정영훈 · 장현욱 · 한혜지 · 전성훈 · Shant Arakelyan · 이한주 · 이기진

Vol. 67, No. 1, January 2017, pp. 24∼29 http://dx.doi.org/10.3938/NPSM.67.24

Enhancement of Charge Injection in an Organic Thin-Film Transistor with a Metal-Oxide Multilayer Electrode

YeongHun Jeong · Hyeonwook Jang · Hyeji Han · Sunghoon Jeon · Shant Arakelyan · Hanju Lee · Kiejin Lee

Department of Physics, Sogang University, Seoul 04107, Korea

Donghoon Oh · Deokjoon Cha

Department of Physics, Kunsan National University, Kunsan 54050, Korea (Received 22 September 2016 : revised 29 September 2016 : accepted 29 September 2016)

We studied the effect of insertion of metal-oxide layers into electrodes for OTFTs (organic thin film transistors) to improve their electrical characteristics. The thickness of pentacene was about 50 nm and the metal electrode was made of gold. The metal-oxide thin-film layers inserted between the electrode and the organic pentacene layers were about 2∼8 nm and the electrical properties of the inserted metal-oxide layers were measured by using UPS (ultraviolet photoelectron spectroscopy).

From the results for the electrical properties, the mobility and the threshold voltage of the OTFTs with inserted WO3 layers were improved from 8.80× 10⁻³ cm²/V·s to 2.48 × 10⁻² cm²/V·s and were decreased from -12.3 V to -4.09 V, respectively. The mobility and the threshold voltage of the OTFTs with inserted TiO2layers were decreased to 7.04× 10⁻³cm²/V·s and -3.38 V, respectively.

From the results of the UPS analysis, we found that the inserted WO3 layers decreased and TiO2

layers increased the energy barriers at the interface between the electrode and the organic pentacene layers.

PACS numbers: 73.30.+y

Keywords: Pentacene, Organic thin-film transistor

금속산화물 다층 구조 전극을 이용한 유기물 박막 트랜지스터의 전하 주입 특성 향상

정영훈 · 장현욱 · 한혜지 · 전성훈 · Shant Arakelyan · 이한주 · 이기진

서강대학교 물리학과, 서울 04107, 대한민국

오동훈 · 차덕준

군산대학교 물리학과, 군산 54150, 대한민국

(2016년 9월 22일 받음, 2016년 9월 29일 수정본 받음, 2016년 9월 29일 게재 확정)

본 연구에서는 유기물 박막 트랜지스터 (organic thin film transistor, OTFT)의 전기적 특성을 향상시키 기 위해서 금속산화물인 WO3와 TiO2박막을 삽입한 다층 구조 전극에 대한 연구를 수행하였다. OTFT의 활성층으로 펜타센을 50 nm의 두께로 증착한 유기물 박막을 사용하였고 전극은 50 nm 두께의 Au 박막을 사용하였다. Au 전극과 펜타센 박막 사이에 2∼8 nm 두께의 금속산화물 박막을 삽입하였으며 금속산화물

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의 종류와 두께에 따라 전기적 특성과 UV 광전자 분광 (ultraviolet photoelectron spectroscopy, UPS) 분석을 통해 에너지 준위의 변화를 관찰하였다. 실험 결과, 전극에 WO3를 삽입한 OTFT는 전하이동도가 8.80× 10⁻³ cm²/V·s에서 최대 2.48 × 10⁻² cm²/V·s까지 증가하였고 문턱전압도 -12.3 V에서 최대 -4.09 V까지 감소하였다. TiO2를 삽입한 OTFT는 전하이동도가 7.04× 10⁻³cm²/V·s 로 감소하였으며 문턱전압은 -3.38 V 까지 감소하였다. UPS 분석 결과 WO3 박막을 삽입하면 OTFT의 에너지 장벽이 낮아지고 TiO₂ 박막을 삽입하면 OTFT의 에너지 장벽이 높아지는 것을 확인할 수 있었다.

PACS numbers: 73.30.+y

Keywords: 펜타센, 유기 박막 트랜지스터

I. 서 론

OTFT는 낮은 분자 간 결합으로 인해 저온공정이 가능하 고 제작된 소자가 유연하며 낮은 비용으로도 제작이 가능하 다. 이러한 장점으로 인해 OTFT는 차세대 디스플레이에 사용되는 트랜지스터로 각광받고 있다. 펜타센은 이러한 OTFT의 활성층으로 사용되는 대표적인 유기물이다. 펜 타센은 p형 반도체의 성질을 가진 유기물로써 상온에서의 전하이동도가 35 cm²/V·s 까지 나온다는 연구결과가 있다 [1]. 펜타센 기반의 OTFT는 주로 Au를 전극으로 사용한 다. 이는 Au의 일함수 (5.1 eV) 가 펜타센의 최외각 오비탈 (Highest occupied molecular orbital, HOMO) 준위 (5.0 eV) 와 거의 일치해서 다른 금속에 비해 전하의 주입이 원 활하기 때문이다. 하지만 실제로 소자를 제작하면 금속과 유기물의 계면에 유기물-금속의 혼합물이 생기기 때문에 접촉 저항이 커지고 소자의 성능이 감소한다 [2].

본 연구에서는 기본적인 구조의 OTFT의 전극과 유기물 사이에 WO3와 TiO2 금속산화물 박막을 삽입하여 문턱전 압과 전하이동도를 개선하는 방법에 대한 연구를 수행하였 다. 삽입되는 금속산화물로는 WO3, TiO2를 사용하였으며 2 nm, 4 nm, 6 nm, 8 nm의 두께로 쌓은 OTFT를 UV 광 전자 분광 (ultraviolet photoelectron spectroscopy, UPS) 으로 분석하여 금속산화물 삽입 여부에 따라 에너지 준위가 어떻게 바뀌는지 직접 확인하였다.

II. 실 험

OTFT 는 p 형 Si 기판 위에 제작하였다. Si 기판에는 게이트 절연층 역할을 하는 SiO2 박막이 300 nm가 쌓여 있으며 기판 표면의 불순물을 제거하기 위해 아세톤, RBS 용액, 증류수, IPA를 사용하여 각각 10분간 초음파 세척을 했다. 증착 시 전열 처리를 위해 기판을 70^◦C 가열했으며

∼10⁻⁵ Torr 미만의 고진공 하에서 진공 열증착 방식으로

∗E-mail: [email protected]

Fig. 1. (Color online) A schematic cross section of Pentacene-OTFTs.

물질을 증착했다. 펜타센과 금속산화물의 증착 속도는 0.1 Å/s, Au의 증착 속도는 0.5 Å/s로 유지했다. 증착된 펜타 센과 Au의 두께는 각각 50 nm이며 펜타센과 Au 사이에 삽입된 금속산화물은 2∼8 nm 두께로 증착했다.

제작된 유기물 박막 트랜지스터의 채널 너비는 1000 µm, 채널 길이는 50∼90 µm이다. 제작된 소자의 단면은 Fig. 1 과 같다. 이 논문에서는 Au, Au/WO3, Au/TiO2 세 가지 구조의 전극으로 실험을 진행했다. 만들어진 소자의 전기적 특성은 Keithley 2400 source meter를 이용하여 측정하였 다. 또한 박막의 물성을 확인하기 위해 Au 단일전극 OTFT 와 Au와 금속산화물을 사용한 다층전극 OTFT를 UPS로 분석하여 금속산화물 박막의 증착 여부에 따라 활성층의 HOMO 준위가 어떻게 바뀌는지 확인하였다.

III. 결과 및 토의

유기물과 금속이 직접 접촉을 하면 금속과 유기물의 일함 수에 따라 접촉의 종류가 달라진다. 실험에서 사용하는 p형 반도체 물질의 경우, 금속의 일함수가 유기물보다 작을 경우 쇼트키 접촉이 생기고 반대로 금속의 일함수가 유기물보다 클 경우에는 옴 접촉이 생긴다. 금속과 유기물 사이의 전하 수송 방식은 열이온방출과 전계방출 방식으로 구분할 수 있다. 금속과 유기물 사이의 장벽이 높고 두꺼운 쇼트키 접촉에서는 주로 열이온방출로 전하가 수송되고 장벽이

낮고 얇은 옴 접촉에서는 전하의 터널링이 잦아지기 때문에 주로 전계방출 방식으로 전하가 주입된다. 열이온방출과 전계방출에 의한 전류밀도는 다음과 같다 [3].

J0 = AT²exp(

−qφb

kT )

(1) JS→M = 1

2qNdνthxexp(

−H(φb− V )/√ Nd

) (2)

A는 리처드슨 상수, T 는 절대온도, q 는 전하량, φb는 장벽 의 높이, k 는 볼츠만 상수이다. 위의 두 식을 통해 장벽의 높이가 낮아지면 전류밀도가 증가하여 OTFT의 성능이 개선된다는 것을 확인할 수 있다. 또한, 전계 효과 트랜지스 터 구조에서의 문턱전압은 금속과 접촉하는 반도체 물질의 일함수 차가 작을수록 크기가 작은 문턱전압을 가진다 [4].

VT = Φms−Qi

Ci −Qd

Ci

+ 2ϕF (3)

앞의 식에서 ϕms는 금속과 반도체의 일함수 차이, Qi는 계면에서의 양전하, Qd는 공핍 영역에서의 양전하, Ci는 절연층의 전기용량, φF는 벌크 포텐셜을 나타낸다. 후처 리를 하지 않은 OTFT의 경우, 양전하와 전기용량, 벌크 포텐셜의 크기는 변하지 않기 때문에 문턱전압은 금속과 반도체 물질의 일함수 차에 영향을 받는다.

OTFT는 기본적으로 높은 문턱전압과 낮은 전하이동 도를 가지고 있기 때문에 고화질, 대면적 디스플레이에 적합하지 않다. 이러한 문제로 인해 금속-유기물 구조의 OTFT는 오늘날의 디스플레이 시장 수요를 만족시키기 어렵다. 따라서 기존의 반도체 물질과 비교하여 경쟁력을 얻기 위해서는 OTFT의 문턱전압을 낮추고 전하이동도를 향상시키는 연구가 필요하다.

제작된 OTFT는 구조적 특징으로 인해 MOSFET(metal oxide thin film transistor) 과 유사한 특성을 나타내며 다 음과 같은 식을 통해 분석한다 [5,6].

Ids = µW Ci

L (

Vgs− Vth−1 2Vds

)

Vds (4) if|Vgs− Vth| > |Vds|

Ids = µW Ci

2L (Vgs− Vth)² if|Vgs− Vth| < |Vds| (5) Ids는 드레인-소스 전류, µ 는 전하이동도, Ci는 게이트 절 연체의 전기 용량, Vth는 문턱전압, Vds와 Vgs는 각각 드레 인-소스 전압과 게이트-소스 전압을 나타낸다. 해당 식을 변형하면 측정한 데이터를 통해 OTFT의 전하이동도와 문턱전압을 구할 수 있다.

Fig. 2 는 금속산화물 박막을 삽입한 전극과 삽입하지 않은 전극의 I-V 특성 그래프이다. 이 그래프를 통해 금속 산화물 박막을 삽입한 OTFT와 삽입하지 않은 OTFT의

Fig. 2. (Color online) I-V characteristics of pentacene OTFTs: (a) Au electrode, (b) Au/WO3 (4 nm), (c) Au/TiO2 (4 nm) electrodes.

성능이 크게 차이나는 것을 확인할 수 있었다. Fig. 2(a) 는 Au 단일전극 OTFT에 대한 특성이다. 게이트 전압이 -10

∼ -20 V인 경우에는 상대적으로 낮은 드레인-소스 전류가 흐르고 -50 V까지 게이트 전압을 증가시켰을 경우 약 –0.1 µA 정도의 전류가 흘렀다. Fig. 2(b) 는 WO3 박막을 삽 입했을 때의 그래프이다. WO3 박막을 삽입하면 -10 V의 낮은 전압에서 Au 단일전극 OTFT보다 상대적으로 높은 크기의 드레인-소스 전류가 흐르며 각 게이트 전압에서의 포화 전류 크기도 증가한 결과를 얻을 수 있었다.

Fig. 3. (Color online) Transfer characteristic curves of pentacene OTFTs with different thickness of metal oxide:

(a) Au electrode with WO3 0 nm, 2 nm, 4 nm, 6 nm, 8 nm, (b) Au electrode with TiO2 0 nm, 2 nm, 4 nm, 6 nm, 8 nm, respectively.

Fig. 2(c) 는 TiO2 박막을 삽입했을 때의 I-V 특성이다.

TiO2박막을 삽입했을 때는 WO3박막을 삽입했을 때와는 달리 전기적 특성이 개선되지 않았다. Fig. 2(a) 에서 나타난 그래프와 비교했을 때 낮은 게이트 전압에서도 드레인-소스 전류가 흐르는 것을 확인할 수 있으나 게이트 전압의 크기 증가에 대한 드레인-소스 전류의 증가치가 Au 단일전극 OTFT와 크게 다르지 않았다. 결과적으로 WO3 박막은 전기적 특성 개선의 효과가 있었으나 TiO2박막은 개선되지 않았다.

Fig. 3(a) 는 WO3 층의 두께를 다르게 한 뒤 전달 특성 곡선에 대한 결과이다. WO3 층을 삽입하지 않았을 경우, -10 V 의 낮은 게이트 전압에서는 드레인 전류가 흐르지 않 았으며 드레인 전류가 흐를 때에도 인가되는 게이트 전압의 크기에 따른 드레인 전류의 증가치가 상대적으로 증가하지 않았다는 것을 확인할 수 있다. WO3를 삽입한 경우, 낮은 게이트 전압에서도 드레인 전류가 흐르기 시작하며 게이트 전압에 따른 드레인 전류의 증가치가 상대적으로 증가하였 다. 이를 통해 WO3 층을 삽입하면 OTFT의 문턱전압이 낮아지고 전하이동도가 증가한다는 것을 확인할 수 있었다.

반면에 TiO2박막을 삽입했을 경우는 WO3박막을 삽입 했을 때와 다른 양상을 보여주었다. TiO2 박막을 삽입하면 WO3 박막을 삽입한 것과 같이 낮은 게이트 전압에서도 드레인 전류가 흐른다. 하지만 그래프의 기울기가 박막을 삽입하지 않은 경우보다 더 작은 결과를 보였다. 이는 TiO2

박막을 삽입하면 문턱전압이 개선되지만 전하이동도는 거 의 변화가 없거나 오히려 감소한다는 것을 나타낸다.

각 금속산화물의 두께에 따른 문턱전압의 크기와 전하이 동도의 변화를 그래프로 표시하면 Fig. 4와 같다. Fig. 4(a) 는 WO3의 두께에 따른 전하이동도를 보여준다. WO3 박 막을 삽입하지 않았을 때는 0.00880 cm²/V·s 의 전하이동 도를 보이는데 WO3박막을 삽입하면 최대 0.0248 cm²/V·s 까지 전하이동도가 증가하였다. WO3의 두께가 4 nm를 초과하면 전하이동도가 더 이상 개선되지 않고 점점 특성이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. WO3 박막이 전하이동도 개선에 어느 정도 도움을 주지만 일정 두께 이상 두꺼워지면 상대적으로 Au보다 낮은 WO3의 전기전도도로 인해 WO3

박막이 전하의 흐름을 방해한다. Fig. 4(b) 는 WO3의 두께 에 따른 문턱전압을 나타낸다. WO3박막이 삽입되지 않은 OTFT는 -12.3 V의 문턱전압을 가지지만 전극에 2 nm의 WO3를 삽입한 OTFT는 문턱전압이 -4.09 V 정도로 크게 낮아지는 결과를 얻었다.

TiO2 박막을 삽입했을 때는 Fig. 4(c) 에서 나타나는 것 처럼 전하이동도가 감소하는 경향을 관측할 수 있다. TiO2

박막을 삽입하기 전에는 0.00880 cm²/V·s 였던 전하이동 도가 박막을 삽입한 후에는 최대 0.00818 cm²/V·s, 최소 0.00704 cm²/V·s로 다소 감소하였다. 따라서 WO3 박막을 삽입했을 때와는 달리 TiO2박막을 삽입하면 전하이동도의 개선을 기대할 수 없었다. 하지만 문턱전압의 경우, TiO2

박막을 삽입하면 WO3 박막을 삽입했을 때와 마찬가지로 문턱전압이 개선되는 것을 관측할 수 있다. 따라서 금속산화 물 박막을 삽입했을 때 전하이동도와 문턱전압이 향상되는 것은 금속산화물 박막을 삽입한 OTFT의 HOMO 준위와 접촉저항에 따른 결과이다.

Fig. 5는 금속산화물 박막을 삽입했을 때 HOMO 준위 의 변화를 확인하기 위해서 UPS를 통해 얻은 그래프이다.

연구 결과에 따르면 펜타센이 Au와 직접 접촉할 경우 약 1.0 eV 정도의 홀 주입 장벽이 생성된다 [7]. Fig. 5에서 Au 단일전극 OTFT와 Au/WO3다층전극 OTFT의 결합 에너지를 비교해보면 Au/WO3다층전극 OTFT에서는 결 합 에너지가 약 0.6 eV 정도 감소하였다. 이 결과를 통해 펜타센과 Au 사이의 에너지 장벽이 낮아졌다는 것을 확인할 수 있다. 따라서 홀 주입 장벽이 낮아졌기 때문에 전하의 주 입이 원활해지고 결과적으로 전하이동도가 높아지게 된다.

반대로 Au/TiO2 전극을 사용한 OTFT의 경우, 결합에너

Fig. 4. Mobility / Threshold voltages of pentacene OTFTs with different thickness of metal oxide layers: (a) Mobility of Au/WO3, (b) Threshold voltage of Au/WO3, (c) Mobility of Au/TiO2, (d) Threshold voltage of Au/TiO2electrodes, respectively.

Fig. 5. (Color online) UPS spectra for characterizing the HOMO level alignment by using Au and Au/Metal oxide electrode.

지가 0.6eV 정도 증가하였고 펜타센과 Au 사이의 에너지 장벽이 높아지게 되었다. 이는 Au만 전극으로 사용했을 때보다 전하의 주입이 어려워졌다는 것을 의미하며 이로 인해 전하이동도가 감소한다는 결과를 얻을 수 있었다.

Fig. 6은 금속산화물 박막의 두께에 의해 접촉 저항이 어떻게 변하는지 측정한 결과다. 접촉 저항은 다음과 같은 식으로 나타낸다 [8,9].

R_total= R_ch+ R_C= L

W Ci(VGS− VT)µch

+ R_C (6) 위 식에서 Rtotal은 선형 구간에서의 전체 저항, Rch은 활

성층의 채널 저항, RC는 접촉 저항이다. 활성층의 채널 저항을 자세히 나타내면 우변과 같이 쓸 수 있다. 우변에서 L은 채널의 길이, W 는 채널 너비, Ci는 게이트 절연층의 전기 용량, µch는 채널의 전하이동도, VGS와 VT는 각각 게이트-소스 전압과 문턱전압을 나타낸다. RC는 채널 길 이에 따른 Rtotal의 1차 함수 그래프를 그린 후, L = 0 인 지점에서의 저항으로 구할 수 있다.

Fig. 6(a) 를 통해 Au 전극에 WO3 박막을 삽입하면 접 촉저항이 크게 감소한다는 것을 알 수 있다. WO3 박막을 삽입하지 않았을 경우 2.91 × 10⁸ Ω 정도의 접촉저항을 보였으나 WO3 박막을 삽입한 후 최저 3.66 × 10⁷ Ω까지 저항이 감소하여 전기적 특성이 향상되었다는 것을 확인할 수 있었다. TiO2박막을 삽입한 경우에도 최저 1.19× 10⁸ Ω까지 접촉저항이 개선되었으나 WO3박막을 삽입했을 때 보다는 접촉저항이 낮아지지 않았다. 이는 절연체인 TiO2

의 전기 전도도가 도체인 WO3보다 작기 때문이다. 물질에 상관없이 금속산화물 박막을 삽입했을 때 모두 접촉저항의 개선을 볼 수 있었다. 이는 금속산화물 박막이 유기물-금속 접합에 의해 발생하는 화학적 반응을 차단하기 때문이다 [10].

Fig. 6. Contact resistance of OTFTs with different metal oxide thickness: (a) Au/WO3, (b) Au/TiO2 electrodes, respectively.

IV. 결 론

본 연구에서는 OTFT 전극에 금속산화물 WO3와 TiO2

박막을 삽입하고 전하이동도 및 문턱전압에 대한 연구를 수행하였다.

WO3를 삽입한 경우에는 OTFT의 성능이 크게 개선되 었다. 전하이동도는 최대 2.8배 증가하였으며 문턱전압은 약 -8.2 V 감소하였다. UPS를 통해 분석한 결과 펜타센과 Au 사이에 생기는 장벽이 기존의 1.0 eV에서 0.4 eV까지 감소한 것으로 확인되었다. 실험 결과에 의해 금속에서 유기물로 전하가 주입될 때의 주입 장벽을 감소시켜 OTFT 의 전체적인 성능을 향상시키는 것으로 추측할 수 있다.

TiO2를 삽입한 경우는 문턱전압을 제외한 전기적 특성의 개선을 관측할 수 없었다. 전하이동도는 최대 0.8배 감소 하였다. 이러한 전하이동도의 변화는 펜타센과 Au 사이 의 에너지 장벽이 기존의 1.0 eV에서 1.6 eV까지 증가한 것이 그 원인이라 추측할 수 있다. TiO2 박막을 삽입하면 Au 단일전극을 사용한 경우보다는 접촉저항이 작아지지만 WO3박막을 삽입했을 때 보다는 접촉저항이 커지는 결과를

확인할 수 있었다. 장벽의 크기 증가로 인해 전하이동도가 낮아졌지만 문턱전압은 개선되는 것을 보아 TiO2를 삽입 한 펜타센 OTFT의 문턱전압은 유기물-금속 접합에 의해 생기는 에너지 장벽이 아닌 다른 원인에 의해 개선되었다는 것을 알 수 있었다.

결론적으로 펜타센 OTFT의 Au 전극에 금속산화물을 삽입하면 공통적으로 문턱전압이 감소하는 결과를 보이지 만 서로 다른 에너지 장벽의 변화로 인해 WO3를 삽입한 경우에만 전하이동도가 증가하고 TiO2를 삽입한 경우에는 전하이동도가 개선되지 않았다는 결과를 얻을 수 있었다.

감사의 글

이 논문은 2009 년도 & 2015 년도 정부 (교육부) 의 재 원으로 한국연구재단의 지원 (2009-0093822 & 2015R1D1 A1A02061824), 2016년도 국립 군산대학교의 지원을 받은 군산대학교 연구교수 지원사업의 성과입니다.

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