, pg. 80. Reducing the thickness of a gate insulator improves the above-described characteristics, but is limited to reducing the thickness of the insulator. This is related to ease of manufacture and reliability issues. G. In the production of the current TFT LCD device, the thickness of the TFT gate dielectric is typically 0.4㎛.

근래에는, 무정형 실리콘 TFT의 성능에 필적할 만한 성능 및 비교적 낮은 작동 전압을 갖는, 비교적 높은 유전상수의 게이트 유전체를 포함하는 유기 TFT가 기술되었다(본원에 참고로 인용된 씨.디.디미트라코풀로스(C.D.Dimitrakopoulus), 비.케이.푸만(B.K.Furman), 에스.푸루쏘타만(S.Purushothaman), 디.에이.뉴메이어 (D.A.Neumayer), 피.알.던콤(P.R.Duncombe)의 문헌(Docket No. YO997-057)을 참조).Recently, organic TFTs comprising relatively high dielectric constant gate dielectrics, which have comparable performance to amorphous silicon TFTs and relatively low operating voltages, have been described (C.D.Dimitraco, which is incorporated herein by reference). From CDDimitrakopoulus, B.K.Furman, S.Purushothaman, D.A.Neumayer and P.D.Duncombe. See Docket No. YO997-057).

화학 용액 공정에 의해 금속 산화물 막을 제조하는 방법은 근래에 기술되어 있으며, 특히 금속 알콕시알콕사이드 용액이 사용되는 경우 그러하다{본원에 참고로 인용되어 있는, 1997년 3월 10일자로 출원된 디.에이.뉴메이어, 피.알.던콤의 문헌(Docket No. YO997-069)을 참조}.Processes for preparing metal oxide films by chemical solution processes have been described in recent years, particularly where metal alkoxyalkoxide solutions are used {D.A, filed March 10, 1997, which is incorporated herein by reference. See Newyer, P. Duncan (Docket No. YO997-069).

반도체로서 펜타센, 게이트 전극으로서 두껍게 도핑된 Si-웨이퍼, 게이트 절연체로서 Si-웨이퍼 표면상에서 열적 성장하는 SiO2, Au 소스 및 드레인 전극을 갖는 TFT의 전기적 특성은 이미 공지된 표준 전장 효과 트랜지스터 등식{에스.엠.스제(S.M.Sze)의 문헌["Physics of Semiconductor Devices", Wiley, New York, 1981, pg 442]을 참조}에 의해 적당히 모델링된다{지 호로비츠, 디.피쵸우, 엑스.펭, 제트.엑슈, 에프.가르니에의 문헌[Solid State Commun. Volume 72, pg.381,1989l] 및 씨.디.디미트라코풀로스, 에이.알.브라운(A.R.Brown), 에이.폼프(A.Pomp)의 문헌[J.Appl.Phys. Volume 80, pg 2501, 1996]을 참조}. 이들 소자에 사용된 펜타센은 p-형 반도체로서 작용한다. 와이.와이.린, 디.제이.군들라치, 티.엔.잭슨의 문헌[54thAnnual Device Research Conference Digest, 1996, pg.80]}의 도 1은 게이트 전극에 가해진 개개의 전압(VG)에서 드레인 전극에 가해진 전압(VD)에 대한, 소스와 드레인 전극사이의 전류 흐름(ID)의 의존성을 보여준다. 게이트 전극이 접지 소스 전극에 대해 (-)로 바이어스(bias)가 걸린 경우, 펜타센-기재의 TFT는 누적 모드(accumulation mode)로 작동하며 누적된 캐리어는 홀(hole)이다. 낮은 VD에서, ID는 VD와 선형으로 증가하며(선형 관계), 대략 하기 수학식 1에 의해 나타내어진다:The electrical properties of a TFT with pentacene as a semiconductor, a heavily doped Si-wafer as a gate electrode, and a SiO 2 , Au source and drain electrode thermally grown on the Si-wafer surface as a gate insulator are known standard field effect transistor equations { Suitably modeled by Szeze ("Physics of Semiconductor Devices", Wiley, New York, 1981, pg 442) {Gehrowitz, D. Pichou, X.Feng, Jet Esch, F. Garnier, Solid State Commun. Volume 72, pg. 381, 1989l and C. D. dimitracopulose, A. Brown, A. Pomp, J. Appl. Phys. Volume 80, pg 2501, 1996]. Pentacene used in these devices acts as a p-type semiconductor. Figure 1 of Y. Lynn, D. J. Gundlas, T. & Jackson [54 th Annual Device Research Conference Digest, 1996, pg. 80] shows the individual voltage (V G) applied to the gate electrode. ) Shows the dependence of the current flow (I D ) between the source and drain electrodes on the voltage (V D ) applied to the drain electrode. When the gate electrode is biased with respect to the ground source electrode with a negative (−), the pentacene-based TFT operates in an accumulation mode and the accumulated carrier is a hole. At low V D , I D increases linearly with V D (linear relationship) and is approximately represented by the following equation:

상기식에서, L은 채널 길이이고, W는 채널 너비이고, Ci은 절연층의 단위면적당 커패시턴스이고, VT는 임계 전압이고, μ는 전장 효과 이동도이다. VD가 일정하게 낮을때 ID를 VG에 대해 플롯팅하고 이러한 곡선의 기울기 값을 하기 수학식 2에서와 같이 gm와 같게 보정함으로써 μ를 상호전달 컨덕턴스(transconductance)로부터 선형 영역에서 계산할 수 있다:Where L is the channel length, W is the channel width, C i is the capacitance per unit area of the insulating layer, V T is the threshold voltage, and μ is the field effect mobility. Μ can be calculated in the linear region from the transconductance by plotting I D with respect to V G when V D is constantly low and correcting the slope of this curve equal to g m , as shown in Equation 2 below. have:

드레인 전극이 게이트 전극보다 더 (-)로 바이어스가 걸리고(즉 -VD이 -VG보다 크거나 같다) 소스 전극이 접지된 경우(즉 VS는 0이다), 소스와 전극사이의 전류 흐름(ID)은 누적층(포화 영역)에서의 핀치-오프(pinch-off)로 인해 포화되는 경향이 있으며(더 이상 증가하지 않음) 다음 수학식 3에 의해 모델링된다:If the drain electrode is biased more negatively than the gate electrode (ie, -V D is greater than or equal to -V G ) and the source electrode is grounded (ie V S is zero), the current flows between the source and the electrode (I D ) tends to saturate due to pinch-off in the cumulative layer (saturation region) (which no longer increases) and is modeled by the following equation:

도 2a는 포화시 VG에 대한 ID의 의존성을 보여준다(와이.와이.린, 디.제이.군들라치, 티.엔.잭슨의 문헌[54thAnnual Device Research Conference Digest, 1996, pg.80]을 참조). 전장 효과 이동도를 VG에 대한의 곡선의 기울기로부터 계산할 수 있다. 도 2b는 VG에 대한의 곡선을 보여준다. 이 곡선으로부터 계산된이동도는 0.62㎠V-1sec-1이다. 임계 전압 아래 영역에서의 기울기인 S는 대략 전류 변조 10회당 14V이다(와이.와이.린, 디.제이.군들라치, 티.엔.잭슨의 문헌[54thAnnual Device Research Conference Digest, 1996, pg.80]을 참조).FIG. 2A shows the dependence of I D on V G at saturation (Wi. Y. Lynn, D. J. Gundlaschi, T. N. Jackson, 54 th Annual Device Research Conference Digest, 1996, pg. 80). ]. Battlefield Effect Mobility for V G Can be calculated from the slope of the curve. 2B is for V G Shows the curve of. The mobility calculated from this curve is 0.62 cm 2 V −1 sec −1 . Gradient of S in the threshold voltage below the area is approximately the current modulation 10 per 14V (Y. Y. Lin, D. J. tiers latch, T. yen. Et Jackson [54 th Annual Device Research Conference Digest, 1996, pg .80].

본 발명의 목적은 절연체의 두께를 감소시키거나 높은 작동 전압을 사용하지 않고서도 높은 전장 효과 이동도, 낮은 임계 전압, 임계 전압 아래 영역에서의 작은 기울기 및 높은 전류 변조의 바람직한 조합을 달성할 수 있는 TFT 구조물을 제공하는 것이다. 이러한 구조물은 높은 유전상수의 무기 게이트 절연체층(예를 들면 바륨 스트론튬 티타네이트)와 유기 반도체(예를 들면 펜타센)와의 조합을 함유한다.It is an object of the present invention to achieve the desired combination of high field effect mobility, low threshold voltage, small slope in the region below the threshold voltage and high current modulation without reducing the thickness of the insulator or using a high operating voltage. It is to provide a TFT structure. Such structures contain a combination of a high dielectric constant inorganic gate insulator layer (eg barium strontium titanate) and an organic semiconductor (eg pentacene).

본 발명의 또다른 목적은 이러한 구조물을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing such a structure.

본 발명의 또다른 목적은 높은 유전상수의 게이트 절연체가 예를 들면 화학 용액 공정에 의해 침착되고, 유리 및 플라스틱 기판이 메모리에 사용될 때의 가공 온도(650℃이하)보다 훨씬 낮은 온도이면서 상기 물질들에 적합한 온도(150 내지 400℃)에서 처리된 유기 TFT 구조물을 제조하는 것이다.It is a further object of the present invention that these materials are deposited at high dielectric constant gate insulators, for example by chemical solution processes, at temperatures well below the processing temperatures (less than 650 ° C.) when glass and plastic substrates are used in memory. It is to produce an organic TFT structure treated at a temperature (150 to 400 ℃) suitable for.

특히 본 발명의 또다른 목적은 높은 유전상수의 게이트 절연체가, 금속 알콕시알콕사이드 용액, 바람직하게는 금속 부톡시에톡사이드를 사용한 화학 용액 공정에 의해 침착된 금속 산화물 박막, 바람직하게는 바륨 스트론튬 티타네이트, 바륨 티타네이트, 비스무스 티타네이트, 스트론튬 티타네이트, 바륨 지르코네이트 티타네이트, 스트론튬 비스무스 탄탈레이트 니오베이트 및 스트론튬 비스무스 탄탈레이트와 같은 금속 산화물 박막을 포함하는 유기 TFT 구조물을 제조하는 것이다.In particular another object of the present invention is a metal oxide thin film, preferably barium strontium titanate, in which a high dielectric constant gate insulator is deposited by a chemical solution process using a metal alkoxyalkoxide solution, preferably a metal butoxyethoxide. To produce an organic TFT structure comprising a metal oxide thin film such as barium titanate, bismuth titanate, strontium titanate, barium zirconate titanate, strontium bismuth tantalate niobate and strontium bismuth tantalate.

도 1은 SiO2게이트 절연체를 갖는 펜타센-기재의 TFT 소자의 작동 특성을 나타낸다. 소스-드레인 전압의 함수로서의 드레인 전류의 의존성은 상이한 개별적인 게이트 전압값에 대해 도시되어 있다. 린 등의 문헌(1996)을 참조하도록 한다.1 shows the operating characteristics of a pentacene-based TFT device having a SiO 2 gate insulator. The dependence of the drain current as a function of the source-drain voltage is shown for different individual gate voltage values. See Lin et al. (1996).

도 2a는 도 1과 동일한 데이타를 나타내지만, 포화 영역에서 게이트 전극의 함수로서 드레인 전류의 의존성을 보여주도록 다시 플롯팅된 것이다.FIG. 2A shows the same data as FIG. 1, but again plotted to show the dependence of the drain current as a function of the gate electrode in the saturation region.

도 2b는 전장 효과 이동도를 계산하기 위해서, 포화 영역에서 게이트 전극의 함수로서의, 도 2로부터 취해진 드레인 전극의값을 플롯팅한 것이다.FIG. 2B shows the drain electrode taken from FIG. 2 as a function of the gate electrode in the saturated region to calculate the field effect mobility. The values are plotted.

도 3은 반도체로서 표준 펜타센(순도 97% 이상) 및 게이트 절연체로서 120㎚ 두께의 SiO2를 사용한 TFT 소자의 작동 특성의 측정치를 도시한다.3 shows measurements of the operating characteristics of a TFT device using standard pentacene (purity 97% or higher) as a semiconductor and 120 nm thick SiO 2 as a gate insulator.

도 4a는 도 3에서 취해진 데이타를 재플롯팅시킨 것으로, 포화 영역에서 게이트 전압에 대한 드레인 전류의 의존성을 도시한다.FIG. 4A is a replot of the data taken in FIG. 3, illustrating the dependence of the drain current on the gate voltage in the saturation region.

도 4b는 도 4a에서 취해진 데이타를, 전류 변조 및 임계 전압 아래 영역에서의 기울기를 계산하는데 사용되는 세미로그(semilogarithmic scale)로 나타낸 것이다.FIG. 4b shows the data taken in FIG. 4a on a semilogarithmic scale used to calculate current slope and slope in the region below the threshold voltage.

도 4c는 전장 효과 이동도를 계산하기 위해서, 포화 영역에서 게이트 전압의 함수로서의, 도 4a로부터 취해진 드레인 전류의값을 플롯팅한 것이다.4C shows the drain current taken from FIG. 4A as a function of gate voltage in the saturation region to calculate the field effect mobility. The values are plotted.

도 5는 상이한 게이트 전압 및 동일한 소스-드레인 전압(-100V)에서, 도 3에서 특성지워진 소자에 대해 계산된 전장 효과 이동도의 곡선으로서, 이동도의 게이트 전압에 대한 강한 의존성을 보여준다.FIG. 5 is a curve of the field-effect mobility calculated for the device characterized in FIG. 3 at different gate voltages and at the same source-drain voltage (-100V), showing a strong dependency on the gate voltage of mobility.

도 6은 본 발명에서 제시된, 높은 유전상수의 게이트 절연체를 갖는 펜타센-기재의 TFT 소자의 개략도이다.6 is a schematic of a pentacene-based TFT device having a high dielectric constant gate insulator presented in the present invention.

도 7a는 반도체로서 표준 펜타센(순도 97% 이상) 및 게이트 절연체로서 층 두께가 90㎚인 바륨 스트론튬 티타네이트 막(실시예 21에 기술된 바와 같이 Ba, Sr, Ti 이소프로판올/아세트산 용액의 스핀 코팅에 의해 침착되거나, 이소프로폭사이드 기재의 전구체 용액으로부터 졸 겔 공정에 의해 침착됨)을 갖는 TFT 소자의 작동 특성의 측정치이다. 일정 소스-드레인 전압에서 게이트 전압에 대한 드레인 전류의 의존성이 나타나 있다.FIG. 7A shows spin coating of a barium strontium titanate film with a layer thickness of 90 nm as a standard pentacene (more than 97% purity) as a semiconductor and a gate insulator (as described in Example 21) Or deposited by a sol gel process from a precursor solution based on isopropoxide). The dependence of the drain current on the gate voltage at a constant source-drain voltage is shown.

도 7b는 전류 변조 및 임계 전압 아래 영역에서의 기울기를 계산하기 위해서, 도 7a에서 취해진 데이타를 세미로그로 나타낸 것을 플롯팅한 것이다.FIG. 7B plots the semilog of the data taken in FIG. 7A to calculate the slope in the region below the current modulation and threshold voltage.

도 7c는 전장 효과 이동도를 계산하기 위해서, 포화 영역에서 게이트 전압의 함수로서의 도 7a에서 취해진 드레인 전류의값을 플롯팅한 것이다.FIG. 7C shows the drain current taken in FIG. 7A as a function of gate voltage in the saturation region to calculate the field effect mobility. The values are plotted.

도 8은 반도체로서 표준 펜타센(순도 97% 이상) 및 게이트 절연체로서 바륨스트론튬 티타네이트 막(실시예 21에 기술된 바와 같이 Ba, Sr, Ti 이소프로판올/아세트산 용액의 스핀 코팅에 의해 침착되거나, 알콕사이드 기재의 전구체 용액으로부터 졸 겔 공정에 의해 침착됨)을 갖는 TFT 소자의 작동 특성의 측정치이다. 상이한 게이트 전압에서 소스-드레인 전압에 대한 드레인 전류의 의존성이 도시되어 있다.8 is deposited by spin coating of a standard pentacene (more than 97% purity) as a semiconductor and a barium strontium titanate film as a gate insulator (Ba, Sr, Ti isopropanol / acetic acid solution as described in Example 21, or alkoxides Measured by the sol gel process from the precursor solution of the substrate). The dependence of the drain current on the source-drain voltage at different gate voltages is shown.

도 9a는 반도체로서 표준 펜타센(순도 97% 이상) 및 게이트 절연체로서 층 두께가 90㎚인 바륨 스트론튬 티타네이트 막(실시예 4에 기술된 바와 같이 부톡시에탄올중 Ba, Sr, Ti 부톡시에톡사이드 용액의 스핀 코팅에 의해 침착되거나, 도 7 및 도 8에서 사용된 용액과 상이한 용액으로의 스핀-코팅에 의해 침착됨)을 갖는 TFT 소자의 작동 특성의 측정치이다. 일정 소스-드레인 전압에서 게이트 전압에 대한 드레인 전류의 의존성을 보여준다.9A shows a barium strontium titanate film having a layer thickness of 90 nm as a standard pentacene (more than 97% purity) as a semiconductor and a gate insulator (as described in Example 4 in Ba, Sr, Ti butoxy in butoxyethanol; Deposited by spin coating of the tocoxide solution, or by spin-coating with a solution different from the solution used in FIGS. 7 and 8). Show the dependence of drain current on gate voltage at constant source-drain voltage.

도 9b는 전류 변조 및 임계 전압 아래 영역에서의 기울기를 계산하기 위해, 도 9a로부터 취해진 데이타를 세미로그로 나타낸 것을 플롯팅한 것이다.FIG. 9B plots the semilog of the data taken from FIG. 9A to calculate the slope in the region below the current modulation and threshold voltage.

도 9c는 전장 효과 이동도를 계산하기 위해서, 포화 영역에서 게이트 전압의 함수로서의 도 9a에서 취해진 드레인 전류의값을 플롯팅한 것이다.9C shows the drain current taken in FIG. 9A as a function of gate voltage in the saturation region to calculate the field effect mobility. The values are plotted.

본 발명에서 제안된 TFT 구조물 및 그의 제조 방법은 바륨 스트론튬 티타네이트(BST)와 같은 높은 유전상수의 박막 게이트 절연체, 펜타센과 같은 유기 반도체, 금속, 전도성 중합체, 두껍게 도핑된 고 전도성 물질 또는 이들의 조합을 게이트, 소스 및 드레인 전극으로서 이용한다.The TFT structure proposed in the present invention and its manufacturing method are a high dielectric constant thin film gate insulator such as barium strontium titanate (BST), an organic semiconductor such as pentacene, a metal, a conductive polymer, a thickly doped high conductive material or a combination thereof Is used as the gate, source and drain electrodes.

상기 구조물에서 게이트 절연체층으로서 사용될 수 있는, 높은 유전상수의 후보 물질들은 Ta2O5, Y2O3, TiO2및 PbZrXTi1-XO3(PZT), Bi4Ti3O12, BaMgF4, SrBi2(Ta1-XNbX)2O9, Ba(Zr1-XTiX)O3(BZT) 및 BaXSr1-XTiO3(BST), BaTiO3, SrTiO3및 Bi4Ti3O12와 같은 강유전성 절연체들을 포함하나 이에 국한되지는 않는다. 이들 물질들은 과거에는 주로 메모리 소자용으로 무기 반도체와 함께 조합하여 연구 및 사용되어 왔으나(본원에 참고로 인용된 피.박(P.Balk)의 문헌[Advanced Materials, Volume 7, pg.703, 1995]을 참조) 유기 반도체와 조합된 적은 없었다. 전형적으로 이들 절연체들은 600℃이상에서 어닐링(annealing)되어 150보다 큰 유전상수(ε)값을 달성한다.Candidates of high dielectric constant, which can be used as the gate insulator layer in the structure, include Ta 2 O 5 , Y 2 O 3 , TiO 2 and PbZr X Ti 1-X O 3 (PZT), Bi 4 Ti 3 O 12 , BaMgF 4 , SrBi 2 (Ta 1-X Nb X ) 2 O 9 , Ba (Zr 1-X Ti X ) O 3 (BZT) and Ba X Sr 1-X TiO 3 (BST), BaTiO 3 , SrTiO 3 and Ferroelectric insulators such as, but not limited to, Bi 4 Ti 3 O 12 . These materials have been studied and used in combination with inorganic semiconductors mainly for memory devices in the past (P.Balk, cited herein by Advanced Materials, Volume 7, pg.703, 1995). ] Has never been combined with an organic semiconductor. Typically these insulators are annealed above 600 ° C. to achieve dielectric constants ε greater than 150.

일반적으로 본 발명에서 제안된 구조물은 TFT구조물에서 유기 반도체(예를 들면 펜타센)와 함께 높은 유전상수의 무기 게이트 절연체를 사용한다. 높은 ε의 절연체를 400℃에서 어닐링시켜 15 이상의 ε를 달성할 수 있고 이로써 유리 또는 플라스틱 기판을 사용할 수 있게 된다. 높은 유전상수의 유기 절연체가 높은 유전상수(ε가 15 이상임)를 가지면서 환경적 안정성, 높은 파괴 전압, 우수한 막-형성능, 유동 전하의 부재와 같은 기타 요건들을 충족시키는 경우, 이를 또한 전술된 무기 절연체 대신에 본 발명의 구조물에 사용할 수 있다.In general, the structure proposed in the present invention uses a high dielectric constant inorganic gate insulator together with an organic semiconductor (eg pentacene) in a TFT structure. The high ε insulator can be annealed at 400 ° C. to achieve ε of at least 15, thereby enabling the use of glass or plastic substrates. If the high dielectric constant organic insulator has a high dielectric constant (ε is 15 or more) and meets other requirements such as environmental stability, high breakdown voltage, good film-forming ability, absence of flow charge, this is also the case with the above-mentioned inorganic It may be used in the structure of the present invention instead of an insulator.

본 발명의 TFT 구조물의 제조에 사용되는 전형적인 절차는 다음 단계를 포함한다:Typical procedures used in the manufacture of TFT structures of the present invention include the following steps:

① 게이트 전극이 기판 자체인 경우에는 두껍게 도핑된 Si이고, 그렇지 않을 경우에는 기판위에 침착되고 패턴화된, 패턴화된 금속(또는 전도성 중합체 또는 기타 전도성 물질)게이트 전극일 수 있는 게이트 전극을 제조하는 단계;(1) to fabricate a gate electrode, which may be a thickly doped Si if the gate electrode is the substrate itself, otherwise it may be a patterned metal (or conductive polymer or other conductive material) gate electrode deposited and patterned on the substrate. step;

② 졸-겔 스핀 코팅(sol gel spin coating) 및 베이킹(baking), 스퍼터링(sputtering), 화학적 증착(chemical vapor deposition: CVD), 레이저 애블레이션 침착(laser ablative deposition), 물리적 증착(physical vapor deposition)을 포함하나 이에 국한되지는 않는 다양한 방법중 한 방법에 의해 게이트 전극위에 높은 유전상수의 게이트 절연체를 침착시키는 단계;Sol gel spin coating and baking, sputtering, chemical vapor deposition (CVD), laser ablative deposition, and physical vapor deposition Depositing a high dielectric constant gate insulator on the gate electrode by one of a variety of methods, including but not limited to;

③ 150℃ 내지 400℃의 범위내의 적합한 온도에서 막을 임의로 어닐링시켜 막의 성능을 개선시키고 유전상수를 향상시키는 단계;(3) optionally annealing the film at a suitable temperature in the range of 150 ° C to 400 ° C to improve the performance of the film and improve the dielectric constant;

④ 증착, 용액으로부터의 스핀-코팅, 용액으로부터 층의셀프-어셈블리(self-assembly)를 포함하나 이에 국한되지는 않는 다양한 방법중 한 방법에 의해 게이트 절연체위에 유기 반도체를 침착시키는 단계;(4) depositing the organic semiconductor on the gate insulator by one of a variety of methods including, but not limited to, deposition, spin-coating from solution, self-assembly of layers from solution;

⑤ 전기전도성 소스 및 드레인 전극을 유기 반도체위에서 제작하는 단계;⑤ fabricating an electrically conductive source and drain electrode on the organic semiconductor;

⑥ 화학적 증착, 물리적 증착, 스핀-코팅 및 경화에 의해 절연체를 임의로 패시베이션 코팅시키는 단계.(6) optionally passivating the insulator by chemical vapor deposition, physical vapor deposition, spin-coating and curing.

유기 반도체의 침착 단계와 소스 및 드레인 전극의 제작 단계의 순서는 공정 적합성 및 제작의 용이성을 위해 바뀔수도 있다.The order of the deposition steps of the organic semiconductor and the fabrication steps of the source and drain electrodes may be changed for process suitability and ease of fabrication.

도 3은 반도체층으로서 표준 펜타센(순도 97% 이상, 풀루카 케미칼 캄파니(FLUKA Chemical Co.)로부터 구입), 게이트 전극으로서 두껍게 도핑된 Si 웨이퍼, 게이트 절연체로서 120㎚두께의 열적 성장한 SiO2, Au 소스 및 드레인 전극을 갖는 소자에 관한 것이며, 게이트 전극에 가해진 상이한 전압(VG)에서 드레인 전극에 가해진 전압(VD)에 대한 소스와 드레인 전극 사이의 전류 흐름(ID)의 의존성을 보여준다.3 is a standard pentacene (purity 97% or more, purchased from FLUKA Chemical Co.) as a semiconductor layer, a thickly doped Si wafer as a gate electrode, and a 120 nm thick thermally grown SiO 2 as a gate insulator; , A device having an Au source and a drain electrode, and the dependence of the current flow (I D ) between the source and drain electrodes on the voltage (V D ) applied to the drain electrode at different voltages (V G ) applied to the gate electrode. Shows.

곡선의 선형 관계(즉 낮은 VD에서)는 전술된 수학식 1에 의해 모델링될 수 있다.The linear relationship of the curve (ie at low V D ) can be modeled by Equation 1 above.

도 4a 및 4b는 전술된 것과 동일한 소자에 관한 것이며, 포화 영역에서 VG에 대한 ID의 의존성을 보여준다. 전장 효과 이동도(μ)를대 VG곡선의 기울기로부터 계산하였더니 0.52㎠V-1sec-1였다(도 4c). 임계 전압 아래 영역에서의 기울기(S)는 전류 변조 10회당 13.7V이다. 이 데이타는 종래 기술에서 전술된 유사한 TFT 구조물에 대한 데이타에 필적될만하다. 앞서 설명한 바와 같이, 상기 이동도는 실용 TFT에 적합하지만, 작동 전압 및 임계 전압 아래 영역에서의 기울기는 a-Si:H TFT에 비해서 지나치게 크다. 도 3과 도 4에서와 같이, TFT 소자로부터 측정된 전장 효과 이동도는 게이트 전압 의존성을 보여준다. 특히 보다 높은 게이트 전압에서 높은 이동도가 수득된다. 이로써 허용가능한 이동도를 수득하기 위해서 비현실적으로 높은 작동 전압을 사용할 필요가 있다. 이 문제를 해결하기 위해서 도 3 및 도 4에서와 같은 TFT 소자에서 측정된 전장 효과 이동도(μ)의, 가해진 게이트 전압인 VG에 대한 의존성을 보다 상세히 연구하였다. 도 5는 상이한 게이트-전압-스위프(sweep) 실험(VD는 -100V로 일정하고, VS는 항상 0V였다)에서 사용된 최대 VG에 대한 μ의 의존성을 보여준다.4a and 4b are for the same device as described above and show the dependence of I D on V G in the saturation region. Battlefield Effect Mobility (μ) Calculated from the slope of the vs. V G curve, it was 0.52 cm 2 V −1 sec −1 (FIG. 4C). The slope S in the region below the threshold voltage is 13.7 V per 10 current modulations. This data is comparable to the data for similar TFT structures described above in the prior art. As described above, the mobility is suitable for the practical TFT, but the inclination in the region below the operating voltage and the threshold voltage is too large compared to the a-Si: H TFT. As in Figs. 3 and 4, the electric field effect mobility measured from the TFT element shows the gate voltage dependency. High mobility is obtained especially at higher gate voltages. This necessitates the use of unrealistically high operating voltages in order to obtain acceptable mobility. Of the full-length-effect mobility (μ) measured in the TFT elements as in Figures 3 and 4. In order to solve this problem, the applied gate voltage, which is dependent on V G was more detailed study. FIG. 5 shows the dependence of μ on the maximum V G used in different gate-voltage-sweep experiments (V D is constant at −100 V and V S has always been 0 V).

관찰된 행동은 게이트 전장(E)에 대한 이동도의 의존성으로 인한 것이며, 이때이고, y는 절연체의 두께이고, 이 경우에 보다 얇은 게이트 유전체 층을 사용하여 높은 게이트 전장을 달성시킬 수 있다. 이는 전형적으로 무기 반도체 TFT 소자에 사용되는 종래의 방법에 의해서 달성되지만, 얇은 유전체는 핀홀(pinhole) 결함을 갖고 보다 낮은 유전성 파괴 전압 및 보다 높은 누설 전류를 나타낸다는 한계를 갖는다. 따라서 이러한 방법은 펜타센 기재의 TFT의 게이트 전압 의존 이동도를 이용하는데에는 실속이 없다.The observed behavior is due to the dependence of mobility on the gate electric field (E), where And y is the thickness of the insulator, in which case a thinner gate dielectric layer can be used to achieve a high gate electric field. This is typically accomplished by conventional methods used in inorganic semiconductor TFT devices, but the thin dielectric has the limitation that it has pinhole defects and exhibits lower dielectric breakdown voltage and higher leakage current. Therefore, this method has no stall in utilizing the gate voltage dependent mobility of the pentacene-based TFT.

한편으로는, 반드시 그렇지는 않지만, 게이트 전압 의존성이 반도체/절연체계면에서 캐리어의 누적된 농도의 변화를 증명하는 것일 수 있다. 유기 반도체에서 전하 캐리어의 과다한 누적으로 인해 트랩 전위가 보다 용이하게 채워지므로 추가적인 캐리어들이 트랩핑에 의해 방해받지 않고 보다 쉽게 이동할 수 있게 된다. SiO2를 유사한 두께를 갖지만 유전상수가 보다 높은 절연체로 대체시킴으로써 캐리어 누적을 용이하게 할 수 있다. 이 경우에, 게이트 전장 및 게이트 전압이 훨씬 낮고 모든 기타 척도들이 똑같은 조건에서 SiO2경우와 유사한 누적 캐리어 농도가 수득된다.On the one hand, but not necessarily, the gate voltage dependence may be to prove a change in the accumulated concentration of carriers in terms of semiconductor / insulation scheme. In organic semiconductors, the trap potential is more easily filled due to the excessive accumulation of charge carriers, allowing additional carriers to move more easily without being interrupted by trapping. Carrier accumulation can be facilitated by replacing SiO 2 with an insulator having a similar thickness but with a higher dielectric constant. In this case, a cumulative carrier concentration similar to that of the SiO 2 case is obtained under conditions where the gate electric field and gate voltage are much lower and all other measures are the same.

이러한 가설이 옳다면, 이들 소자에서, 필적할만한 두께의 SiO2를 사용하는 TFT와 비교하여 더 낮은 전압에서도 높은 이동도가 달성되어야 한다. 반대의 경우, 달리 말하자면 이동도가 전장에는 의존하지만 캐리어 농도에는 의존하지 않을 경우, 후자의 샘플의 경우에 사용된 낮은 게이트 전압하에서 비교적 낮은 이동도가 관찰되어야 한다. 다음에 나타낸 바와 같이, 두께는 유사하지만 상이한 유전상수를 갖는, 상이한 두가지의 절연체를 기재로 하는 소자의 전장 효과 이동도 측정치를 비교해본 결과 이 가설이 옳았음이 증명되었다. 실시예는 게이트 절연체로서 높은 유전상수의 무기 막을 사용한 펜타센-기재의 TFT의 제조 방법 및 낮은 작동 전압에서의 높은 전장 효과 이동도를 보다 상세하게 나타낸다.If this hypothesis is correct, in these devices, high mobility must be achieved even at lower voltages compared to TFTs using SiO 2 of comparable thickness. In the opposite case, in other words, if mobility depends on the electric field but not on the carrier concentration, relatively low mobility should be observed under the low gate voltage used for the latter sample. As shown below, a comparison of field-effect mobility measurements of devices based on two different insulators with similar thicknesses but different dielectric constants proved the hypothesis to be correct. The example shows in more detail a method for producing a pentacene-based TFT using a high dielectric constant inorganic film as a gate insulator and high field effect mobility at low operating voltages.

본 발명은 넓게는 게이트 절연체로서 바륨 스트론튬 티타네이트, 비스무스 티타네이트, 스트론튬 비스무스 탄탈레이트, 바륨 티타네이트 및 스트론튬 티타네이트와 같은 금속 산화물막 및 유기 반도체를 포함하는 박막 전장 효과 트랜지스터를 제조하는 방법에 관한 것이다. 이들 게이트 절연체들은 용액중에서 금속 알콕시알콕사이드를 사용하여 제조된다. 금속 알콕시알콕사이드 용액은 금속 알콕시알콕사이드를 용매에 용해시킴으로써 제조된다. 금속 알콕시알콕사이드 용액을 기판에 도포시키고 가열시켜 금속 산화물막을 형성시킨다.The present invention relates broadly to a method of manufacturing a thin film field effect transistor comprising a metal oxide film such as barium strontium titanate, bismuth titanate, strontium bismuth tantalate, barium titanate and strontium titanate and an organic semiconductor. will be. These gate insulators are made using metal alkoxyalkoxides in solution. Metal alkoxyalkoxide solutions are prepared by dissolving metal alkoxyalkoxides in a solvent. The metal alkoxyalkoxide solution is applied to the substrate and heated to form a metal oxide film.

금속 알콕시알콕사이드는 MLa(이때, M은 금속이고, L은 알콕시알콕사이드 리간드이고, a는 원자가 요건을 충족시키는데 필요한 알콕시알콕사이드 리간드 단위의 수를 나타내는 첨자이다) 형태의 화합물이다. 알콕시알콜은 알콕시알콜의 탄화수소 주쇄에 에테르 결합, 즉 C-O-C를 가진다는 점에서 알콜과 구분된다. 사용될 수 있는 금속에는 바륨, 스트론튬, 티탄, 비스무스, 탄탈륨, 마그네슘, 납, 이트륨, 란타늄, 마그네슘, 칼슘, 지르코늄, 니오브 및 기타 원소가 포함된다. 사용될 수 있는 알콕시알콜에는 메톡시에탄올, 에톡시에탄올, 프로폭시에탄올, 부톡시에탄올, 펜톡시에탄올, 헵톡시에탄올, 메톡시프로판올, 에톡시프로판올, 프로폭시프로판올, 부톡시프로판올, 펜톡시프로판올 및 헵톡시프로판올이 포함되며, 바람직하게는 부톡시에탄올이다. 열거된 모든 알콕시알콜과 상기 열거된 모든 금속은 금속 알콕시알콕사이드를 형성할 수 있다. 임의의 혼화성 용매를 사용하여 금속 알콕시알콕사이드 용액을 합성한다. 사용될 수 있는 혼화성 용매에는 크실렌, 톨루엔과 같은 탄화수소, 클로로포름과 같은 할로겐화 용매, 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, 메톡시에탄올, 에톡시에탄올, 프로폭시에탄올, 부톡시에탄올, 펜톡시에탄올, 헵톡시에탄올, 메톡시프로판올, 에톡시프로판올, 프로폭시프로판올, 부톡시프로판올,펜톡시프로판올 및 헵톡시프로판올이 포함되며 바람직하게는 부톡시에탄올이다.The metal alkoxyalkoxide is a compound in the form of ML a (wherein M is a metal, L is an alkoxyalkoxide ligand and a is a subscript representing the number of alkoxyalkoxide ligand units necessary to meet valence requirements). Alkoxyalcohols are distinguished from alcohols in that they have an ether bond, ie COC, in the hydrocarbon backbone of the alkoxyalcohol. Metals that may be used include barium, strontium, titanium, bismuth, tantalum, magnesium, lead, yttrium, lanthanum, magnesium, calcium, zirconium, niobium and other elements. Alkoxy alcohols that may be used include methoxyethanol, ethoxyethanol, propoxyethanol, butoxyethanol, pentoxyethanol, heptoxyethanol, methoxypropanol, ethoxypropanol, propoxypropanol, butoxypropanol, pentoxypropanol and Heptoxypropanol is included, preferably butoxyethanol. All the listed alkoxyalcohols and all the metals listed above can form metal alkoxyalkoxides. Any miscible solvent is used to synthesize the metal alkoxyalkoxide solution. Miscible solvents that can be used include xylene, hydrocarbons such as toluene, halogenated solvents such as chloroform, methanol, ethanol, isopropanol, methoxyethanol, ethoxyethanol, propoxyethanol, butoxyethanol, pentoxyethanol, heptoxyethanol, Methoxypropanol, ethoxypropanol, propoxypropanol, butoxypropanol, pentoxypropanol and heptoxypropanol and are preferably butoxyethanol.

금속을 과량의 알콕시알콜과 반응시키거나, 금속 알콕사이드를 과량의 알콕시알콜과 반응시키거나, 금속 할라이드염을 알콕시알콜의 리튬, 나트륨 또는 칼륨염과 반응시킴으로써 금속 알콕시알콕사이드를 합성한다. 알칼리금속(1A족: Li, Na, K, Rb, Cs, Fr) 또는 알칼리토금속(2A족:Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra)을 과량의 알콕시알콜에 첨가하고 가열하는 경우, 다음과 같은 반응이 일어난다:Metal alkoxyalkoxides are synthesized by reacting the metal with excess alkoxyalcohol, reacting the metal alkoxide with excess alkoxyalcohol, or reacting the metal halide salt with the lithium, sodium or potassium salt of the alkoxyalcohol. When alkali metal (Group 1A: Li, Na, K, Rb, Cs, Fr) or alkaline earth metal (Group 2A: Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra) is added to the excess alkoxyalcohol and heated, The following reaction occurs:

M + L → MLa+ ½H2 M + L → ML a + ½H 2

금속 알콕사이드를 과량의 알콕시알콜에 첨가하고 가열하는 경우, 다음과 같은 반응이 일어난다:When metal alkoxide is added to excess alkoxyalcohol and heated, the following reaction occurs:

MAa+ L → MLa+ aAMA a + L → ML a + aA

상기 식에서, A는 알콕사이드이다.Wherein A is an alkoxide.

충분히 반응성인 금속 할라이드염을 알콕시알콜의 알칼리 금속(1A족: Li, Na, K, Rb, Cs, Fr)염에 첨가하고 가열하는 경우, 다음과 같은 반응이 일어난다:When a sufficiently reactive metal halide salt is added to the alkali metal (Group 1A: Li, Na, K, Rb, Cs, Fr) salt of the alkoxyalcohol and heated, the following reaction occurs:

MXa+ aNL → MLa+ aNXMX a + aNL → ML a + aNX

상기식에서, X는 할라이드이고, N은 알칼리 금속(1A족, Li, Na, K, Rb, Cs, Fr)이다.Wherein X is a halide and N is an alkali metal (Group 1A, Li, Na, K, Rb, Cs, Fr).

상기 요약된 반응은 일반적인 것이고, 구체적인 반응은 사용된 금속, 알콕사이드 및 알콕시알콜에 따라 달라진다. 상세한 예는 추후에 기술될 것이다.The reaction summarized above is general and the specific reaction depends on the metal, alkoxide and alkoxyalcohol used. Detailed examples will be described later.

일단 금속 알콕시알콕사이드가 형성되면 이를 혼화성 용매에 용해시키고 기판에 도포시킨다. 피복된 기판을 열처리하여 막을 조밀하게 만든다. 피복된 기판을 어닐링시켜 막을 결정화시킬 수도 있다. 상세한 예는 추후에 기술될 것이다.Once the metal alkoxyalkoxide is formed it is dissolved in a miscible solvent and applied to the substrate. The coated substrate is heat treated to make the film dense. The coated substrate may be annealed to crystallize the film. Detailed examples will be described later.

본 발명에 따른 전구체의 예와 본 발명에 따른 전구체의 사용방법은 후술될 것이다.Examples of precursors according to the invention and methods of using the precursors according to the invention will be described later.

실시예Example

실시예 1- Ba(부톡시에톡사이드)Example 1-Ba (butoxyethoxide) 22 의 제조방법Manufacturing Method

질소하에서, 25.2g의 바륨 금속을 123㎖의 부톡시에탄올에 첨가하였다. 슬러리를 1시간동안 환류시켜 반응을 완결시켰다. 용액을 실온으로 냉각시키고, 진공중에서 셀라이트층을 통해 여과시켰다. 여액은 농도가 1.42몰/ℓ 또는 바륨 22.69중량%인 바륨 부톡시에톡사이드 원액이었다.Under nitrogen, 25.2 g of barium metal was added to 123 mL butoxyethanol. The slurry was refluxed for 1 hour to complete the reaction. The solution was cooled to rt and filtered through a layer of celite in vacuo. The filtrate was a barium butoxyethoxide stock solution having a concentration of 1.42 mol / l or barium 22.69 wt%.

실시예 2- Sr(부톡시에톡사이드)Example 2- Sr (butoxyethoxide) 22 의 제조방법Manufacturing Method

질소하에서, 26.1g의 스트론튬 금속을 293g의 부톡시에탄올에 첨가하였다. 슬러리를 1시간동안 환류시켜 반응을 완결시켰다. 용액을 실온으로 냉각시키고, 진공중에서 셀라이트층을 통해 여과시켰다. 여액은 농도가 0.919몰/ℓ 또는 스트론튬 8.92중량%인 스트론튬 부톡시에톡사이드 원액이었다.Under nitrogen, 26.1 g of strontium metal was added to 293 g of butoxyethanol. The slurry was refluxed for 1 hour to complete the reaction. The solution was cooled to rt and filtered through a layer of celite in vacuo. The filtrate was a strontium butoxyethoxide stock solution having a concentration of 0.919 mol / l or strontium 8.92% by weight.

실시예 3- Ti(부톡시에톡사이드)Example 3- Ti (butoxyethoxide) 44 의 제조방법Manufacturing Method

질소하에서, 110g의 티탄(IV)이소프로폭사이드를 100㎖의 부톡시에탄올에 첨가하였다. 이소프로판올을 증류시키고 추가의 100㎖의 부톡시에탄올을 첨가하고 1시간동안 환류시켰다. 용액을 실온으로 냉각시키고, 진공중에서 셀라이트층을 통해 여과시켰다. 여액은 최종 농도가 1.53몰/ℓ 또는 티탄 7.91중량%인 티탄 부톡시에톡사이드 원액이었다.Under nitrogen, 110 g of titanium (IV) isopropoxide was added to 100 mL butoxyethanol. Isopropanol was distilled off and an additional 100 mL butoxyethanol was added and refluxed for 1 hour. The solution was cooled to rt and filtered through a layer of celite in vacuo. The filtrate was a titanium butoxyethoxide stock solution with a final concentration of 1.53 mol / l or 7.91 wt% titanium.

실시예 4- Ba, Sr, Ti 부톡시에톡사이드 용액을 사용한 BaExample 4- Ba using Ba, Sr, Ti butoxyethoxide solution 0.70.7 SrSr 0.30.3 TiOTiO 33 막의 제조방법Membrane Preparation

질소하에서, 11.11g(0.0175몰)의 바륨 부톡시에톡사이드 원액(실시예 1), 8.57g(0.0075몰)의 스트론튬 부톡시에톡사이드 원액(실시예 2), 15.14g(0.025몰)의 티탄 부톡시에톡사이드 원액(실시예 3)을 부톡시에탄올에 용해시켰다. 용액을 실온에서 밤새 교반시키고, 여과시키고 50㎖가 되게 희석시켰다. 그 결과 수득된 0.5M의 원액을 수개월동안 질소하에서 질저하되지 않게 저장하였다. 1부의 Ba0.7Sr0.3Ti 원액을 3부의 부톡시에탄올로 희석시킴으로써 400Å/층 막을 수득하기 위한 스핀 용액을 제조하였다. 스핀 용액을 주사기에 넣고 0.45㎛ 및 0.2㎛의 와트만 주사기 필터를 부착하였다. 기판이 완전히 적셔질때까지 용액을 Pt/Ti/SiO2/Si 기판위에 주사하였다. 이어서 기판을 2500rpm에서 60초동안 스피닝(spinning)시켰다. 피복된 기판을 300℃ 열판상에서 건조시킨후, 400℃에서 10분동안 O2에서 어닐링시켰다. 동일한 막의 추가적인 층을 침착시켜 보다 두꺼운막을 제조하였다. 어닐링시킨후, Pt 도트를 막상으로 증발시키고 막에 대한 커패시턴스를 측정하였다. 그 결과 수득된 샘플은 16 내지 17의 유전상수를 가졌다. 피복된 기판을 300℃ 열판상에서 건조시킨후, 각 층을 침착시킨 다음 700℃에서 2분동안 급속 열처리에 의해 어닐링시켰다. 그 결과 수득된 3층 또는 4층의 샘플은 200 내지 340의 유전상수를 가졌다.Under nitrogen, 11.11 g (0.0175 mol) of barium butoxyethoxide stock solution (Example 1), 8.57 g (0.0075 mol) strontium butoxyethoxide stock solution (Example 2), 15.14 g (0.025 mol) Titanium butoxyethoxide stock solution (Example 3) was dissolved in butoxyethanol. The solution was stirred at rt overnight, filtered and diluted to 50 ml. The resulting 0.5 M stock was stored for several months without degrading under nitrogen. A spin solution was prepared to obtain a 400 cc / layer membrane by diluting 1 part Ba 0.7 Sr 0.3 Ti stock solution with 3 parts butoxyethanol. The spin solution was placed in a syringe and 0.45 μm and 0.2 μm Whatman syringe filters were attached. The solution was scanned onto a Pt / Ti / SiO 2 / Si substrate until the substrate was fully wetted. The substrate was then spun at 2500 rpm for 60 seconds. The coated substrates were dried on a 300 ° C. hotplate and then annealed in O 2 at 400 ° C. for 10 minutes. Thicker films were made by depositing additional layers of the same film. After annealing, Pt dots were evaporated onto the film and the capacitance to the film was measured. The resulting sample had a dielectric constant between 16 and 17. The coated substrates were dried on a 300 ° C. hotplate, then each layer was deposited and then annealed by rapid heat treatment at 700 ° C. for 2 minutes. The resulting three or four layer sample had a dielectric constant of 200 to 340.

실시예 5- Zr(부톡시에톡사이드)Example 5- Zr (butoxyethoxide) 44 의 제조방법Manufacturing Method

질소하에서, 110g의 지르코늄(IV) 이소프로폭사이드를 100㎖의 부톡시에탄올에 첨가하였다. 이소프로판올을 증류시키고, 추가의 100㎖의 부톡시에탄올을 첨가하고 1시간동안 환류시켰다. 용액을 실온으로 냉각시키고, 진공중에서 셀라이트층을 통해 여과시켰다. 여액은 지르코늄 부톡시에톡사이드 원액이었다.Under nitrogen, 110 g zirconium (IV) isopropoxide was added to 100 mL butoxyethanol. Isopropanol was distilled off, and additional 100 mL butoxyethanol was added and refluxed for 1 hour. The solution was cooled to rt and filtered through a layer of celite in vacuo. The filtrate was a zirconium butoxyethoxide stock solution.

실시예 6- Ba, Zr, Ti 부톡시에톡사이드 용액을 사용한 Ba(ZrExample 6 Ba (Zr) using Ba, Zr, Ti butoxyethoxide solution 0.50.5 TiTi 0.50.5 )O) O 33 막의 제조방법Membrane Preparation

질소하에서, 0.025몰의 바륨 부톡시에톡사이드 원액(실시예 1), 0.0125몰의 지르코늄 부톡시에톡사이드 원액(실시예 4) 및 0.0125몰의 티탄 부톡시에톡사이드 원액(실시예 3)을 부톡시에탄올에 용해시켰다. 용액을 실온에서 밤새 교반시키고, 여과시키고 50㎖가 되게 희석시켰다. 그 결과 수득된 0.5M 원액을 수개월동안 질소하에서 질저하되지 않게 저장하였다. 1부의 BaZrTi 원액을 3부의 부톡시에탄올로 희석시킴으로써 스핀 코팅용 용액을 제조하였다. 스핀 용액을 주사기에 넣고 0.45㎛ 및 0.2㎛의 와트만 주사기 필터를 부착하였다. 기판이 완전히 적셔질때까지 용액을 Pt/Ti/SiO2/Si 기판위에 주사하였다. 이어서 기판을 2500rpm에서 60초동안 스피닝시켰다. 피복된 기판을 300℃ 열판상에서 건조시킨후, 400℃에서 10분동안 O2에서 어닐링시켰다. 추가로 층을 침착시켜 보다 두꺼운 막을 제조하였다.Under nitrogen, 0.025 mol of barium butoxyethoxide stock solution (Example 1), 0.0125 mol of zirconium butoxy ethoxide stock solution (Example 4) and 0.0125 mol of titanium butoxy ethoxide stock solution (Example 3) Was dissolved in butoxyethanol. The solution was stirred at rt overnight, filtered and diluted to 50 ml. The resulting 0.5 M stock was stored for several months without degrading under nitrogen. A solution for spin coating was prepared by diluting 1 part BaZrTi stock solution with 3 parts butoxyethanol. The spin solution was placed in a syringe and 0.45 μm and 0.2 μm Whatman syringe filters were attached. The solution was scanned onto a Pt / Ti / SiO 2 / Si substrate until the substrate was fully wetted. The substrate was then spun at 2500 rpm for 60 seconds. The coated substrates were dried on a 300 ° C. hotplate and then annealed in O 2 at 400 ° C. for 10 minutes. Further layers were deposited to produce thicker membranes.

실시예 7- Ba(메톡시에톡사이드)Example 7- Ba (methoxyethoxide) 22 의 제조방법Manufacturing Method

질소하에서, 25.1g의 바륨 금속을 250㎖의 메톡시에탄올에 첨가하였다. 슬러리를 1시간동안 환류시켜 반응을 완결시켰다. 용액을 실온으로 냉각시키고, 진공중에서 셀라이트층을 통해 여과시켰다. 여액은 농도가 0.58몰/ℓ 또는 바륨 8.27중량%인 바륨 메톡시에톡사이드 원액이었다.Under nitrogen, 25.1 g of barium metal was added to 250 ml methoxyethanol. The slurry was refluxed for 1 hour to complete the reaction. The solution was cooled to rt and filtered through a layer of celite in vacuo. The filtrate was a barium methoxyethoxide stock solution having a concentration of 0.58 mol / l or 8.27 wt% barium.

실시예 8- Sr(메톡시에톡사이드)Example 8-Sr (methoxyethoxide) 22 의 제조방법Manufacturing Method

질소하에서, 25.4g의 스트론튬 금속을 185g의 메톡시에탄올에 첨가하였다. 슬러리를 1시간동안 환류시켜 반응을 완결시켰다. 용액을 실온으로 냉각시키고, 진공중에서 셀라이트층을 통해 여과시켰다. 여액은 농도가 1.51몰/ℓ 또는 스트론튬 13.75중량%인 스트론튬 메톡시에톡사이드 원액이었다.Under nitrogen, 25.4 g of strontium metal was added to 185 g of methoxyethanol. The slurry was refluxed for 1 hour to complete the reaction. The solution was cooled to rt and filtered through a layer of celite in vacuo. The filtrate was a strontium methoxyethoxide stock solution having a concentration of 1.51 mol / l or strontium 13.75% by weight.

실시예 9- Ti(메톡시에톡사이드)Example 9-Ti (methoxyethoxide) 44 의 제조방법Manufacturing Method

질소하에서, 71.06g의 티탄(IV) 이소프로폭사이드를 100㎖의 메톡시에탄올에 첨가하였다. 이소프로판올을 증류시키고 추가로 100㎖의 메톡시에탄올을 첨가하고 1시간동안 환류시켰다. 용액을 실온으로 냉각시키고, 진공중에서 셀라이트층을 통해 여과시켰다. 여액은 최종 농도가 1.09몰/ℓ 또는 티탄 5.42중량%인 티탄 메톡시에톡사이드 원액이었다.Under nitrogen, 71.06 g of titanium (IV) isopropoxide was added to 100 mL of methoxyethanol. Isopropanol was distilled off and additional 100 ml methoxyethanol was added and refluxed for 1 hour. The solution was cooled to rt and filtered through a layer of celite in vacuo. The filtrate was a titanium methoxyethoxide stock solution with a final concentration of 1.09 mol / l or 5.42 weight percent titanium.

실시예 10- Ba, Sr, Ti 메톡시에톡사이드 용액을 사용한 BaExample 10 Ba using Ba, Sr, Ti methoxyethoxide solution 0.70.7 SrSr 0.30.3 TiOTiO 33 막의 제조방법Membrane Preparation

질소하에서, 58.12g(0.035몰)의 바륨 메톡시에톡사이드 원액(실시예 7), 10.07g(0.015몰)의 스트론튬 메톡시에톡사이드 원액(실시예 8), 44.19g(0.050몰)의 티탄 메톡시에톡사이드 원액(실시예 9)을 교반시키면서 2-메톡시에탄올에 용해시켰다. 용액을 실온에서 밤새 교반시키고, 여과시키고 250㎖ 들이 플라스크에 표시된 눈금까지 희석시켰다. 그 결과 수득된 0.2M 원액을 수개월동안 질소하에서 질저하되지 않게 저장하였다. 1부의 Ba0.7Sr0.3Ti 메톡시에톡사이드 원액을 1부의 이소프로판올로 희석시킴으로써 200Å/층 막을 수득하기 위한 스핀 코팅용 용액을 제조하였다. 스핀 용액을 주사기에 넣고 0.45㎛ 및 0.2㎛의 와트만 주사기 필터를 부착하였다. 기판이 완전히 적셔질때까지 용액을 Pt/Ti/SiO2/Si 기판위에 주사하였다. 이어서 기판을 2500rpm에서 60초동안 스피닝시켰다. 피복된 기판을 200 내지 400℃ 열판상에서 건조시킨후, 400℃에서 10분동안 O2에서 어닐링시켰다. 추가적인 층을 침착시켜 보다 두꺼운 막을 제조하였다.Under nitrogen, 58.12 g (0.035 mol) of barium methoxyethoxide stock solution (Example 7), 10.07 g (0.015 mol) of strontium methoxyethoxide stock solution (Example 8), 44.19 g (0.050 mol) The titanium methoxyethoxide stock solution (Example 9) was dissolved in 2-methoxyethanol with stirring. The solution was stirred overnight at room temperature, filtered and diluted to 250 ml marked flask. The resulting 0.2M stock was stored for several months without degrading under nitrogen. A solution for spin coating was obtained by diluting 1 part Ba 0.7 Sr 0.3 Ti methoxyethoxide stock solution with 1 part isopropanol to obtain a 200 cc / layer film. The spin solution was placed in a syringe and 0.45 μm and 0.2 μm Whatman syringe filters were attached. The solution was scanned onto a Pt / Ti / SiO 2 / Si substrate until the substrate was fully wetted. The substrate was then spun at 2500 rpm for 60 seconds. The coated substrates were dried on a 200-400 ° C. hotplate and then annealed in O 2 at 400 ° C. for 10 minutes. Additional layers were deposited to produce thicker films.

실시예 11- Ta(부톡시에톡사이드)Example 11- Ta (butoxyethoxide) 55 의 제조방법Manufacturing Method

질소하에서, 53.13g의 탄탈륨(V) 에톡사이드를 교반시키면서 150㎖의 부톡시에탄올에 첨가하였다. 에탄올을 증류시키고 추가로 50㎖의 부톡시에탄올을 첨가하고 1시간동안 환류시켰다. 용액을 실온으로 냉각시키고, 진공중에서 셀라이트층을통해 여과시켰다. 여액은 탄탈륨 부톡시에톡사이드 원액이었다.Under nitrogen, 53.13 g of tantalum (V) ethoxide was added to 150 mL butoxyethanol with stirring. Ethanol was distilled off and an additional 50 ml of butoxyethanol was added and refluxed for 1 hour. The solution was cooled to room temperature and filtered through a layer of celite in vacuo. The filtrate was a tantalum butoxyethoxide stock solution.

실시예 12- Ta(메톡시에톡사이드)Example 12- Ta (methoxyethoxide) 55 의 제조방법Manufacturing Method

질소하에서, 4.06g의 탄탈륨(V) 에톡사이드를 교반시키면서 100㎖의 메톡시에탄올에 첨가하였다. 에탄올이 증류되기 전에 용액을 1시간동안 환류시켰다. 추가로 100㎖의 메톡시에탄올을 첨가하고 2회이상 절차를 반복시켰다. 용액을 실온으로 냉각시키고, 진공중에서 셀라이트층을 통해 여과시켰다. 여액은 최종 농도가 0.079몰/ℓ 또는 탄탈륨 1.5중량%인 탄탈륨 부톡시에톡사이드 원액이었다.Under nitrogen, 4.06 g of tantalum (V) ethoxide was added to 100 ml of methoxyethanol with stirring. The solution was refluxed for 1 hour before the ethanol was distilled off. A further 100 ml methoxyethanol was added and the procedure was repeated two more times. The solution was cooled to rt and filtered through a layer of celite in vacuo. The filtrate was a tantalum butoxyethoxide stock solution with a final concentration of 0.079 mol / l or tantalum 1.5% by weight.

실시예 13- Zr(메톡시에톡사이드)Example 13- Zr (methoxyethoxide) 55 의 제조방법Manufacturing Method

질소하에서, 96.92g의 지르코늄(IV) 이소프로폭사이드를 교반시키면서 100㎖의 메톡시에탄올에 첨가하였다. 에탄올이 증류되기 전에 용액을 1시간동안 환류시켰다. 추가로 100㎖의 메톡시에탄올을 첨가하고 2회이상 절차를 반복시켰다. 용액을 실온으로 냉각시키고, 진공중에서 셀라이트층을 통해 여과시켰다. 여액은 최종 농도가 0.94몰/ℓ 또는 지르코늄 8.89중량%인 지르코늄 메톡시에톡사이드 원액이었다.Under nitrogen, 96.92 g zirconium (IV) isopropoxide was added to 100 mL of methoxyethanol with stirring. The solution was refluxed for 1 hour before the ethanol was distilled off. A further 100 ml methoxyethanol was added and the procedure was repeated two more times. The solution was cooled to rt and filtered through a layer of celite in vacuo. The filtrate was a zirconium methoxyethoxide stock solution with a final concentration of 0.94 mol / l or zirconium 8.89% by weight.

실시예 14- Ba, Zr, Ti 메톡시에톡사이드 용액을 사용한 Ba(ZrExample 14 Ba (Zr) using Ba, Zr, Ti methoxyethoxide solution 0.50.5 TiTi 0.50.5 )O) O 33 막의 제조방법Membrane Preparation

질소하에서, 0.02몰의 바륨 메톡시에톡사이드 원액(실시예 1), 0.01몰의 지르코늄 부톡시에톡사이드 원액(실시예 4) 및 0.01몰의 티탄 메톡시에톡사이드 원액(실시예 3)을 메톡시에탄올에 용해시켰다. 용액을 실온에서 밤새 교반시키고,여과시키고 100㎖가 되게 희석시켰다. 그 결과 수득된 0.2M 원액을 수개월동안 질소하에서 질저하되지 않게 저장하였다. 1부의 BaZrTi 원액을 1부의 메톡시에탄올로 희석시킴으로써 스핀 용액을 제조하였다. 스핀 용액을 주사기에 넣고 0.45㎛ 및 0.2㎛의 와트만 주사기 필터를 부착하였다. 기판이 완전히 적셔질때까지 용액을 Pt/Ti/SiO2/Si 기판위에 주사하였다. 이어서 기판을 2500rpm에서 60초동안 스피닝시켰다. 피복된 기판을 300℃ 열판상에서 건조시킨후, 400℃에서 10분동안 O2에서 어닐링시켰다. 추가적인 층을 침착시켜 보다 두꺼운 막을 제조하였다.Under nitrogen, 0.02 mol of barium methoxyethoxide stock solution (Example 1), 0.01 mol of zirconium butoxyethoxide stock solution (Example 4) and 0.01 mol of titanium methoxyethoxide stock solution (Example 3) Was dissolved in methoxyethanol. The solution was stirred at rt overnight, filtered and diluted to 100 ml. The resulting 0.2M stock was stored for several months without degrading under nitrogen. Spin solutions were prepared by diluting 1 part BaZrTi stock solution with 1 part methoxyethanol. The spin solution was placed in a syringe and 0.45 μm and 0.2 μm Whatman syringe filters were attached. The solution was scanned onto a Pt / Ti / SiO 2 / Si substrate until the substrate was fully wetted. The substrate was then spun at 2500 rpm for 60 seconds. The coated substrates were dried on a 300 ° C. hotplate and then annealed in O 2 at 400 ° C. for 10 minutes. Additional layers were deposited to produce thicker films.

실시예 15- Bi(부톡시에톡사이드)Example 15 Bi (butoxyethoxide) 33 의 제조방법Manufacturing Method

불활성 대기하에서, 100㎖ 테트라하이드로푸란중 9.45g(0.394몰)의 수소화나트륨의 현탁액을 교반시키면서 여기에 28.9g(0.244몰)의 부톡시에탄올을 적가하였다. 30분동안 교반시킨후, 슬러리를 셀라이트층을 통해 여과시켰다. 여액에 100㎖의 테트라하이드로푸란에 용해된 25.0g(0.0793몰)의 BiCl3을 첨가하였다. 12시간동안 교반시킨후, 테트라하이드로푸란을 진공중에서 제거하여 탁한 황색 슬러리를 수득하고 이를 250㎖의 무수 톨루엔으로 추출하였다. 추출물을 셀라이트층을 통해 여과시켰다. 톨루엔을 진공중에서 여액으로부터 제거하여 연한 황색 오일을 수득하고 이를 500㎖의 펜탄으로 추출하였다. 펜탄 추출물을 셀라이트층을 통해 여과시키고 펜탄을 여액으로부터 제거하여 연한 황색 액체를 수득하였다.Under an inert atmosphere, 28.9 g (0.244 moles) of butoxyethanol were added dropwise while stirring a suspension of 9.45 g (0.394 moles) of sodium hydride in 100 ml tetrahydrofuran. After stirring for 30 minutes, the slurry was filtered through a celite bed. To the filtrate was added 25.0 g (0.0793 moles) BiCl 3 dissolved in 100 mL of tetrahydrofuran. After stirring for 12 hours, tetrahydrofuran was removed in vacuo to yield a cloudy yellow slurry which was extracted with 250 ml of anhydrous toluene. The extract was filtered through a celite bed. Toluene was removed from the filtrate in vacuo to yield a pale yellow oil which was extracted with 500 ml of pentane. The pentane extract was filtered through a layer of celite and the pentane was removed from the filtrate to give a pale yellow liquid.

실시예 16- Nb(부톡시에톡사이드)Example 16-Nb (butoxyethoxide) 55 의 제조방법Manufacturing Method

질소하에서 교반시키면서, 50.22g의 니오브(V) 에톡사이드를 150㎖의 부톡시에탄올에 첨가하였다. 에탄올을 증류시키고 추가로 50㎖의 부톡시에탄올을 첨가하고 1시간동안 환류시켰다. 용액을 실온으로 냉각시키고, 진공중에서 셀라이트층을 통해 여과시켰다. 여액은 니오브 부톡시에톡사이드 원액이었다.While stirring under nitrogen, 50.22 g of niobium (V) ethoxide was added to 150 mL butoxyethanol. Ethanol was distilled off and an additional 50 ml of butoxyethanol was added and refluxed for 1 hour. The solution was cooled to rt and filtered through a layer of celite in vacuo. The filtrate was a niobium butoxyethoxide stock solution.

실시예 17- Sr, Bi, Ta 부톡시에톡사이드 용액을 사용한 SrBiExample 17- SrBi Using Sr, Bi, Ta Butoxyethoxide Solution 22 TaTa 22 OO 99 막의 제조방법Membrane Preparation

질소하에서, 0.02몰의 스트론튬 부톡시에톡사이드 원액(실시예 2), 0.04몰의 비스무스 부톡시에톡사이드 원액(실시예 15) 및 0.04몰의 탄탈륨 부톡시에톡사이드 원액(실시예 11)을 첨가하였다. 용액을 실온에서 밤새 교반시키고, 여과시키고 100㎖가 되게 희석시켰다. 1부의 SrBi2Ta2원액을 1부의 부톡시에탄올로 희석시킴으로써 스핀 용액을 제조하였다. 스핀 용액을 주사기에 넣고 0.45㎛ 및 0.2㎛의 와트만 주사기 필터를 부착하였다. 기판이 완전히 적셔질때까지 용액을 Pt/Ti/SiO2/Si 기판위에 주사하였다. 이어서 기판을 2500rpm에서 60초동안 스피닝시켰다. 피복된 기판을 300℃ 열판상에서 건조시킨후, 400℃ 또는 750℃에서 30분동안 어닐링시켰다. 추가적인 층을 침착시켜 보다 두꺼운 막을 제조하였다.Under nitrogen, 0.02 mol of strontium butoxyethoxide stock solution (Example 2), 0.04 mol of bismuth butoxyethoxide stock solution (Example 15) and 0.04 mol of tantalum butoxyethoxide stock solution (Example 11) Was added. The solution was stirred at rt overnight, filtered and diluted to 100 ml. Spin solutions were prepared by diluting 1 part SrBi 2 Ta 2 stock solution with 1 part butoxyethanol. The spin solution was placed in a syringe and 0.45 μm and 0.2 μm Whatman syringe filters were attached. The solution was scanned onto a Pt / Ti / SiO 2 / Si substrate until the substrate was fully wetted. The substrate was then spun at 2500 rpm for 60 seconds. The coated substrate was dried on a 300 ° C. hotplate and then annealed at 400 ° C. or 750 ° C. for 30 minutes. Additional layers were deposited to produce thicker films.

실시예 18- Sr, Bi, Ta 부톡시에톡사이드 용액을 사용한 SrExample 18- Sr using Sr, Bi, Ta butoxyethoxide solution 0.80.8 BiBi 2.22.2 TaTa 22 OO 99 막의 제조방법Membrane Preparation

질소하에서, 0.016몰의 스트론튬 부톡시에톡사이드 원액(실시예 2), 0.044몰의 비스무스 부톡시에톡사이드 원액(실시예 15) 및 0.04몰의 탄탈륨 부톡시에톡사이드 원액(실시예 11)을 첨가하였다. 용액을 실온에서 밤새 교반시키고, 여과시키고 100㎖가 되게 희석시켰다. 1부의 Sr0.8Ba2.2Ta2원액을 1부의 부톡시에탄올로 희석시킴으로써 스핀 용액을 제조하였다. 스핀 용액을 주사기에 넣고 0.45㎛ 및 0.2㎛의 와트만 주사기 필터를 부착하였다. 기판이 완전히 적셔질때까지 용액을 Pt/Ti/SiO2/Si 기판위에 주사하였다. 이어서 기판을 2500rpm에서 60초동안 스피닝시켰다. 피복된 기판을 300℃ 열판상에서 건조시킨후, 400℃ 또는 750℃에서 30분동안 어닐링시켰다. 추가적인 층을 침착시켜 보다 두꺼운 막을 제조하였다.Under nitrogen, 0.016 mol of strontium butoxyethoxide stock solution (Example 2), 0.044 mol of bismuth butoxyethoxide stock solution (Example 15) and 0.04 mol of tantalum butoxyethoxide stock solution (Example 11) Was added. The solution was stirred at rt overnight, filtered and diluted to 100 ml. Spin solutions were prepared by diluting 1 part Sr 0.8 Ba 2.2 Ta 2 stock solution with 1 part butoxyethanol. The spin solution was placed in a syringe and 0.45 μm and 0.2 μm Whatman syringe filters were attached. The solution was scanned onto a Pt / Ti / SiO 2 / Si substrate until the substrate was fully wetted. The substrate was then spun at 2500 rpm for 60 seconds. The coated substrate was dried on a 300 ° C. hotplate and then annealed at 400 ° C. or 750 ° C. for 30 minutes. Additional layers were deposited to produce thicker films.

실시예 19- Sr, Bi, Ta, Nb 부톡시에톡사이드 용액을 사용한 SrBiExample 19-SrBi Using Sr, Bi, Ta, Nb Butoxyethoxide Solution 22 (Ta(Ta 1.51.5 NbNb 0.50.5 )O) O 99 막의 제조방법Membrane Preparation

질소하에서, 0.02몰의 스트론튬 부톡시에톡사이드 원액(실시예 2), 0.04몰의 비스무스 부톡시에톡사이드 원액(실시예 15), 0.03몰의 탄탈륨 부톡시에톡사이드 원액(실시예 11) 및 0.01몰의 니오브 부톡시에톡사이드 용액(실시예 16)을 첨가하였다. 용액을 실온에서 밤새 교반시키고, 여과시키고 100㎖가 되게 희석시켰다. 1부의 Sr0.8Ba2.2Ta2원액을 1부의 부톡시에탄올로 희석시킴으로써 스핀 용액을 제조하였다. 스핀 용액을 주사기에 넣고 0.45㎛ 및 0.2㎛의 와트만 주사기 필터를 부착하였다. 기판이 완전히 적셔질때까지 용액을 Pt/Ti/SiO2/Si 기판위에 주사하였다. 이어서 기판을 2500rpm에서 60초동안 스피닝시켰다. 피복된 기판을 300℃ 열판상에서 건조시킨후, 400℃ 또는 750℃에서 30분동안 어닐링시켰다. 추가적인 층을 침착시켜 보다 두꺼운 막을 제조하였다.Under nitrogen, 0.02 mol of strontium butoxyethoxide stock solution (Example 2), 0.04 mol of bismuth butoxyethoxide stock solution (Example 15), 0.03 mol of tantalum butoxyethoxide stock solution (Example 11) And 0.01 mol of niobium butoxyethoxide solution (Example 16) were added. The solution was stirred at rt overnight, filtered and diluted to 100 ml. Spin solutions were prepared by diluting 1 part Sr 0.8 Ba 2.2 Ta 2 stock solution with 1 part butoxyethanol. The spin solution was placed in a syringe and 0.45 μm and 0.2 μm Whatman syringe filters were attached. The solution was scanned onto a Pt / Ti / SiO 2 / Si substrate until the substrate was fully wetted. The substrate was then spun at 2500 rpm for 60 seconds. The coated substrate was dried on a 300 ° C. hotplate and then annealed at 400 ° C. or 750 ° C. for 30 minutes. Additional layers were deposited to produce thicker films.

실시예 20- Bi, Ta 부톡시에톡사이드 용액을 사용한 BiExample 20 Bi, Bi Using Ta Butoxyethoxide Solution 44 TiTi 33 OO 1212 막의 제조방법Membrane Preparation

질소하에서, 0.02몰의 비스무스 부톡시에톡사이드 원액(실시예 15) 및 0.015몰의 티탄 부톡시에톡사이드 원액(실시예 3)을 서로 혼합하고 밤새 실온에서 교반시켰다. 용액을 여과시키고 부톡시에탄올로 100㎖가 되게 희석시켰다. 용액을 실온에서 밤새 교반시키고, 여과시키고, 100㎖가 되게 희석시켰다. 1부의 Bi4Ti3원액을 1부의 부톡시에탄올로 희석시킴으로써 스핀 용액을 제조하였다. 스핀 용액을 주사기에 넣고 0.45㎛ 및 0.2㎛의 와트만 주사기 필터를 부착하였다. 기판이 완전히 적셔질때까지 용액을 Pt/Ti/SiO2/Si 기판위에 주사하였다. 이어서 기판을 2500rpm에서 60초동안 스피닝시켰다. 피복된 기판을 300℃ 열판상에서 건조시킨후, 400℃ 또는 700℃에서 10분동안 어닐링시켰다. 추가적인 층을 침착시켜 보다 두꺼운 막을 제조하였다.Under nitrogen, 0.02 moles of bismuth butoxyethoxide stock solution (Example 15) and 0.015 moles of titanium butoxyethoxide stock solution (Example 3) were mixed with each other and stirred at room temperature overnight. The solution was filtered and diluted to 100 ml with butoxyethanol. The solution was stirred at rt overnight, filtered and diluted to 100 ml. Spin solutions were prepared by diluting 1 part Bi 4 Ti 3 stock solution with 1 part butoxyethanol. The spin solution was placed in a syringe and 0.45 μm and 0.2 μm Whatman syringe filters were attached. The solution was scanned onto a Pt / Ti / SiO 2 / Si substrate until the substrate was fully wetted. The substrate was then spun at 2500 rpm for 60 seconds. The coated substrate was dried on a 300 ° C. hotplate and then annealed at 400 ° C. or 700 ° C. for 10 minutes. Additional layers were deposited to produce thicker films.

실시예 21- Ba, Sr, Ti 이소프로판올/아세트산 용액을 사용한 BaExample 21- Ba, Sr, Ba using Ti isopropanol / acetic acid solution 0.70.7 SrSr 0.30.3 TiOTiO 33 막의 제조방법Membrane Preparation

글러브 박스에서, IPA중 23.985g(0.035몰)의 20.04중량%의 BaIPA2, IPA중 13.893g(0.015몰)의 9.46중량%의 SrIPA2및 14.213g(0.05몰)의 TIP를 서로 혼합하였다. 질소하에서 교반시키면서, 추가로 200㎖의 무수 IPA와 50㎖의 빙초산을 첨가하였다. 백색 침전이 형성되었고 이는 교반되면 다시 용해된다. 용액을 실온에서 밤새 교반시키고 진공중에서 셀라이트층을 통해 여과시켰다. 원액은 질소하에서약 1개월동안 안정하였고 그 후에는 바륨 침전물이 관찰되었다. 원액을 동량의 IPA로 1:1이 되게 희석시킴으로써 스핀 용액을 제조하였다. 스핀 용액을 주사기에 넣고 0.45㎛ 및 0.2㎛의 와트만 주사기 필터를 부착하였다. 기판이 완전히 적셔질때까지 용액을 Pt/Ti/SiO2/Si 기판위에 주사하였다. 이어서 기판을 2500rpm에서 60초동안 스피닝시켰다. 피복된 기판을 350℃ 열판상에서 건조시킨후, 400℃에서 10분동안 어닐링시켰다. 추가적인 층을 침착시켜 보다 두꺼운 막을 제조하였다. Pt 도트를 어닐링된 막상으로 증발시키고 막에 대한 커패시턴스를 측정하였다.In a glove box, 23.985 g (0.035 mole) of 20.04 wt% BaIPA 2 in IPA, 13.893 g (0.015 mole) of 9.46 wt% SrIPA 2 and 14.213 g (0.05 mole) TIP were mixed with each other. While stirring under nitrogen, 200 ml of anhydrous IPA and 50 ml of glacial acetic acid were further added. A white precipitate formed which dissolved again when stirred. The solution was stirred at rt overnight and filtered through a celite bed in vacuo. The stock solution was stable for about 1 month under nitrogen, after which a barium precipitate was observed. Spin solutions were prepared by diluting the stock solution to 1: 1 with the same amount of IPA. The spin solution was placed in a syringe and 0.45 μm and 0.2 μm Whatman syringe filters were attached. The solution was scanned onto a Pt / Ti / SiO 2 / Si substrate until the substrate was fully wetted. The substrate was then spun at 2500 rpm for 60 seconds. The coated substrate was dried on a 350 ° C. hotplate and then annealed at 400 ° C. for 10 minutes. Additional layers were deposited to produce thicker films. Pt dots were evaporated onto the annealed film and the capacitance to the film was measured.

실시예 22- 화학 용액 침착된 게이트 유전체를 사용한 유기 박막 트랜지스터의 제조방법Example 22-Fabrication of Organic Thin Film Transistors Using Chemically Solution Deposited Gate Dielectrics

게이트 절연체로서 바륨 스트론튬 티타네이트(BST)의 박막이 졸-겔 방법에 의해 침착된 TFT를 제작하였다. 이 소자에 사용된 유기 반도체를 진공 승화에 의해 펜타센 침착시켰다. 게이트 전극은 알루미늄 또는 Pt/Ti 이층이었고, 소스 및 드레인 전극은 Au로 이루어졌다. 사용된 기판은 석영 디스크 또는 열적 성장한 SiO2층으로 덮인 Si 웨이퍼였다.As a gate insulator, a thin film of barium strontium titanate (BST) was deposited by a sol-gel method to produce a TFT. The organic semiconductor used in this device was deposited pentacene by vacuum sublimation. The gate electrode was an aluminum or Pt / Ti bilayer and the source and drain electrodes consisted of Au. The substrate used was a Si wafer covered with a quartz disk or a thermally grown SiO 2 layer.

산화된 실리콘 또는 석영 기판을 이소프로판올 욕에서 초음파 교반에 의해 세정하고 질소로 건조시켰다. 이어서 게이트 라인에 맞는 개구를 갖는 금속 마스크를 사용하여 조립하고 전자빔 증발기에 놓고 높은 진공하에서 펌핑시켰다. 40㎚의 알루미늄 또는 15㎚의 티탄 및 30㎚의 Pt의 이층으로 된 게이트 금속을 전자빔 증발에 의해 기판에 침착시켰다. 샘플을 조립체로부터 떼어내고 높은 유전상수의절연체의 층을 졸-겔 방법 또는 전술된 실시예에서 기술된 화학 용액 공정에 의해 침착시켰다.Oxidized silicon or quartz substrates were cleaned by ultrasonic stirring in an isopropanol bath and dried with nitrogen. It was then assembled using a metal mask with openings that fit the gate line, placed in an electron beam evaporator and pumped under high vacuum. A gate metal of two layers of 40 nm aluminum or 15 nm titanium and 30 nm Pt was deposited on the substrate by electron beam evaporation. The sample was removed from the assembly and a layer of high dielectric constant insulator was deposited by the sol-gel method or the chemical solution process described in the above examples.

이 방법에서, 금속 산화물막을 예를 들면 금속 이소프로폭사이드를 포함하나 이에 국한되지는 않는 단쇄 금속 알콕사이드 또는 금속 알콕시알콕사이드 용액을 포함하는 전구체 또는 또다른 유형의 유기금속 전구체 용액을 사용하여 제조하였다. 액체 침착법(예를 들면 스핀-코팅법)에 의해 기판상에 용액을 도포시켰다. 피복된 기판을 베이킹시켜 전구체를 건조시키고, 어닐링시켰다. 구체적으로는, 스핀 용액을 0.45㎛ 및 0.2㎛ 와트만(Whatman) 주사기 필터가 장착된 주사기에 넣었다. 기판이 완전히 적셔질때까지 용액을 기판상에 주사하였다. 이어서 기판을 2500rpm에서 45초동안 스피닝시켰다. 피복된 기판을 200 내지 400℃ 열판에서 건조시키고 이어서 400℃ 이하의 온도에서 10 내지 20분동안 어닐링시켰다. 연속 코팅 및 어닐링 단계에 의해 공정을 반복하여 보다 두꺼운 막을 제조하였다.In this method, metal oxide films were prepared using precursors or other types of organometallic precursor solutions, including, for example, short-chain metal alkoxides or metal alkoxyalkoxide solutions, including but not limited to metal isopropoxide. The solution was applied onto the substrate by liquid deposition (eg spin-coating). The coated substrates were baked to dry and anneal the precursors. Specifically, the spin solution was placed in a syringe equipped with 0.45 μm and 0.2 μm Whatman syringe filters. The solution was injected onto the substrate until the substrate was completely wetted. The substrate was then spun at 2500 rpm for 45 seconds. The coated substrate was dried on a 200-400 ° C. hotplate and then annealed for 10-20 minutes at a temperature below 400 ° C. Thicker membranes were made by repeating the process by continuous coating and annealing steps.

유리 및 플라스틱 기판과 함께 사용할 수 있도록 하기 위해서 막을 의도적으로 적당한 온도(400℃이하)에서만 베이킹시켰다. 그 결과 약 16의 유전상수를 갖는 무정형 절연체막이 생성되었는데, 반면에 막을 650℃로 가열시켜 결정화시킬때 유전상수는 300 이상이었다. 위에서 잠시 본 바와 같이, 이러한 무정형 막을 사용하여 수득된 유전상수의 약간의 증가는 유기 TFT 용도에 적당하다. 그러나, 본 발명의 범위는 이러한 침착 방법에만 국한되는 것은 아니다. BST막 및 전술된 높은 유전상수의 대부분의 게이트 절연체의 막을 또다르게는 스퍼터 침착 방법, 레이저 애블레이션 또는 CVD를 사용하여 침착시킬 수 있고, 이러한 방법들을 사용하는 것은 본 발명의 개념으로부터 벗어나는 것이 아니다.The film was intentionally baked only at a suitable temperature (below 400 ° C.) to enable use with glass and plastic substrates. The result was an amorphous insulator film with a dielectric constant of about 16, while the dielectric constant was greater than 300 when the film was crystallized by heating to 650 ° C. As seen briefly above, a slight increase in the dielectric constant obtained using this amorphous film is suitable for organic TFT applications. However, the scope of the present invention is not limited to this deposition method. Films of BST films and most gate insulators of the high dielectric constant described above can alternatively be deposited using sputter deposition methods, laser ablation or CVD, and using these methods is not a departure from the inventive concept.

유기 반도체 층(펜타센)을 초고 진공(ultra high vacuum: UHV)실에서 증착에 의해 침착시켰다. 또한 보다 저렴한 고진공실에서도 침착시킬 수 있는데, 이 경우에서도 유사한 결과가 수득되었다. 한편으로는, 이러한 막을, 진공중에서 140℃로 가열되면 펜타센으로 전환되는 펜타센의 가용성 전구체를 사용하여 침착시킬 수 있다{에이.알.브라운(A.R.Brown), 에이.폼프(A.Pomp), 디.엠. 드 류(D.M.de Leeuw), 디.비.엠.클라센(D.B.M.Klaassen), 이.이.하빈가(E.E.Havinga), 피.허위그 (P.Herwig), 케이.뮬렌(K.Mullen)의 문헌[Journal of Applied Physics, Volume 79, pg. 2136, 1996]을 참조}. 이어서 샘플을 소스 및 드레인 접촉 전극에 맞는 개구가 있는 마스크로 조립하고 전자빔 증발기에 놓고 펌핑시키고 60㎚의 금으로 피복시켜 소스/드레인 접촉부를 생성시켰다. 그 결과 수득된 TFT 구조물은 도 6에 개략적으로 나타나 있다. 크롬, 티탄, 구리, 알루미늄, 몰리브덴, 텅스텐, 니켈, 금, 백금, 팔라듐, 전도성 중합체, 올리고머 및 유기 분자와 같은 기타 소스 드레인 접합부 물질을 본 발명의 개념에서 벗어나지 않게 사용할 수도 있다.The organic semiconductor layer (pentacene) was deposited by vapor deposition in an ultra high vacuum (UHV) chamber. It can also be deposited in cheaper high vacuum chambers, in which case similar results were obtained. On the one hand, such membranes can be deposited using soluble precursors of pentacene, which are converted to pentacene when heated to 140 ° C. in a vacuum {ARBrown, A. Pomp. , D.M. By DMde Leeuw, DBMKlaassen, EEHavinga, P.Herwig and K.Mullen Journal of Applied Physics, Volume 79, pg. 2136, 1996]. The sample was then assembled into a mask with openings for the source and drain contact electrodes, placed in an electron beam evaporator, pumped and covered with 60 nm gold to create source / drain contacts. The resulting TFT structure is schematically shown in FIG. Other source drain junction materials such as chromium, titanium, copper, aluminum, molybdenum, tungsten, nickel, gold, platinum, palladium, conductive polymers, oligomers and organic molecules may be used without departing from the inventive concept.

이어서 완성된 TFT 샘플을, 휴렛 팩커드 모델 4145B(Hewlett Packard Model 4145B) 반도체 척도 분석기를 사용하여 전기적으로 시험하여 이들의 작동 특성을 결정하였다.The completed TFT samples were then electrically tested using a Hewlett Packard Model 4145B semiconductor scale analyzer to determine their operating characteristics.

도 7a 및 도 7b는 개략도 6에 의해 나타내어진 펜타센-기재의 TFT의 전형적인 예를 나타내는 것으로서, BST 게이트-절연체의 두께는 약 90㎚였고 그의 유전상수(ε)는 대략 16이다. 절연체를 전술된 이소프로판올중에서 이소프로폭사이드-기재의 용액으로부터 침착시켰다. 소스 드레인 간격(채널 길이 L)은 83㎛였고, 채널 너비 W는 1500㎛였다. 도면은 포화시 VG에 대한 ID의 의존성을 나타낸다. 도 7c는 VG에 대해 ID값을 플롯팅한 것이다. 전장 효과 이동도(μ)는대 VG의 곡선의 기울기로부터 계산되며, 0.38㎠V-1sec-1이다. 전류 변조는 4V의 게이트 전위 변화에 대해서 3×105이상이다. 임계 전압 아래 영역에서의 기울기(S)는 전류 변조 10회당 약 0.4V이다.7A and 7B show typical examples of the pentacene-based TFT shown by schematic 6, wherein the thickness of the BST gate-insulator was about 90 nm and its dielectric constant ε is approximately 16. FIG. Insulators were deposited from isopropoxide-based solutions in isopropanol as described above. The source drain interval (channel length L) was 83 μm and the channel width W was 1500 μm. The figure shows the dependence of I D on V G at saturation. 7C shows I D for V G. The values are plotted. Battlefield Effect Mobility (μ) Calculated from the slope of the curve of vs V G , 0.38 cm 2 V −1 sec −1 . Current modulation is 3 × 10 5 or more for a 4V gate potential change. The slope S in the region below the threshold voltage is about 0.4V per 10 current modulations.

도 8은 이전 단락에서 전술된 소자에 대해서 게이트 전극에 가해진 개개의 전압(VG)하에서, 드레인 전극에 가해진 전압(VD)에 대한, 소스와 드레인 전극 사이의 전류 흐름(ID)의 의존성을 보여준다.FIG. 8 shows the dependence of the current flow I D between the source and drain electrodes on the voltage V D applied to the drain electrode under the individual voltage V G applied to the gate electrode for the device described above in the previous paragraph. Shows.

도 9a 및 도 9b는 BST 게이트-절연체층의 단위 면적당 커패시턴스가 종래의 소자에서의 BST 막과 유사한, 도 6에 의해 나타내어진 펜타센-기재의 TFT에 관한 것이다. BST층은 전술된 바와 같이 Ba, Sr 및 Ti 유기금속 전구체의 또다른 유형의 졸-겔 용액으로부터 침착되거나 실시예 4에 기술된 바와 같이 침착되었다. 두 도면 모두 포화시 VG에 대한 ID의 의존성을 보여준다. 도 9c는 VG에 대해 ID값을 플롯팅한 것이다. 전장 효과 이동도(μ)는대 VG의 곡선의 기울기로부터 계산되며, 0.62㎠V-1sec-1이다. 임계 전압 아래 영역에서의 기울기(S)는 전류 변조 10회당 약 0.4V이다. 채널 길이는 109㎛이고 채널 너비(W)는 250㎛이다.9A and 9B relate to the pentacene-based TFT shown by FIG. 6, wherein the capacitance per unit area of the BST gate-insulator layer is similar to the BST film in conventional devices. The BST layer was deposited from another type of sol-gel solution of Ba, Sr and Ti organometallic precursors as described above or as described in Example 4. Both figures show the dependence of I D on V G at saturation. 9C shows I D for V G. The values are plotted. Battlefield Effect Mobility (μ) Calculated from the slope of the curve of vs V G , 0.62 cm 2 V −1 sec −1 . The slope S in the region below the threshold voltage is about 0.4V per 10 current modulations. The channel length is 109 μm and the channel width W is 250 μm.

따라서, 게이트 절연체로서 높은 유전상수의 막을 사용하는 펜타센-기재의 TFT 소자에서 높은 이동도 및 임계 전압 아래 영역에서의 작은 기울기가 달성될 수 있다는 것이 명백하다. 이는, 소자에서의 게이트 전압 의존성이, 가해진 게이트 전장이 매우 낮게 유지됨으로써 절연체에 의해 달성된 전하 캐리어의 농도가 더 높기 때문이라는 우리의 가설을 입증하는 것이다.Thus, it is evident that in a pentacene-based TFT device using a high dielectric constant film as the gate insulator, a high mobility and a small slope in the region below the threshold voltage can be achieved. This demonstrates our hypothesis that the gate voltage dependence in the device is due to the higher concentration of charge carriers achieved by the insulator by keeping the applied gate field very low.

특성이 달성되는 구체적인 메카니즘에도 불구하고, 펜타센-기재의 유기 TFT에서 높은 전장 효과 이동도, 높은 전류 변조 및 임계 전압 아래 영역에서의 작은 기울기를 달성시키기 위한 구조물 및 그를 제조하는 방법을 청구한다. 본 발명은 바람직한 실시태양에 관해 기술되었지만, 당해 분야의 숙련자라면 본 발명의 개념 및 범위로부터 벗어나지 않고 많은 변경, 변화 및 개선을 이룰 수 있을 것이다.Despite the specific mechanisms by which the properties are achieved, there is claimed a structure for achieving high field effect mobility, high current modulation and small slope in the region below the threshold voltage in a pentacene-based organic TFT and a method of manufacturing the same. While the present invention has been described in terms of preferred embodiments, those skilled in the art may make many changes, changes, and improvements without departing from the spirit and scope of the invention.

본 발명에 의해서, 높은 전장 효과 이동도, 높은 전류 변조, 현재의 유기 TFT 소자에 비해 보다 낮은 작동 전압에서 임계 전압 아래 영역에서의 보다 작은 기울기를 나타내는 유기 반도체 물질을 기재로 하는 박막 트랜지스터 소자 구조물이 제공된다. 본 발명에 따라 높은 유전상수의 게이트 절연체를 사용함으로써 유기 반도체의 예상치못한 게이트 전압 의존성을 활용하게 되어 매우 낮은 작동 전압에서 높은 전장 효과 이동도 수준을 달성할 수 있다. 이러한 절연체의 재료와 이를 TFT 구조내로 집적시키는 수단을 적절하게 선택, 조합하여 유기 또는 플라스틱 기판상에의 제작을 용이하게 할 수 있고 이러한 소자를 평판 디스플레이 용도에 사용할 수 있다.According to the present invention, a thin film transistor element structure based on an organic semiconductor material exhibiting a high electric field effect mobility, a high current modulation, and a smaller slope in a region below a threshold voltage at a lower operating voltage compared to current organic TFT devices is disclosed. Is provided. The use of high dielectric constant gate insulators in accordance with the present invention leverages the unexpected gate voltage dependence of organic semiconductors to achieve high field effect mobility levels at very low operating voltages. The material of such an insulator and the means for integrating it into the TFT structure can be appropriately selected and combined to facilitate fabrication on organic or plastic substrates and such devices can be used for flat panel display applications.

Claims (19)

박막 트랜지스터 소자 구조물에 있어서,In the thin film transistor device structure, ① 다수의 전기전도성 게이트 전극이 위치된 기판; ② 이 게이트 전극위에 위치된, 높은 유전상수의 게이트 절연체의 층; ③ 이 절연체위에 위치되고 상기 게이트 전극위에 실질적으로 겹쳐져 있는 유기 반도체의 층; ④ 이 유기 반도체위에서 각각의 게이트 전극과 일직선상에 놓인 여러 셋트의 전기 전도성 소스 및 드레인 전극을 가지며;A substrate on which a plurality of electrically conductive gate electrodes are located; (2) a layer of high dielectric constant gate insulator, positioned over this gate electrode; (3) a layer of organic semiconductor positioned on the insulator and substantially overlapping the gate electrode; (4) have several sets of electrically conductive source and drain electrodes in line with each gate electrode on this organic semiconductor; 상기 절연체가 바륨 스트론튬 티타네이트, 바륨 지르코네이트 티타네이트, 납 지르코네이트 티타네이트, 납 란탄 티타네이트, 바륨 티타네이트, 스트론튬 티타네이트, 바륨 마그네슘 플루오라이드, 탄탈륨 펜톡사이드, 이산화티탄 및 이트륨 트리옥사이드로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 구조물.The insulator is barium strontium titanate, barium zirconate titanate, lead zirconate titanate, lead lanthanum titanate, barium titanate, strontium titanate, barium magnesium fluoride, tantalum pentoxide, titanium dioxide and yttrium trioxide Structure selected from the group consisting of. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 구조물이 추가로 공정 및 외부 환경에 노출되는 것을 방지하기 위한, 구조물위에 위치된 절연 패시베이션(passivation) 층을 추가로 포함하는 구조물.The structure further includes an insulating passivation layer positioned over the structure to further prevent the structure from being exposed to the process and external environment. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 기판이 유리, 플라스틱, 석영, 도핑되지 않은 실리콘 및 두껍게 도핑된 실리콘으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 구조물.Wherein the substrate is selected from the group consisting of glass, plastic, quartz, undoped silicon, and thickly doped silicon. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 게이트 전극의 재료가 크롬, 티탄, 구리, 알루미늄, 몰리브덴, 텅스텐, 니켈, 금, 백금, 전도성 폴리아닐린, 전도성 폴리피롤 및 이들의 조합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 구조물.Wherein the material of the gate electrode is selected from the group consisting of chromium, titanium, copper, aluminum, molybdenum, tungsten, nickel, gold, platinum, conductive polyaniline, conductive polypyrrole and combinations thereof. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 게이트 전극이 30㎚ 내지 500㎚의 두께를 갖고, 증발, 스퍼터링(sputtering), 화학적 증착, 전착, 스핀 코팅(spin coating) 및 무전해 도금(electroless plating)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 방법에 의해 제조되는 구조물.The gate electrode has a thickness of 30 nm to 500 nm and is manufactured by a method selected from the group consisting of evaporation, sputtering, chemical vapor deposition, electrodeposition, spin coating and electroless plating. . 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 절연체가 80㎚ 내지 1000㎚의 두께를 갖는 구조물.The insulator has a thickness of 80 nm to 1000 nm. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 절연체가 스퍼터링, 화학적 증착, 졸-겔(sol-gel) 코팅, 증발 및 레이저 애블레이션(ablation) 침착으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 방법에 의해 제조된 구조물.Wherein the insulator is produced by a method selected from the group consisting of sputtering, chemical vapor deposition, sol-gel coating, evaporation and laser ablation deposition. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 유기 반도체가 게이트 전압이 높아짐에 따라 전장 효과 이동도가 증가하는 임의의중합체성 또는 올리고머성 반도체인 구조물.The organic semiconductor is any polymeric or oligomeric semiconductor whose field effect mobility increases with increasing gate voltage. 제 8 항에 있어서,The method of claim 8, 유기 반도체가 아센(acene) 분자 물질인 구조물.A structure in which an organic semiconductor is an acene molecular material. 제 8 항에 있어서,The method of claim 8, 유기 반도체층이 단층 내지 400㎚의 두께를 갖는 구조물.The organic semiconductor layer has a single layer to a thickness of 400nm. 제 8 항에 있어서,The method of claim 8, 반도체 층이 증발, 화학적 증착, 스핀 코팅 및 베이킹(baking), 전자중합, 분자빔 침착, 용액으로부터의 셀프-어셈블리(self-assembly) 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 방법에 의해 침착된 구조물.A structure in which a semiconductor layer is deposited by a method selected from the group consisting of evaporation, chemical vapor deposition, spin coating and baking, electron polymerization, molecular beam deposition, self-assembly from solution, and combinations thereof. 제 8 항에 있어서,The method of claim 8, TFT 소자에서의 누설 및 스트레이(stray) 전류를 최소화하기 위해서, 반도체층이 마스크를 통한 침착, 스크린 프린팅, 스탬핑(stamping) 및 블랭킷 막의 패턴화로 이루어진 그룹으로부터 선택된 공정에 의해 임의로 분절되는 구조물.A structure in which a semiconductor layer is optionally segmented by a process selected from the group consisting of deposition through a mask, screen printing, stamping, and patterning of a blanket film in order to minimize leakage and stray currents in a TFT device. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 소스 및 드레인 전극이 크롬, 티탄, 구리, 알루미늄, 몰리브덴, 텅스텐, 니켈, 금,팔라듐, 백금, 전도성 중합체 및 이들의 조합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 물질로 제조된 구조물.Wherein the source and drain electrodes are made of a material selected from the group consisting of chromium, titanium, copper, aluminum, molybdenum, tungsten, nickel, gold, palladium, platinum, conductive polymers and combinations thereof. 제 13 항에 있어서,The method of claim 13, 금, 백금, 팔라듐, 전도성 중합체, 올리고머, 반-전도성 중합체 및 올리고머, 및 이들의 조합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 물질로 제조된 임의의 옴성 접촉(ohmic contact) 층이 소스/드레인 전극과 반도체층 사이에 위치된 구조물.Any ohmic contact layer made of a material selected from the group consisting of gold, platinum, palladium, conductive polymers, oligomers, semi-conductive polymers and oligomers, and combinations thereof is provided between the source / drain electrodes and the semiconductor layer. Structure located at. 제 13 항에 있어서,The method of claim 13, 소스 및 드레인 전극의 두께가 30㎚ 내지 500㎚인 구조물.Wherein the source and drain electrodes have a thickness of 30 nm to 500 nm. 제 13 항에 있어서,The method of claim 13, 소스 및 드레인 전극이 새도우 마스크(shadow mask)를 통한 침착 및 리쏘그래피 패턴화 기법으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 방법에 의해 패턴화된 구조물.Wherein the source and drain electrodes are patterned by a method selected from the group consisting of deposition through a shadow mask and a lithographic patterning technique. 제 2 항에 있어서,The method of claim 2, 상기 패시베이션층이 폴리이미드, 파릴렌 및 도핑되지 않은 폴리아닐린으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 중합체인 구조물.Wherein said passivation layer is a polymer selected from the group consisting of polyimide, parylene, and undoped polyaniline. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 금속 산화물 게이트 절연체가 금속 알콕시알콕사이드 부분, 특히 금속 부톡시에톡사이드를 포함하는 전구체로부터 제조되는 구조물.The structure wherein the metal oxide gate insulator is made from a precursor comprising a metal alkoxyalkoxide moiety, in particular a metal butoxyethoxide. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 금속 산화물 게이트 절연체가 금속 알콕사이드 부분, 특히 금속 이소프로폭사이드를 포함하는 전구체로부터 제조되는 구조물.The structure wherein the metal oxide gate insulator is made from a precursor comprising a metal alkoxide moiety, in particular a metal isopropoxide.
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