유기트랜지스터 내부 편재화 준위간 커플링에 의한 계면 전하이동의 비선형적 가속화 현상의 이해

Understanding Interfacial Charge Transfer Nonlinearly Boosted by Localized States Coupling in Organic Transistors

유기반도체와 게이트 절연체 간 계면전하이동을 이해하는 것은 고성능 유기메모리, 고안정성 유기전계효과 트랜지스터 (이하 유기트랜지스터) 개발에 기여할 수 있다. 본 연구에서는 계면 간 전하이동의 특이거동, 즉 홀전하가 유기반도체에서 고분자절연체로 이동되어 편재화되는 것이 편재화 준위간의 커플링에 의해 비선형적으로 가속화될 수 있음을 최초로 밝혀내었다. 이의 규명을 위해 rubrene 단결정과 Mylar 절연체를 기반으로 한 유기트랜지스터를 vacuum lamination 공정으로 제작하여 반도체-절연체 계면의 반복적인 전사와 박리에도 안정적인 소자를 개발하였다. Rubrene 단결정과 Mylar film의 표면을 각각 광유도 산소 확산법과 UV-오존 처리를 통해 결함을 생성시켰다. 그 결과, 계면 간 전하이동과 이에 의한 바이어스 스트레스 효과가 rubrene과 Mylar가 가진 편재화 준위 간 커플링에 의해 비선형적으로 급격하게 가속화되었음을 관측하였다. 특히, rubrene 단결정에 있는 적은 밀도의 편재화 준위가 계면 간 전하이동을 촉진하는데 가교역할을 함을 밝혀내었다

Understanding charge transfer across the interface between organic semiconductor and gate insulator gives insight into the development of high-performance organic memory as well as highly stable organic field-effect transistors (OFETs). In this work, we firstly unveil a novel interfacial charge transfer mechanism, in which hole transfer from organic semiconductor to polymer insulator was nonlinearly boosted by localized states coupling. For this, OFETs based on rubrene single crystal semiconductor and Mylar gate insulator were fabricated via vacuum lamination, which allows stable repetition of lamination and delamination between semiconductor and gate insulator. The surfaces of rubrene single crystal and Mylar film were selectively degraded by photo-induced oxygen diffusion and UV-ozone treatment, respectively. Consequently, we found that the interfacial charge transfer and resultant bias-stress effect were nonlinearly boosted by coupling between localized states in rubrene and Mylar. In particular, the small number of localized states in rubrene single crystal provided fluent pathway for interfacial charge transport.