Copper iodide (CuI) has emerged as a promising p-type semiconductor material owing to its excellent carrier mobility, high transparency, and solution-processability. Although CuI has potentials for numerous applications including perovskite solar cells, photovoltaic devices, and thin-film transistors (TFTs), a close relationship between the anion vacancy generation and charge transport mechanism in CuI based devices was underexplored. In this study, we propose the solution-processed p-type CuI TFTs which were brought into thermal annealing process in air and vacuum ambient at temperatures of 100 °C, 200 °C, and 300 °C. The chemical states and surface morphologies of the CuI thin films were systematically investigated, revealing the generation of iodine vacancy states and reduction of carrier concentration, as well as increased film density and grain size according to the annealing condition. Further, the effective role of Al2O3 passivation layer on the electrical characteristics of the solution-processed CuI TFTs was demonstrated for the first time, where the Al2O3 precursor greatly enhanced the electrical performance of the CuI TFTs, exhibiting the field-effect mobility of 4.02 cm2/V·s, the subthreshold swing of 0.61 V/decade, and the on/off current ratio of 1.12 × 104, which exceed the previously reported CuI TFTs so far. Based on the synergistic effects of annealing process and passivation layer that engineered the iodine vacancy state and morphology of the CuI, the proposed CuI TFTs with Al2O3 passivation layer showed excellent reliability under repeated operation for 100 times and long-term stability over 216 h, where the transfer curves slightly shifted in the positive direction of 1.36 V and 1.88 V measured at a current level of 10-6 A for the reliability and stability tests, respectively. Thus, this work opens a new window of solution-processed p-type CuI TFTs with excellent stability for developing next-generation complementary logic circuits.
본 연구에서는 다양한 열처리 분위기와 온도가 p형 구리 아이오다이드(CuI) 박막의 화학적, 전기적 그리고 광학적 특성에 미치는 영향을 조사하였다. 글로브 박스에서 CuI 전구체 제작 후 스핀 코팅을 사용하여 CuI 채널을 형성하고, 100, 200, 300 ℃의 온도에서 공기 및 진공 분위기에 솔루션 처리된 p형 CuI 박막을 열처리하였다. CuI 박막의 화학적 상태와 표면 모폴로지는 열안정화 조건에 따라 아이오딘 공석 상태의 생성과 캐리어 농도 감소, 그리고 박막 밀도와 결정 크기의 증가를 나타냈다. 또한, 원자층 증착 방법을 이용한 Al2O3 보호막 층 형성에 따른 p형 CuI 박막 트랜지스터의 전기적 성능 특성에 미치는 영향을 조사하였다. CuI 박막 위에 Al2O3 층을 증착한 소자에서는 전계 이동도가 4.02 cm2/Vs이고 전류 온-오프 비가 1.12 x 104인 특성을 띄는 고성능 p형 CuI를 제작할 수 있었다. 이는 열처리 과정과 보호막의 상호 작용 효과를 기반으로 CuI의 아이오딘 공성 상태 및 형태를 조절한 결과로, Al2O3 보호막을 사용한 CuI TFT는 100회의 반복 작동 및 216시간 이상의 장기 안정성과 향상된 소자 성능을 유지할 수 있었다. 이러한 연구 결과를 통해 미래의 전자 응용 분야에서 솔루션 처리된 p형 CuI TFT의 막대한 잠재력을 입증할 수 있었다.