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工 學 碩 士 學 位 審 査 論 文

Pentacene/ZnO 다이오드의 계면 특성 연구

The characteristics of interface for pentacene/ZnO diode

2011年 2月

仁荷大學校 大學院

情報通信工學科

權 周 範

工 學 碩 士 學 位 審 査 論 文

Pentacene/ZnO 다이오드의 계면 특성 연구

The characteristics of interface for pentacene/ZnO diode

2011年 2月

指導敎授 朴 世 根

이 論文을 工學碩士學位論文으로 提出함.

仁荷大學校 大學院

情報通信工學科

權 周 範

工 學 碩 士 學 位 審 査 論 文

이 論 文 을 權 周 範 의 工 學 碩 士 學 位 論 文 으로 認 定 함

2010年 2月

主審

副審

委員

i

요 약

본 논문은 친수성을 갖는 n-type ZnO를 소수성으로 변환하여 하이브리드 p-n junction

diode의 전기적 특성을 향상시키는데 목적이 있다. 습식 식각 및 Polydimethyl-

siloxane(PDMS) 표면 처리를 통해 n-type ZnO의 표면을 친수성에서 소수성으로 변환된 n-

type ZnO 표면 위에 pentacene을 증착하여 pentacene /ZnO hybrid p-n junction diode를 제

작하였다.

Sputter의 RF power를 증가할수록 ZnO의 grain size는 증가하고, buffer oxide

etchant(BOE)를 이용한 습식 식각 및 PDMS grafting 이후의 접촉각은 RF power가 100W,

200W, 300W에서 각각 103.5, 110.9, 115.8°를 보여 as-deposited일 때 61.3, 60.1, 68.8˚

보다 증가하여 소수성으로 전환되었음을 확인할 수 있었다.

표면 처리된 ZnO 박막 위에 증착된 80nm 두께의 pentacene의 grain size는 100W, 200W

에서 각각 120nm, as-deposited ZnO 박막 위에 증착된 pentacene보다 RF power가 100W

일 때 증가하였고, Au/pentacene/ZnO/ITO diode를 제작하여 표면처리 이후의 current-

voltage를 측정한 결과 100W, 200W에서 6V일 때 각각 3.8, 2.8A/cm2 로 , Turn-on voltage

는 4.2, 4.3V로 측정되었다.

Pentacene/ZnO 에 대한 계면 특성의 변화를 통해 Au / pentacene / ZnO / ITO vertical

diode의 전기적 특성을 확인하였다. 소수성 표면 특성을 갖는 ZnO에서 pentacene의 grain

size가 증가함을 보였고, Au / pentacene / ZnO / ITO vertical diode의 Current density –

Voltage 특성이 향상됨을 확인 할 수 있었다.

ii

Abstract

The purpose of this work is to show the improvement of hybrid p-n junction diode performance by making

n-ZnO film surface hydrophobic. Wet-etching and Polydimethyl-siloxane(PDMS) treatment were performed

to change the hydrophilic characteristics of the ZnO surface into hydrophobic, and we observed that these

changes made remarkable differences in grain sizes of pentacene films deposited on surface-treated ZnO and

improved I-V characteristics of pentacene/ZnO hybrid p-n junction diode.

The grain size of sputtered-deposited ZnO increased with increasing RF power. After wet-etching in buffer

oxide etchant (BOE) and grafting PDMS contact angles of surface-treated ZnO were 103.5, 110.9 and 115.8°

at 100, 200 and 300W of RF power, respectively. It is indicated that the more hydrophobic nature, the larger

grain size it could have. We confirmed that the grain size of pentacene deposited on the hydrophobic ZnO had

lager than as-deposited. When ZnO was deposited at the 100W, 200W of RF power, the current density of

normal pentacene/ZnO diode was 2.3, 1.3A/cm2 at a forward bias of 6V, respectively, while that diode using

surface treatment at 100W, 200W was about 5.8, 2.8A/cm2. Turn-on voltages were approximately 4.2 and 4.3

V for as-deposited and surface-treated pentacene/ZnO , respectively.

We have investigated the characteristics of interface for pentacene/ZnO hybrid p-n junction diode. the grain

sizes of pentacene on treated-ZnO were larger than as-deposited ZnO. and the current-density increased with

increasing hydrophobicity. This study present improvement of the electrical characteristics of hybrid p-n

junction diode using pentacene and ZnO.

iii

목 차

요 약 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ⅰ

A b s t r a c t … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ⅲ

그 림 목 차 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ⅶ

표 목 차 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … v ⅲ

제 1 장 서 론 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 1

제 2 장 하 이 브 리 드 p - n 접 합 을 위 한 소 수 성 의 Z n O 박 막 제 작 … … … … 3

2 .1 . Sp u t t e r de pos i t i o n으 로 증착한 Z nO 박막 형 성 …… ……… …… …… 3

2 . 2 . B O E 및 P D M S 를 이 용 한 Z n O 박 막 표 면 처 리 … … … … … … … … … 7

2 . 3 . Z n O 박 막 위 의 P D M S g r a f t i n g 에 대 한 메 카 니 즘 … … … … … … … … 7

2 . 4 . 표 면 처 리 된 Z n O 박 막 의 접 촉 각 측 정 … … … … … … … … … … … … 8

2 . 5 . X - r a y D i f f r a c t i o n m e as u r e me n t … … … … …… … … … …… … … … 1 2

제 3 장 소 수 성 Z n O 박 막 위 에 서 의 P e n t a c e n e 성 장 … … … … … … … … … 1 5

3 . 1 . E v a p o r a t i o n 을 이 용 한 p e n t a c e n e 성 장 … … … … … … … … … … … 1 5

3 .2 . ZnO 박막의 소수성 정도에 따른 pen tacene 의 g r a in s i ze 변 화 … 17

제 4장 하이브리드 Au/pentacene/ZnO/ITO vertical diode 에 대한 I-V curve

특 성 분 석 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 2 2

4 . 1 . A u / p e n t a c e n e / Z n O / I T O v e r t i c a l d i o d e 제 작 … … … … … … 2 2

4 .2 . Au/pen tacene /ZnO/ ITO D iode의 전기적 특성 ……………………… 24

제 5 장 결 론 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 2 7

참 고 문 헌 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 2 8

iv

그림 목차

Fig . 1 Schemat ic d iagram of RF sputter ………………………………………… 4

Fig. 2 Deposit ion rate and gra in size of ZnO for RF power ……………………… 5

Fig. 3 SEM images of ZnO thin f i lms for RF power : (a) 100W, (b) 200W, (c)

3 0 0 W ·… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 6

Fig. 4 (a) ZnO thin f i lms (b) Wet etching us ing BOE(6:1) (c) Grafr ing PDMS

(d) Measurement of contact angle after removing PDMS ……………………… 7

Fig. 5 Schemat ic of the thermal-induced ablation-deposit ion process. …………8

Fig. 6 Schematic diagram for the definit ion of contact angle.γLV, γSV, γSL and θ

represent surface tension of liquid, surface free energy of solid, interfacial

tension between l iquid and sol id, and contact angle, respectively ……… 9

Fig. 7 Propert ies of contact angle for hydrophobic ity and hyrophi licity ……… 9

Fig. 8 SEM images and contact angle of ZnO after wet etching us ing BOE(6:1)

(a),(b) 100W of RF power (c),(d) 200W of RF power (e),(f) 300W of RF

p o w e r … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 1 1

Fig. 9 SEM images and contact angle of ZnO after wet etching us ing BOE(6:1)

(a),(b) 100W of RF power, (c) ,(d) 200W of RF power (e),(f) 300W of RF

pow er ………………… … ………………………………………………………………… 12

Fig. 10 XRD patterns of wet-etched ZnO films in terms of RF power …………………… 13

Fig. 11 XRD patterns of wet-etched and grafted-PDMS ZnO films in terms of RF pow

er …………………………………………………………………………………………… 14

Fig. 12 XRD peaks of surface-treated ZnO films in terms of RF power ……… 14

Fig. 13 Shematic of evaporator …………………………………………………………………… 16

Fig. 14 AFM for morphology of pentacene at 100W : a) as-deposited, b) Grafting

PDMS, c ) Etch ing , d) Etch ing, graf t ing PDMS …………………………… 17

Fig. 15 AFM for morphology of pentacene at 200W : a) as-deposited, b) Grafting

PDMS, c ) Etch ing , d) Etch ing, graf t ing PDMS …………………………… 18

Fig. 16 AFM for morphology of pentacene at 300W : a) as-deposited, b) Grafting

PDMS, c ) Etch ing , d) Etch ing, graf t ing PDMS …………………………… 19

Fig. 17 SEM image of Au/pentacene/surface-treated ZnO/ITO vert ical diode (a)

v

a t 100W, (b) 200W ………………………………………………………………… 21

Fig . 18 Curr ent dens i ty　vo l t age ( I-V) charac ter is t i c s of Au / pentacene /

surface-treated ZnO / ITO vert ica l d iode a t 100W …………………… 23

F ig . 19 Curr ent dens i ty　vo l t age ( I-V) charac ter is t i c s of Au / pentacene /

surface-treated ZnO / ITO vertical diode at 200W ………………………… 24

vi

표 목차

Table 1. Sputter ing cond it ions for ZnO thin f i lms …………………………………… 5

Table 2. Surface structure of pentacene f i lms observed by AFM ……………… 20

1

제 1 장 서 론

최근에 유 ∙ 무기물 접합을 이루는 하이브리드 p-n 접합 구조가 flexible

device, optoelectronics, solar cell 등에 적용되어 활발한 연구가 진행되고 있

다. [1-3] 그 중에서 ZnO는 II-IV compound으로 이루어진 oxide

semiconductor로서 direct band gap은 3.37eV을 갖는 물질로서 상온에서의

높은 excitation binding energy(60 meV) 특성 때문에 특히 관심이 급증되고

있고, electrical, optical and piezoelectric 특성을 적용할 수 있는 분야에서 많

은 연구가 진행되고 있다. [4-5] Pentacene은 p-type 특성을 지닌 유기반도

체로서 매력적인 관심을 끌고 있는 재료중의 하나이다. Pentacene 박막은

transparent 한 물질로서 low-cost, large-area, and flexible electronic

applications에 전망되고 있는 물질이고, moblility가 1cm2V-1s-1 이상을 가진

p-type 박막으로 사용이 가능하다. 이러한 moblility는 비정질 Si 박막과 비교

할만한 수치이다.[6]

Pentacene과 ZnO로 구성된 p-n diode에 대한 연구 내용은 이미 알려진 바

가 있다. 저자 Bhola Nath Pal은 Au/pentacene/ZnO/ITO로 구성된 vertical

diode를 제작하여 current density가 1.6A/cm-2, turn-on voltage가 1.5V를

갖는 특성을 보였고, [7] 저자 Kwang H, Lee는 Au/pentacene/ZnO/ITO/PET

를 제작하여 2.5V에서current density가 1.5A/cm-2, turn-on voltage가 1.2V,

on-off ratio는 104를 갖는 특성을 보였다.[8]

2

그러나 일반적으로 무기물 산화층은 친수성 상태를 나타내는 반면에, 대부분

의 유기반도체의 경우 소수성 상태를 나타내는데, 유, 무기물 접합이 이루어졌

을 때 친수성 물질과 소수성인 물질의 표면에너지 불일치로 인해 산화막 기판

위에 만들어지는 유기 반도체의 결정성 형성에 나쁜 영향을 가져온다. 따라서

본 논문에서는 표면처리를 통해 친수성을 갖는 n-type ZnO를 소수성으로 변

환하여 하이브리드 Au/pentacene/ZnO/ITO p-n junction diode를 제작하여

전기적 특성이 as-deposited 일 때보다 개선됨을 보이고자 한다.

본 연구에서는 스퍼터로 성장시킨 n-type 특성을 갖는 ZnO을 습식 식각과

PDMS 처리를 통한 ZnO 박막을 제작하여 접촉각을 통해 소수성 여부를 확인

하고 표면처리된 ZnO 박막 위에 evaporation 증착법으로 성장시킨 pentacene

으로 구성된 pentacene/ZnO hybrid p-n junction diode을 제작하여 전기적 특

성을 확인하였다.

3

제 2 장 하이브리드 p-n 접합을 위한

소수성의 ZnO 박막 제작

2.1 Sputter deposition으로 증착한 ZnO 박막 형성

99.99%의 4인치 ZnO 타겟을 이용하여 물리적 증착법 중에 스퍼터링을 이

용하였다. RF 스퍼터란 플라즈마를 DC전력공급장치가 아닌 AC전력공급장치로

얻는 방식으로, 비전도성 target 재료의 경우 DC전력공급장치를 사용할 경우

표면에 전하가 축척되어 스퍼터링을 할 수 없는 경우에 사용한다. 만일 전극주

위에 플라즈마가 모여 있고 AC전압이 작용된 경우, 전자와 이온은 질량의 차이

로 전자의 이동도가 더 크므로 음극에 발생된 것보다 훨씬 더 많은 전자전류가

양극에 발생될 수 있다. 이때 플라즈마 전압에 대하여 (-)전위가 흘러 스퍼터

링할 수 없게 된다. 이러한 경우 AC전류를 전극에 통하면 유동 전위보다 (-)

전극에 흐르는 전자전류보다 (+)전극에 흐르는 전류가 많게 된다. 그러므로

RF를 공급한 경우 (-)전압 싸이클 동안 흐르는 이온의 총 흐름은 짧은 (+)전

압 싸이클 동안 흐르는 전자흐름과 같기 위해서 전극은 음으로 바이어스 되어

야 한다. 그래서 충분한 스퍼터링을 일으키기 위해서는 싸이클 동안의 평균

bias는 AC의 최고전압과 거의 같아야 한다.

전형적인 RF판형 다이오드 스퍼터링은 각 1/2 싸이클 동안 음극과 양극이

반대가 되며, 전극이 이온 방전이 축적되는 싸이클 동안 방전이 일어나며 전극

이 음극이 되는 싸이클 동안은 방전이 일어나지 않는다. 효과적인 전극방전이

일어나는 주파수는 낮은 ㎒의 주파수이어야 하나 미국연방 통신규약의 전파관

리상 라디오 주파수와 간섭을 피하기 위하여 산업에 사용되는 주파수를 13.56

㎒에 작동하도록 규제하고 있다.

4

Figure 1. Schematic diagram of RF sputter

RF sputtering 방법을 이용하여 ZnO 박막을 Si(100) 기판에 증착하였다.

ZnO 박막 증착에 사용된 타겟은 99.99%의 순도를 가지는 ZnO 타겟이며,

sputter 로 증착하였다. 본 연구에서는 100, 200, 300W 로 RF power 을

달리하여 시편을 준비하였다. 자세한 증착 조건은 Table 1 에 나타내었다.

5

< Table 1. Sputtering conditions for ZnO thin films >

Target

Working pressure

Ar flow rate

Substrate temperature

RF power

Deposition time

3 inch ZnO(99.99%)

50 mTorr

40 sccm

Room temperature

100, 200, 300W

10 , 6, 4min

Fig. 2 는 RF power 에 따른 ZnO 박막의 deposition rate 와 grain size 를

나타내고 있다. RF power 가 250W 일 때까지 deposition rate 가 30nm /

min 로 증가하다가 250W 이후 감소하였고, grain size 는 150W 이후 완만한

증가을 보이고 오차 범위는 4nm~25nm 를 보이고 있다.

Figure 2. Deposition rate and grain size of ZnO films in RF power

100 150 200 250 3000

5

10

15

20

25

30

35

40

RF power

Dep

osit

ion

rate

(n

m/m

in)

50

100

150

200

250

Gra

in s

ize (

nm

)

6

Fig. 3은 ZnO target을 RF power를 100W, 200W, 300W으로 하여 spu-

ttering 한 후 ZnO 박막의 SEM image이다. RF power 가 증가할수록 ZnO

박막의 grain size가 증가함을 보여주고 있다.

(a) (b)

(c)

Figure 3. SEM images of ZnO thin films for RF power : (a) 100W, (b)

200W, (c) 300W

7

2.2 BOE 및 PDMS를 이용한 ZnO 박막 표면처리

Fig. 4 는 ZnO 박막의 표면처리를 위해 BOE 습식 식각 및 PDMS 를 gra-

fting 하는 실험과정이다. Sputter 에 의해 형성된 ZnO 박막 위에 BOE(6:1)를

이용하여 10 초 동안 습식 식각을 한 후에 PDMS 를 130℃에서 2 시간 동안

grafting 하였다. ZnO 의 표면의 소수성 여부를 관찰하기 위해 접촉각을 측정하

였다. [9]

(a) (b)

(b) (d)

Figure 4. (a) ZnO thin films (b) Wet etching using BOE(6:1) (c) Grafring

PDMS (d) Measurement of contact angle after removing PDMS

8

2.3 ZnO 박막 위의 PDMS grafting에 대한 메카니즘

Fig. 5는 PDMS가 ZnO 박막 위에 grafting되는 과정을 보여주고 있다.[10]

130℃ 에서 가열된 PDMS는 Si-CH3 chain이 끊어지면서 Si-CH3 또는 CH4

의 hydrophobic product를 생성하면서 PDMS 표면이 oxidation 된다. 생성된

hydrophobic molecules은 hydrophilc인 ZnO 표면에 흡착되어 hydrophobic

상태의 ZnO 표면으로 전환하게 된다.

Figure 5. Schematic of the thermal-induced ablation-deposition process.

9

2.4 표면처리된 ZnO 박막의 접촉각 측정

표면특성을 연구하는데 가장 효과적인 방법 중의 하나가 접촉각 측정법이다.

Fig. 5, 6 은 접촉각의 기본 개략도를 나타내었다. 접촉각은 방울의 각의 접선과

기체, 액체, 고체의 교차점에서 교체 표면의 접선 사이의 각이다. 또한 접촉각

은 고체표면의 젖음의 척도이다. 물과 같은 극성 액체의 경우 작은 접촉각은

고체표면의 표면상태가 친수성(hydrophilic)인 상태를 나타내며, 표면에너지가

높다는 것을 의미한다. 이와는 반대로, 큰 접촉각은 고체표면의 상태가

소수성(hydrophobic)인 상태를 나타내며, 표면에너지 값이 작다는 것을

의미한다. 또한 식각을 통해서 표면에너지를 조절하여 소수성인 상태를 나타낼

수 있다. [11]

한편 고체 기판 위에 놓인 액적(droplet)은 고체-액체간 계면장력

(interfacial tension, γSL), 액체의 표면장력(surface tension, γL) 및 고체의

표면에너지(surface energy, γS)의 영향을 받아 일정한 접촉각(contact angle,

θc)을 갖는 반구형을 이룬다. 계면장력과 접촉각의 관계는 Young 식에 의해

다음과 같이 주어진다. [12]

고체 표면 위에 물방울을 떨어뜨렸을 때, 고체의 젖음성(wettability)에 따라

접촉각 90°를 기준으로 친수성(hydrophilic)/소수성(hydrophobic)을 구분하는

데, 친수성 표면을 가지는 고체는 소수성 표면을 가지는 고체보다 더 높은

표면에너지를 갖는다.[13] 친수성 표면은 소수성 표면보다 물방울에 대해 더

높은 접착력을 가지는데, 친수성/소수성이 구분된 기판 위에 액체를 떨어뜨리고

기판을 기울이면 액체는 친수성 표면에만 선택적으로 남게 된다. 즉, 물방울이

친수성 표면에 자가정렬(self-arrangement)이 되는 것이다.

10

Figure 6. Schematic diagram for the definition of contact angle.γLV, γSV, γSL and θ represent surface tension of liquid, surface free

ene-rgy of solid, interfacial tension between liquid and solid,

and contact angle, respectively.

Figure 7. Properties of contact angle for hydrophobicity and hyrophilicity

대부분의 유기반도체의 경우 친수성인 물질과 소수성의 표면에너지 불일치로

인해 유기반도체의 결정성 형성에 나쁜 영향을 가져온다. 따라서, ZnO 의

표면을 소수성으로 바꾼 후 유기반도체 박막 증착시 결정성이 증가하며

mobility 도 증가하는 좋은 영향을 미칠 수 있다.

11

Fig. 7, 8 은 표면처리된 ZnO 박막의 SEM image 와 droplet 을 떨어뜨렸을

때의 접촉각을 나타내고 있다. BOE 로 습식식각 한 후 100W, 200W, 300

W 에서의 접촉각은 각각 61.3˚, 60.1˚, 68.8˚로 측정되어 ZnO 의 표면이

친수성임을 확인하였다. 반면, PDMS grafting 이후 ZnO 표면의 접촉각은

103.5˚, 110.9˚, 115.8˚로 측정되어 소수성으로 변환됨을 확인하였다.

Figure 8. SEM images and contact angle of ZnO after wet etching using

BOE(6:1). (a),(b) 100W of RF power, (c),(d) 200W of RF power,

(e),(f) 300W of RF power

12

Figure 9. SEM images and contact angle of ZnO after wet etching using

BOE(6:1) and grafting PDMS. (a),(b) 100W of RF power,

(c),(d) 200W of RF power, (e),(f) 300W of RF power

13

2.5 X-ray Diffraction measurement

표면 처리된 ZnO 박막의 결정성 및 결정 방향을 확인하기 위해 XRD(X-ray

Diffraction)을 이용하여 분석하였다. Bare-ZnO 박막에서는 Sputter의 RF

power가 100W보다 200W에서 (002) peak의 intensity가 더 향상되었는데

RF power가 증가할수록 고밀도 플라즈마로 인한 crystallization 성장이 더

발달되는 것으로 보인다. 200W에서 300W로 증가할 때에는 (002) peak이

감소하고 (100), (101) 방향이 상대적으로 증가함을 보였다.

BOE(6:1)로 습식 식각된 ZnO 박막은 식각 전의 ZnO박막을 비교했을 때

intensity의 차이를 보이기는 했으나, 결정성 방향에 대한 변화는 크게

달라지지 않아 ZnO의 orientation에 영향을 미치지 않은 것으로 보인다.

Figure 10. XRD patterns of wet-etched ZnO films in terms of RF power

14

Figure 11. XRD patterns of wet-etched and grafted-PDMS ZnO films in

terms of RF power

Figure 12. XRD peaks of surface-treated ZnO films in terms of RF power

15

제 3 장 소수성 ZnO 박막 위에서의 Pentacene 성장

Pentacne 박막은 보통 다결정체인데, 이 pentacene 박막은 유기 증기상

증착법과 열 증착법으로 증착할 수 있다. 다결정 박막은 결정립(grain)과

결정립계(grain boundary)로 구성되어 있는데, 결정립은 반도체 특성을 가진

단결정상이며, 결정립계는 높은 누설전류를 가진 절연 특성을 보이는

비정질이다. 그러므로 하이브리드 유 ·무기물 접합을 가진 소자의 성능은

박막상태와 유·무기물 계면의 상호작용에 크게 의존한다. 따라서, 본 장에서는

표면 처리된 소수성 ZnO 박막 위에 증착된 pentacene의 grain size 및 grain

boundary의 변화를 살펴보고자 한다.

3.1 Evaporation을 이용한 pentacene 성장

Pentacene(99.8%, Aldrich Chem. Co.) 박막은 evaporation(진공 열 증착

시스템)을 이용하여 증착율을 1.0Å/s으로 유지하여 pentacene 박막 두께를

80nm까지 증착하였다. Pentacene을 증착하는 동안 진공도는 3×10-6 Torr의

압력에서 실시하였다.

Figure 13. Schematic of evaporator

16

3.2 ZnO 박막의 소수성 정도에 따른 pentacene의 grain size 변화

Fig. 13, 14, 15는 sputter의 RF power를 100W, 200W, 300W로 인가했을

때 표면 처리된 ZnO 박막 위에 성장된 pentacene의 AFM 측정 결과이다. RF

power가 증가할수록 pentacene의 grain size가 증가하는 것을 AFM 측정을

통해 확인할 수 있었다.

100W에서 BOE(6:1) 식각 전 후의 pentacene의 grain size는 약 20nm

정도 차이를 보였고, 식각 이후 PDMS를 grafting을 한 pentacene의 grain

size는 좀 더 증가함을 보였다. 이 결과를 통해 ZnO의 roughness와 surface

energy가 pentacene의 grain size의 크기와 관련이 있음을 알 수 있었다.

Figure 14. AFM for surface morphology of pentacene films on ZnO at

100W : a) as-deposited, b) Grafting PDMS, c) Etching, d)

Grafting PDMS after etching

17

200W 를 인가했을 때에는 100W보다 약 80nm 정도 grain size가 증가함을

보였고 표면처리된 ZnO 박막 위의 pentcene의 grain size가 역시 증가하는

것을 보였다. 그러나 300W에서는 100, 200W에 비해 grain size가 증가함을

보였지만, 표면처리 이후의 pentacene 성장은 200W와 비교했을 때 grain

size의 차이를 뚜렷하게 확인할 수 없었다. Table 2는 pentacene 박막의 AFM

측정 결과를 표로 나타낸 것이다.

Figure 15. AFM for surface morphology of pentacene films on ZnO at

200W : a) as-deposited, b) Grafting PDMS, c) Etching, d)

Grafting PDMS after etching

18

Figure 16. AFM for surface morphology of pentacene films on ZnO at

300W : a) as-deposited, b) Grafting PDMS, c) Etching, d)

Grafting PDMS after etching

< Table 2. Surface structure of pentacene films observed by AFM >

19

제 4 장 하이브리드 Au/pentacene/ZnO/ITO vertical

diode에 대한 I-V curve 특성 분석

4.1 Au/pentacene/ZnO/ITO vertical diode 제작

Fig 17은 Au/pentacene/ZnO/ITO vertical diode의 구조와 Energy band

다이아그램을 나타내고 있다. ITO glass 위에 표면 처리된 n-type ZnO 박막과

p-type pentacene 박막을 성장시키고 anode인 Au를 열 증착법을 이용하여

80nm 성장시켰다.

ITO와 Au의 일함수는 각각 4.7eV, 5.1eV이고, Au로부터 주입된 정공과

ITO로부터 주입된 전자들은 ITO/ZnO의 계면과 Au/pentacene 계면의

barrier를 낮추어 ohmic contacts의 효과를 보이게 된다.

(a) (b)

Figure 17. SEM image of Au/pentacene/surface-treated ZnO/ITO vertical

diode : (a) at 100W, (b) at 200W

20

4.2 Au/pentacene/ZnO/ITO Diode의 전기적 특성

Fig 18, 19은 100W, 200W에서의 as-depostied ZnO와 표면처리된 ZnO

위에 성장된 Au/pentacene/ZnO/ITO vertical diode의 Current density –

Voltage 특성을 나타내고 있다. 먼저 as-deposited 일 때 turn-on

voltage는 100, 200W에서 각각 1.8, 1.7V를 보였고, wet-etching과

PDMS를 grafting 했을 때의 Turn voltage는 100W, 200W에서 각각 4.2V,

4.3V로 as-deposited 보다 증가하였다. As-deposited일 때 forward dias가

8V일 때 전류는 100, 200W에서 1.7, 1.0 A/cm2, 표면처리 했을 때 100W,

200W 각각 3.8, 2.8 A/cm2 을 보였고, On-off ratio는 100W일 때 102,

200W일 때 103 을 보였다. Wet-etching, grafted-PDMS 처리한 Au /

pentacene/ZnO/ITO vertical diode의 Current density–Voltage 특성이 as-

deposited 일 때 보다 향상됨을 보여주고 있다. 이는 친수성 표면의 ZnO보다

소수성 표면의 ZnO 일 때 Au/pentacene/ZnO/ITO vertical diode의 전기적

특성이 더 좋음을 확인할 수 있다.

21

-2 0 2 4 6 8 10-0.4-0.20.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.02.22.4

0 2 4 6 8 10

1E-3

0.01

Curr

ent(A

)

Voltage(V)

Cur

rent

den

sity

(A/c

m2 )

Voltage(V)

Bare at 100W

Turn on voltage : 1.8V

-2 0 2 4 6 8 10-0.4-0.20.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.02.22.4

0 2 4 6 8 101E-4

1E-3

0.01

Curr

ent(A

)

Voltage(V)

Grafting PDMS at 100W

Cur

rent

(A/c

m2 )

Voltage(V)

5.2V

(a) (b)

-5 0 5 10 15-1

0

1

2

3

4

5

0 2 4 6 8 101E-4

1E-3

0.01

Curre

nt(A

)

Voltage(V)

Cur

rent

den

sity

(A/c

m2 )

Voltage(V)

Wet etching at 100W

2.5V

-2 0 2 4 6 8-0.4-0.20.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.02.22.4

0 2 4 6 8 101E-3

0.01

Curre

nt(A

)

Voltage(V)

Cur

rent

den

sity

(A/c

m2 )

Voltage(V)

Wet etching and grafting PDMS at 100W

4.2V

(c) (d)

Figure 19. Current density　voltage (I-V) characteristics of Au / pent-

acene / surface-treated ZnO / ITO vertical diode at 100W : (a)

as-deposited, (b) Grafting PDMS (c) Wet-etching (d) wet-

etching and grafting PDMS

22

-2 0 2 4 6 8 10-0.4-0.20.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.02.22.4

0 2 4 6 8 10

1E-4

1E-3

0.01

C

urre

nt(

A)

Voltage(V)

Cur

rent

den

sity

(A/c

m2 )

Voltage(V)

Bare at 200W

Turn on voltage : 1.7V

-2 0 2 4 6 8 10-0.4-0.20.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.02.22.4

0 2 4 6 8 101E-4

1E-3

0.01

Curr

ent(A

)

Voltage(V)

Cur

rent

den

sity

(A/c

m2 )

Voltage(V)

Grafting PDMS at 200W

4.2V

(a) (b)

-2 0 2 4 6 8 10-0.4-0.20.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.02.22.4

0 2 4 6 8 101E-4

1E-3

0.01

Curre

nt(A

)

Voltage(V)

Cur

rent

den

sity

(A/c

m2 )

Voltage(V)

Wet etching at 200W

3V

-2 0 2 4 6 8-0.4-0.20.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.02.22.4

0 5 101E-3

0.01

0.1

1

Curre

nt(A

)

Voltage(V)

Cur

rent

(A/c

m2 )

Voltage(V)

Wet etching and grafting PDMS at 200W

4.3V

(c) (d)

Figure 20. Current density　voltage (I-V) characteristics of Au / pent-

acene / surface-treated ZnO / ITO vertical diode at 200W : (a)

as-deposited, (b) Grafting PDMS (c) Wet-etching (d) wet-

etching and grafting PDMS

23

제 5 장 결론

유/무기 하이브리드 소자의 성능은 유/무기 물질의 계면상태의 친수성/소수성

의 여부에 따라 크게 달라진다. 본 논문에서는 Sputter의 RF power를 증가할

수록 ZnO의 grain size는 증가하고, buffer oxide etchant(BOE)를 이용한 습

식 식각 및 PDMS grafting 이후의 접촉각은 RF power가 100W, 200W,

300W에서 각각 103.5, 110.9, 115.8°를 보여 as-deposited일 때 61.3, 60.1,

68.8˚보다 증가하여 소수성으로 전환되어 ZnO 박막 위에 Wet – etching 및

PDMS 표면처리를 통하여 소수성 갖는 ZnO 표면을 확인하였다.

Pentacene/ZnO 에 대한 계면 특성의 변화를 통해 Au / pentacene / ZnO /

ITO vertical diode의 전기적 특성을 확인하였다. 소수성 특성을 갖는 ZnO 박

막에서 pentacene의 grain size가 증가함을 보였고, Au/pentacene/ZnO/ITO

diode를 제작하여 표면처리 이후의 current-voltage를 측정한 결과 100W,

200W에서 6V일 때 각각 3.8, 2.8A/cm2 로 , Turn-on voltage는 4.2, 4.3V을

보였다.

Au / pentacene / ZnO / ITO vertical diode의 Current density –Voltage

특성이 향상됨을 확인하여 하이브리드 p-n junction diode 성능 향상에 대한

방향과 가능성을 제시하는 바이다.

24

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제 1 장 서 론 제 2 장 하 이 브 리 드 p - n 접 합 을 위 한 소 수 성 의 Z n O 박 막 제 작 2 . 1 . S p u t t e r d e p o s i t i o n 으 로 증 착 한 Z n O 박 막 형 성 2 . 2 . B O E 및 P D M S 를 이 용 한 Z n O 박 막 표 면 처 리 2 . 3 . Z n O 박 막 위 의 P D M S g r a f t i n g 에 대 한 메 카 니 즘 2 . 4 . 표 면 처 리 된 Z n O 박 막 의 접 촉 각 측 정 2 . 5 . X - r a y D i f f r a c t i o n m e a s u r e m e n t

제 3 장 소 수 성 Z n O 박 막 위 에 서 의 P e n t a c e n e 성 장 3 . 1 . E v a p o r a t i o n 을 이 용 한 p e n t a c e n e 성 장 3 . 2 . Z n O 박 막 의 소 수 성 정 도 에 따 른 p e n t a c e n e 의 g r a i n s i z e 변 화

제 4장 하이브리드 A u / p e n t a c e n e / Z n O / I T O v e r t i c a l d i o d e 에 대한 I -V c u r v e 특 성 분 석 4 . 1 . A u / p e n t a c e n e / Z n O / I T O v e r t i c a l d i o d e 제 작 4 . 2 . A u / p e n t a c e n e / Z n O / I T O D i o d e 의 전 기 적 특 성

제 5 장 결 론 참 고 문 헌