The high performance, low-power operation of flexible electronics are desirable in the arrival of the wearable era with internet of things (IoT). High-k flexible dielectrics are key element indispensable to the success of future electronics to achieve the requirements. In this dissertation, organic-inorganic hybrid films are proposed as high-k gate dielectrics to achieve both outstanding flexibility of organics and perfect insulating properties of inorganic components. To meet requirements, initiated chemical vapor deposition (iCVD) process is introduced and modified to synthesize the high-k hybrid dielectrics. The new geometry of iCVD chamber is also designed to enable homogeneous, conformal, uniform deposition of ultra-thin hybrid films over large-area, adapting dual shower head structure injection system. The inorganic components in hybrid dielectrics are linearly controlled by adjusting process parameters, exhibiting dielectric constant values of 13.0 and low leakage currents below 1.0 × 10-6 A/cm^2 at 2 MV/cm, with electrical breakdown fields over 3 MV/cm. The hybrid dielectrics are implemented both in the n-type and p-type organic thin film transistors (OTFTs), exhibiting ideal transfer and output characteristics even under tensile strain condition (2 %), regardless of the different hybrid dielectrics. Going further from switching devices, high-performance flexible memory is also required in realizing of wearable electronics. The resistive random access memory (ReRAM) of 2-terminal device is implemented by ultra-thin hybrid dielectrics, having both electro-chemical mechanism (ECM) of metal ion diffusion and valence-change mechanism (VCM) of oxygen vacancy moving. The hybrid ReRAM with hetero-mechanism exhibits outstanding programming/erasing (PRG/ERS) on/off ratio (> 104), endurance (> 105) and retention (~ 108) behaviors. Based on these properties, multi-layer hybrid ReRAM is fabricated to realize multi-bit operation, which is a highly wishful alternate memory device. Furthermore, the new charge trapping (CT) organic non-volatile memory (ONVM) of 3-terminal devices are developed with ultra-thin hybrid dielectrics. The new CT-ONVM devices exhibit large PRG/ERS memory windows (6.8 V), high repeatable endurance (> 104) and good retention characteristics (71% at 108 s). The memory performance of the new CT-ONVM is comparable to that of conventional inorganic silicon-oxide-nitride-oxide-polysilicon (SONOS) devices. These developments high-k hybrid dielectrics, from process and material to memory device, can push forward the performance breakthrough of the flexible and wearable devices.
고성능 저전력으로 동작하는 유연 전자 소자는 사물인터넷과 함께 다가오는 웨어러블 (wearable) 시대를 맞이하여 요구되고 있다. 이에 성공적인 미래 전자 소자를 구현하기 위해서, 고유전율 유연 절연막은 필수 불가결한 요소이다. 이 논문에서는, 유기물의 유연성과 무기물의 우수한 절연 특성을 동시에 가지는 유-무기 하이브리드 박막을 고유전율 절연막으로 제안하고자 한다. 이를 위하여, 개시제를 이용한 화학 기상 증착 장치(initiated chemical vapor deposition; iCVD)를 도입하고 수정하여 고유전율 하이브리드 절연막을 합성한다. 새로운 형태의 iCVD 반응기는 이중 샤워 헤드 구조를 가지며, 균일하고 평탄한 하이브리드 초박막을 대면적으로 증착 할 수 있다. 하이브리드 절연막의 무기물 함량은 공정 조건의 변화를 통하여 선형적으로 제어 가능하여, 유전율을 최대 13.0, 누설 전류를 10-6 A/cm2이하로 억제하고, 절연 파괴 전계를 3 MV/cm 이상으로 만들 수 있다. 유기 박막 트랜지스터(Organic thin film transistors; OTFTs)에 개발된 하이브리드 박막을 게이트 절연막으로 적용하여, n/p-type 모두 이상적인 증폭 및 출력 곡선을 보인다. 스위칭 소자에서 더 나아가, 고성능 유연 메모리 소자도 웨어러블 전자 소자 구현을 위하여 요구되고 있다. 하여, 금속 이온이 움직이는 전기화학적 메커니즘 (Electro-chemical mechanism; ECM) 및 원자가 변화형 메커니즘 (Valence change mechanism)을 동시에 가지는, 2단자 저항 변화형 메모리(Resistive random access memory; ReRAM)를 하이브리드 박막으로 구현한다. 이종의 메커니즘을 가지는 ReRAM은 우수한 쓰고 지우는 특성을 보이며 (on/off ratio > 104), 105 이상의 반복적인 쓰고 지우기와 108 초의 보유능력을 가지고 있다. 이를 특성을 기반으로 다층구조(multi-layer)를 가지는 ReRAM을 제작하여 다치 상태 (multi-bit)를 구현하였다. 더 나아가, 3단자 전하 포획형 유기물 비휘발성 메모리 (Charge trapping organic non-volatile memory; CT-ONVM)를 하이브리드 절연막으로 구현한다. 새롭게 제작된 CT-ONVM은 쓰고 지우는 메모리 범위가 최대 6.8 V, 반복적으로 쓰고 지우는 능력이 104 번 이상, 108 초에서 71%의 기억 보존 능력을 가진다. 새롭게 개발된 CT-ONVM의 메모리 성능은 기존 무기물 기반의 소자에 버금간다. 공정 및 재료에서 메모리 소자에 이르기까지, 고유전율 유-무기 하이브리드 절연막 개발은 웨어러블 전자 소자의 혁신을 촉진 할 수 있다.
