Surface treatment on organic thin film transistors via initiated chemical vapor deposition (iCVD) and the improved device performance thereof

Abstract

유기 전자소자는 가볍고 저비용, 낮은 공정 온도, 그리고 유연성 등으로 많은 관심을 받고 연구되어 왔다. 특히 기존의 무기물 전자소자로는 한계가 있는 유연소자 개발에도 크게 이바지해 왔다. 이러한 유기 전자소자 중 가장 기본이 되는 것이 스위치 역할을 하는 유기 박막 트랜지스터 (organic thin film transistor)이다. 이러한 유기 박막 트랜지스터의 성능을 향상시키기 위해 소재 연구뿐만 아니라 계면 연구도 되어 왔다. 전하의 주입 및 이동 같은 대부분의 현상이 각각의 계면에서 일어나기 때문이다. 특히, 유기물 반도체 중 펜타센 (pentacene)의 경우 절연체 (dielectric)의 표면 성질에 따라 성장 방식과 전기적 특성이 달라진다. 따라서 소자 성능을 향상시키기 위해 절연체의 표면처리에 대한 연구가 많이 이뤄져 왔다. 하지만 기존 연구에서는 스핀 코팅과 self-assembly monolayer (SAM) 처리 등의 액상 공정이기 때문에 용매 사용으로부터 오는 불순물, 용매에 의한 손상, 균일성, dewetting 등의 문제점들이 있다. 이에 반해 기상 증착 공정인 initiated chemical vapor deposi-tion (iCVD) 공정을 이용한다면 이러한 문제점들로부터 자유로울 수 있다. 본 연구에서는 iCVD 공정을 이용하여 절연체 표면에 가교 고분자인 poly(hexavinyldisiloxane) (PHVDS)와 poly(divinylbezene) (PDVB)를 buffer layer로서 도입하였다. 가교 고분자는 원래 용해도가 낮아 액상공정으로는 바로 증착하기가 어렵고 후처리 등이 필요한데 iCVD 공정을 이용하면 후처리 없이 한번에 증착이 가능하다는 장점이 있다. 본 연구에서 사용한 PHVDS와 PDVB는 가교 고분자로서 화학적, 열적 안전성이 뛰어나고, 낮은 거칠기의 표면을 가졌으며 표면 에너지 역시 낮은 편이어서 절연층 표면처리에 적합하리라 기대되었다. 실제로 SiO2 절연층 위에 증착하여 펜타센 박막 트랜지스터를 만들어본 결과, 포화 영역에서의 전하 이동도가 ~0.48 cm2/Vs 로 높은 값을 가지는 것을 확인하였다. 특히, 기상 증착 공정인 iCVD 공정을 통해 5 nm의 얇은 두께까지 두께 조절이 가능했고, 얇은 두께에서도 성능 향상이 동일하게 이뤄지는 것을 확인하였다. 결과적으로 iCVD를 이용하여 얇은 두께의 가교 고분자를 buffer layer로 도입이 가능했고, 정전용량 손실은 최소화 하면서 성능향상이 가능하다는 것을 확인한 것이다. 게다가, 용매에 취약한 절연 물질인 poly(1-vinylimidazole) (PVIDZ)에도 표면처리를 하여 성능 향상이 되는 것을 확인하였다. 이를 통해, 기존 액상 공정으로 표면처리를 하지 못했던 용매에 취약한 절연물질들도 iCVD 공정을 통해 표면처리를 할 수 있고 소자의 성능을 향상시킬 수 있다는 가능성을 보았다.