유기 전계 효과 트랜지스터

Organic field-effect transistor
OFET 기반의 플렉시블 디스플레이
유기 CMOS 논리 회로총 두께는 3μm 미만입니다.축척봉: 25 mm

유기전계효과트랜지스터(OFET)는 채널에 유기반도체를 사용하는 전계효과트랜지스터이다.OFET는 소분자의 진공증발, 폴리머 또는 소분자의 용액주조 또는 박리된 단결정 유기층의 기판상으로의 기계적 이행에 의해 제조할 수 있다.이러한 장치는 저비용의 대규모 전자제품과 생분해성 전자제품을 실현하기 위해 개발되었습니다.OFET는 다양한 디바이스 지오메트리로 제작되어 있습니다.가장 일반적으로 사용되는 디바이스 지오메트리는 상부 드레인 및 소스 전극이 있는 하부 게이트입니다. 왜냐하면 이 지오메트리는 열적으로 성장한2 SiO를 게이트 유전체로 사용하는 박막 실리콘 트랜지스터(TFT)와 유사하기 때문입니다.폴리(메틸메타크릴레이트)(PMMA) 등의 유기 고분자도 [1]유전체로서 사용할 수 있다.OFET의 이점 중 하나는, 특히 무기 TFT에 비해, OFET의 전례 없는 물리적 유연성입니다.이러한 유연성은,[2] 예를 들면, 개인화된 바이오 메디신이나 바이오 [3]일렉트로닉스등의 장래의 의료 산업에서의 생체 적합 애플리케이션으로 연결됩니다.

2007년 5월, 소니는 최초의 풀 컬러, 비디오 레이트, 플렉시블,[4][5] 올 플라스틱 디스플레이를 발표했습니다.이 디스플레이는 박막 트랜지스터와 발광 픽셀이 모두 유기 재료로 만들어졌습니다.

OFET의 이력

전계효과 트랜지스터의 개념은 1930년에 그의 아이디어로 [6]특허를 받은 줄리어스 에드가 릴렌펠드에 의해 처음 제안되었다.그는 전계효과 트랜지스터가 소스와 드레인 전극 사이의 전도채널을 가진 콘덴서 역할을 할 것을 제안했다.게이트 전극에 인가되는 전압은 시스템을 통과하는 전하 캐리어의 양을 제어합니다.

최초의 절연 게이트 전계 효과 트랜지스터는 Bell 연구소의 Mohamed Atalla와 Dawon Khang에 의해 금속 산화물 반도체인 MOSFET(금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터)를 사용하여 설계 및 준비되었습니다.1959년에 [7]발명되어 1960년에 [8]발표되었습니다.MOS 트랜지스터로도 알려진 MOSFET는 세계에서 [9][10]가장 널리 제조된 장치이다.박막 트랜지스터(TFT)의 개념은 1957년 게이트 유전체로 일산화 게르마늄이 사용된 박막 MOSFET 특허를 출원한 존 월마크가 처음 제안했다.박막 트랜지스터는 1962년 폴 K에 의해 개발되었다. Wallmark의 [11]아이디어를 실행한 Weimer.TFT는 특수한 유형의 MOSFET입니다.[12]

재료 및 [citation needed]제조 비용의 상승과 보다 환경 친화적인 전자 재료에 대한 대중의 관심이 최근 몇 년 동안 유기 기반 전자 장치의 개발을 지원했습니다.1986년, 미쓰비시 전기의 연구원 H. 코에즈카, A.Tsumura와 Tsuneya 안도는 티오펜 [15]분자의 중합체를 기반으로 한 최초의 유기 전계효과 트랜지스터를 [13][14]보고했다.티오펜 폴리머는 전하를 전도할 수 있는 복합 폴리머의 일종으로 값비싼 금속 산화물 반도체를 사용할 필요가 없습니다.또한 다른 복합 폴리머는 반도체 특성을 가진 것으로 나타났다.OFET 설계도 지난 수십 년간 개선되었습니다.현재 많은 OFET가 박막 트랜지스터(TFT) 모델을 기반으로 설계되어 있어 소자는 설계 시 전도성이 낮은 재료를 사용할 수 있습니다.이러한 모델은 지난 몇 년 동안 현장 효과 이동성 및 온오프 전류 비율을 개선했습니다.

자재

OFET 재료의 한 가지 공통적인 특징은 방향족 또는 기타 공역 δ전자 시스템을 포함하는 것으로, 궤도 파동 기능의 비국재화를 촉진한다.전자 인출 그룹 또는 기증 그룹을 부착하여 홀 또는 전자 전달을 용이하게 할 수 있습니다.

루브렌, 테트라센, 펜타센, 디인도페릴렌, 페릴렌디아이미드, 테트라시아노퀴노디메탄(TCNQ) 등의 소분자 및 폴리티오펜(특히 폴리(3-헥실리오페닐)3HTPNE) 등의 폴리머를 포함한 많은 방향족 및 복합물질을 활성반도체층으로 하는 OFET이 보고되었다.ene, 폴리(2,5-티엔렌비닐렌), 폴리(p-페닐렌비닐렌)(PPV).

이 분야는 매우 활발하며, 새로운 합성 및 테스트된 화합물이 저명한 연구 저널에 매주 보고된다.이러한 [16][17][18][19][20]자료의 개발을 문서화하는 많은 리뷰 기사들이 존재한다.

루브렌 기반의 OFET는 20~40cm2/(V·s)의 캐리어 모빌리티가 가장 높습니다.또 다른 인기 있는 OFET 재료는 펜타센으로 1980년대부터 사용되었지만 이동성이 [20]루브렌보다 10배에서 100배 낮습니다(기판에 따라 다릅니다.펜타센과 다른 많은 유기 도체의 주요 문제는 펜타센 퀴논을 형성하기 위해 공기 중에 빠르게 산화된다는 것입니다.단, 펜타센이 프리옥시드화되어 형성된 펜타센퀴논을 게이트 절연체로 사용하면 이동성이 루브렌 값에 근접할 수 있다.이 펜타센 산화 기술은 실리콘 [16]전자제품에 사용되는 실리콘 산화와 유사합니다.

다결정 테트라티아풀발렌과 그 유사물은 0.1~1.4cm2/(V·s) 범위의 이동성을 발생시킨다.그러나 용액 성장 또는 증기 수송 성장 단일 결정성 헥사메틸렌테트라티아풀발렌(HMTF)에서는 이동성이 10cm2/(V·s)를 넘는다.ON/OFF 전압은 이러한 두 가지 기술로 성장한 장치에 따라 다릅니다. 아마도 [16]증기 이송에 사용되는 처리 온도가 높기 때문일 것입니다.

상기의 디바이스는 모두 p형 도전성에 근거하고 있습니다.N형 OFET는 아직 개발이 미흡하다.이들은 보통 페리렌디아미드나 플라렌 또는 그 유도체를 기반으로 하며 2cm2/(V·s)[17] 미만의 전자 이동성을 보인다.

유기 전계효과 트랜지스터 장치 설계

전계효과 트랜지스터의 세 가지 필수 구성 요소는 소스, 드레인 및 게이트입니다.전계효과 트랜지스터는 보통 콘덴서로 동작합니다.그것들은 두 개의 접시로 구성되어 있다.한 플레이트는 소스 접점과 드레인 접점이라고 하는 두 개의 오믹 접점 사이의 전도 채널 역할을 합니다.다른 플레이트는 채널로 유도되는 전하를 제어하는 역할을 하며, 게이트라고 불립니다.채널 내 캐리어의 이동 방향은 소스부터 드레인까지입니다.따라서 이 세 가지 구성 요소 간의 관계는 게이트가 소스에서 [21]드레인까지의 반송파 이동을 제어하는 것입니다.

이 콘덴서 개념을 디바이스 설계에 적용하면 컨트롤러의 차이(게이트)에 따라 다양한 디바이스를 구축할 수 있습니다.게이트 재료, 채널에 대한 게이트 위치, 채널에서 게이트가 격리되는 방법 및 게이트 전압에 의해 채널로 유도되는 반송파 유형(예: n채널 장치의 전자, p채널 장치의 구멍, 이중 주입 장치의 전자와 구멍)이 될 수 있습니다.

그림 1(a)금속-절연자-반도체 FET(MISFET) 및 (b)금속-반도체 FET(MESFET) 및 (c)박막 트랜지스터(TFT)의 3종류 전계효과 트랜지스터의 개략도.

캐리어의 속성으로 분류하면 그림 [22]1에 3종류의 FET가 도식적으로 나타나 있습니다.MOSFET(금속 산화물 반도체 전계효과 트랜지스터), MESFET(금속 반도체 전계효과 트랜지스터) 및 TFT(박막 트랜지스터)입니다.

모스펫

현대 마이크로 일렉트로닉스에서 가장 두드러지고 널리 사용되는 FET는 MOSFET(금속 산화물 반도체 FET)입니다.이 카테고리에는 MISFET(금속 절연체 반도체 전계효과 트랜지스터) 및 IGFET(절연 게이트 FET) 등 다양한 종류가 있습니다.그림 1a에 MISFET의 개략도를 나타냅니다.소스와 드레인은 반도체에 의해 연결되고 게이트는 절연체 층에 의해 채널에서 분리됩니다.게이트에 바이어스(전위차)가 가해지지 않으면 금속전도대역 및 반도체 페르미레벨의 에너지차에 의해 밴드 벤딩이 유도된다.따라서 반도체와 절연체의 계면에 보다 높은 농도의 구멍이 형성된다.게이트 접점에 충분한 양의 바이어스가 적용되면 구부러진 밴드가 평평해집니다.더 큰 양의 바이어스가 가해지면 반대방향으로 밴드 굽힘이 발생하고 절연체-반도체 계면에 가까운 영역에 구멍이 고갈된다.그러면 고갈된 영역이 형성됩니다.한층 더 큰 양의 바이어스에서는, 밴드 굽힘이 매우 커지기 때문에, 반도체와 절연체의 계면에서의 페르미 레벨이, 원자가 대역의 꼭대기보다 도전 대역의 저부에 가까워지기 때문에, 전자의 반전층을 형성해 도전 채널을 제공한다.마지막으로 디바이스의 전원이 [23]켜집니다.

메셋

두 번째 유형의 장치는 그림 1b에 설명되어 있습니다.MISFET와의 유일한 차이점은 n형 소스와 드레인이 n형 영역으로 연결되어 있다는 것입니다.이 경우 공핍 영역은 보통 "off" 디바이스의 제로 게이트 전압으로 n형 채널 전체에 걸쳐 확장됩니다(MISFET의 경우 더 큰 양의 바이어스와 유사합니다).통상 온 디바이스에서는 채널의 일부가 고갈되지 않기 때문에 제로 게이트 전압에서 전류가 흐릅니다.

TFT

박막 트랜지스터(TFT)는 그림 1c에 나타나 있습니다.여기서 소스 전극과 드레인 전극은 직접 도전채널(반도체의 얇은 층)에 퇴적된 후 반도체와 금속 게이트 접점 사이에 절연체의 얇은 막이 퇴적된다.이 구조는 디바이스를 기판으로부터 분리할 수 있는 고갈 영역이 없음을 나타냅니다.바이어스가 제로일 경우 전자는 반도체와 금속의 페르미 준위 에너지차에 의해 표면에서 방출된다.이는 반도체의 밴드 벤딩으로 이어진다.이 경우 소스와 드레인 사이에 캐리어가 이동하지 않습니다.양전하가 인가되면 계면에 전자가 축적되면 반도체가 반대로 휘어지며 반도체의 페르미레벨에 대한 전도대역 저하로 이어진다.다음으로 인터페이스로 전도성이 높은 채널이 형성됩니다(그림2 참조).

그림 2: TFT 디바이스 모델의 밴드 벤딩 개요

네트워크

OFET는 TFT 아키텍처를 채택하고 있습니다.전도성 폴리머의 발달로 작은 켤레 분자의 반도체 특성이 인정되었다.OFET에 대한 관심은 지난 10년 동안 엄청나게 증가했다.관심의 이 서지의 이유는 다양한 있다.OFETs의 그런 형태가 없는 실리콘과(a-Si)0.5–1 cm2 V−1 s−1과 106–108의ON/OFF 현재 비율(이것은 장치의 능력을 폐쇄할 것을 지시하)의 전계 효과를 이용한 mobilities과 형 경쟁할 수 있는 연기가 크게 개선되고 있다.vacuum-deposited 작은 molecules[24]의 경우 5cm2 V−1 s−1의 현재 thin-film OFET 이동성 가치와solution-processed polymers[25]에 0.6cm2 V−1 s−1 보고가 있다.그 결과로, 현재 a-Si 또는 다른 무기 트랜지스터 기술의 사용과 호환되지 않는 용도에 OFETs 사용에 더 큰 산업에 관심 있다.그들의 주요 기술적 명소는, OFET의 모든 층과 방 온도에서 무늬가 있는 그들이 그들을 이상적으로 유연한 기질에 저렴한,large-area 전자 기능의 실현을 위한 적합하도록 만든다 저가와direct-writesolution-processing 인쇄의 조합에 의해 퇴적될 수 있다.[26]

디바이스 준비

OFET 도식

열산화실리콘은 이산화실리콘이 게이트 절연체 역할을 하는 OFET의 전통적인 기판입니다.활성 FET층은 일반적으로 (i) 열증발, (ii) 유기용액 코팅 또는 (ii) 정전 적층 중 하나를 사용하여 이 기판 위에 퇴적됩니다.처음 두 가지 기술은 다결정 활성층을 생성합니다. 생성은 훨씬 쉬워지지만 상대적으로 트랜지스터 성능이 저하됩니다.딥 코팅, 스핀 코팅, 잉크젯 인쇄, 스크린 인쇄 등 다양한 종류의 용액 코팅 기법(ii)이 알려져 있습니다.정전 적층 기술은 단일 유기 결정에서 얇은 층을 수동으로 벗겨내는 것을 기반으로 합니다. 단결정 활성 층이 우수하지만 더 지루합니다.게이트 산화물과 활성층의 두께가 1마이크로미터 [16]미만입니다.

캐리어 트랜스포트

유기 전계효과 [16]트랜지스터에서의 캐리어 이동성의 진화.

OFET에서의 캐리어 트랜스포트는 디바이스를 통한 2차원(2D) 캐리어 전파에 고유합니다.다양한 실험 방식들을 이 연구를 위해, 분사되는 통신사의 수송 시간에 Haynes-쇼클리 실험, 캐리어 이동도 결정을 위한 비정(비행)experiment[27], 절연체, 탐사에 유기 일분자층 실험에서electric-field 분포 조사에pressure-wave 전파 실험으로 사용되었다. ori입력 쌍극자 변화, 광학 시간 분해형 2차 고조파 생성(TRM-SHG) 등반송파는 확산과 같은([28]트랩 제한이 있는) 방법으로 다결정 OFET를 통해 전파되지만, 최선의 단결정 OFET로 전도 대역을 통과합니다.[16]

OFET 캐리어 트랜스포트의 가장 중요한 파라미터는 캐리어 모빌리티입니다.다결정 및 단결정 OFET에 대한 수년간의 OFET 연구에서의 진화는 그래프에 나타나 있다.수평선은 주요 OFET 경쟁업체인 비정질(a-Si)과 다결정 실리콘에 대한 비교 가이드를 나타냅니다.이 그래프는 다결정 OFET의 이동성은 a-Si의 이동성과 동등하지만 루브렌 기반의 OFET(20~40cm2/(V·s))의 이동성은 최적의 폴리실리콘 [16]디바이스의 이동성에 가깝다는 것을 나타내고 있습니다.

OFET에서의 전하 캐리어 이동성의 정확한 모델 개발은 활발한 연구 분야이다.Fishchuk 등는 반송파 밀도와 폴라론 [29]효과를 설명하는 OFET의 반송파 이동도 분석 모델을 개발했다.

평균 반송파 밀도는 일반적으로 반송파 이동성 모델의 [30]입력으로 사용될 때 게이트 전압의 함수로 계산되지만 변조 진폭 반사 분광법(MARS)은 [31]OFET 채널 전체의 반송파 밀도의 공간 맵을 제공하는 것으로 나타났습니다.

발광 OFET

이러한 트랜지스터에는 전류가 흐르기 때문에 발광 소자로 사용할 수 있어 전류 변조와 발광의 통합이 가능하다.2003년 독일의 한 단체가 최초의 유기발광전계효과트랜지스터(OLET)[32]를 발표했다.장치 구조는 상호 연결된 금 소스 및 드레인 전극과 다결정 테트라센 박막으로 구성됩니다.이 층에는 양전하(홀)와 음전하(전자)가 모두 주입되어 테트라센으로부터의 일렉트로루미네센스로 이어진다.

「 」를 참조해 주세요.

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