스프레이 코팅 TIPS-펜타센 OFET에서 인시투 어닐링이 이동도를 향상시킴

요약

스프레이 코팅 방식을 사용하여 바텀 게이트, 탑 컨택트 유기 전계 효과 트랜지스터(OFET)를 제작하고 증착 중 인시투 어닐링의 영향을 조사했습니다. 기존의 후공정 어닐링과 비교했을 때, 60°C 인시투 어닐링은 전계 효과 이동도를 0.056에서 0.191 cm²/Vs로 거의 4배 향상시켰습니다. 광학 현미경, 원자력 현미경(AFM), X선 회절(XRD) 분석 결과, 이러한 이동도 향상은 우수한 결정화와 고도로 정렬된 TIPS-펜타센 패킹에서 기인하는 것으로 나타났습니다.

배경

OFET은 유연 전자소자, 디스플레이, RFID 태그, 로직 회로 등 다양한 분야에서 유망한 기술로 주목받고 있습니다. 블레이드 코팅, 잉크젯 프린팅, 그라비어 프린팅, 스프레이 코팅 등 다양한 증착 방법이 고성능 소자 구현을 위해 연구되어 왔습니다. 특히 스프레이 코팅은 적은 용매 사용량, 높은 처리량, 다양한 기판과의 호환성 등의 장점으로 주목받고 있습니다.

최근 연구에서는 액적 크기, 용매 조성, 기판 가열 등을 통해 박막 결정성을 개선하려는 시도가 있었으나, 스프레이 코팅 중 인시투 어닐링의 역할은 충분히 탐구되지 않았습니다. 기존 용액 공정은 긴 베이킹 단계를 필요로 하여 생산 공정을 방해합니다. 따라서 단순한 인시투 어닐링 프로토콜 도입은 소자 성능을 유지하거나 향상시키면서 제조 공정을 가속화할 수 있습니다.

본 연구에서는 PMMA 유전체 위에서 TIPS-펜타센 스프레이 증착 중 60, 90, 120°C에서 인시투 어닐링을 적용했습니다. 60°C 처리가 0.191 cm²/Vs의 최고 이동도를 보였으며, 이는 현미경 및 XRD 분석을 통해 확인된 향상된 결정성과 분자 정렬에 기인합니다.

실험 방법

소자 구조는 그림 1(a)에 나타나 있습니다. PMMA(아니솔에 100 mg/mL)를 520 nm 두께로 스핀 코팅하고 150°C에서 1시간 베이킹했습니다. TIPS-펜타센(디클로로벤젠에 3 mg/mL) 30 nm 층을 20 μL/s 유량으로 노즐 높이 12 cm에서 스프레이 코팅하는 동안 기판을 원하는 온도로 유지했습니다. 마지막으로 섀도 마스크를 통해 50 nm 금 소스/드레인 전극을 열증착했습니다(채널 폭/길이 = 1 cm / 100 μm). TIPS-펜타센 두께는 스텝 프로파일러로 측정한 총 스택 두께에서 PMMA 두께를 빼서 결정했습니다. 전기적 특성은 공기 중 Keithley 4200으로 측정했으며, 포화 영역에서 표준 전달 곡선 방정식을 사용해 이동도를 추출했습니다. 형태학은 광학 현미경(Olympus U-MSSP4), AFM(Asylum Research MFP-3D-BIO), XRD(Dandong TD-3500, 30 kV, 20 mA)로 분석했습니다.

결과 및 논의

소자 A는 120°C 후공정 어닐링(20분)으로 제작했습니다. 소자 B, C, D는 각각 60, 90, 120°C에서 인시투 어닐링을 적용했습니다. 전달 및 출력 특성(그림 2)은 전형적인 p형 거동을 보입니다. 표 1은 주요 성능 지표를 요약합니다.

60°C 인시투 어닐링(소자 B)에서 이동도는 0.191 cm²/Vs로 상승했고, 문턱 전압은 -1.7V에서 -0.9V로 양의 방향으로 이동했습니다. 반면 90°C와 120°C 처리는 성능을 저하시켰습니다: 이동도가 각각 0.04와 0.0005 cm²/Vs로 떨어졌고, VTH는 +2.0V로 이동했습니다. 서브임계값 스윙은 어닐링 온도가 높을수록 증가하여 유전체/반도체 계면에서 트랩 밀도가 높음을 나타냅니다.

광학 현미경(그림 3) 분석 결과, 소자 B는 크고 길쭉한 입자를 보인 반면, 소자 C와 D는 작고 원형에 가까운 입자를 나타냈습니다. AFM 이미지(그림 4)는 60°C 박막이 희소한 입계와 함께 잘 정렬된 입자를 가지는 반면, 고온에서는 조밀하게 쌓인 작은 아일랜드가 형성되어 전하 수송을 방해함을 확인했습니다. XRD(그림 5)는 소자 B에서 가장 강한 (00l) 브래그 피크를 보여 우수한 결정성을 입증했습니다. 90°C와 120°C에서 피크 강도 감소는 관측된 성능 저하와 상관관계가 있습니다.

결론

60°C 인시투 어닐링으로 제작된 스프레이 코팅 TIPS-펜타센 OFET은 기존 후공정 어닐링 대비 4배 향상된 이동도(0.191 cm²/Vs)를 보였습니다. 이 향상은 광학, AFM, XRD 분석으로 입증된 향상된 결정성과 정렬된 입자 성장에서 기인합니다. 따라서 인시투 어닐링은 유연 전자소자 및 기타 신흥 응용 분야에 적합한 고성능 OFET을 위한 확장 가능하고 저비용의 경로를 제공합니다.