Organic field-effect transistors (OFETs) offer a promising prospect for future electronics in various emerging fields such as flexible displays, sensor arrays, and memory devices due to the versatility of organic semiconductors. Even with the great advances for OFETs over the last few decades, the inherent low electrical mobility of organic semiconductors is one of the difficulties with respect to the real-life application of OFETs. In order to overcome the limitation of OFETs, as well as the development of high mobility organic semiconductors, numerous studies have intensively focused on improving device performance through the channel length scaling of OFETs. In this dissertation, organic vertical field-effect transistors (OVFETs) are investigated as a device with a novel architecture that can solve some of the limitations found in conventional OFETs. Although there have been many types of studies dedicated to the development of OVFETs, they often lack in detailed understanding of the operation principles and identification of key device parameters. As an effort to address these issues, 2D device simulation is adopted to elucidate the operation principles of OVFETs. Furthermore, we modify the OVFET architecture to incorporate bulk-heterojunction active layers and thus realize organic vertical phototransistors (OVPTs). In particular, source-contact limited behavior of OVFETs is utilized in a way that source contact resistance can be modulated via photocarrier generation, yielding high responsivity with a significant contrast from the dark reference signal. As a result, the proposed device shows high responsivity of ca. $10^3$ A/W in the visible region ($\lamda = 535 nm$) and on/off ratio up to $10^6$ with low operation voltage (< 10 V). This study will open a path for the design of high-performance OVFETs with a novel architecture and extends the feasibility of OVFETs in wide range applications.
유기 전계 트랜지스터는 유기 반도체의 우수한 광학적, 기계적 특성 등으로 플렉서블 디스플레이, 센서 어레이, 메모리 소자 등 다양한 응용이 가능한 요소 소자로 각광을 받고 있다. 그러나 지난 수 십년 간의 많은 연구에도 불구하고, 유기 전계 트랜지스터의 실생활 응용에 있어서 유기 반도체의 낮은 전기적 이동도는 여전히 큰 제한이 된다. 이를 극복하고자 높은 이동도를 갖는 유기 반도체 개발 이외에도, 소자의 채널 길이 스케일링을 통한 성능 향상 연구가 최근에 활발히 진행되고 있다. 이에 본 연구에서는 수직 형태의 채널을 통해 유기 전계 트랜지스터의 채널 길이를 줄여 성능을 향상시키는 유기 수직 전계 트랜지스터에 대한 연구를 진행하였다. 다양한 구조의 유기 수직 전계 트랜지스터가 보고 되어 왔지만, 각 구조의 동작 원리에 대한 자세한 이해는 부족하였다. 이를 해결하고자 2D 소자 시뮬레이션을 통해 전하 이동에 기반한 소자의 동작 원리를 분석하고 핵심이 되는 주요 파라미터를 바탕으로 설계 방안을 제시하였다. 또한, 제안된 소자 구조를 이용해 이종 접합 반도체 기반의 유기 수직 포토 트랜지스터 응용에 관한 연구를 하였다. 본 연구에서 제시된 소자가 짧은 채널 길이로 인한 소스 접촉 저항에 의해 성능이 크게 제한됨에 초점을 맞추고, 빛을 통해 소스 접촉 저항을 감소시켜 광 전류를 생성하는 방식을 이용하여 고 감응도의 포토 트랜지스터를 구현하고자 하였다. 그 결과 가시광 영역에서 약 $10^3$ A/W의 높은 감응도와 $10^6$의 높은 온/오프 비를 나타내는 저전압 유기 수직 포토 트랜지스터를 개발하였다. 본 연구를 통해 고성능 유기 수직 전계 트랜지스터의 설계 방안을 제시하였으며, 이와 더불어 유기 수직 포토 트랜지스터의 응용을 통해 그 적용 범위가 다양하게 확장될 것으로 기대한다.