KR100884357B1 - 유기 게이트 절연막 및 이를 이용한 유기 박막 트랜지스터 - Google Patents
유기 게이트 절연막 및 이를 이용한 유기 박막 트랜지스터 Download PDFInfo
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Abstract
유기 게이트 절연막 및 이를 이용한 유기 박막 트랜지스터가 제공된다. 상기 유기 박막 트랜지스터는 기판 상의 게이트 전극을 포함한다. 유기 게이트 절연막이 상기 게이트 전극 상에 위치한다. 소오스 전극 및 드레인 전극이 상기 유기 게이트 절연막 상에 위치한다. 유기 활성막이 상기 소오스 전극 및 상기 드레인 전극을 연결한다. 상기 유기 게이트 절연막은 폴리실록산 또는 폴리실록산 유도체를 포함한다.
폴리실록산, 폴리실록산 유도체, 유기 게이트 절연막, 유기 박막 트랜지스터
Description
본 발명은 박막 트랜지스터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유기 게이트 절연막 및 이를 이용한 유기 박막 트랜지스터에 관한 것이다.
본 발명은 정보통신부 및 정보통신연구진흥원의 IT신성장동력핵심기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2005-S-070-03, 과제명: 플렉셔블(flexible) 디스플레이].
유기 박막 트랜지스터는 기존의 무기 반도체인 비정질 실리콘(amorphous silicon) 또는 다결정 실리콘(poly silicon)을 사용하는 박막 트랜지스터에 대하여 다양한 합성 방법, 성형 및 가공의 용이성, 유연성, 저렴한 생산비 등의 장점을 갖는다. 이러한 장점으로 인해 기능성 전자 소자 및 광 소자 등 광범위한 분야에서 유기 박막 트랜지스터에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
상기 유기 박막 트랜지스터의 성능은 전계 이동도, 점멸비, 이동도, 문턱전압 이후의 기울기(subthreshold slope) 등으로 평가될 수 있으며, 특히 유기 활성막의 결정화도, 유기 절연막과 유기 활성막 계면의 전하 특성, 유기절연막의 박막 특성, 소오스/드레인 전극과 유기 활성막 계면의 캐리어 주입 능력 등에 영향을 받는다. 따라서 상기 유기 박막 트랜지스터의 성능을 향상시키기 위해서 전술한 특성들을 개선하는 것이 요구된다. 특히, 유기 박막 트랜지스터의 게이트 절연막에 사용되는 소재는 낮은 전기전도율(electrical conductivity)과 높은 내전율(breakdown field) 특성이 요구된다. 유기 박막 트랜지스터의 게이트 절연막 소재로 실리콘 산화물이 사용되었으나, 현재 문턱 전압을 낮추기 위해 강유전성의 절연물질과 유전율이 비교적 큰 무기 절연물질 등이 사용되고 있다. 무기 절연막의 경우 막 형성 온도가 고온이어서 유기 박막 트랜지스터에 적용될 경우 기판(특히 플라스틱 기판) 및 앞선 공정에서 기판 상에 형성된 다른 막질의 물리적/화학적 성질에 영향을 미쳐 트랜지스터의 특성에 영향을 미칠 수 있다. 현재 폴리이미드, 폴리비닐알코올, 폴리(비닐페놀-말레이이미드), 포토아크릴 등이 상기 무기 절연막을 대체할 수 있는 유기 게이트 절연막으로 제안되어 사용되고 있으나, 기존의 무기 절연막을 대체할 정도의 소자 특성을 나타내지는 못하고 있다. 따라서 유기 박막 트랜지스터의 소자 특성을 향상시킬 수 있는 유기 게이트 절연막이 요구된다.
본 발명의 실시예들은 앞서 형성된 다른 막질에 미치는 영향을 줄일 수 있는 유기 게이트 절연막을 제공한다.
본 발명의 실시예들은 상기 유기 게이트 절연막을 포함하는 유기 박막 트랜지스터를 제공한다.
본 발명의 실시예들에 따른 유기 게이트 절연막은 폴리실록산 또는 폴리실록산 유도체를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 폴리실록산은 하기 화학식 1로 표시될 수 있다.
(화학식 1)
상기 화학식 1에서 R1 및 R2는 각각 H, C6H5, C12H8N, OH, CH3, C2H5, C3H8, C2H5O, C6H5O 및 NH3 중에서 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 폴리실록산 유도체는 하기 화학식 2로 표시될 수 있다.
(화학식 2)
상기 화학식 2에서 R1 및 R2는 각각 H, C6H5, C12H8N, OH, CH3, C2H5, C3H8, C2H5O, C6H5O 및 NH3 중에서 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 유기 박막 트랜지스터는: 기판; 상기 기판 상에 위치하는 소오스 전극, 드레인 전극 및 게이트 전극; 상기 소오스 전극 및 상기 드레인 전극과 상기 게이트 전극 사이에 개재하고, 폴리실록산 또는 폴리실록산 유도체를 포함하는 유기 게이트 절연막; 및 상기 유기 게이트 절연막에 접하고, 상기 소오스 전극 및 상기 드레인 전극을 연결하는 유기 활성막을 포함한다.
일 실시예에서, 상기 폴리실록산은 하기 화학식 1로 표시될 수 있다.
(화학식 1)
상기 화학식 1에서 R1 및 R2는 각각 H, C6H5, C12H8N, OH, CH3, C2H5, C3H8, C2H5O, C6H5O 및 NH3 중에서 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 폴리실록산 유도체는 하기 화학식 2로 표시될 수 있다.
(화학식 2)
상기 화학식 2에서 R1 및 R2는 각각 H, C6H5, C12H8N, OH, CH3, C2H5, C3H8, C2H5O, C6H5O 및 NH3 중에서 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 상기 유기 게이트 절연막은 습식 공정을 통하여 형성된 것일 수 있다. 상기 습식 공정은 스핀 코팅, 딥 코팅, 프린트 코팅, 또는 잉크젯 코팅을 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 상기 유기 활성막은 펜타센(pentacene), DH6T(dihexyl-hexithiophene), 위치규칙적 P3HT(regioregular (poly(3-hexythiophene)), F8T2(poly-9,9-dioctylfluorene-co-bithiophene), DHADT (dihexylanthra-dithiophene) 및 이들의 유도체 중에서 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 상기 게이트 전극은 금(Au), 은(Ag), 니켈(Ni), 인듐-틴-옥사이드(indium-tin-oxide, ITO), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 티타늄나이트라이드(TiN), 크롬(Cr) 및 이들의 조합 중에서 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 상기 소오스 전극 및 상기 드레인 전극은 금(Au), 인듐-틴-옥사이드(indium-tin-oxide, ITO), 알루미늄(Al), 크롬(Cr) 및 이들의 조합 중에서 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 상기 유기 게이트 절연막은 상기 게이트 전극 상에 위치하고, 상기 소오스 전극 및 상기 드레인 전극은 상기 유기 게이트 절연막 상에 위치할 수 있다. 상기 유기 활성막은 상기 소오스 전극 및 상기 드레인 전극과 상기 유기 게이트 절연막 사이에 개재되거나, 상기 소오스 전극 및 상기 드레인 전극 사이의 상기 유기 게이트 절연막 상에 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 저유전율을 갖고, 화학적, 열적 안정성이 우수하며, 수분 흡수율이 낮은 유기 게이트 절연막이 형성될 수 있다. 상기 유기 게이트 절연막은 저온에서 형성될 수 있어, 하부막 등의 다른 막에 미치는 영향을 최소화 할 수 있다. 또, 상기 유기 게이트 절연막은 단순화된 공정으로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 유기 게이트 절연막을 유기 박막 트랜지스터에 적용하여, 하부막을 구성하는 물질의 선택성을 높일 수 있는 등 유기 박막 트랜지스터의 구조를 다양화할 수 있다. 또, 유기 게이트 절연막이 습식 공정을 이용하여 형성되기 때문에 대면적 기판 상에 유기 박막 트랜지스터가 용이하게 형성될 수 있다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 요소들(elements)을 기술하기 위해서 사용되었지만, 상기 요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이러한 용어들은 단지 상기 요소들을 서로 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 또, 어떤 막이 다른 막 또는 기판 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 막 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제3의 막이 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 도면들에서, 막 또는 영역들의 두께 등은 명확성을 기하기 위하여 과장되게 표현될 수 있다. 도면들에서 요소의 크기, 또는 요소들 사이의 상대적인 크기는 본 발명에 대한 더욱 명확한 이해를 위해서 다소 과장되게 도시될 수 있다. 또, 도면들에 도시된 요소의 형상이 제조 공정상의 변이 등에 의해서 다소 변경될 수 있을 것이다. 따라서, 본 명세서에서 개시된 실시예들은 특별한 언급이 없는 한 도면에 도시된 형상으로 한정되어서는 안 되며, 어느 정도의 변형을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어 본 명세서에서 어떤 요소의 형태를 기술하는데 사용된 '실질적으로' 또는 '대략'과 같은 용어는 어떤 요소가 공정상의 허용되는 변형을 포함하는 형태를 가리키는 것으로 이해되어야 한다.
도 1을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 박막 트랜지스터가 설명된다. 상기 유기 박막 트랜지스터는 기판(10)을 포함한다. 기판(10)은 예를 들어, 유리 기판, 실리콘 기판, 플라스틱 기판일 수 있다.
기판(10) 상에 게이트 전극(20)이 위치한다. 게이트 전극(20)은 예를 들어, 금(Au), 은(Ag), 니켈(Ni), 인듐-틴-옥사이드(indium-tin-oxide, ITO), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 티타늄나이트라이드(TiN), 크롬(Cr) 및 이들의 조합 중에서 선택된 어느 하나의 물질을 포함할 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.
기판(10) 상에 게이트 전극(20)을 덮는 유기 게이트 절연막(30)이 위치한다. 유기 게이트 절연막(30)은 폴리실록산 또는 폴리실록산 유도체를 포함할 수 있 다. 상기 폴리실록산은 하기 화학식 1로 표현될 수 있고, 상기 폴리실록산 유도체는 하기 화학식 2로 표현될 수 있다.
(화학식 1)
(화학식 2)
상기 화학식 1 및 2에서 R1 및 R2는 각각 H, C6H5, C12H8N, OH, CH3, C2H5, C3H8, C2H5O, C6H5O 및 NH3 중에서 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.
유기 게이트 절연막(30)은 스핀 코팅, 딥 코팅, 프린트 코팅, 또는 잉크젯 코팅과 같은 습식 공정을 사용하여 형성될 수 있다.
유기 게이트 절연막(30) 상에 유기 활성막(40)이 위치한다. 유기 활성 막(40)은 펜타센(pentacene), DH6T(dihexyl-hexithiophene), 위치규칙적 P3HT(regioregular poly(3-hexythiophene)), F8T2(poly-9,9-dioctylfluorene-co-bithiophene), DHADT (dihexylanthra-dithiophene) 및 이들의 유도체 중에서 선택된 어느 하나를 포함할 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.
유기 게이트 절연막(30)과 유기 활성막(40)은 동시에 패터닝되어 형성될 수도 있고, 순차적으로 패터닝되어 형성될 수도 있다. 유기 게이트 절연막(30)과 유기 활성막(40)의 계면은 상기 유기 박막 트랜지스터의 채널로 기능할 수 있다.
유기 활성막(40) 상에 소오스 전극(51) 및 드레인 전극(52)이 위치한다. 소오스 전극(51) 및 드레인 전극(52)은 각각 유기 활성막(40)과 접하며, 유기 활성막(40)에 의해 서로 연결될 수 있다. 소오스 전극(51) 및 드레인 전극(52)은 금(Au), 인듐-틴-옥사이드(indium-tin-oxide, ITO), 알루미늄(Al), 크롬(Cr) 및 이들의 조합 중에서 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.
도 2를 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 유기 박막 트랜지스터가 설명된다. 전술한 실시예와 중복되는 부분의 설명은 생략하고, 차이나는 부분을 살펴보면, 유기 활성막(40)이 소오스 전극(51)과 드레인 전극(52) 사이에 위치한다. 즉, 유기 활성막(40)이 소오스 전극(51) 및 드레인 전극(52)이 형성된 후에 형성된다.
먼저, 유기 게이트 절연막(30)이 형성된 기판(10) 상에 도전막을 형성한 후 패터닝하여 소오스 전극(51) 및 드레인 전극(52)이 형성된다. 이어서, 기판(10) 상에 유기막을 형성한 후 패터닝하여 소오스 전극(51) 및 드레인 전극(52) 사이의 유 기 게이트 절연막(30) 상에 유기 활성막(40)이 형성된다.
본 발명의 실시예들에 따른 유기 박막 트랜지스터는 다양한 구조를 가질 수 있으며, 전술한 실시예들의 구조에 한정되지 않는다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 게이트 절연막의 누설전류밀도-전압 특성이 설명된다. 도 3에서, 가로축은 유기 게이트 절연막에 제공된 전압을 나타내고, 세로축은 상기 전압에 따른 유기 게이트 절연막의 누설전류밀도를 나타낸다.
상기 유기 게이트 절연막은 상기 화학식 1에서 R1=R2이고, R1은 OH인 폴리실록산이 150 ℃에서 저온 경화되어 상기 화학식 2의 구조를 갖는 폴리실록산 유도체를 포함한다. 또, 상기 유기 게이트 절연막의 유전 특성을 살펴보기 위해 전기 용량-주파수(capacitance-frequency) 곡선을 조사하여 얻은 결과를 하기 수학식에 적용하면, 상기 유기 게이트 절연막의 유전상수(εr) 및 유전손실 값은 1MHz에서 각각 3.2와 0.025이다.
(수학식)
상기 수학식에서, d는 유기 게이트 절연막의 두께, A는 유기 게이트 절연막의 면적, εo는 공기 또는 진공 상태에서의 유전상수, C는 전기 용량이다.
도 3의 그래프와 상기 유전 특성을 참조하면, 폴리실록산 또는 폴리실록산 유도체를 포함하는 유기 게이트 절연막은 유기 박막 트랜지스터의 게이트 절연막으로서 양호한 전기적 특성을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 박막 트랜지스터의 전류전달 특성을 나타낸다. 다시 도 1을 참조하여, 상기 유기 박막 트랜지스터를 살펴보면, 상기 유기 박막 트랜지스터의 기판(10)은 폴리(에테르 술폰)(poly(ether sulfone))으로 형성된 플라스틱 기판이다. 게이트 전극(20)은 플라스틱 기판(10) 상에 새도우 마스크를 사용하여 전자빔(E-beam)법으로 형성된 것으로 티타늄(Ti)/금(Au)의 적층 구조를 갖는다. 티타늄(Ti)은 50Å의 두께를 갖고, 금(Au)은 500Å의 두께를 갖는다. 유기 게이트 절연막(30)은 상기 화학식 1에서 R1=R2이고, R1은 OH인 폴리실록산을 5250Å의 두께로 코팅한 후 150℃에서 120분간 열처리하여 형성된 것으로, 상기 화학식 2의 구조를 갖는 폴리실록산 유도체를 포함한다. 유기 활성막(40)은 펜타센을 저진공도(< 1.0ⅹ10-6 torr), 기판 온도 70℃, 증착 속도 1Å/s의 조건으로 1000 Å두께로 증착하여 형성된 것이다. 소오스 전극(51) 및 드레인 전극(52)은 유기 활성막(40)위에 새도우 마스크를 사용하여 전자빔(E-beam)법으로 형성된 것으로, 800Å의 두께를 갖는 금(Au)으로 구성된다. 상기 유기 박막 트랜지스터의 채널폭은 2 mm이고, 채널길이는 100㎛이다.
도 4에서 가로축의 VDS는 드레인-소오스 전압을 나타내고, 세로축의 ID는 드레인 전류를 나타낸다. 또, 그래프 내 곡선 상에 표시된 VG는 게이트 전압을 나타낸다. 도 4에 도시된 유기 박막 트랜지스터의 전류전달 곡선은 휴렛패커드사(Hewlett Packard Company)의 반도체 파라미터 분석기(semiconductor parameter analyzer) HP4155A를 사용하여 측정된 값을 표시한다.
도 4의 그래프를 참조하면, 폴리실록산 또는 폴리실록산 유도체를 포함하는 유기 게이트 절연막을 갖는 상기 유기 박막 트랜지스터는 양호한 전기적 특성을 나타낸다.
이제까지 본 발명에 대한 구체적인 실시예들을 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 박막 트랜지스터를 개략적으로 보여주는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유기 박막 트랜지스터를 개략적으로 보여주는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 게이트 절연막의 누설전류밀도-전압 특성을 보여주는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 박막 트랜지스터의 전류전달 특성을 보여주는 그래프이다.
♧ 도면의 주요부분에 대한 참조번호의 설명 ♧
10 : 기판 20 : 게이트 전극
30 : 유기 게이트 절연막 40 : 유기 활성막
51 : 소오스 전극 52 : 드레인 전극
Claims (14)
- 삭제
- 하기 화학식 1로 표시되는 폴리실록산을 포함하는 유기 게이트 절연막.(화학식 1)
(상기 화학식 1에서 R1 및 R2는 각각 H, C6H5, C12H8N, OH, CH3, C2H5, C3H8, C2H5O, C6H5O 및 NH3 중에서 선택된 어느 하나를 포함) - 하기 화학식 2로 표시되는 폴리실록산 유도체를 포함하는 유기 게이트 절연막.(화학식 2)
(상기 화학식 2에서 R1 및 R2는 각각 H, C6H5, C12H8N, OH, CH3, C2H5, C3H8, C2H5O, C6H5O 및 NH3 중에서 선택된 어느 하나를 포함) - 기판;상기 기판 상에 위치하는 소오스 전극, 드레인 전극 및 게이트 전극;상기 소오스 전극 및 상기 드레인 전극과 상기 게이트 전극 사이에 개재하고, 하기 화학식 1로 표시되는 폴리실록산 또는 하기 화학식 2로 표시되는 폴리실록산 유도체를 포함하는 유기 게이트 절연막; 및상기 유기 게이트 절연막에 접하고, 상기 소오스 전극 및 상기 드레인 전극을 연결하는 유기 활성막을 포함하는 유기 박막 트랜지스터.(화학식 1)
(화학식 2)
(상기 화학식 1에서 R1 및 R2는 각각 H, C6H5, C12H8N, OH, CH3, C2H5, C3H8, C2H5O, C6H5O 및 NH3 중에서 선택된 어느 하나를 포함하고, 상기 화학식 2에서 R1 및 R2는 각각 H, C6H5, C12H8N, OH, CH3, C2H5, C3H8, C2H5O, C6H5O 및 NH3 중에서 선택된 어느 하나를 포함) - 삭제
- 삭제
- 제 4 항에 있어서상기 유기 게이트 절연막은 습식 공정을 통하여 형성되는 것을 특징으로 하는 유기 박막 트랜지스터.
- 제 7 항에 있어서,상기 습식 공정은 스핀 코팅, 딥 코팅, 프린트 코팅, 또는 잉크젯 코팅을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 박막 트랜지스터.
- 제 4 항에 있어서,상기 유기 활성막은 펜타센(pentacene), DH6T(dihexyl-hexithiophene), 위치규칙적 P3HT(regioregular (poly(3-hexythiophene)), F8T2(poly-9,9-dioctylfluorene-co-bithiophene), DHADT (dihexylanthra-dithiophene) 및 이들의 유도체 중에서 선택된 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 박막 트랜지스터.
- 제 4 항에 있어서,상기 게이트 전극은 금(Au), 은(Ag), 니켈(Ni), 인듐-틴-옥사이드(indium-tin-oxide, ITO), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 티타늄나이트라이드(TiN), 크롬(Cr) 및 이들의 조합 중에서 선택된 어느 하나를 포함하는 유기 박막 트랜지스터.
- 제 4 항에 있어서,상기 소오스 전극 및 상기 드레인 전극은 금(Au), 인듐-틴-옥사이드(indium-tin-oxide, ITO), 알루미늄(Al), 크롬(Cr) 및 이들의 조합 중에서 선택된 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 박막 트랜지스터.
- 제 4 항에 있어서,상기 유기 게이트 절연막은 상기 게이트 전극 상에 위치하고,상기 소오스 전극 및 상기 드레인 전극은 상기 유기 게이트 절연막 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 유기 박막 트랜지스터.
- 제 12 항에 있어서,상기 유기 활성막은 상기 소오스 전극 및 상기 드레인 전극과 상기 유기 게이트 절연막 사이에 개재되는 것을 특징으로 하는 유기 박막 트랜지스터.
- 제 12 항에 있어서,상기 유기 활성막은 상기 소오스 전극 및 상기 드레인 전극 사이의 상기 유기 게이트 절연막 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 유기 박막 트랜지스터.
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