저전압 구동 트랜지스터를 위한 이중결합을 포함한 PVDF 기반 불소계 고분자의 게이트 유전체로의 적용

Abstract

Printed and flexible Printed and flexible electronics have drawn tremendous interest as a new paradigm for the fabrication of wearable devices, internet of things (IoTs), artificial synapse, et al. For low-power operation of those electronic applications, high-k dielectrics must be used in the organic field-effect transistors (OFETs) and circuits. PVDF-based fluoropolymer is used in various application fields and is applied to non-volatile memory due to its ferroelectric characteristics. In addition, it has a higher dielectric constant than other polymer dielectrics and is characterized by being able to control ferroelectric properties according to temperature. In this report, we studied the dielectric characteristics of PVDF-based fluoropolymer; DPVDF (Double bond-contain-PVDF) as a gate insulator in staggered OFETs. DPVDF is modified PVDF-CTFE with vinyl group through dechlorination, which is expected to have a lot of advantages such as high capacitance, reconfigurable dielectric properties, and chemical & heat resistance. Herein, 16%, 52%, and 96% of DPVDF were used according to the double bond ratio of the dechlorinated PVDF-CTFE polymer chain. Firstly, fundamental dielectric properties, such as leakage current and dielectric constant, were measured based on metal-Insulator-metal (MIM) structure, and their film thickness was carefully controlled by changing the concentration of the solution. The low-voltage and ferroelectric characteristics of the DPVDF insulators were confirmed by fabrication of OFETs based on various organic semiconductors. The electrical characteristics of the OFETs showed high charge carrier mobilities more than 3 cm2/Vs under the low bias conditions below 5 V. We also secured temperature-specific electrical properties by taking advantage of the fact that we can regulate the ferroelectric properties by annealing temperature conditions of gate dielectrics. What's interesting here is that a material can be applied to two applications, transistors, and memory, by controlling annealing temperature conditions. In addition, it is expected to be applied to complex integrated circuits as well as memory and low voltage driving transistors. Furthermore, it seems that it can be applied to synaptic transistors through these ferroelectric characteristics. Since it is a fluorine-based ferroelectric polymer including a double bond, crosslinking properties can be seen because bonding with other polymer chains is induced at the double bond site of the polymer chain. To understand the conditions, the crosslinking characteristics through UV/thermal treatment were identified, and the possibility of an insulator capable of patterning was studied by adding a crosslinker. |유연 인쇄 및 유연 전자 제품은 웨어러블 장치, 사물 인터넷(IoT), 인공 시냅스 등의 제조를 위한 새로운 패러다임으로 많은 관심을 끌고 있다. 이러한 전자 애플리케이션의 저전력 작동을 위해서 유기 전계 효과 트랜지스터(OFETs) 및 회로에 high-k유전체를 사용해야 한다. PVDF계열의 불소계 고분자는 강유전체 특성 상 다양한 응용 분야에 사용되며 비 휘발성 메모리에 적용된다. 또한 다른 고분자 유전체에 비해 유전율이 높고 온도에 따라 강유전성을 제어할 수 있다는 것이 특징이다. 본 연구에서는 PVDF 계열의 불소계 고분자; DPVDF(Double bond-contained PVDF)를 게이트 유전체로서 적용할 목적으로 유전체의 특성을 연구하였으며, PVDF-CTFE를 탈염소화 하여 PVDF-CTFE 고분자 사슬의 이중 결합비에 따라 16%, 52%, 96%를 사용하였으며 DPVDF 16, 52, 96이라 명명하였다. 합성된 PVDF-CTFE는 높은 정전용량, 재형상가능한 유전특성 등의 장점이 많을 것으로 기대되며 내화학성 및 내열성이 우수한 특성을 보인다. 먼저 MIM(Metal-Insulator-Metal)구조를 기반으로 누설전류, 유전 상수 등의 기본적인 물질의 유전 특성을 측정하였다. TFT(thin film transistor)형태로 소자를 제작하고자 용액의 두께를 세심히 조절하여 약 300nm대의 유전체의 두께를 확보하였다. DPVDF의 저전압 구동 특성과 강유전성은 유기반도체 기반의 OFETs 제작을 통해 확인하였다. OFETs의 전기적 특성은 5V 미만의 낮은 바이어스 조건에서 3cm2/Vs이상의 높은 전하 캐리어 이동성을 나타내었다. 또한 게이트 유전체의 어닐링 조건을 달리하여 강유전성을 조절할 수 있다는 점을 이용하여 온도별 전기적 특성을 확보하였다. 여기서 흥미로운 점은 어닐링 온도를 제어함으로써 트랜지스터와 메모리 두 가지 응용분야에 적용될 수 있을 것이란 가능성을 보였다. 또한, 이러한 강유전성을 통해 시냅스 트랜지스터에도 적용할 수 있을 것으로 보인다. 이중결합을 포함한 불소계 강유전성 고분자라는 점에서 고분자 사슬의 이중결합 자리에 다른 고분자 사슬과의 결합이 유도가 되기 때문에 가교특성도 볼 수 있었다. 이의 조건을 파악하고자 UV/thermal 처리를 통한 가교특성을 파악하고 크로스링커를 첨가하여 패터닝이 가능한 절연체로서의 가능성을 연구하였다.