KR20120002126A - 가스의 흐름을 이용한 용액 반도체의 모폴로지 제어 방법, 이를 이용한 유기 박막 트랜지스터 및 그의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 가스의 흐름을 이용한 용액 반도체의 모폴로지 제어 방법, 그를 이용한 유기 박막 트랜지스터 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 기판에 도포되는 액상의 반도체의 비대칭적인 건조를 유도하여 액상의 반도체의 결정성장 방향을 제어할 수 있으며, 이를 통하여 반도체 소자의 성능을 개선하기 위한 것이다. 본 발명에 따르면, 기판 위에 액상의 반도체를 도포한다. 그리고 액상의 반도체의 비대칭적인 건조를 통하여 액상의 반도체가 일정한 방향성을 갖도록 결정성장 방향을 제어하여 반도체층을 형성한다. 이때 반도체층을 형성할 때, 기판 상에서 전류가 이동하는 방향에 평행한 방향으로 가스를 주입하여 기판 상에서 전류가 이동하는 방향에 평행한 방향으로 액상의 반도체의 결정을 성장시켜 반도체층을 형성할 수 있다. 가스로는 불활성 가스가 사용될 있으며, 액상의 반도체는 유기물, 무기물, 산화물 및 이들의 혼합물 중에 하나이다.
Description
본 발명은 반도체 소자 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기판에 도포되는 액상의 반도체의 비대칭적인 건조를 유도하여 액상의 반도체의 결정성장 방향을 제어할 수 있으며, 이를 통하여 반도체 소자의 성능을 개선할 수 있는 가스의 흐름을 이용한 용액 반도체의 모폴로지 제어 방법, 이를 이용한 유기 박막 트랜지스터 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
디스플레이에 많이 이용되고 있는 박막 트랜지스터(Thin Film Transistor; TFT)는 대부분 비정질 실리콘 반도체 또는 다결정 실리콘 반도체, 산화 실리콘 절연막 및 금속 전극으로 이루어져 있다. 다양한 유기재료의 개발에 따라 유기 재료를 이용한 유기 박막 트랜지스터(Organic Thin Film Transistor; OTFT)를 개발하고자 하는 연구가 전세계적으로 활발히 진행되고 있다.
특히 유기 박막 트랜지스터는 기판 위에 형성된 게이트 전극, 게이트 절연막, 소스 전극, 드레인 전극 및 유기 반도체층으로 구성된다. 즉 게이트 전극에 전계를 인가하여 게이트 절연막과 유기 반도체층의 계면에 채널을 형성하고, 이 채널을 통하여 소스 및 드레인 전극 사이로 캐리어를 이동시킴으로써 전류를 흘려주는 전자소자이다. 유기 박막 트랜지스터는 채널의 캐리어 농도를 게이트 전극의 전계로 조절하기 때문에, 드레인 전극의 전류는 게이트 전극의 전압 크기에 따라 차단될 수도 있고, 도통될 수 있는 일종의 전자 스위치인 것이다.
특히 유기 반도체층은 유기분자의 p-전자가 상호 강하게 중첩되도록 배열하는 기술이 핵심이다. 유기 반도체층으로서 단분자와 고분자를 사용한다. 단분자는 진공 증착으로 성막하므로 증착속도와 기판온도 등을 조절하여 분자배열을 비교적 용이하게 조절할 수 있다. 반면에 고가의 진공 증착 장비를 사용하기 때문에, 제조 비용이 증가하고 제조 공정이 복합한 문제점을 갖고 있다.
그리고 고분자 반도체는 자기 정렬 방식(self assemble monolayer; SAM), 도포 방식, 인쇄 방식 등과 같은 용액 공정을 이용하여 형성할 수 있다. 하지만 고분자 반도체는 유기 용매에 녹여 사용하므로 분자를 배열하기가 상당히 어려운 실정이다. 이로 인해 고분자 반도체의 이동도가 단분자 반도체에 비해 떨어지는 문제점을 안고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 가스의 흐름을 이용하여 기판에 도포되는 액상의 반도체의 비대칭적인 건조를 유도하여 액상의 반도체의 결정성장 방향을 제어할 수 있으며, 이를 통하여 반도체 소자의 성능을 개선할 수 있는 가스의 흐름을 이용한 용액 반도체의 모폴로지 제어 방법, 이를 이용한 유기 박막 트랜지스터 및 그의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 소스 및 드레인 전극 사이에 전류가 이동하는 방향에 평행한 방향으로 편향되게 액상의 반도체층의 비대칭적인 건조를 유도하여 반도체층의 결정성장 방향을 제어할 수 있으며, 이를 통하여 반도체 소자의 성능을 개선할 수 있는 가스의 흐름을 이용한 용액 반도체의 모폴로지 제어 방법, 이를 이용한 유기 박막 트랜지스터 및 그의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 기판 위에 액상의 반도체를 도포하는 도포 단계와, 상기 액상의 반도체의 비대칭적인 건조를 통하여 상기 액상의 반도체가 일정한 방향성을 갖도록 결정성장 방향을 제어하여 반도체층을 형성하는 건조 단계를 포함하는 용액 반도체의 모폴로지 제어 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 용액 반도체의 모폴로지 제어 방법에 있어서, 상기 건조 단계에서, 상기 기판 상에서 전류가 이동하는 방향에 평행한 방향으로 가스를 주입하여 상기 기판 상에서 전류가 이동하는 방향에 평행한 방향으로 상기 액상의 반도체의 결정을 성장시켜 반도체층을 형성할 수 있다.
본 발명은 또한, 기판의 상부면에 게이트 전극을 형성하는 게이트 전극 형성 단계, 상기 기판의 상부면에 상기 게이트 전극을 덮는 유기 소재의 게이트 절연막을 형성하는 게이트 절연막 형성 단계, 상기 게이트 전극 위의 상기 게이트 절연막 위에 형성하되, 상기 게이트 전극을 중심으로 양단부가 근접하게 소스 및 드레인 전극을 형성하는 소스 및 드레인 전극 형성 단계, 상기 게이트 전극 위의 상기 소스 및 드레인 전극 부분을 덮도록 액상의 반도체를 도포하는 도포 단계, 상기 소스 및 드레인 전극 사이에 전류가 이동하는 방향에 평행한 방향으로 편향되게 상기 액상의 반도체의 비대칭적인 건조를 통하여 상기 액상의 반도체가 일정한 방향성을 갖도록 결정성장 방향을 제어하여 반도체층을 형성하는 건조 단계를 포함하는 유기 박막 트랜지스터의 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 유기 박막 트랜지스터의 제조 방법에 있어서, 상기 건조 단계에서, 상기 소스 및 드레인 전극 사이에 전류가 이동하는 방향에 평행한 방향으로 가스를 주입하여 상기 전류가 이동하는 방향에 평행한 방향으로 상기 액상의 반도체의 결정을 성장시켜 반도체층을 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 유기 박막 트랜지스터의 제조 방법에 있어서, 상기 액상의 반도체는 유기물, 무기물, 산화물 및 이들의 혼합물 중에 하나를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 유기 박막 트랜지스터의 제조 방법에 있어서, 상기 가스는 불활성 가스일 수 있다.
본 발명에 따른 유기 박막 트랜지스터의 제조 방법에 있어서, 상기 건조 단계에서, 상기 소스 전극에서 상기 드레인 전극 방향으로 상기 가스를 흘려주거나, 상기 드레인 전극에서 상기 소스 전극 방향으로 상기 가스를 흘려줄 수 있다.
본 발명에 따른 유기 박막 트랜지스터의 제조 방법에 있어서, 상기 소스 및 드레인 전극 형성 단계는, 상기 소스 및 드레인 전극이 형성될 상기 게이트 절연막 부분을 식각하여 소스-드레인 영역을 형성하는 단계와, 상기 소스-드레인 영역을 포함하여 상기 게이트 절연막의 상부면에 돌출되게 소스 및 드레인 전극을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 유기 박막 트랜지스터의 제조 방법에 있어서, 상기 도포 단계에서, 상기 액상의 반도체의 도포 방법은 잉크젯, 스크린, drop casting, deep coating, silt coating, 스핀코팅, 마이크로 컨텍 프린팅, imprinting, 플렉소, 그라비아, 오프셋 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 유기 박막 트랜지스터의 제조 방법에 있어서, 상기 액상의 반도체는 펜타센(pentacene)의 치환기를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 유기 박막 트랜지스터의 제조 방법에 있어서, 상기 건조 단계에서, 가스의 흐름, 원심력, 온도차, 전기력 또는 자기력 중에 적어도 하나를 이용하여 상기 기판 상에서 전류가 이동하는 방향에 평행한 방향으로 상기 액상의 반도체의 결정을 성장시켜 반도체층을 형성할 수 있다.
그리고 본 발명은 또한 기판, 게이트 전극, 게이트 절연막, 소스 및 드레인 전극 및 반도체층을 포함하는 유기 박막 트랜지스터를 제공한다. 상기 게이트 전극은 상기 기판의 상부면에 형성된다. 유기 소재의 게이트 절연막은 상기 기판의 상부면에 상기 게이트 전극을 덮는다. 상기 소스 및 드레인 전극은 상기 게이트 전극 위의 상기 게이트 절연막 위에 형성되며, 상기 게이트 전극을 중심으로 양단부가 근접하게 형성된다. 그리고 상기 반도체층은 상기 게이트 전극 위의 상기 소스 및 드레인 전극 부분을 덮도록 액상의 반도체를 도포하여 형성하되, 상기 액상의 반도체를 도포한 후 상기 소스 및 드레인 전극 사이에 전류가 이동하는 방향에 평행한 방향으로 결정을 성장시켜 형성한다.
그리고 본 발명에 따른 유기 박막 트랜지스터에 있어서, 상기 반도체층은 상기 액상의 반도체를 도포한 후 상기 소스 및 드레인 전극 사이에 전류가 이동하는 방향에 평행한 방향으로 불활성 가스를 주입하여 상기 불활성 가스가 흐르는 방향으로 평행하게 상기 액상의 반도체의 결정성장을 유도하여 형성할 수 있다.
본 발명에 따르면, 액상의 반도체를 기판에 도포한 이후에, 가스의 흐름을 이용하여 기판에 도포된 액상의 반도체의 비대칭적인 건조를 유도하여 액상의 반도체의 결정성장 방향을 제어할 수 있고, 이를 통하여 유기 박막 트랜지스터의 성능을 개선할 수 있다.
즉 액상의 유기 반도체를 소스 전극과 드레인 전극 사이에 도포한 이후에 소스 및 드레인 전극 간의 전류 이동 방향에 평행한 방향으로 불활성 기체를 흘려줌으로써, 전류 이동 방향에 평행한 방향으로 편향되게 비대칭적인 유기 반도체층의 건조를 유도하여 액상의 반도체가 전류 이동 방향에 평행한 방향으로 성장시킬 수 있다.
이와 같이 반도체층이 전류 이동 방향에 평행한 방향으로 편향되게 건조된 반도체층의 결정 방향은 채널 방향과 실질적으로 동일한 방향으로 형성되기 때문에, 채널을 통한 전하 캐리어의 이동도 향상을 포함하여 반도체 소자, 예컨대 유기 박막 트랜지스터의 성능을 향상시킬 수 있다. 즉 불활성 가스의 흐름을 통하여 채널에서의 반도체층의 결정 방향성, 다시 말하면 분자배열을 전류가 이동하는 방향에 평행한 방향으로 조절할 수 있기 때문에, 채널을 통한 전하 캐리어의 이동도 향상을 포함하여 유기 박막 트랜지스터의 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 비대칭 유기 반도체층을 갖는 유기 박막 트랜지스터를 보여주는 평면도이다.
도 2는 도 1의 2-2선 단면도이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 비대칭 유기 반도체층을 갖는 유기 박막 트랜지스터의 제조 방법에 따른 각 단계를 보여주는 단면도이다.
도 6은 불활성 가스의 주입 유무에 따라 형성된 유기 반도체층을 보여주는 광학현미경 사진이다.
도 7은 불활성 가스의 주입 유무 및 흐름 방향에 따라 형성된 유기 반도체층을 보여주는 광학현미경 사진이다.
도 2는 도 1의 2-2선 단면도이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 비대칭 유기 반도체층을 갖는 유기 박막 트랜지스터의 제조 방법에 따른 각 단계를 보여주는 단면도이다.
도 6은 불활성 가스의 주입 유무에 따라 형성된 유기 반도체층을 보여주는 광학현미경 사진이다.
도 7은 불활성 가스의 주입 유무 및 흐름 방향에 따라 형성된 유기 반도체층을 보여주는 광학현미경 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하자고 한다.
본 발명에 따른 용액 반도체의 모폴로지 제어 방법은 기판 위에 액상의 반도체(또는 용액 반도체)를 도포하는 도포 단계와, 액상의 반도체의 비대칭적인 건조를 통하여 액상의 반도체의 결정성장 방향을 제어하여 반도체층을 형성하는 건조 단계를 포함한다.
이때 액상의 반도체는 유기물, 무기물, 산화물, 이들의 혼합물 등을 포함할 수 있다. 액상의 반도체는 펜타센(pentacene)의 치환기를 포함하는 유도체를 포함할 수 있다. 액상의 반도체를 도포하는 방법으로는 잉크젯, 스크린, drop casting, deep coating, silt coating, 스핀코팅, 마이크로 컨텍 프린팅, imprinting, 플렉소, 그라비아, 오프셋 등의 방법이 사용될 수 있다.
그리고 건조 단계는 기판 상에서 전류가 이동하는 방향에 평행한 방향으로 편향되게 가스를 주입하여 가스가 흐르는 방향으로 편향되게 액상의 반도체를 건조하여 반도체층을 형성할 수 있다. 이때 가스로는 불활성 가스를 사용할 수 있다.
한편 본 발명에서는 액상의 반도체의 결정성장 방향을 제어하는 방법으로 가스의 흐름을 사용한 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 원심력, 온도차, 전기력 또는 자기력 중에 적어도 하나를 이용하여 액상의 반도체의 비대칭적인 건조를 통하여 액상의 반도체의 결정성장 방향을 제어하여 반도체층을 형성할 수도 있다.
구체적으로 전술된 반도체의 모폴로지 제어 방법을 이용한 반도체 소자 및 그의 제조 방법에 대해서 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서 본 실시예에서는 설명의 편의상 반도체 소자로 유기 박막 트랜지스터를 예시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 그리고 반도체층의 소재로 유기 반도체를 사용한 비대칭적인 건조를 통하여 액상의 유기 반도체의 결정성정 방향을 제어하는 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 반도체층으로 유기물 대신에 무기물, 산화물 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 비대칭 유기 반도체층을 갖는 유기 박막 트랜지스터를 보여주는 평면도이다. 도 2는 도 1의 2-2선 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 유기 박막 트랜지스터(100)는 기판(10), 게이트 전극(20), 게이트 절연막(30), 소스 및 드레인 전극(40,50) 및 유기 반도체층(60)을 포함하며, 특히 유기 반도체층(60)이 소스 및 드레인 전극(40,50) 사이의 전류 이동 방향에 평행한 방향으로 편향되게 비대칭적으로 형성된 구조를 갖는다. 즉 게이트 전극(20)은 기판(10)의 상부면에 형성된다. 유기 소재의 게이트 절연막(30)은 기판(10)의 상부면에 게이트 전극(20)을 덮도록 형성된다. 소스 및 드레인 전극(40,50)은 게이트 전극(20) 위의 게이트 절연막(30) 위에 형성되며, 게이트 전극(20)을 중심으로 양단부가 근접하게 형성된다. 그리고 유기 반도체층(60)은 게이트 전극(20) 위의 소스 및 드레인 전극(40,50) 부분을 덮도록 액상의 유기 반도체를 도포하여 형성하되, 액상의 유기 반도체를 도포한 후 소스 및 드레인 전극(40,50) 사이에 전류가 이동하는 방향에 평행한 방향으로 편향되게 액상의 유기 반도체를 건조하여 형성한다. 이때 유기 반도체층(60)은 불활성 가스의 흐름을 이용하여 액상의 유기 반도체를 편향되게 건조하여 형성할 수 있다. 특히 액상의 유기 반도체를 도포한 후 소스 및 드레인 전극(40,50) 사이에 전류가 이동하는 방향에 평행한 방향으로 결정을 성장시켜 형성한다.
이와 같이 본 실시예에 따른 유기 박막 트랜지스터(100)는 유기 반도체층(60)이 소스 및 드레인 전극(40,50) 사이의 전류 이동 방향에 평행한 방향으로의 비대칭인 건조를 통하여 액상의 유기 반도체의 결정을 전류 이동 방향과 평행한 방향으로 성장시킴으로써, 유기 반도체층(60)의 결정 방향이 채널 방향과 실질적으로 동일한 방향으로 형성된다. 이로 인해 채널을 통한 전하 캐리어의 이동도 향상을 포함하여 유기 박막 트랜지스터(100)의 성능을 향상시킬 수 있다.
이와 같은 본 실시예에 따른 유기 박막 트랜지스터(100)의 제조 방법에 대해서, 도 1 내지 도 5를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서 도 3 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 비대칭 유기 반도체층을 갖는 유기 박막 트랜지스터의 제조 방법에 따른 각 단계를 보여주는 단면도이다.
먼저 도 3에 도시된 바와 같이, 기판(10)의 상부면에 게이트 전극(20)을 형성한다. 이때 게이트 전극(20)은 기판(10)의 어느 한 방향으로 뻗어 있는 게이트 선과 연결되며, 게이트 선을 통하여 게이트 신호를 인가 받는다.
기판(10)으로는 유리 기판, 플라스틱 기판 또는 금속 기판이 사용될 수 있다.
유리 기판은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 등으로 이루어질 수 있다. 플라스틱 기판은 절연성 유기물로 이루어질 수 있는데, 예를 들면, 폴리에테르술폰(polyethersulphone; PES), 폴리아크릴레이트(polyacrylate: PAR), 폴리에테르이미드(polyetherimide; PEI), 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethyelenen napthalate; PEN), 폴리에틸렌 테레프탈레이드(polyethyeleneterepthalate; PET), 폴리페닐렌 설파이드(polyphenylene sulfide: PPS), 폴리아릴레이트(polyallylate), 폴리이미드(polyimide), 폴리카보네이트(PC), 셀룰로오스 트리아세테이트(cellulose triacetate; CTA), 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트(cellulose acetate propinonate; CAP)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 유기물로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 금속 기판은 탄소(C), 철(Fe), 크롬(Cr), 망간(Mn), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 몰리브덴(Mo), 스테인레스 스틸(SUS), Invar 합금, ZInconel 합금 및 Kovar 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 금속 기판은 금속 박막(metal foil)일 수 있다. 이 중에서 플렉시블 특성을 얻기 위한 기판(10)으로는 플라스틱 기판 또는 금속 기판을 사용할 수 있다.
게이트 전극(20)은 프린팅 방법 또는 증착 방법으로 기판(10) 상부면에 형성한 후 패터닝하여 형성한다. 프린팅 방법으로는 잉크젯팅, 스크린 프린팅, 마이크로 컨택 등이 사용될 수 있다. 증착 방법으로는 E-beam 또는 스퍼터링(sputtering) 방법 등이 사용될 수 있다. 게이트 전극(20)을 프린팅 방법으로 형성하는 경우, 게이트 전극(20)의 소재로 은 페이스트(Ag paste), 금 페이스트(Au paste) 또는 PEDOT(polyethylenedioxythiophene)-PSS(polystyrenesulfonate)가 사용될 수 있다. 게이트 전극(20)을 증착 방법으로 형성하는 경우, 게이트 전극(20)의 소재로 금(Au), 백금(Pt), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni), 알루미늄(Al) 또는 이들의 합금 중에 하나가 사용될 수 있다. 또한 게이트 전극(20)으로는 폴리 실리콘, ITO(Indium Tin Oxide) 또는 IZO(Indium Zinc Oxide)와 같은 무기 산화막 소재가 사용될 수 있다.
다음으로 도 3에 도시된 바와 같이, 기판(10)의 상부면에 게이트 전극(20)을 덮는 게이트 절연막(30)을 형성한다. 게이트 절연막(30)은 적어도 한 층 이상으로 형성될 수 있다. 게이트 절연막(30)은 무기절연물질 또는 유기절연물질을 포함할 수 있다. 여기서 게이트 절연막(30)에 적용될 수 있는 무기절연물질로는 실리콘산화물(SiO2)이 포함될 수 있으며, 구체적으로 용액 공정을 통하여 실리콘산화물을 형성할 수 있는 실록산(siloxane), 실라젠(silozne) 및 실리케이트(silicate)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나를 포함하는 SOG(Spin On Glass) 또는 폴리실라잔(polysilazane)을 포함하는 SOD(Spin On Dielectric) 등이 포함될 수 있다. 게이트 절연막(30)에 적용될 수 있는 유기절연물질로는 파릴렌(parylene), 에폭시(epoxy), 폴리이미드(polyimide, PI), 폴리아미드(Polyamide, PA), 폴리비닐클로라이드(Polyvinyl chloride, PVC), 벤조사이클로부텐(benzocyclobutene, BCB), 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol, PVA) 폴리비닐페놀(polyvinylphenol, PVP) 또는 사이클로펜텐(cyclopentene, CyPe) 등이 포함될 수 있다. 게이트 절연막(30)을 형성하는 방법으로는 스핀코팅, 슬릿코팅, 스크린 프린팅 등과 같은 용액 공정이 사용될 수 있다.
다음으로 도 3에 도시된 바와 같이, 게이트 전극(20) 위의 게이트 절연막(30) 위에 소스 및 드레인 전극(40,50)을 형성한다. 즉 소스 및 드레인 전극(40,50)은 게이트 전극(20) 위의 게이트 절연막(30) 위에 형성하되, 게이트 전극(20)을 중심으로 양단부가 근접하게 형성한다. 이때 소스 및 드레인 전극(40,50) 사이의 게이트 절연막(30) 부분에서 채널이 형성된다. 소스 및 드레인 전극(40,50)은 게이트 절연막(30) 위에 직접 형성할 수도 있고, 소스 및 드레인 전극(40,50)이 형성될 소스-드레인 영역(41,51)을 게이트 절연막(30)에 형성한 후 형성할 수도 있다.
예컨대 소스 및 드레인 전극(40,50) 형성 단계는 소스 및 드레인 전극(40,50)이 형성될 게이트 절연막(30) 부분을 식각하여 소스-드레인 영역(41,51)을 형성하는 단계와, 소스-드레인 영역(41,51)을 포함하여 게이트 절연막(30)의 상부면에 돌출되게 소스 및 드레인 전극(40,50)을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
소스-드레인 영역(41,51)을 형성하는 단계는 다음과 같이 수행될 수 있다. 즉 게이트 절연막(30) 상에 PR(Photo Resist) 공정과 O2 플라즈마 공정을 적용하여 소스-드레인 영역(41,51)을 형성한다.
게이트 절연막(30) 상에 형성된 소스-드레인 영역(41,51)은 게이트 절연막(30) 형성 시 소수성(hydrophobic) 특징을 가질 수 있다. 이때 O2 플라즈마 공정을 통하여 소스-드레인 영역(41,51)을 형성하면서 해당 소스-드레인 영역(41,51)의 표면 처리를 수행함으로써, 해당 소스-드레인 영역(41,51)이 형성된 게이트 절연막(30)의 표면 특성을 친수성(hydrophilic) 특징으로 변화시킬 수 있다. 그리고 O2 플라즈마 공정을 통한 식각 과정에서 게이트 절연막(30)을 수~수십 nm 깊이로 식각함으로써, 소스-드레인 영역(41,51)이 음각으로 형성될 수 있다.
다음으로 소스-드레인 영역(41,51)을 형성할 때 사용된 PR을 제거한다. PR 제거 공정 시, PR을 제거할 수 있는 물질로 앞서 증착한 계층들을 포함하는 기판(10)을 세척할 수 있는데, PR 제거 물질은 게이트 절연막(30) 또는 게이트 전극(20)에 아무런 영향을 주지 않는 물질로서, 도포된 PR만을 제거할 수 있도록 지원한다.
이어서 소스-드레인 영역(41,51)에 각각 충전되게 소스 전극(40)과 드레인 전극(50)을 형성한다. 이때 소스 및 드레인 전극(40,50)은 잉크젯 방법을 이용하여 형성할 수 있다. 소스 및 드레인 전극(40,50)은 전도성 물질로서, 잉크의 형태로 사용이 가능한 군에서 선택되는 재료, 예컨대, 폴리티오펜(polythiophene), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리페닐렌비닐렌(polyphenylene vinylene) 및 PEDOT(polyethylenedioxythiophene) /PSS(polystyrenesulfonate) 혼합물 등 뿐만 아니라, 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 인듐틴산화물(ITO), 인듐아연 산화물(IZO) 등과 같은 금속이나 금속산화물로 형성될 수 있으나, 이에 국한되는 것은 아니다.
또한 소스 및 드레인 전극(40,50)의 소재로 PEDOT/PSS에 레벨링 에이전트(Leveling agent)를 첨가한 재료가 될 수 있는데, 이러한 재료는 보다 우수한 패턴 구현을 달성을 지원할 수 있다. 예컨대 PEDOT/PSS ink를 잉크 젯 프린팅(Ink jet printing)에 적용 하면서 레벨링 에이전트(leveling agent)를 소량 첨가함으로써 PEDOT/PSS ink의 표면장력(surface tension)을 획기적으로 낮출 수 있기 때문에, 플라즈마를 이용한 식각 공정에서 확보된 소스 및 드레인 전극(40,50)이 형성될 소스-드레인 영역(41,51) 전체에 고르게 잉크를 채울 수 있다. 레벨링 에이전트는 잉크의 표면 장력, 점도 그리고 기재에서의 퍼짐성, 습윤 속성들에 영향을 줄 수 있는 물질로서, 예컨대 폴리에테르변성 폴리디메틸실록산, 폴리에스테르변성폴리디메틸실록산, 폴리에테르변성 폴리메틸알킬실록산, 폴리에스테르변성 폴리메틸알킬실록산, 고분자형 불소계 첨가제 등이 사용될 수 있다.
한편, 게이트 절연막(30)에 소스 및 드레인 전극(40,50)이 형성될 소스-드레인 영역(41,51)을 형성하면서 O2 플라즈마 공정을 통한 표면 처리를 수행하였기 때문에, PEDOT/PSS를 기반으로 하는 잉크 젯 방식을 적용하여 소 및 드레인 전극(40,50)을 형성하는 과정은 별도의 응집(aggregation) 현상이 발생하지 않는다. 이에 따라 소스 및 드레인 전극(40,50)을 위한 용액 공정에서 발생할 수 있는 응집 현상 방지를 위한 기판(10)의 가열을 생략할 수 있다. 따라서 열에 의하여 기판(10)의 팽창이나 수축이 발생하지 않기 때문에, 유기 박막 트랜지스터(100) 제조 방법은 열에 민감한 플라스틱 기판 기반의 유기 박막 트랜지스터(100) 제조에도 적용이 가능하다. 상술한 바와 같이 소스-드레인 영역(41,51)의 표면에너지 변화를 위한 표면처리와 채널로 사용되는 영역을 동시에 형성하여 잉크젯 프린팅 공정 단독으로 형성하기 어려운 고정세를 달성하고 집적도가 높은 유기 박막 트랜지스터(100) 제작이 가능하도록 지원할 수 있다.
다음으로 도 4에 도시된 바와 같이, 게이트 전극(20) 위의 소스 및 드레인 전극(40,50) 부분을 덮도록 액상의 유기 반도체(61)를 도포한다. 액상의 유기 반도체(61)로 형성되는 유기 반도체층(60)은 정공(hole) 또는 전자(electron)와 같은 전하(carrier)들이 이동하는 통로인 채널로서 작용하며, 유기물질로 형성할 수 있다. 이때 액상의 유기 반도체(61)를 도포하는 방법으로 잉크젯, 스크린, drop casting, deep coating, silt coating, 스핀코팅, 마이크로 컨텍 프린팅, imprinting, 플렉소, 그라비아, 오프셋 등과 같은 용액 공정이 사용될 수 있다.
이러한 액상의 유기 반도체(61)는 수용액이나 유기 용매에 용해되는 고분자 화합물 또는 저분자 화합물을 포함할 수 있다. 액상의 유기 반도체(61)는 펜타센(pentacene)의 치환기를 포함하는 유도체를 포함할 수 있다. 예컨대 유기 반도체(61)로는 펜타센(pentacene), 팁스-펜타센(6,13-bis(triisopropylsilylethynyl)pentacene, TIPS-pentacene), 테트라센(tetracene), 안트라센(anthracene), 나프탈렌(naphthalene), 알파-6-티오펜, 알파-4-티오펜, 페릴렌(perylene) 및 그 유도체, 루브렌(rubrene) 및 그 유도체, 코로넨(coronene) 및 그 유도체, 페릴렌테트라카르복실릭디이미드(perylenetetracarboxylic diimide) 및 그 유도체, 페릴렌테트라카르복실릭디안하이드라이드(perylene tetracarboxylicdianhydride) 및 그 유도체, 폴리티오펜 및 그 유도체, 폴리파라페닐렌비닐렌 및 그 유도체, 폴리파라페닐렌 및 그 유도체, 폴리플로렌 및 그 유도체, 폴리티오펜비닐렌 및 그 유도체, 폴리티오펜-헤테로고리방향족 공중합체 및 그 유도체, 나프탈렌의 올리고아센 및 이들의 유도체, 알파-5-티오펜의 올리고티오펜 및 이들의 유도체, 금속을 함유하거나 함유하지 않은 프탈로시아닌 및 이들의 유도체, 파이로멜리틱 디안하이드라이드 및 그 유도체, 파이로멜리틱 디이미드 및 이들의 유도체, 구리 프탈로시아닌(copper pthalaocyanine), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리페닐렌비닐렌(polyphenylenevinylene) 및 이들의 유도체 등 다양한 물질을 사용할 수 있으며, 유기 박막 트랜지스터(100)의 사용 목적 및 요구되는 특성에 따라서 선택될 수 있다.
추가로, 도시하지는 않았으나 액상의 유기 반도체(61)를 도포하기 전에, 보호층을 먼저 형성할 수 있다. 보호층은 유기 반도체층(60) 및 유기 반도체층(60)의 하부 구조물을 보호하기 위한 것으로, 유기절연물질 또는 무기절연물질로 형성할 수 있다. 예컨대, 게이트 절연막(30)과 동일물질 및 동일방법을 사용하여 보호층을 형성할 수 있다.
그리고 도 5에 도시된 바와 같이, 소스 및 드레인 전극(40,50) 사이에 전류가 이동하는 방향에 평행한 방향으로 편향되게 액상의 유기 반도체(61)를 건조하여 도 2에 도시된 바와 같은 유기 반도체층(60)을 형성한다. 즉 소스 및 드레인 전극(40,50) 사이에 전류가 이동하는 방향에 평행한 방향으로 불활성 가스를 주입하여 불활성 가스가 흐르는 방향으로 편향되게 액상의 유기 반도체(61)를 건조하여 유기 반도체층(60)을 형성할 수 있다. 이때 액상의 유기 반도체(61)의 건조 단계는 150 내지 170도의 온도에서, 일정 유속을 갖는 불활성 가스를 주입하면서 진행한다. 도 5에서 화살표는 불활성 가스의 흐름 방향을 나타낸다.
예컨대 도 6은 불활성 가스의 주입 유무에 따라 형성된 유기 반도체층(60)을 보여주는 광학현미경 사진이다. 도 6의 (b)에서 화살표는 불활성 가스의 흐름 방향을 나타낸다. 도 6의 (a)를 참조하면, 불활성 가스를 주입하지 않은 경우 기판 위에 형성된 액상의 반도체가 대칭적으로 건조된 것을 확인할 수 있다. 반면에 불활성 가스를 주입한 경우, 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이, 불활성 가스가 주입된 방향으로 액상의 반도체가 편향되게 건조된 것을 확인할 수 있다. 이때 불활성 가스로는 질소(N2) 가스, 헬륨(He) 가스, 아르곤(Ar) 가스 등이 사용될 수 있으며, 이것에 한정되는 것은 아니다. 액상의 유기 반도체(61)를 편향되게 건조하기 위해서, 소스 전극(40)에서 드레인 전극(50) 방향으로 불활성 가스를 흘려주거나, 반대로 드레인 전극(50)에서 소스 전극(40)으로 불활성 가스를 흘려줄 수 있다. 본 실시예에서는 후자를 예시하였다.
한편 본 실시예에서는 유기 반도체(61)를 편향되게 건조하기 위해서 불활성 가스의 흐름을 이용하는 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 원심력, 온도차, 전기력 또는 자기력 중에 적어도 하나를 이용하여 소스 및 드레인 전극(40,50) 사이에 전류가 이동하는 방향에 평행한 방향으로 편향되게 액상의 유기 반도체(61)를 건조하여 유기 반도체층(60)을 형성할 수 있다.
본 실시예에서 유기 반도체층(60)을 편향되게 비대칭적으로 형성하는 이유는, 액상에서 건조되는 유기 반도체(61)의 결정 방향을 소스 및 드레인 전극(40,50) 사이에 전류가 이동하는 방향에 평행한 방향으로 형성하기 위해서이다. 이와 같이 편향되게 유기 반도체층(60)을 형성함으로써, 채널을 통한 전하 캐리어의 이동도 향상을 포함하여 유기 박막 트랜지스터(100)의 성능을 향상시킬 수 있다.
유기 반도체층(60)을 편향되게 비대칭적으로 형성함으로 인해 유기 박막 트랜지스터(100)의 성능이 향상되는 것을 확인하기 위해서, 도 7에 도시된 바와 같이, 유기 반도체층(60,60a,60b)을 형성한 후 전하 캐리어의 이동도(mobility), 전류 점멸비(Ion / off), 문턱전압(Vth), 문턱전압의 기울기(SS) 및 오프 상태에서의 전류량(Ioff)을 측정하였다. 측정 결과는 표1과 같다. 여기서 도 7의 (a)는 불활성 가스를 주입하지 않은 경우(비교예1), (b)는 본 실시예와 같이 전류 이동 방향에 평행한 방향으로 불활성 가스를 주입한 경우, (c)는 전류 이동 방향에 수직한 방향으로 불활성 가스를 주입한 경우(비교예2)에 형성된 유기 반도체층(60,60a,60b)을 보여주는 광학 현미경 사진이다.
| Mobility (㎠/Vsec) |
Ion / off | Vth (V) |
SS (V/dec) |
Ioff (pA/㎛) |
|
| 비교예1(a) | 0.13 | 1.10 x 106 | 0.64 | 1.6 | 0.00127 |
| 실시예(b) | 0.23 | 2.56 x 106 | 0.03 | 0.3 | 0.00815 |
| 비교예2(c) | 0.04 | 1.85 x 106 | 1.05 | 0.6 | 0.00883 |
표1을 살펴보면, 본 실시예에 따른 전하 캐리어의 이동도가 비교예1 및 2에 비해서 향상된 것을 확인할 수 있다. 그 외 본 실시예에 따른 유기 박막 트랜지스터의 전류 점멸비(Ion / off)가 비교예1 및 2에 비해서 더 크고, 오프 상태에서의 전류량(Ioff)의 경우 비교예1보다는 큰 것을 확인할 수 있다. 또한 본 실시예에 따른 유기 박막 트랜지스터의 문턱전압(Vth) 및 문턱전압의 기울기(SS)가 비교예1 및 2보다 낮은 것을 확인할 수 있다. 또한 비교예2와 같이 전류의 이동 방향에 수직한 방향으로 건조된 유기 반도체층(60b)을 갖는 유기 박막 트랜지스터는 비교예1에 비해서도 전하 캐리어의 이동도가 떨어지는 것을 확인할 수 있다.
이와 같이 유기 반도체층(60)의 결정 방향에 따라 전하 캐리어의 이동도가 차이가 나는 것을 확인할 수 있다. 특히 전류의 이동 방향에 평행한 방향으로 건조된 유기 반도체층(60)에서 전하 캐리어의 이동도가 향상된 것을 확인할 수 있다.
이와 같이 본 실시예에 따른 유기 박막 트랜지스터(100)는 유기 반도체층(60)이 소스 및 드레인 전극(40,50) 사이의 전류 이동 방향에 평행한 방향으로 편향되게 비대칭적으로 형성되기 때문에, 유기 반도체층(60)의 결정 방향이 채널 방향과 실질적으로 동일한 방향으로 형성된다. 이로 인해 채널을 통한 전하 캐리어의 이동도 향상을 포함하여 유기 박막 트랜지스터(100)의 성능이 향상된 것을 확인할 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.
10 : 기판
20 : 게이트 전극
30 : 게이트 절연막
40 : 소스 전극
50 : 드레인 전극
60 : 유기 반도체층
61 : 액상 반도체
100 : 유기 박막 트랜지스터
20 : 게이트 전극
30 : 게이트 절연막
40 : 소스 전극
50 : 드레인 전극
60 : 유기 반도체층
61 : 액상 반도체
100 : 유기 박막 트랜지스터
Claims (13)
- 기판 위에 액상의 반도체를 도포하는 도포 단계;
상기 액상의 반도체의 비대칭적인 건조를 통하여 상기 액상의 반도체가 일정한 방향성을 갖도록 결정성장 방향을 제어하여 반도체층을 형성하는 건조 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 용액 반도체의 모폴로지 제어 방법. - 제1항에 있어서, 상기 건조 단계는,
상기 기판 상에서 전류가 이동하는 방향에 평행한 방향으로 가스를 주입하여 상기 기판 상에서 전류가 이동하는 방향에 평행한 방향으로 상기 액상의 반도체의 결정을 성장시켜 상기 반도체층을 형성하는 것을 특징으로 하는 용액 반도체의 모폴로지 제어 방법. - 기판의 상부면에 게이트 전극을 형성하는 게이트 전극 형성 단계;
상기 기판의 상부면에 상기 게이트 전극을 덮는 유기 소재의 게이트 절연막을 형성하는 게이트 절연막 형성 단계;
상기 게이트 전극 위의 상기 게이트 절연막 위에 형성하되, 상기 게이트 전극을 중심으로 양단부가 근접하게 소스 및 드레인 전극을 형성하는 소스 및 드레인 전극 형성 단계;
상기 게이트 전극 위의 상기 소스 및 드레인 전극 부분을 덮도록 액상의 반도체를 도포하는 도포 단계;
상기 소스 및 드레인 전극 사이에 전류가 이동하는 방향에 평행한 방향으로 편향되게 상기 액상의 반도체의 비대칭적인 건조를 통하여 상기 액상의 반도체가 일정한 방향성을 갖도록 결정성장 방향을 제어하여 반도체층을 형성하는 건조 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 박막 트랜지스터의 제조 방법. - 제3항에 있어서, 상기 건조 단계에서,
상기 소스 및 드레인 전극 사이에 전류가 이동하는 방향에 평행한 방향으로 가스를 주입하여 상기 전류가 이동하는 방향에 평행한 방향으로 상기 액상의 반도체의 결정을 성장시켜 반도체층을 형성하는 것을 특징으로 하는 유기 박막 트랜지스터 제조 방법. - 제3항에 있어서,
상기 액상의 반도체는 유기물, 무기물, 산화물 및 이들의 혼합물 중에 하나인 것을 특징으로 하는 유기 박막 트랜지스터 제조 방법. - 제4항에 있어서,
상기 가스는 불활성 가스인 것을 특징으로 하는 유기 박막 트랜지스터 제조 방법. - 제4항에 있어서, 상기 건조 단계는,
상기 소스 전극에서 상기 드레인 전극 방향으로 상기 가스를 흘려주거나, 상기 드레인 전극에서 상기 소스 전극 방향으로 상기 가스를 흘려주는 것을 특징으로 하는 유기 박막 트랜지스터의 제조 방법. - 제3항에 있어서, 상기 소스 및 드레인 전극 형성 단계는,
상기 소스 및 드레인 전극이 형성될 상기 게이트 절연막 부분을 식각하여 소스-드레인 영역을 형성하는 단계;
상기 소스-드레인 영역을 포함하여 상기 게이트 절연막의 상부면에 돌출되게 소스 및 드레인 전극을 형성하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 박막 트랜지스터의 제조 방법. - 제3항에 있어서, 상기 도포 단계에서,
상기 액상의 반도체의 도포 방법은 잉크젯, 스크린, drop casting, deep coating, silt coating, 스핀코팅, 마이크로 컨텍 프린팅, imprinting, 플렉소, 그라비아, 오프셋 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 박막 트랜지스터의 제조 방법. - 제3항에 있어서,
상기 액상의 반도체는 펜타센(pentacene)의 치환기를 포함하는 유도체를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 박막 트랜지스터의 제조 방법. - 제3항에 있어서, 상기 건조 단계에서,
가스의 흐름, 원심력, 온도차, 전기력 또는 자기력 중에 적어도 하나를 이용하여 상기 기판 상에서 전류가 이동하는 방향에 평행한 방향으로 상기 액상의 반도체의 결정을 성장시켜 반도체층을 형성하는 것을 특징으로 하는 유기 박막 트랜지스터의 제조 방법. - 기판;
상기 기판의 상부면에 형성된 게이트 전극;
상기 기판의 상부면에 상기 게이트 전극을 덮는 유기 소재의 게이트 절연막;
상기 게이트 전극 위의 상기 게이트 절연막 위에 형성되며, 상기 게이트 전극을 중심으로 양단부가 근접하게 형성된 소스 및 드레인 전극;
상기 게이트 전극 위의 상기 소스 및 드레인 전극 부분을 덮도록 액상의 반도체를 도포하여 형성하되, 상기 액상의 반도체를 도포한 후 상기 소스 및 드레인 전극 사이에 전류가 이동하는 방향에 평행한 방향으로 결정을 성장시켜 형성한 반도체층;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 박막 트랜지스터. - 제12항에 있어서, 상기 반도체층은
상기 액상의 반도체를 도포한 후 상기 소스 및 드레인 전극 사이에 전류가 이동하는 방향에 평행한 방향으로 불활성 가스를 주입하여 상기 불활성 가스가 흐르는 방향으로 평행하게 상기 액상의 반도체의 결정성장을 유도하여 형성하는 것을 특징으로 하는 유기 박막 트랜지스터.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020100062856A KR20120002126A (ko) | 2010-06-30 | 2010-06-30 | 가스의 흐름을 이용한 용액 반도체의 모폴로지 제어 방법, 이를 이용한 유기 박막 트랜지스터 및 그의 제조 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020100062856A KR20120002126A (ko) | 2010-06-30 | 2010-06-30 | 가스의 흐름을 이용한 용액 반도체의 모폴로지 제어 방법, 이를 이용한 유기 박막 트랜지스터 및 그의 제조 방법 |
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| KR20120002126A true KR20120002126A (ko) | 2012-01-05 |
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-
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- 2010-06-30 KR KR1020100062856A patent/KR20120002126A/ko not_active Application Discontinuation
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