KR20110127330A - Organic thin film transister having a single crystalization channel layer and method for manufacturing using thereof - Google Patents

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KR20110127330A
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김영훈
한정인
김원근
오민석
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전자부품연구원
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Abstract

PURPOSE: An organic thin film transistor and a manufacturing method thereof are provided to form a monocrystal organic semiconductor thin film with a printing method by selectively controlling the surface energy of a substrate and then controlling an organic semiconductor solution. CONSTITUTION: A gate electrode is formed on a substrate. A gate insulating layer(30) is formed on the gate electrode. A source and a drain electrode(40) are formed on the gate insulating layer. The gate insulating layer is surface-treated by a self-assembly monolayer. A surface-treated self-assembly monolayer is removed from a channel area. A monocrystal organic semiconductor(50) is formed in the channel area, from which the self-assembly monolayer is removed, by a solution process.

Description

단결정 채널층을 가진 유기박막 트랜지스터 및 그의 제조방법{ORGANIC THIN FILM TRANSISTER HAVING A SINGLE CRYSTALIZATION CHANNEL LAYER AND METHOD FOR MANUFACTURING USING THEREOF}ORGANIC THIN FILM TRANSISTER HAVING A SINGLE CRYSTALIZATION CHANNEL LAYER AND METHOD FOR MANUFACTURING USING THEREOF}

본 발명은 유기반도체를 채널층으로 하는 유기 박막 트랜지스터의 제조방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 프린팅 방법으로 단결정 형태의 유기 반도체 채널층을 형성하고 이를 이용해 유기박막 트랜지스터를 제조하는 방법에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for manufacturing an organic thin film transistor using an organic semiconductor as a channel layer, and more particularly, to a method of forming an organic semiconductor channel layer in a single crystal form by a printing method and manufacturing an organic thin film transistor using the same.

최근 유연하고 구부릴 수 있고 깨지지 않는 플렉서블 디스플레이에 대한 관심이 고조되면서, 플렉서블 디스플레이에 적합한 스위칭 소자의 개발이 더욱 중요해지고 있다. 현재 액정 디스플레이에 주로 사용되는 비정질 실리콘(amorphous Si; a-Si:H) 박막 트랜지스터(TFT; thin-film transistor)를 비롯하여 유기 반도체를 이용한 유기박막 트랜지스터(organic thin-film transistor; OTFT), 그리고 최근에는 ZnO 등 산화물 반도체를 이용한 산화물 반도체 박막 트랜지스터(oxide thin-film transistor)가 많은 관심을 받고 있다.Recently, with increasing interest in flexible displays that are flexible, bendable and unbreakable, the development of switching devices suitable for flexible displays has become more important. Organic thin-film transistors (OTFTs) using organic semiconductors, including amorphous Si (a-Si: H) thin-film transistors (TFTs), which are mainly used in liquid crystal displays, and recently. Oxide thin film transistors using oxide semiconductors such as ZnO have received a lot of attention.

하지만, 현재 많은 연구가 되고 있는 a-Si:H TFT나 OTFT의 경우에 재료의 고유 특성 때문에 전하를 이송할 수 있는 능력인 전하이동도가 0.1 ~ 1.0 cm2/Vs 수준으로 다소 낮다. 따라서, 전류 구동 방식인 유기전계발광다이오드(OLED)의 화소 구성 소자로서 적용하기가 쉽지 않을뿐더러 전기적인 신뢰성 문제 때문에 적용이 다소 어려운 기술이다. 최근에는 전하이동도가 10 cm2/Vs 이상이고 전기적 신뢰성 특성이 a-Si:H TFT나 OTFT와 비교해 우수한 특성을 가진 산화물 반도체 TFT가 많은 관심을 받고 있다.However, in the case of a-Si: H TFT or OTFT, which is being studied a lot, the mobility of charge, which is the ability to transfer charges due to the inherent properties of the material, is rather low, at 0.1 to 1.0 cm 2 / Vs. Therefore, it is not easy to apply as a pixel constituent element of an organic light emitting diode (OLED), which is a current driving method, and is a technique that is difficult to apply due to electrical reliability problems. Recently, oxide semiconductor TFTs having a charge mobility of 10 cm 2 / Vs or more and excellent electrical reliability characteristics compared to a-Si: H TFTs or OTFTs have attracted much attention.

일반적으로 TFT에서 소스/드레인 전극을 통해 흐르는 전류인 드레인 전류(Drain current)는 가해진 전압, 전하이동도, 채널폭(channel length), 채널넓이(channel width) 등에 좌우된다. 즉, 여러 가지 요인들로 인해 TFT의 구동 특성이 좌우되게 되는데 가장 중요한 인자는 채널층을 이루고 있는 유기 반도체 박막의 전기적 특성이다. 통상적으로 유기 반도체 박막의 경우 결정성이 증가할수록, 다시 말하면 비정질 상태(amorphous)보다는 다결정 상태(polycrystalline)가, 다결정 상태보다는 단결정 상태(single crystalline)이 더 좋은 전기적 특성을 가진다. 이는 결정성이 더 좋아질수록 유기 반도체를 이루는 분자들의 배열이 일정한 방향으로 나열되어 분자간 전하 이동이 빨라지게 되기 때문이다. In general, drain current, which is a current flowing through a source / drain electrode in a TFT, depends on an applied voltage, charge mobility, channel length, channel width, and the like. That is, the driving characteristics of the TFT are influenced by various factors. The most important factor is the electrical characteristics of the organic semiconductor thin film constituting the channel layer. In general, in the case of an organic semiconductor thin film, as the crystallinity increases, that is, the polycrystalline state has a better electrical property than the amorphous state (single crystalline) than the polycrystalline state (single crystalline). This is because the better the crystallinity, the faster the intermolecular charge transfer due to the arrangement of molecules forming the organic semiconductor in a certain direction.

현재 유기 반도체 박막 트랜지스터에서 유기 반도체를 형성하는 공정으로 프린팅 공정 중의 하나인 잉크젯 프린팅 방법이 많이 적용되고 있다. 잉크젯 프린팅 방법은 유기 반도체를 함유하고 있는 액체를 작은 잉크젯 노즐을 통해서 원하는 위치에 분사하는 방법으로서 물질의 소모 없이 원하는 패턴을 신속하게 형성할 수 있는 방법이다. 하지만 잉크젯 프린팅 방법을 이용하여 유기 반도체 박막을 형성하게 되면 대부분의 경우 비정질 형태나 다결정 형태의 유기 반도체 박막이 형성되는데, 상기 박막은 결정성이 낮기 때문에 전기적 특성이 떨어지는 문제점이 있다.
At present, an inkjet printing method, which is one of printing processes, is used as a process of forming an organic semiconductor in an organic semiconductor thin film transistor. The inkjet printing method is a method of spraying a liquid containing an organic semiconductor at a desired position through a small inkjet nozzle, and is a method of rapidly forming a desired pattern without consuming material. However, when the organic semiconductor thin film is formed by using the inkjet printing method, in most cases, an organic semiconductor thin film of amorphous or polycrystalline form is formed. However, since the thin film has low crystallinity, electrical characteristics are inferior.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 기판의 표면 에너지를 선택적으로 제어시킨 후, 유기 반도체 용액을 제어하여 프린팅 방법으로 단결정 형태의 유기 반도체 박막을 형성시킨 유기박막 트랜지스터 및 그 제조방법을 제공한다.
The present invention is to solve the problems of the prior art as described above, and after the surface energy of the substrate is selectively controlled, the organic thin film transistor to form an organic semiconductor thin film of a single crystal form by the printing method by controlling the organic semiconductor solution and It provides a manufacturing method.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,The present invention to achieve the above object,

기판 상에 형성된 게이트 전극; 상기 게이트 전극 상에 형성된 게이트 절연막; 상기 게이트 절연막 상에 형성된 소스 및 드레인 전극을 포함하는 박막 트랜지스터에 있어서, 상기 게이트 절연막을 자기조립단막층으로 표면처리하되, 채널영역에서는 상기 표면처리된 자기조립단막층을 제거시킨 뒤, 상기 자기조립단막층이 제거된 채널영역에 용액공정으로 단결정 유기 반도체를 형성시킨 것을 특징으로 하는 박막 트랜지스터를 제공한다.A gate electrode formed on the substrate; A gate insulating film formed on the gate electrode; In the thin film transistor including a source and a drain electrode formed on the gate insulating film, the gate insulating film is surface-treated with a self-assembled monolayer, but in the channel region after removing the surface-treated self-assembled monolayer, the self-assembled A single crystal organic semiconductor is formed by a solution process in a channel region from which a single layer is removed.

상기 게이트 전극은 금속, 금속 산화물, 전도성 고분자 또는 탄소나노튜브 중에서 선택된 어느 하나로 형성되고, 상기 게이트 절연막은 산화막, 유기물 또는 산화막과 유기물의 혼합물인 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 소스 및 드레인 전극은 금속, 금속 산화물, 전도성 고분자 또는 탄소나노튜브 중에서 선택된 어느 하나로 형성되고, 상기 유기 반도체 물질은 펜타센(Pentacene)계열, 폴리싸이오펜(Polythiophene)계열 또는 테트라센(Tetracene)계열 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 한다.The gate electrode is formed of any one selected from a metal, a metal oxide, a conductive polymer, or a carbon nanotube, and the gate insulating film is an oxide film, an organic material, or a mixture of an oxide film and an organic material. In addition, the source and drain electrodes are formed of any one selected from a metal, a metal oxide, a conductive polymer, or carbon nanotubes, and the organic semiconductor material is a pentacene series, a polythiophene series, or a tetratracene. It is characterized in that any one selected from the series.

또한, 상기 게이트 절연막의 표면 처리용 자기조립단막층은 -OH, -NH3, -COOH 등으로 기능화된 재료로 형성되고, 상기 소스 및 드레인 전극은 싸이올(Thiol)기를 가진 재료로 표면처리한다. 상기 유기 반도체층은 잉크젯 프린팅, 딥 코팅, 스핀 코팅, 롤 코팅, 오프셋, 마이크로 컨택 프린팅, 리버스 오프셋 또는 그라비어 등의 용액 공정중에서 선택된 어느 하나를 사용하는 것이 바람직하고, 상기 유기 반도체층을 구성하는 재질로 클로로벤젠(Chlorobenzene), 클로로포름(chloroform), 헥산(Hexane), 다이클로로벤젠(Di-Chlorobenzene), 도데칸(Dodecane) 및 애니솔(Anisole) 등의 유기 용매중에서 선택된 어느 하나 이상을 사용하는 것을 특징으로 한다.The self-assembled monolayer layer for surface treatment of the gate insulating film is formed of a material functionalized with -OH, -NH 3 , -COOH, etc., and the source and drain electrodes are surface treated with a material having a thiol group. . The organic semiconductor layer may be any one selected from a solution process such as inkjet printing, dip coating, spin coating, roll coating, offset, micro contact printing, reverse offset, or gravure, and a material constituting the organic semiconductor layer. Using any one or more selected from organic solvents such as chlorobenzene, chloroform, hexane, hexane, di-chlorolobenzene, dodecane and anisole. It features.

본 발명은 기판 상에 게이트 전극을 형성하는 단계; 상기 게이트 전극 상에 게이트 절연막을 형성하는 단계; 상기 게이트 절연막 상에 소스 및 드레인 전극을 형성하는 단계; 상기 소스 및 드레인 전극을 표면 처리하는 단계; 상기 게이트 절연막을 자기조립단막층으로 표면 처리하는 단계; 상기 자기조립단막층을 트랜지스터 채널 영역에서 제거하는 단계; 및 상기 자기조립단막층이 제거된 채널 영역에 용액공정을 사용하여 단결정 유기 반도체를 형성하는 것을 특징으로 하는 박막 트랜지스터의 제조방법을 제공한다.The present invention includes forming a gate electrode on a substrate; Forming a gate insulating film on the gate electrode; Forming a source and a drain electrode on the gate insulating film; Surface treating the source and drain electrodes; Surface treating the gate insulating film with a self-assembled monolayer; Removing the self-assembled monolayer from the transistor channel region; And forming a single crystal organic semiconductor in a channel region in which the self-assembled monolayer is removed using a solution process.

상기 유기 반도체 물질은 펜타센(Pentacene)계열, 폴리싸이오펜(Polythiophene)계열 또는 테트라센(Tetracene)계열 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하고, 상기 게이트 절연막의 표면 처리용 자기조립단막층은 -OH, -NH3, -COOH 등으로 기능화된 재료로 형성시키는 것이 바람직하다.The organic semiconductor material is any one selected from pentacene series, polythiophene series, or tetracene series, and the self-assembled monolayer layer for surface treatment of the gate insulating layer is -OH. It is preferable to form the material functionalized with -NH3, -COOH, etc.

또한, 상기 소스 및 드레인 전극은 Thiol 기를 가진 재료로 표면처리된 것을 특징으로 하고, 상기 유기 반도체층은 잉크젯 프린팅, 딥 코팅, 스핀 코팅, 롤 코팅, 오프셋, 마이크로 컨택 프린팅, 리버스 오프셋 또는 그라비어 등의 용액공정 중에서 선택된 어느 하나를 사용하여 형성시키고, 상기 유기 반도체층을 구성하는 재질로 클로로벤젠(Chlorobenzene), 클로로포름(chloroform), 헥산(Hexane), 다이클로로벤젠(Di-Chlorobenzene), 도데칸(Dodecane) 및 애니솔(Anisole) 등의 유기 용매중에서 선택된 어느 하나이상을 사용하는 것을 특징으로 한다.
In addition, the source and drain electrodes are characterized in that the surface-treated with a material having a Thiol group, the organic semiconductor layer is inkjet printing, dip coating, spin coating, roll coating, offset, micro contact printing, reverse offset or gravure It is formed by using any one selected from the solution process, chlorobenzene (Chlorobenzene), chloroform (chloroform), hexane (Hexane), dichlorobenzene (Di-Chlorobenzene), Dodecane (Dodecane) And at least one selected from organic solvents such as anisole.

본 발명에 따르면, 잉크젯 프린팅 등 작업이 용이하고 범용적인 기술을 이용하여 고성능을 가진 단결정 유기 반도체 박막을 형성할 수 있고 이를 이용하여 대면적 하에서도 높은 전하 이동도와 균일도를 가진 유기박막 트랜지스터 및 어레이, 디스플레이용 백플레인의 제작이 가능해지는 효과가 있다.
According to the present invention, an organic thin film transistor and an array having high charge mobility and uniformity even under a large area can be formed by using a general technique, which is easy to work such as inkjet printing and has a high performance. There is an effect that it is possible to manufacture a backplane for a display.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 유기 반도체 채널을 가진 박막 트랜지스터 소자의 단면 구조를 나타내는 단면도이다.
도 2a 내지 2d는 본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 유기 반도체 채널을 가진 박막 트랜지스터 소자의 제조 과정을 나타내는 공정도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 유기 반도체 박막을 갖는 유기박막 트랜지스터의 광학현미경 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기박막 트랜지스터의 전달 특성 곡선이다.1 is a cross-sectional view illustrating a cross-sectional structure of a thin film transistor device having a single crystal organic semiconductor channel according to an embodiment of the present invention.
2A through 2D are flowcharts illustrating a process of manufacturing a thin film transistor device having a single crystal organic semiconductor channel according to an embodiment of the present invention.
3 is an optical micrograph of an organic thin film transistor having a single crystal organic semiconductor thin film according to an embodiment of the present invention.
4 is a transfer characteristic curve of an organic thin film transistor according to an exemplary embodiment of the present invention.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.The terms or words used in this specification and claims are not to be construed as being limited to their ordinary or dictionary meanings, and the inventors may appropriately define the concept of terms in order to best describe their invention. It should be interpreted as meaning and concept corresponding to the technical idea of the present invention based on the principle that the present invention.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Therefore, the embodiments described in the specification and the drawings shown in the drawings are only the most preferred embodiment of the present invention, and do not represent all of the technical idea of the present invention, which can be replaced at the time of the present application It should be understood that there may be various equivalents and variations.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명에 따른 단결정 유기 반도체 채널을 가진 박막 트랜지스터 소자의 단면 구조를 나타낸다. 상기 도면에서와 같이, 단면 구조는 기존의 bottom gate, bottom contact 구조이다. 즉, 기판(10) 상에 게이트 전극(20)이 형성되고, 상기 게이트 전극(20)을 덮는 게이트 절연막(30)이 형성된 뒤, 소스/드레인 전극(40)이 상기 게이트 절연막(30) 상부에 형성된다. 다음으로, 소스/드레인 전극(40) 상부에 두 전극 이어주는 역할을 하는 단결정 유기 반도체(50)가 형성되는 구조를 가지고 있다.1 shows a cross-sectional structure of a thin film transistor element having a single crystal organic semiconductor channel according to the present invention. As in the figure, the cross-sectional structure is a conventional bottom gate, bottom contact structure. That is, after the gate electrode 20 is formed on the substrate 10 and the gate insulating film 30 covering the gate electrode 20 is formed, the source / drain electrode 40 is formed on the gate insulating film 30. Is formed. Next, a single crystal organic semiconductor 50 is formed on the source / drain electrode 40 to connect two electrodes.

본 발명에서 사용할 수 있는 기판으로는 유리, 석영, 폴리에틸렌 나프탈레이트(Polyethylenenaphthalate), 폴리 에틸렌 테레프탈레이트(Polyethyleneterephthalate), 폴리 카보네이트 (Polycarbonate), 폴리 아크릴레이트(Polyacrylate), 폴리 이미드(Polyimide), 및 폴리 에테르설폰 (Polyethersulfone), 종이, Stainless Steel 등의 소재를 사용할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.Substrates which can be used in the present invention include glass, quartz, polyethylenenaphthalate, polyethylene terephthalate, polycarbonate, polyacrylate, polyimide, and poly Materials such as polyethersulfone, paper, and stainless steel may be used, but are not limited thereto.

도 2a 내지 2d는 본 발명에서 제시하는 단결정 유기 반도체 채널을 가진 박막 트랜지스터 소자의 제조 과정에 대해 설명하고 있다. 2A to 2D illustrate a manufacturing process of a thin film transistor device having a single crystal organic semiconductor channel according to the present invention.

도 2a와 같이, 유기박막 트랜지스터를 형성할 기판 위에 게이트 전극(100)을 형성하고 소정의 방법을 이용하여 패터닝 한다. 이후 게이트 전극 상부에 진공 증착 혹은 스핀 코팅 등의 방법을 이용하여 절연체 역할을 하는 게이트 절연막(101)을 형성시킨다. 이후 게이트 절연막 상부에 증착방식으로 전극을 형성하여 소스 및 드레인 전극(102)을 형성하고 소정의 방법을 이용하여 패터닝 한다. As shown in FIG. 2A, the gate electrode 100 is formed on a substrate on which the organic thin film transistor is to be formed and patterned using a predetermined method. Thereafter, a gate insulating film 101 serving as an insulator is formed on the gate electrode by using a method such as vacuum deposition or spin coating. Thereafter, an electrode is formed on the gate insulating layer to form a source and a drain electrode 102, and then patterned using a predetermined method.

상기 게이트 전극(100) 물질로는 금, 은, 크롬, 탄탈륨, 티타늄, 구리, 알루미늄, 몰리브데늄, 텅스텐, 니켈, 팔라듐, 백금 등의 금속 외에 ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide) 등의 금속 산화물, 전도성 고분자, CNT(Carbon nanotube) 등이 있으나, 이에 한정하지 않는다. 또한, 상기 게이트 절연막(101) 물질로는 실리콘 산화막, 실리콘 질화막, 알루미늄 산화막, 탄탈륨 산화막 등의 산화막과 폴리비닐페놀(Polyvinyl Phenol), 폴리비닐 알콜(Polyvinyl Alcohol), 폴리이미드(Polyimide) 등의 유기물, 또는 산화막과 유기물의 혼합 물질 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.The gate electrode 100 may be formed of gold, silver, chromium, tantalum, titanium, copper, aluminum, molybdenum, tungsten, nickel, palladium, platinum, and other metals such as indium tin oxide (ITO) and indium zinc oxide (IZO). Metal oxides such as c), conductive polymers, carbon nanotubes (CNT), and the like, but is not limited thereto. In addition, the gate insulating film 101 may be formed of an oxide film such as a silicon oxide film, a silicon nitride film, an aluminum oxide film, or a tantalum oxide film, and an organic material such as polyvinyl phenol, polyvinyl alcohol, or polyimide. Or a mixed material of an oxide film and an organic material may be used, but is not limited thereto.

이후 도 2b와 같이, 디핑(dipping), 대기법(vapor treatment) 등 다양한 공정을 이용하여 게이트 절연막(101) 상부를 자기조립단막층(SAM;Self-assembled monolayer)을 이용하여 전면에 표면 처리하여 준다. 여기서 표면 처리를 해주는 이유는 통상적으로 게이트 절연막(101)의 경우 표면 에너지가 높은데 이를 표면 에너지가 낮도록, 즉 접촉각(contact angle)이 높도록 표면을 개질하여 유기 반도체 잉크가 표면에 떨어질 때 퍼짐을 방지하는 역할을 하여, 유기 반도체 잉크가 서서히 증발하여 단결정의 유기 반도체 박막이 형성된 유기박막 트랜지스터를 제조할 수 있게 된다.Then, as shown in Figure 2b, by using a variety of processes, such as dipping (dipping), atmospheric treatment (vapor treatment) by using a self-assembled monolayer (SAM) on the upper surface of the gate insulating film 101 give. The reason for the surface treatment is that in the case of the gate insulating film 101, the surface energy is generally high, so that the surface energy is low, that is, the contact angle is high, so that the surface of the organic semiconductor ink spreads when it falls on the surface. The organic semiconductor ink gradually evaporates, thereby preventing the organic thin film transistor in which the single crystal organic semiconductor thin film is formed.

본 발명에서 게이트 절연막의 표면 처리용 SAM 물질은 -OH, -NH3, -COOH 등으로 기능화된(functionalized) 재료가 사용이 가능하나, 이에 한정되지 않으며, 바람직하게는 octadecyltrichlorosilane(OTS) 재료를 사용하는 것이 바람직하다.In the present invention, the SAM material for surface treatment of the gate insulating film may be a functionalized material such as -OH, -NH 3 , -COOH, etc., but is not limited thereto. Preferably, an octadecyltrichlorosilane (OTS) material is used. It is desirable to.

또한, 소스 및 드레인 전극도 유기 반도체와의 컨택 특성 개선을 위해서 표면 처리할 수 있으며, 소스/드레인 전극의 표면 처리용 SAM 물질은 싸이올(Thiol)기를 가진 pentafluorobenzenethiol(PFBT)을 사용하는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.In addition, the source and drain electrodes may also be surface treated to improve contact characteristics with the organic semiconductor, and the SAM material for surface treatment of the source / drain electrodes may use pentafluorobenzenethiol (PFBT) having a thiol group. It is not limited to this.

이후 도 2c에서처럼 채널 부분이 형성되는, 즉 소스 전극 및 드레인 전극이 가까이 위치한 부분(A)에 특정한 형태를 가지도록 SAM 층을 제거시킨다. 이와 같이, SAM 층을 제거 시키는 이유는 SAM 층을 제거시키게 되면 이 부분은 다시 원래의 게이트 절연막 표면 성질을 가지게 되어 표면 에너지가 높아지게 되어, 유기 반도체 잉크가 떨어지게 되면 잉크는 표면 에너지 차에 의해서 표면 처리가 되지 않은 영역으로 쏠리게 하기 위함이다. Thereafter, as shown in FIG. 2C, the SAM layer is removed to have a specific shape in the portion A where the channel portion is formed, that is, the source electrode and the drain electrode are located close to each other. As such, the reason for the removal of the SAM layer is that when the SAM layer is removed, this part has the original gate insulating film surface property and thus the surface energy becomes high. When the organic semiconductor ink falls, the ink is treated by the surface energy difference. This is to be directed to an area that is not

SAM 층을 제거하는 방법은 여러 가지가 있으나, 본 발명에서는 254 nm의 주 발광파장을 가지고, 192 nm 대 발광파장도 가진 deep UV 광원을 이용하여 산소가 없는 분위기에서 게이트 절연막(101) 표면에 조사하여 SAM 층을 제거한다. 이 때 주위 부분의 SAM 층은 deep UV 광을 받지 않아야 하기 때문에 석영 포토마스크를 이용하여 채널 부분에만 UV가 조사되도록 함이 바람직하다. Although there are various methods of removing the SAM layer, in the present invention, the surface of the gate insulating film 101 is irradiated in an oxygen-free atmosphere by using a deep UV light source having a main emission wavelength of 254 nm and a wavelength of 192 nm. Remove the SAM layer. At this time, since the SAM layer of the surrounding part should not receive deep UV light, it is preferable to irradiate UV only to the channel part using a quartz photomask.

상기 소스, 드레인 및 데이터 전극 물질로는 금, 은, 크롬, 칼슘, 바륨, 탄탈륨, 티타늄, 구리, 알루미늄, 몰리브데늄, 텅스텐, 니켈, 팔라듐, 백금 등의 금속 외에 ITO (indium tin oxide), IZO (indium zinc oxide) 등의 금속 산화물, 전도성 고분자, CNT (Carbon nanotube) 등이 있으나, 이에 한정하지 않는다.The source, drain and data electrode materials include indium tin oxide (ITO), in addition to metals such as gold, silver, chromium, calcium, barium, tantalum, titanium, copper, aluminum, molybdenum, tungsten, nickel, palladium and platinum, Metal oxides such as indium zinc oxide (IZO), conductive polymers, carbon nanotubes (CNT), and the like, but are not limited thereto.

이후 도 2d와 같이, 잉크젯 프린팅 등의 인쇄 방법을 적용하여 용액화되어 있는 유기 반도체 잉크를 채널 주위에 떨어뜨리게 되면 유기 반도체 잉크가 서서히 증발하여 단결정의 유기 반도체 박막(103)이 형성되고 유기박막 트랜지스터가 완성된다. 본 발명에서 사용된 유기 반도체 재료는 팁스 펜타센(TIPS-pentacene; 6,13-bis(triisopropylsilylethynyl))이며, 잉크를 제조할 때 사용된 용매는 클로로벤젠(chlorobenzene)과 도데칸(dodecane)을 섞어 사용한다. Then, as shown in FIG. 2D, when the organic semiconductor ink, which is liquefied, is dropped around the channel by applying a printing method such as inkjet printing, the organic semiconductor ink gradually evaporates to form a single crystal organic semiconductor thin film 103, and an organic thin film transistor. Is completed. The organic semiconductor material used in the present invention is TIPS-pentacene (TIPS-pentacene; 6,13-bis (triisopropylsilylethynyl)), the solvent used when preparing the ink is a mixture of chlorobenzene (dobenzene) and dodecane (dodecane) use.

상기 유기 반도체로 사용할 수 있는 반도체 물질로는 펜타센 (Pentacene) 계열, 폴리싸이오펜 (Polythiophene) 계열, 테트라센 (Tetracene) 계열 등의 유기 반도체를 사용할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.As the semiconductor material that can be used as the organic semiconductor, an organic semiconductor such as pentacene series, polythiophene series, or tetracene series may be used, but is not limited thereto.

본 발명에서 각각의 전극 및 게이트 절연막은 스퍼터링, 전자빔 증착, 펄스 레이저 증착, 화학기상 증착, 잉크젯 프린팅, 스크린 프린팅, 스핀 코팅, 딥 코팅, 롤 코팅 등의 방법을 사용할 수 있다.In the present invention, each electrode and gate insulating film may use a method such as sputtering, electron beam deposition, pulse laser deposition, chemical vapor deposition, inkjet printing, screen printing, spin coating, dip coating, roll coating, and the like.

이하 본 발명을 아래와 같은 실시예에 의거하여　상세하게 설명하며 단 아래의 예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 이에 한정하지 않으며 본 발명의 실시예의 분석은 다음과 같은 방법으로 실시했다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the following examples, but the following examples are merely to illustrate the present invention, and the present invention is not limited thereto. Analysis of the embodiments of the present invention was performed by the following method.

(실시예)(Example)

높은 농도로 도핑된 (heavily p-doped) 실리콘 웨이퍼 위에 실리콘 산화막을 열처리 방법을 통해 200 nm의 두께로 형성하였다. 도핑된 실리콘 웨이퍼는 기판뿐 아니라 전도성이 높아 게이트 전극으로 사용되었으며 열처리 제작한 실리콘 산화막은 게이트 절연막 역할을 한다. A silicon oxide film was formed to a thickness of 200 nm on a heavily p-doped silicon wafer by a heat treatment method. The doped silicon wafer is used as a gate electrode because of its high conductivity as well as a substrate, and the silicon oxide film prepared by heat treatment serves as a gate insulating film.

이후 리프트 오프(Lift-off) 방법을 이용하여 100 nm 두께를 가진 금(Au) 층을 게이터 절연막 상부에 형성하고 패터닝 한다. Au 층은 열증착 방법으로 증착하였다. 이후 Thiol 기를 가진 PFBT를 이용하여 소스 및 드레인 전극의 표면을 개질하였다. PFBT를 10 mM의 농도로 에탄올(Ethanol)에 희석하고 이후 샘플을 희석한 에탄올에 디핑하게 되면 단막층이 Au 전극 표면에 형성된다. 이후 에탄올로 세정하여 결합되지 않은 여분의 PFBT를 제거한다. After that, a gold (Au) layer having a thickness of 100 nm is formed on the gator insulating layer and patterned by using a lift-off method. Au layer was deposited by thermal evaporation method. Then, the surface of the source and drain electrodes was modified using PFBT having a Thiol group. Diluting the PFBT in ethanol at a concentration of 10 mM and then dipping the sample in diluted ethanol forms a monolayer on the surface of the Au electrode. It is then washed with ethanol to remove excess unbound PFBT.

이후 게이트 절연막 표면처리를 위해 자기조립단막층인 OTS를 100 mM 농도로 헥산(Hexane)에 희석시킨 후 샘플을 넣어 OTS가 게이트 절연막 표면에 형성되도록 표면 개질을 하였다. 이후 샘플을 꺼낸 후 깨끗한 헥산으로 세정하여 역시 여분의 OTS를 제거하였다. Thereafter, the OTS, which is a self-assembled monolayer, was diluted in hexane (Hexane) at a concentration of 100 mM for the gate insulating film surface treatment, and the surface was modified so that the OTS was formed on the surface of the gate insulating film. The sample was then taken out and washed with clean hexane to remove excess OTS as well.

채널 영역을 선택적으로 표면 제어하기 위해서 채널 부분만 뚫려 있는 석영 재질로 된 포토마스크를 제작하고 deep UV 광원을 이용하여 채널 영역에 있는 OTS를 제거하였다. 소다라임 유리의 경우 단파장의 UV가 통과하지 않기 때문에 포토마스크 재질을 반드시 단파장을 투과할 수 있는 재질이어야 한다. In order to selectively control the channel area, a photomask made of quartz material with only the channel part was fabricated and the OTS in the channel area was removed using a deep UV light source. In the case of soda-lime glass, since UV of short wavelength does not pass, the photomask material must be a material that can transmit short wavelength.

본 발명에서 사용된 마스크 패턴은 원형, 직사각형, 정사각형 등을 시도하였다. 포토마스크와 기판을 정렬시킨 후 deep UV 광원을 조사하는데 이 때 내부에 산소가 있으면 역시 산소에 의해서 UV가 흡수되기 때문에 반드시 질소 등의 가스를 흘려 주어 오존이 형성되지 않도록 해야 한다.As the mask pattern used in the present invention, circles, rectangles, squares, and the like were attempted. After aligning the photomask and the substrate, a deep UV light source is irradiated. At this time, if there is oxygen inside, UV is also absorbed by oxygen, so the gas such as nitrogen must be flowed to prevent ozone from forming.

Deep UV를 이용하여 채널 영역에 선택적으로 OTS 층을 제거한 후, 샘플을 잉크젯 프린팅 장비로 이동하여 채널 영역에 용액화된 유기 반도체 잉크를 떨어뜨려 단결정 유기 반도체 박막을 형성한다. 여기서 사용된 유기 반도체 재료는 TIPS pentacene이며 용매로는 클로로벤젠과 도데칸을 섞어 사용하였다. After the OTS layer is selectively removed in the channel region using deep UV, the sample is moved to an inkjet printing apparatus to form a single crystal organic semiconductor thin film by dropping the organic semiconductor ink solutiond in the channel region. The organic semiconductor material used here is TIPS pentacene, and a mixture of chlorobenzene and dodecane was used as a solvent.

상부에서 설명한 바와 같이 제작한 단결정 유기 반도체 박막을 갖는 유기박막 트랜지스터의 광학현미경 사진을 도 3에서 보여주고 있으며, 도 4에서는 제작된 유기박막 트랜지스터의 전달 특성 곡선을 나타내고 있다.An optical micrograph of an organic thin film transistor having a single crystal organic semiconductor thin film manufactured as described above is shown in FIG. 3, and FIG. 4 shows a transfer characteristic curve of the manufactured organic thin film transistor.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
Although the present invention has been described with reference to one embodiment shown in the accompanying drawings, this is merely exemplary, and it will be understood by those skilled in the art that various modifications and equivalent other embodiments are possible. Could be. Accordingly, the true scope of protection of the invention should be defined only by the appended claims.

10: 기판 20: 게이트 전극
30: 게이트 절연막 40: 소스/드레인 전극
50: 단결정 유기 반도체층 100: 게이트 전극
101: 게이트 절연막 102: 소스/드레인 전극
103: 단결정 유기 반도체 박막10 substrate 20 gate electrode
30: gate insulating film 40: source / drain electrode
50: single crystal organic semiconductor layer 100: gate electrode
101: gate insulating film 102: source / drain electrode
103: single crystal organic semiconductor thin film

Claims (16)

기판 상에 형성된 게이트 전극; 상기 게이트 전극 상에 형성된 게이트 절연막; 상기 게이트 절연막 상에 형성된 소스 및 드레인 전극을 포함하는 박막 트랜지스터에 있어서,
상기 게이트 절연막을 자기조립단막층으로 표면처리하되, 채널영역에서는 상기 표면처리된 자기조립단막층을 제거시킨 뒤, 상기 자기조립단막층이 제거된 채널영역에 용액공정으로 단결정 유기 반도체를 형성시킨 것을 특징으로 하는 박막 트랜지스터.
A gate electrode formed on the substrate; A gate insulating film formed on the gate electrode; In the thin film transistor including a source and a drain electrode formed on the gate insulating film,
The gate insulating film is surface-treated with a self-assembled monolayer, but in the channel region, the surface-treated self-assembled monolayer is removed, and a single crystal organic semiconductor is formed by a solution process in the channel region from which the self-assembled monolayer is removed. A thin film transistor characterized in that.
청구항 1에 있어서,
상기 게이트 전극은 금속, 금속 산화물, 전도성 고분자 또는 탄소나노튜브 중에서 선택된 어느 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 박막 트랜지스터.
The method according to claim 1,
The gate electrode is a thin film transistor, characterized in that formed of any one selected from a metal, a metal oxide, a conductive polymer or carbon nanotubes.
청구항 1에 있어서,
상기 게이트 절연막은 산화막, 유기물 또는 산화막과 유기물의 혼합물인 것을 특징으로 하는 박막 트랜지스터.
The method according to claim 1,
And the gate insulating film is an oxide film, an organic material or a mixture of an oxide film and an organic material.
청구항 1에 있어서,
상기 소스 및 드레인 전극은 금속, 금속 산화물, 전도성 고분자 또는 탄소나노튜브 중에서 선택된 어느 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 박막 트랜지스터.
The method according to claim 1,
The source and drain electrodes may be formed of any one selected from a metal, a metal oxide, a conductive polymer, or carbon nanotubes.
청구항 1에 있어서,
상기 유기 반도체 물질은 펜타센(Pentacene)계열, 폴리싸이오펜(Polythiophene)계열 또는 테트라센(Tetracene)계열 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 박막 트랜지스터.
The method according to claim 1,
The organic semiconductor material may be any one selected from pentacene series, polythiophene series, and tetracene series.
청구항 1에 있어서,
상기 게이트 절연막의 표면 처리용 자기조립단막층은 -OH, -NH3, -COOH 등으로 기능화된 재료로 형성된 것을 특징으로 하는 박막 트랜지스터.
The method according to claim 1,
The self-assembled monolayer layer for surface treatment of the gate insulating film is formed of a material functionalized with -OH, -NH 3 , -COOH and the like.
청구항 1에 있어서,
상기 소스 및 드레인 전극은 싸이올(Thiol)기를 가진 재료로 표면처리된 것을 특징으로 하는 박막 트랜지스터.
The method according to claim 1,
And the source and drain electrodes are surface treated with a material having a thiol group.
청구항 1에 있어서,
상기 유기 반도체층 형성에 사용되는 잉크는 잉크젯 프린팅, 딥 코팅, 스핀 코팅, 롤 코팅, 오프셋, 마이크로 컨택 프린팅, 리버스 오프셋 또는 그라비어 등의 용액 공정중에서 선택된 어느 하나를 사용하여 형성된 것을 특징으로 하는 박막 트랜지스터.
The method according to claim 1,
The ink used to form the organic semiconductor layer is a thin film transistor formed using any one selected from a solution process such as inkjet printing, dip coating, spin coating, roll coating, offset, micro contact printing, reverse offset, or gravure. .
청구항 1에 있어서,
상기 유기 반도체층 형성에 사용되는 잉크를 구성하는 물질로 클로로벤젠(Chlorobenzene), 클로로포름(chloroform), 헥산(Hexane), 다이클로로벤젠(Di-Chlorobenzene), 도데칸(Dodecane) 및 애니솔(Anisole) 등의 유기 용매중에서 선택된 어느 하나이상을 사용하는 것을 특징으로 하는 박막 트랜지스터.
The method according to claim 1,
Chlorobenzene, Chloroform, Hexane, Di-Chlorobenzene, Dodecane and Anisole as constituents of the ink used to form the organic semiconductor layer. A thin film transistor comprising any one or more selected from organic solvents such as these.
기판 상에 게이트 전극을 형성하는 단계;
상기 게이트 전극 상에 게이트 절연막을 형성하는 단계;
상기 게이트 절연막 상에 소스 및 드레인 전극을 형성하는 단계;
상기 게이트 절연막을 자기조립단막층으로 표면 처리하는 단계;
상기 자기조립단막층을 트랜지스터 채널 영역에서 제거하는 단계; 및
상기 자기조립단막층이 제거된 채널 영역에 용액공정을 사용하여 단결정 유기 반도체를 형성하는 것을 특징으로 하는 박막 트랜지스터의 제조방법.
Forming a gate electrode on the substrate;
Forming a gate insulating film on the gate electrode;
Forming a source and a drain electrode on the gate insulating film;
Surface treating the gate insulating film with a self-assembled monolayer;
Removing the self-assembled monolayer from the transistor channel region; And
And forming a single crystal organic semiconductor using a solution process in the channel region from which the self-assembled monolayer is removed.
청구항 10에 있어서,
상기 게이트 절연막을 자기조립단막층으로 표면 처리하기 전에 상기 소스 및 드레인 전극을 표면 처리하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 트랜지스터의 제조방법.
The method according to claim 10,
And surface treating the source and drain electrodes prior to surface treating the gate insulating film with a self-assembled monolayer.
청구항 10에 있어서,
상기 유기 반도체 물질은 펜타센(Pentacene)계열, 폴리싸이오펜(Polythiophene)계열 또는 테트라센(Tetracene)계열 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 박막 트랜지스터의 제조방법.
The method according to claim 10,
The organic semiconductor material may be any one selected from pentacene series, polythiophene series, and tetracene series.
청구항 10에 있어서,
상기 게이트 절연막의 표면 처리용 자기조립단막층은 -OH, -NH3, -COOH 등으로 기능화된 재료로 형성된 것을 특징으로 하는 박막 트랜지스터의 제조방법.
The method according to claim 10,
The self-assembled monolayer layer for surface treatment of the gate insulating film is formed of a material functionalized with -OH, -NH 3 , -COOH and the like.
청구항 10에 있어서,
상기 소스 및 드레인 전극은 싸이올(Thiol)기를 가진 재료로 표면처리된 것을 특징으로 하는 박막 트랜지스터의 제조방법.
The method according to claim 10,
And the source and drain electrodes are surface treated with a material having a thiol group.
청구항 10에 있어서,
상기 유기 반도체층 형성에 사용되는 잉크는 잉크젯 프린팅, 딥 코팅, 스핀 코팅, 롤 코팅, 오프셋, 마이크로 컨택 프린팅, 리버스 오프셋 또는 그라비어 등의 용액공정 중에서 선택된 어느 하나를 사용하여 형성된 것을 특징으로 하는 박막 트랜지스터의 제조방법.
The method according to claim 10,
The ink used to form the organic semiconductor layer is formed using any one selected from a solution process such as inkjet printing, dip coating, spin coating, roll coating, offset, micro contact printing, reverse offset or gravure. Manufacturing method.
청구항 10에 있어서,
상기 유기 반도체층 형성에 사용되는 잉크를 구성하는 물질로 클로로벤젠(Chlorobenzene), 클로로포름(chloroform), 헥산(Hexane), 다이클로로벤젠(Di-Chlorobenzene), 도데칸(Dodecane) 및 애니솔(Anisole) 등의 유기 용매중에서 선택된 어느 하나이상을 사용하는 것을 특징으로 하는 박막 트랜지스터의 제조방법.The method according to claim 10,
Chlorobenzene, Chloroform, Hexane, Di-Chlorobenzene, Dodecane and Anisole as constituents of the ink used to form the organic semiconductor layer. A method for manufacturing a thin film transistor, characterized in that any one or more selected from organic solvents such as these are used.
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