With the beginning of the ‘internet of things’ era, the demand for and importance of sensors are increasing. In particular, image sensors are in use for a wide variety of applications such as image sensing, security/surveillance, and healthcare monitoring. Organic phototransistors (OPTs) have been studied for numerous applications, taking advantage of tunable optical properties and mechanical flexibility of organic electronic materials. Furthermore, OPTs have advantages in amplifying signal magnitude and thus signal to noise ratio, as well as in configuring circuitries such as sensor arrays without interference, originated from their device operation mechanism involving channel. The bulk-heterojunction was often used for the channel material of OPTs, to effectively separate the generated excitons owing to sufficient energy offsets. However, bulk-heterojunction and many organic photovoltaic materials with high light absorption properties have low carrier mobility. In this study, OPT with hybrid channel layers is realized. The hybrid channel consists of a bulk-heterojunction light-absorbing layer and channel conduction layer with high mobility. Each channel thickness is optimized using transfer matrix formalism based on the absorption difference between illumination directions. The operation mechanism and enhanced performance using lower channel resistance and photo-induced contact resistance modulation is analyzed experimentally. The proposed hybrid channel phototransistor shows more than 4.5 times higher responsivity than single-channel OPT, and a high on/off ratio ($10^{7}$), fast response time less than 2ms in the visible region ($\lambda=535nm$) with incident light power $17{\mu}W/cm^{-2}$, which can play a role as a flexible image sensor array in emerging applications.
사물 인터넷 (IoT) 시대의 시작과 함께 정보를 수집하는 센서의 필요와 중요성이 커지고 있다. 특히 이미지 센서의 경우, 모바일 기기에 사용되는 카메라뿐만 아니라, 보안/감시, 생체 신호 측정 등 다양한 분야에 사용되고 있다. 유기 포토트랜지스터는 조절 가능한 흡광 대역을 가지는 유연한 유기 물질의 사용, 박막 트랜지스터 구조에서 기인한 전류 증폭, 단일 소자로 수광과 스위치 역할이 모두 가능해 배열 구조로 쉽게 확장할 수 있다는 장점이 있다. 특히 벌크-이종 접합은 충분한 에너지 차이를 가져 엑시톤을 효과적으로 분리할 수 있으므로 유기 포토트랜지스터의 채널 물질로 자주 사용됐다. 하지만 벌크-이종 접합이나 몇몇 높은 흡광 특성을 보이는 유기 물질의 경우, 낮은 전하 이동도를 갖는다는 문제점이 있다. 본 연구에서는 효과적인 흡광을 위한 벌크-이종 접합 층과 높은 이동도를 갖는 채널 층으로 구성된 하이브리드 채널 유기 포토트랜지스터에 관해 기술한다. 빛의 입사 방향에 따른 흡수도 차이를 기반으로 박막 계산을 통해 최적 채널 두께를 계산하고, 낮은 채널 저항과 광 유도 컨택 변조에 의한 향상된 성능과 동작 원리를 실험적으로 검증 및 분석한다. 제안된 하이브리드 채널 포토트랜지스터는 가시광선 영역 ($\lambda=535nm$) 입사광의 세기가 $17{\mu}W/cm^{-2}$일 때, 단일 채널 포토트랜지스터 대비 4.5배 이상 향상된 감응도와 높은 온/오프 전류 비 ($10^{7}$), 2ms 이하의 빠른 응답 시간을 보여, 더 향상된 성능을 가지는 유연한 배열 구조 이미지 센서 구현에 사용할 수 있을 것이라고 판단된다.
