Ambipolar Field-Effect Transistors based on Semiconducting Polymers

Abstract

유기 장효과 트랜지스터는 (OFET) 임의의 기판 위에 제작이 가능하고 대면적 공정에 유리하며 휘어질 수 있고 매우 가벼워, 유비쿼터스 기술에 적용 가능한 소자로 각광받고 있다. 이러한 소자가 필요한 예로는 가변형 화면과 일회용 무선 식별 태그, 전자 종이 등이 있다. OFET는 반도체 유기 분자와 고분자를 포함하는 반도체 재료의 개발에 힘입어 주요 전하 운반자의 장효과 이동도가 다결정과 비정질 실리콘 기반의 박막 트랜지스터 수준까지 도달하였다. OFET를 전자 기기에 응용하기 위해서는, 고성능의 인버터와 같은 집적 회로의 기본 구성요소가 반드시 개발되어야 한다. 상보성 금속-산화물-반도체 (CMOS) 기술은 직선적인 회로 설계와 높은 집적도, 낮은 전력 소모로 인해 집적 회로를 구성하기에 적합하다. 하지만 CMOS 기술에서는 P 타입과 N 타입의 트랜지스터가 동일한 기판 위에 구성이 되어야 하며, 용액 공정을 통해 두 반도체를 모두 증착하는 것은 매우 복잡하고 현재로써는 미시적인 수준의 회로 구현을 위해서는 매우 복잡한 공정이 필요하다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 하나의 OFET가 P 타입과 N 타입 특성을 모두 갖고 있는 양극성 OFET가 활발하게 연구되었다. 이들 중 이중층 양극성 OFET는 독립적으로 형성되는 전도 채널과 산업적으로 응용이 탁월하다는 장점에도 불구하고, 저자가 알고 있는 바로는 현재까지 성공적으로 용액공정을 통해 제작된 이중층 양극성 OFET는 없었다. 본 논문에서는 최초로 이중층 양극성 OFET의 적층의 문제점을 해결하고 소자의 제작에 성공하였으며 그 전도 특성을 살펴볼 수 있었다. 제작된 소자는 활성층의 두께를 조절하는 간단한 방법을 통해 p타입과 n타입, 두 종류의 특성 곡선에 나타나는 전류와 정공, 전자의 이동도를 제어하여 균형 잡을 수 있었으며, 또한 첨가물을 이용하여 제작된 이중층 양극성 OFET의 성능이 개선될 수 있었다. 이중층 양극성 OFET는 벌크 이종접합 구조 OFET에서 나타나는 정공과 전자의 장효과 이동도 감소에 비해 매우 작은 이동도 감소를 보였으며, 특히 정공의 이동도는 거의 완전히 유지할 수 있었다. OFET의 제작에 이용된 물질 중 하나인 P타입 유기 고분자 poly[4,8-bis(5-(2-ethylhexyl)thiophen-2-yl)benzo[1,2-b:4,5-b0]dithiophene-alt22,5-dioctyl-4,6-di(thiophen-2-yl)pyrrolo[3,4-c]pyrrole-1,3(2H,5H)-dione) (P3)의 정공 이동도는 1.2×10-3 cm2 V-1 s-1 로 단일층 OFET의 정공 이동도를 완전히 유지하였고, N타입 유기 분자인 phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM[60])의 전자 이동도는 단일층 OFET에서 측정된 3.6×10-2 cm2 V-1 s-1 에서 1.2×10-3 cm2 V-1 s-1 로 한 자릿수가 감소하는 선에 그쳤다. 이것은 같은 물질을 이용하여 제작된 벌크 이종접합 활성층을 이용한 양극성 OFET에서 정공과 전자의 이동도가 모두 1-2 자릿수의 감소를 보인 것에 비교해 상당히 주목할 만한 개선이다. 또한 첨가물을 이중층 양극성 OFET의 각 단층에 독립적으로 적용하여 양 전하의 이동도를 모두 개선시킬 수 있었으며, 소자의 정공 이동도는 단일층 OFET에서 정공 이동도보다 더욱 증가하였다. 흥미롭게도, 첨가물이 첫 번째 박막의 용액에 포함된 경우보다 두 번째 박막의 용액에 포함되었을 때, 고분자 박막의 정공 이동도가 전자의 경우보다 더욱 크게 증가하였다. 첨가물을 이용해 최적화 된 이중층 장효과 OFET의 정공과 전자의 이동도는 2.8×10-3 cm2 V-1 s-1 수준에서 균형 잡혔다. 적층형 구조는 정공과 전자의 이동도 차이가 큰 물질을 이용하여 제작할 경우 높은 성능을 얻는 데 도움이 될 것이며, 구조는 대면적 생산에 매우 용이하여 산업적으로도 이용 가치가 매우 높을 것이다. 또한 기존과는 다른 구조를 갖는다는 점에서 P형 유기 박막의 전기 용량성 거동과 같은 전형적인 양극성 OFET가 갖는 특성들과는 다른 특성을 갖고 있으며 이 또한 연구할 만한 가치가 있다.