잉크젯 프린트된 유기 인버터

[아템]

연구진은 P(NDI2OD-T2) 반도체 폴리머를 활성재료로 사용하여 잉크젯 프린트된 소스/드레인 컨택과 서브-마이크론 길이의 채널의 n-타입 전계-효과 트랜지스터(FETs)의 동작 특성을 조사하였다. bis(triisopropylsilylethynyl)pentacene을 사용한 p-타입 유기 반도체를 이용하여, complementary 인버터(inverter)를 공정하였다. 이 소자는 10 V의 인가전압에서 동작하며, 56 %의 노이즈 마진 (noise margin)을 가지고 10 배 이상의 이득을 가진다. 이번 연구는 낮은 동작 전압에서 동작하는 고효율 유기 집적회로를 프린트 공정법으로 시연한 연구이다.

유기 집적회로는 유연성 디스플레이나 센서와 같은 혁신적인 소자에 응용할 수 있다. 낮은 구동전압과 고주파 동작이 필수적인 이러한 응용을 위해서는 유기 트랜지스터의 스케일링이 반드시 필요하다. 인버터(inverter)를 공정하기 위해서, 먼저, p와 n-타입 OFETs가 각각 유리 기판 위에 공정되었다. 이 연구에서는 소스와 드레인 전극이 자기 정렬(self aligned)에 의해 잉크젯 프린트 되었으며, 채널 길이와 폭은 각각 400 nm와 40 um가 되도록 디자인 되었다. Bottom 컨택, top 게이트 OFETs는 솔루션 공정법의 활성 레이어를 사용하여 공정되었고, 알루미늄 게이트를 가진다 ([그림 1(a)]). n-타입 반도체성 폴리머를 증착하기 위해서, P(NDI2OD-T2)의 솔루션이 사용되었고, p-타입 반도체성 재료를 증착하기 위해서는, TIPS-펜타신 솔루션이 사용되었다. 두가지 소자 모두 120~140 nm 두께의 게이트 유전체가 증착 되었으며, 20 nm 두께의 알루미늄 게이트가 증착되어 공정은 마무리되었다. 자세한 공정은 다음을 참고할 수 있다.(http://dx.doi.org/10.1063/1.3696487).

[그림 1(b),(c)]는 n-타입 소자의 전달과 출력 특성을 각각 보여준다. 포화 이동도는 약 0.045 cm^2/Vsec, on/off 전류비는 10000, 인계 전압은 약 2.5 V로 평가되었다. 측정된 포화 이동도가 지금까지 보고된 수치보다 작은 것은 아마도 짧은 채널 소자에서의 컨택 저항의 영향으로 생각된다. [그림 1(d),(e)]는 활성 재료로 TIPS-p를 사용하여 공정된 p-타입 OFET의 전달과 출력 특성을 각각 보여준다. TIPS-p는 끓는점이 낮은 솔벤트로 증착되어, 매우 부드러운(고른) 표면상태를 가진 다결정 박막이 된다. 적은 표면 거칠기는 게이트 유전체의 스케일링을 위해 반드시 필요하며, 짧은 채널 소자에서 충분한 on/off 전류비를 얻기 위해 반드시 만족해야 하는 조건이다. 0.02 cm^2/Vsec의 이동도, 약 1000 배의 on/off 전류비, 약 -2 V의 인계전압을 갖는 것으로 평가됐다.

공정된 p와 n-타입 OFETs는 on 상태의 전류, 높은 on/off 전류비, 비슷한 인계전압에서 균형을 이루어 complementary 회로 구성을 위해 적합한 것으로 평가된다. 이들 소자의 complementary 논리 회로를 위한 적합성을 테스트하기 위해서, [그림 2(a)]에서처럼 서로 분리된 기판위에 p와 n-타입 OFET가 구성되었다. 인버터의 전달 특성은 10 V의 인가 전압에서 측정되어, [그림 2(b)]에 제시되었다. 인버터의 스위칭 전압은 6.2 V이며, 25배 이상의 이득을 얻을수 있다. 최악의 경우의 노이즈 마진은 [그림 2(c)]에서 관찰할 수 있듯이, 3.2 V로 인가 전압의 약 64 %가 되어, 지금까지 보고된 유기 인버터보다 더 마진(margin)이 넓고, 우수한 특성을 가지는 것으로 평가된다.

다음은 두 소자를 하나의 기판위에 소스/드레인 전극을 프린트하여 집적한 후, 그 특성을 알아보았다. 공정 과정은 개개인 소자를 만드는 것과 거의 흡사하고, 차이가 나는 부분은 원문을 참고할 수 있다. [그림 3]은 공정된 소자의 측면 구조와 현미경 이미지를 보여주고 있다. n과 p-타입 활성 면적 사이의 접합은 [그림 3(c)]를 통해 볼 수 있다. 원문에서는 이 소자의 전달, 출력 특성에 대해서도 측정, 분석하였으며, 스위칭 전압은 6.6 V, 최악의 경우에 대한 노이즈 마진은 2.8 V로 인가 전압의 약 56 % 정도 됨을 평가했다.

이 연구를 통해, 소스/드레인을 프린팅 공정하여 n과 p-타입 OFET를 complementary 회로로 집적, 인버터를 제작, 시연하였다. 이 인버터가 저전압, 저전력을 필요로 하는 응용에서 집적회로의 구현을 위해 적절할 것으로 평가했다.

키워드 : 전극, 잉크젯 프린팅, 집적 회로, 유기 전계-효과 트랜지스터, 폴리머

출처: KISTI 미리안 글로벌동향브리핑

원문: http://apl-oep.aip.org/resource/1/aploep/v5/i3/p77_s1