이 논문은 소분자 반도체의 높은 이동도를 위해 간단한 대체 공정법으로서, 증착후 공정단계가 필요치 않은 단일 공정법에 대한 보고이다. 이 공정은 반도체의 주물 온도를 조절하여, 대면적에 걸친 소자 효율의 재생산성과 트랜지스터의 균등하면서도 빠른 생산성을 갖도록 한다.
용해성 펜타신과(pentacene) 티오핀(thiophene)은 유기 전계-효과 트랜지스터(OFETs; Organic Field-Effect Transistors)를 위해 TES ADT (5,11-bis(triethyl silylethynyl)anthradi-thiophene) 화합물중 전하-캐리어의 이동도가 비교적 빨라 유망한 전자재료들로 손꼽힌다. 그러나 이러한 소분자 재료에 기초한 소자들의 재생산성과 내구성은 여전히 기술적 도전과제이다. 한편, 고성능 트랜지스터의 대부분은 top-게이트 소자와 비교적 두껍고, 낮은 유전상수의 폴리머 게이트 유전체의 조합으로 구성되며, 게이트 전극과 반도체성 채널 사이의 작은 커패시턴스는 높은 동작 전압의 원인이 된다. 최근, TES ADT 단일 활성층을 bottom-gate/bottom-contact 트랜지스터 소자를 위해 사용한 예가 발표된 바 있지만, TES ADT 구조에서 약 0.1 cm^2/Vsec을 얻기 위해서는, 진공중에서 최소한 7일 이상동안 재료의 aging이 필요하다. Aging은 TES ADT 박막의 구조와 소자 효율의 관계등을 조사하기 위해 매우 유용하지만, 대량생산을 위해서는 적합하지 않다. 따라서, 장시간이 필요한 공정없이도 TES ADT의 분자 순서를 조작할 수 있는지의 여부를 조사하고자 하였다.
소자 공정전, pentafluorobenzenethiol 단일층이 Au 전극위에 증착되었고, SiO2는 trichlorophenylsilane으로 다루어졌다. 4 wt. %의 TES ADT 솔루션이 클로로폼으로 사용되었고, 30~40 도의 온도에서 캐스팅되었다. Aging은 주어진 재료의 유리 전이 온도(glass transition temperature)나 그 이상에서 발생한다. 따라서 높은 캐스팅 온도는 이 공정을 가속시킨다. 고온 캐스트 된 TES ADT 박막의 무결정 특성은 [그림 1]에 제시된 WAXS(Wide Angle X-ray Scattering)과 광학 현미경 사진에서 볼 수 있듯이, 어떤 굴절율이나 반사 특성이 없는 것으로 증명된다. 이와 같은 고온 캐스트 TES ADT 구조에서 높은 분자 무질서(disorder)로 인해, bottom-gate/bottom-contact 소자의 포화 전하-캐리어 이동도는 약 5E-6 cm^2/Vsec 에 불과하다. 무결정 구조의 형성은 급작스런 솔벤트의 제거가 부분적인 원인이 되는 것으로 분석된다. 높은 온도에서 더 빠른 분자 이동도는 향상된 분자 정렬을 유도하여 TES ADT 구조를 가지도록 한다.
5 도의 온도에서 캐스트 된 높은 균질성(homogenous)의 박막은 단일 공정으로 bottom-게이트/bottom-컨택 소자를 공정할 수 있도록 해줌으로서, TES ADT에 기초한 90 개 이상의 단일 OFET 소자들의 특성을 측정하여 [그림 2]에 제시하였다. 트랜지스터들은 가파른 sub-threshold 기울기와 높은 전류 modulation을 가지고, 1E+5 배 이상의 on/off 전류비를 가지는 것으로 측정되었다. 0.23~0.61 cm^2/Vsec의 높은 포화 이동도를 가지며, 2.7~4.5 V의 안정적인 threshold 전압을 가지는 것으로 측정되었다. 최대 이동도는 1.3 cm^2/Vsec로 평가되었다. 100 %에 이르는 소자 공정 수율을 가져 간략화된 소자 집적과 대량 생산을 위해 적합한 공정법으로 평가된다. [그림 2]에 제시된 트랜지스터 데이터는 평면(in-plane) 전하 전달을 분석하기 위한 대체 툴(tool)을 제공하는 lateral time-of-flight transient 광전도성 (LTOF) 측정법에 의해 분석될 수 있다.
이 연구에서, 20 도보다 높고, 유리 전이 온도보다 낮은 온도에서 클로로폼내에 TES ADT 솔루션을 캐스팅하면, 결정 박막이 단일 단계의 공정법에 의해 이루어짐을 발견하였다. 이는 고성능 bottom-gate/bottom-contact 트랜지스터의 공정을 용이하게 해줄뿐 아니라, 다른 유기 반도체에 대해서도 적용할수 있을 것으로 기대해본다.
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