KPFM Measurements and Carrier Mobility Estimation in QQT(CN)4 Organic Field Effect Transistors

Abstract

OFETs(Organic Field Effect Transistors) are field effect transistors(FETs) that consist of organic semiconductor materials as active semiconductor layers, instead of inorganic semiconductors. Since OFET was first developed in 1987, there has been tremendous progress and it is currently used in various devices, including smart cards, sensors on Lab on a Chip, and flexible devices. In this thesis, we analyzed OFETs based on QQT(CN)4, which is an organic material of oligothiophene group. Compared to other oligothipohenes, QQT(CN)4 has narrow HOMO-LUMO gap, enabling ambipolar transport. Mobility of organic semiconductor is a key factor in determining performance of OFET. In many cases, the mobility is estimated from the analysis of current-voltage device characteristics. However, there are concerns about the validity of such analyses for the devices which have large contact resistance. As an alternative way, we estimated the field effect mobility from surface potential profiles revealed by Kelvin probe force microscopy measurements. Our results suggested that thickness dependency of mobility could be due to morphological effect.;OFETs(Organic Field Effect Transistors)란 반도체의 active layer를 기존의 실리콘과 같은 무기물이 아닌 organic 반도체를 사용하는 field effect transistors(FETs) 소자를 의미한다. OFET은 1987년에 처음 제작된 이래로 많은 발전을 거쳐 현재는 smart card, RFID tag, Lab on a Chip의 sensor, flexible 소자 등의 다양한 응용분야에서 연구되고 있다. 본 논문에서는 oligothiophene group의 유기물인 QQT(CN)4를 이용한 OFET을 제작하고 소자의 특성을 분석해보았다. OOT(CN)4는 다른 oligothiophene보다 HOMO-LUMO 사이의 에너지 갭이 작아서 ambipolar transport가 가능하다는 특징을 가지고 있으며 mobility가 유기물의 두께에 따라 달라지는 특징을 가지고 있다. 유기물 반도체의 mobility는 OFET 특성을 결정짓는 주요 인자에 해당한다. OFET 소자의 전류-전압 특성으로부터 mobility를 추정하는 방법이 일반적으로 쓰이고 있지만, contact resistance에 의한 전압 강하가 고려되지 않아 정확한 값의 추정이 어려운 문제점 등을 지적할 수 있다. 이에 대한 대안으로써 KPFM(Kelvin Probe Force Microscopy) 측정을 통하여 surface potential을 측정하여 mobility 값을 추정하였다. KPFM 실험 결과는 mobility의 두께 의존도의 원인이 morphological effect일 가능성을 시사하였다.