두께 변화에 따른 펜타센 박막의 모폴로지, 결정구조와 전기적 특성
Thickness Dependent Morphology and Crystal Structures in Relation to Electric Properties in Pentacene Thin Film Transistors
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 이기진
- 발행년도 2015
- 학위수여년월 2015. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 물리학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000055215
- 본문언어 한국어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권보호를 받습니다.
초록/요약
열 증착 방법을 통해 다양한 두께의 다결정 펜타센 박막을 제작하였다. 펜타센 층 두께에 따라 달라지는 표면 모폴로지(morphology)와 결정성(crystallinity)을 알아보기 위해 X-ray Diffraction(XRD), Atomic Force Microscopy(AFM)을 이용하여 수 nm 부터 수 백 nm에 이르는 펜타센 박막을 측정하였다. 결정성 변화를 보기 위한 XRD 측정에서는 펜타센 박막 두께의 변화에 따라 약 2θ=5.65,5.75,6.15° 에서 orthorhombic phase, thin film phase, triclinic bulk phase 3가지 XRD 피크가 나타나는 것을 확인하였다. 2θ 값에 따른 d-spacing, d_00l 값을 통해 펜타센 분자가 기판과 수직한 축에 대해 기울어진 각도인 θ_tilt를 계산한 결과, 펜타센 박막의 두께가 두꺼워짐에 따라 기판에 쌓이는 펜타센 분자 층이 기판의 수직한 축에 대해 점점 더 기울어져 쌓이는 것을 확인했다. 또한 AFM을 이용한 샘플 측정을 통해 펜타센 박막 두께의 변화에 따라 나타나는 모폴로지, 거칠기(roughness, R_a), 그레인 크기 등의 변화를 관찰할 수 있었다. 위의 분석 결과를 종합해보면, 15 nm미만의 펜타센 박막에서는 펜타센 층이 약 15.4°의 작은 θ_tilt값을 유지하며 배열되어 기판에 거의 수직하게 배열되고 상대적으로 작은 그레인 크기를 가지며, orthorhombic phase가 나타남을 알 수 있었다. 두께가 두꺼워짐에 따라 θ_tilt 값은 약 28.5°까지 증가하면서 펜타센 층이 많이 기울어진 상태로 기판에 배열이 되어 상대적으로 큰 그레인 크기를 가지며 성장하게 되고 기울어진 정도에 따라 thin film phase, triclinic bulk phase가 나타났다. 이를 통해 펜타센 박막의 성장 과정을 추측해 볼 수 있었다. 펜타센 박막의 표면 거칠기는 하나의 phase가 우세한 두께의 박막에서는 낮은 값을 보였지만 두개의 phase가 혼재해 있는 두께의 박막에서는 높은 값을 보였다. 특히, thin film phase와 triclinic bulk phase의 세기가 약 1:1인 150 nm의 두께의 박막에서 거칠기가 약 49 nm로 최댓값을 나타냈다. 마지막으로, 두께에 따른 트랜지스터의 전기적 특성간의 상관 관계를 알아보기 위해 다양한 두께의 펜타센 박막 트랜지스터를 제작한 후 Probe station 장비를 사용하여 문턱 전압 (threshold voltage), 포화 이동도 (saturation mobilty)를 계산하였다. 두께가 두꺼워짐에 따라 변하는 펜타센 박막의 표면 모폴로지와 결정성, 그레인의 변화를 펜타센 TFT의 전기적 특성과 관련시켜 분석하였다. 상온에서 0.3 Å/s의 속도로 증착한 펜타센 박막 트랜지스터의 최적화된 두께는 50 nm 였고, 약 0.16 cm^2/V∙s 의 이동도를 보였다.
more초록/요약
We fabricated polycristalline pentacene thin film transistors(TFTs) with various thickness by using a thermal evaporation method. We measured pentacen thin films ranging from several nm to several hundred nm of thickness by using X-ray Diffraction(XRD), Atomic Force Microscopy(AFM) to analyze surface morphology and crystallinity with different pentacene layer thickness. We conducted XRD measurements to check the alterations of crystallinity and these results showed 3 XRD peaks of orthorhombic phase, thin film phase, triclinic bulk phase at 2θ=5.65,5.75,6.15° approximately with thickness changes. We calculated θ_tilt which is the angle to the perpendicular axis to the substrate plane through d-spacing, d_00l and confirmed that pentacene molecular layers stacking on the substrate became more and more inclined to the perpendicular axis to the substrate plane with increasing pentacene thin film thickness layer. We also measured samples by using AFM to observe the changes of morphology, roughness(R_a) and grain size by thickness changes. When we put above results together, pentacene thin films under 15 nm showed small θ_tilt values of about 15.4° and those molecular layers were arranged almost vertically on the substrate. It also had small grain size and showed orthorhombic phase. θ_tilt increased to 28.5° as thickness rose, which means molecular layers of pentacene thin films were arranged on the substrate with sloping states and had relatively large grain size. Those XRD measurements showed thin film phase and triclinic bulk phase by the extent of their tilt angles. We could confirm the growth dynamics of pentacene thin films. While pentacene thin films in which one XRD peak was dominant showed low surface roughness, pentacene thin films in which two XRD peak coexisted showed high surface roughness values. Especially, 150 nm pentacene thin films in which intensity ratio between thin film phase and triclinic bulk phase was one to one had maximum roughness value of about 49 nm. Finally, we prepared pentaene TFTs with different thickness to anaylze electric properties in relation to thickness and calculated threshold voltage and saturation mobility by using a Probe station. We interpreted surface morphology, crystallinity and grain changes of pentacene thin films with increasing thickness and related to electric properties of pentacene TFTs. The optimum thickness of pentacene TFTs fabricated with 0.3 Å/s deposition rate at room temperature was found at 50 nm and it showed a mobility of 0.16 cm^2/V∙s.
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