Highly stable contact doping in organic field effect transistors by dopant-blockade method

유기반도체 물질이 발광소자(AMOLED), 태양전지 등 각종 광전자 및 전자소자에 활발히 응용되고 있지만, 아직까지 금속전극과 유기반도체 계면에서 일어나는 높은 컨택저항(contact resistance)의 문제로 소자의 성능 한계에 도달하고 있다. 이전에 우리 연구실에서는 분자주입을 통한 도핑이 전하주입을 향상시킬 수 있음을 보여주었다(Y. Kim. et al., “Enhanced charge injection properties of organic field effect transistor by molecular implantation doping”, Advanced Materials, 31, 1806697 (2019)). 그러나, 분자주입시에 도핑 분자(dopant molecule)의 확산으로 인해서 트랜지스터의 채널영역까지 도핑이 되면서 ON/OFF ratio가 감소하면서 소자의 안정성이 떨어지는 것이 걸림돌로 작용하였다. 이 문제를 해결하기 위해 본 연구에서는 도핑 분자들의 확산을 효과적으로 억제할 수 있는 도핑확산방어(dopant-blockade) 분자들을 도용함으로써 소자안정성을 크게 늘릴 수 있었다. 본 연구에서 제안된dopant-blockade방법 및 컨택도핑 방법은 향후 유기반도체 소자에서 컨택저항 문제를 해결하는 동시에 소자 안정성을 확보하는데 응용 가능 할 것이다. 본 연구 결과는 해외특허(미국)로 출원되어 현재 등록허가를 받은 후 등록절차를 밟고있는 중이다.

In organic device applications, a high contact resistance between metal electrodes and organic semiconductors prevents an efficient charge injection and extraction, which fundamentally limits the device performance. Recently, various contact doping methods have been reported as an effective way to resolve the contact resistance problem. However, the contact doping has not been explored extensively in organic field effect transistors (OFETs) due to dopant diffusion problem which significantly degrades the device stability by damaging the ON/OFF switching performance. Here, we improved the stability of a contact doping method by incorporating “dopant-blockade molecules” in poly(2,5-bis(3-hexadecylthiophen-2-yl)thieno [3,2-b]thiophene) (PBTTT) film in order to suppress the diffusion of the dopant molecules. By carefully selecting the dopant-blockade molecules for effectively blocking the dopant diffusion paths, the ON/OFF ratio of PBTTT OFETs could be maintained over two months. This work would maximize the potential of OFETs by employing the contact doping method as a promising route towards resolving the contact resistance problem.

Authors : Youngrok Kim, Katharina Broch, Woocheol Lee, Heebeom Ahn, Jonghoon Lee Daekyoung Yoo, Junwoo Kim, Seungjun Chung, Heening Sirringhaus, Keehoon Kang* and Takhee Lee*

DOI: 10.1002/adfm.202000058

Published online: 25 May 2020

Link: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202000058