Currently people have interested in flexible and low-cost technologies as future electronics. Low-cost and flexible electronics require label-like form factors based on low-temperature process and ultralow-cost fabrication process, which can lead new electronics such as RFID (Radio Frequency IDentification) tags and smart card, etc. TFTs (Thin-film transistors) can be constructed on the arbitrary substrates. Therefore TFT technologies and its complementary TFT circuits as suitable label-like form factors have been considered as promising building blocks for such low-cost and flexible electronics. Of logic circuits inverters are primarily described since an inverter is the simplest electronic circuit and can be possible to create more complex logic.
Oxide semiconductors are typically n-type due to native defects but p-type oxide semiconductors exhibit inferior properties. But oxide semiconductors have great advantages such as high mobility even in amorphous phase and air stability. While commonly well-known organic semiconductors are p-type. But n-type organic semiconductors exhibit inferior properties. In addition to that, organic semiconductors are intolerant to the solvents which cannot be applicable to conventional photolithography process.
For hybrid channel complementary inverters, bottom contact p-pentacene and top-contact n-ZnO(zinc oxide) TFT structures are adopted to avoid solvents from pentacene and can benefit from their comparative advantages.
The electrical properties of ZnO film and ZnO TFT as a top contact structure and pentacene film and pentacene TFT as a bottom contact structure are described. Both channel layers are stable in air and can be formed by low temperature deposition process. Therefore the hybrid circuits can be applicable to flexible electronic devices.
The n-ZnO channel TFTs have saturation mobility of $~7.12 cm^2 /Vs$ at $V_{DS}$ of 35V, on/off of $~10^7$. However, inverted coplanar bottom contact pentacene TFTs suffer from formation of interfacial dipoles between metal/ semiconductor interface and high contact resistance. Although there have been some reports with high performances based on bottom contact pentacene TFT structures, the field-effect mobilities and contact resistance are still extremely large compared with ZnO TFT. To solve bottom contact issue of pentacene, $O_2$ -plasma treatment was carried out onto Au source/ drain electrodes. Also an integration issue with SU-8 when SU-8 passivation layer is deposited on ZnO film was solved.
The basic operation of organic/ inorganic hybrid channel inverters at a low voltage was achieved for the first time using photolithography fabrication process based on top contact ZnO TFT and bottom contact pentacene TFT. The working inverters using CVD deposited ZnO and thermally evaporated pentacene active layers were implemented. The complementary TFT inverter was compared with n-type ZnO only enhancement loaded inverter.
The inverters operated in the low voltage range <10V. Complementary inverters exhibited a good basic operation with sharp swing and yield a high gain of ~9. The device structures using photolithography, including dielectrics, channels, and electrodes, were fabricated without intentional substrate heating, implying that the hybrid complementary circuits open a way to fabricate high performance logic devices with mechanical flexibility and good stability in air.
사람들은 flexible하고 저가의 미래 전자제품에 관심을 기울이고 있다. 이러한 미래 전자제품 기술로서 RFID 태그나 smart card 등이 있으며 이를 구현하기 위해서는 초저가이면서 동시에 유연성을 위한 저온 공정기술이 필요하다. TFT는 임의의 기판 위에 증착이 가능하다는 특징을 가지고 있다. 그러므로 가장 유력한 기술인 TFT 기술과 저가의 flexible한 form factor로서 적합하면서 동시에 파워절감을 위한 TFT 기반 CMOS 타입의 회로 기술이 필요하다. 본 논문에서는 논리 회로 중에서 가장 간단한 회로구조이며 이를 이용하여 더욱 복잡한 논리회로의 구성이 가능한 기본 요소로서 인버터를 주요하게 다룰 것이다.
산화물 반도체는 태생적 결함에 의하여 주로 n-타입 특성을 보이며 반면에 p-타입 산화물 반도체는 저조한 특성을 보인다. 그러나 산화물 반도체는 공기 중에서 안정적인 특성을 보이며 비정질 상태에서조차 높은 전하이동도를 보이는 큰 장점을 가지고 있다. 이와는 달리 잘 알려진 유기 반도체는 대개 p-타입 특성을 보이며 반면에 n-타입 유기 반도체는 저조한 특성을 보인다. 게다가 유기 반도체는 용제에 매우 취약한 특성을 보이는 단점이 있어 photolithography공정의 적용에 문제점이 있다. 유기 반도체 물질인 펜타센도 역시 용제에 취약한 특성을 보이기 때문에 이를 피하기 위하여 bottom contact p-채널 펜타센 박막트랜지스터와 top contact n-채널 ZnO 박막트랜지스터 구조를 채택하였으며 이렇게 함으로써 두 채널의 상호 보완적 장점을 취할 수 있을 것이다.
ZnO 박막 특성과 top contact 구조로서 ZnO 박막트랜지스터의 특성, 그리고 펜타센 박막 특성과 bottom contact 구조로서 펜타센 박막트랜지스터의 특성이 기술되어져 있다. 두 채널 층은 공기 중에서 안정된 특성을 보이며 낮은 온도에서 성막되어 질 수 있다는 장점을 지니고 있다. 그러므로 본 연구에서 구현된 하이브리드 타입 회로는 향후 초저가의 유연성 전자제품에 응용될 수 있는 가능성을 지니고 있다고 하겠다.
n-타입 ZnO 박막트랜지스터의 최고 saturation 전하이동도는 VDS=35V일 때, $~7.12 cm^2 /Vs$ 이며, on/off는 $~10^7$ 이 얻어졌다. 그러나 bottom contact 펜타센 박막트랜지스터의 경우 금속/ 반도체 계면에서의 다이폴의 형성에 의하여 큰 접촉 저항이 형성되며 이로 인하여 소자의 특성 저하를 보인다. 비록 bottom contact 펜타센 박막트랜지스터의 구조에서도 높은 성능을 보인다는 결과가 보고되고 있지만 이는 여전히 회로 구성시 제한 요소로 작용하고 있다. 이러한 펜타센의 bottom contact 문제점을 해결하기 위하여 본 연구에서는 소스/ 드레인의 Au 전극 위에 $O_2$ -플라즈마 처리를 하였다. 또한 회로 구성을 위하여 집적화 시에 SU-8 보호막 형성 시 문제점이 발생하였으며 이를 해결하였다.
CVD 방법으로 증착된 ZnO와 진공증착 방법에 의해 증착된 펜타센 활성층을 사용하여 인버터를 구성하였다. 본 논문에서 최초로 포토리소그래피 공정을 이용하여 top contact ZnO 박막트랜지스터와 bottom contact 펜타센 TFT를 이용하여 저전압에서 동작하는 유기/ 무기 하이브리드 채널 인버터의 기본적 동작이 구현되어졌다. 보상 박막트랜지스터 인버터는 우선적으로 공정 상의 편리성을 지닌 n-타입만으로 구성된 ZnO enhancement load 인버터와 비교하였다.
보상 박막트랜지스터 인버터는 10V 이하의 저전압에서 동작하였으며, 인버터의 최대 이득은 ~9가 얻어졌다. 보상 인버터 회로는 예리한 스윙과 함께 만족할만한 기본적 동작을 보였다. 본 연구에서 구현된 하이브리드 타입 박막트랜지스터 인버터는 추가적인 기판의 가열없이 구성되어져 초저가, 유연성 기판 전자제품에 응용될 수 있는 가능성을 가지고 있다.
