그라핀 전극을 이용한 Organic semiconductor의 특성분석에 관한 연구

Abstract

Organic thin film transistor(OTFT)는 low temperature process, low cost, 그리고 flexibility의 장점으로 디스플레이, 조명, 태양전지 그리고 RFID등에 활발히 사용되고 있다. 그러나 threshold voltage shift, low stability, high operating voltage 그리고 contact resistance의 문제점이 있으며 이를 해결하기 위한 많은 연구가 진행 중이다. 이와 같은 문제점 중 contact resistance는 소자의 charge injection에 있어 심각한 영향을 주는 것으로, potential barrier을 낮출 수 있는 전극 물질의 선택 및 개선이 반드시 요구된다. Graphene은 channel layer 물질인 pentacene과 구조적으로 유사하고 work function matching이 알맞아서 hole injection barrier을 낮출 수 있기 때문에 전극으로 적합하다고 판단되고 있다. 일반적으로 알려진 바에 의하면, graphene이 5 layer의 두께를 가질 때, electrical conductivity, 즉 전극으로의 쓰임이 유용하며, 투과도를 감안하였을 때 투명전극으로 사용하기 알맞다. 본 연구는 graphene과 pentacene stack 구조에서의 contact resistance을 평가 하였다. 우선적으로, 두께에 따른 graphene 전극의 적합성을 평가하기 위해 raman spectroscopy, atomic force microscope(AFM), UV– visible spectrometer를 이용하여 확인하였다. 특히, Raman spectroscopy의 G peak(1590cm-1)과 2D peak(2700cm-1)의 wave length 위치를 확인하여 graphene의 합성 여부와 D peak(1350cm-1)의 intensity로 defect의 정도를 확인하고, AFM (1 layer : ~0.35nm)과 UV– visible spectrometer (1 layer : transmittance : ~97.7%)측정을 통하여 graphene의 두께 평가를 진행하였다. 하지만 graphene을 대면적의 단일층으로 균일하게 성장시키는데 어려움이 있기 때문에 일정 면적을 통한 UV– visible spectrometer를 측정하여 평균 두께를 산출하였다. 또한, current-voltage (I-V) 측정을 통하여 채널 물질인 pentacene과 graphene stack 구조의 contact resistance을 조사하였다. 두꺼운 graphene전극의 resistance가 작게 나타났으며, transparency를 고려하여 선정한 ~5 layer의 graphene전극의 경우 Au전극과 비교하여 전기적 특성이 향상되는 것을 관찰할 수 있었다. 이는 contact시 work-function(일함수) matching이 Au전극에 비하여 graphene 전극을 사용하였을 때 barrier 감소로 인한 current가 증가되었다고 판단된다. Gas treatment를 통한 Graphene 전극 특성의 향상을 위하여 Vacuum annealing, O2 gas annealing, FGA를 각각 실행하였다. Graphene 합성과 전이공정에서 공기중의 O2 또는 H2O가 graphene 표면에 흡착되어 p-type의 경향을 보이는 일반적인데 이를 보정하기 위해 Vacuum annealing을 모든 sample에 적용하였다. 제조 과정 중 흡착된 O2 또는 H2O의 분자를 graphene 표면으로 탈착시켜 최대한 gas annealing의 효과의 변화 추이를 보기 위한 과정으로 삼았다. 이 때에 O2 gas 처리한 graphene의 경우 pentacene과의 저항을 측정하였을 때 가장 우수한 저항 값을 보였다. 이는 산소분자가 graphene 표면에 흡착될 때, 전자를 trap 시켜 마치 hole이 도핑된 효과를 주어 p-type인 pentacene과 graphene 사이의 hole injection barrier의 변화가 유도 되었다고 판단된다.