Abstract
This paper reports the effects of Ar ion beam surface treatment on a $SiO_2$ dielectric layer in organic thin film transistors. We compared the electrical properties of pentacene-based OTFTs, treated by $O_2$ plasma or Ar ion beam treatments and characterized the states of the surface of the dielectric by using atomic force microscopy and X-ray photoelectron spectroscopy. For the sample which received $O_2$ plasma treatment, the mobility increased significantly but the on/off current ratio was found very low. The Ar ion beam-treated sample showed a very high on/off current ratio as well as a moderately improved mobility. XPS data taken from the dielectric surfaces after each of treatments exhibit that the ratio of between Si-O bonds and O-Si-O bonds was much higher in the $O_2$ plasma treated surface than in the Ar ion beam treated surface. We believe that our surface treatment using an inert gas, Ar, carried out an effective surface cleaning while keeping surface damage very low, and also the improved device performances was achieved as a consequence of improved surface condition.
OTFTs (Organic Thin Film Transistors)의 구동에 있어, 게이트 절연막 표면과 채널의 계면상태가 소자의 전기적 특성에 큰 영향을 미치게 된다. OTS(Octadecyltrichlorosilane)등과 같은 습식 SAM(Self Assembly Monolayer)를 이용하거나, $O_2$ Plasma와 같은 건식 표면 처리등 여러 표면 처리법에 대한 연구가 진행되고 있다. 본 논문에서는 pentacene을 진공 증착하기 전에 게이트 절연막을 $O_2$ plasma와 Ar ion beam을 이용하여 건식법으로 전처리 한 후 표면 특성을 atomic force microscope (AFM) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS)를 사용하여 비교 분석하였고, 각 조건으로 OTFT를 제작하여 전기적 특성을 확인하였다. Ar ion beam으로 표면처리 했을 때, $O_2$ plasma처리했을 때 보다 향상된 on/off ratio 전기적 특성을 얻을 수 있었다. 표면 세정을 위하여 $O_2$ plasma 처리시 $SiO_2$ 표면의 OH-기와 반응하여 oxide trap density가 높아지게 되고 이로 인하여 off current가 증가하는 문제가 발생한다. 불활성 가스인 Ar ion beam 처리를 할 경우 게이트 절연막의 세정 효과는 유지하면서, $O_2$ Plasma 처리했을 때 증가하게 되는 계면 trap을 억제할 수 있게 되어, mobility 특성은 동등 수준으로 유지하면서 off current를 현저하게 줄일 수 있게 되어, 결과적으로 높은 on/off ratio를 구현할 수 있다는 것을 확인하였다.
