KR100668355B1 - 캐리어 트래핑 물질을 구비한 유니폴라 탄소나노튜브 및유니폴라 전계효과 트랜지스터 - Google Patents
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Abstract
캐리어 트래핑 물질을 구비한 유니폴라 탄소나노튜브 및 유니폴라 전계효과 트랜지스터가 개시된다. 개시된 캐리어 트래핑 물질을 구비한 유니폴라 탄소나노튜브는, 탄소나노튜브 내부에 밀봉된 상기 캐리어 트래핑 물질은 상기 탄소나토튜브를 도핑시켜서 앰비폴라 특성을 유니폴라 특성으로 용이하게 변환시킨다. 또한, 상기 트래핑 물질에 따라서 p 형 또는 n 형 탄소나노튜브 및 전계효과 트랜지스터를 구현할 수 있다.
Description
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 유니폴라 탄소나노튜브 전계효과 트랜지스터(unipolar carbon nanotube field effect transistor: CNT FET)의 단면도이다.
도 2는 탄소나노튜브 내부에 Br 분자가 밀봉된 것을 보여주는 도면이다.
도 3은 Ab initio 프로그램으로 계산된 Br 분자와 CNT가 결합시의 형성 에너지를 보여주는 그래프이다.
도 4는 Ab initio 프로그램으로 시뮬레이션한 Br 분자의 결합에 의한 CNT 의 PDOS(partial density of state)를 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 유니폴라 CNT FET의 단면도이다.
본 발명은 앰비폴라(ambipolar) 나노튜브 특성을 유니폴라(unipolar) 나노튜브 특성으로 변환한 캐리어 트래핑 물질을 구비한 유니폴라 (unipolar) 탄소나노튜브 및 전계효과 트랜지스터에 관한 것이다.
나노튜브 전계효과 트랜지스터는 전자적 성질이 우수하여 전자적 응용에 광범위하게 사용되고 있다. 그러나 나노튜브 전계효과 트랜지스터는 전형적으로 앰비폴라(ambipolar) 전자적 특성을 나타내며, 이것은 많은 소자 응용에 바람직하지 않다.
Yu-Ming Lin, Joerg Appenzeller, Phaedon Avouris에 의한 "ambipolar CNT-FET를 unipolar CNT-FET 로 변환" 나노 레터스(NANO LETTERS) 2004 Vol. 4, No. 5, PP 947-950 에는 게이트 옥사이드응을 에칭하고 에칭된 영역 하부의 실리콘 기판을 "V"컷하여 p-type CNT FET를 구현하였다.
그러나, 상기 방법은 복잡한 제조공정을 필요로 한다.
본 발명의 목적은 내부에 밀봉된 캐리어 트래핑 물질에 의해서 앰비폴라 특성이 유니폴라 특성으로 용이하게 변환된 나노튜브를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 나노튜브를 구비한 전계효과 트랜지스터를 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 유니폴라 탄소나노튜브는:
탄소나노튜브; 및
상기 탄소나노튜브 내에 밀봉된 캐리어 트래핑 물질;을 구비하며,
상기 캐리어 트래핑 물질은 상기 탄소나토튜브를 도핑시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 국면에 따르면, 상기 캐리어 트래핑 물질은 할로겐 분자이며,
상기 탄소나노튜브는 P형이다.
상기 할로겐 분자는 브롬 또는 요오드 분자일 수 있다.
상기 할로겐 분자는 홀수개의 할로겐 원자로 이루어진 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 국면에 따르면, 상기 캐리어 트래핑 물질은 전자도너분자이며, 상기 탄소나노튜브는 n형이다.
상기 전자도너분자는 알칼리 금속 또는 알칼린 토금속일 수 있다.
바람직하게는 상기 전자도너분자는 세슘(Cs) 또는 바륨(Ba)이다.
상기 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 유니폴라 전계효과 트랜지스터는: 소스 전극 및 드레인 전극;
게이트;
상기 소스 전극 및 드레인 전극으로부터 상기 게이트를 이격시키는 절연층;
상기 소스 전극 및 드레인 전극과 전기적으로 접촉하며, 전계효과 트랜지스터의 채널영역으로 작용하는 나노튜브; 및
상기 나노튜브 내에 밀봉된 캐리어 트래핑 물질;을 구비하며,
상기 캐리어 트래핑 물질은 상기 탄소나토튜브를 도핑시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 국면에 따르면, 상기 전계효과 트랜지스터를 위한 기판을 더 구비하며,
상기 절연층은 상기 기판 상에 위치하며, 상기 소스 전극, 드레인 전극 및 나노튜브는 상기 절연층 상에 위치하며, 상기 나노튜브는 상기 소스 전극 및 드레인 전극 사이에서 연장될 수 있다.
본 발명의 다른 국면에 따르면, 상기 나노튜브 상에 상기 절연층이 위치하며, 상기 게이트는 상기 절연층 상에 배치된다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 의한 캐리어 트래핑 물질을 구비한 유니폴라 탄소나노튜브 및 전계효과 트랜지스터 에 대해 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 유니폴라 탄소나노튜브 전계효과 트랜지스터(unipolar carbon nanotube field effect transistor: CNT FET)의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 도전성 기판(10), 예컨대 고농도로 도핑된 실리콘 웨이퍼 상에 게이트 산화물층(11), 예컨대 실리콘 옥사이드가 형성되어 있다.
게이트 산화물층(11) 상에는 서로 이격된 전극(13, 14)이 형성되어 있으며, 이들 전극(13, 14) 사이에는 탄소나노튜브(19)가 상기 전극(13, 14)과 전기적으로 연결되게 형성되어 있다. 이 전극(13, 14)은 각각 드레인 영역 및 소스 영역으로 작용하며, 상기 탄소나노튜브(19)는 채널영역으로 작용한다. 또한, 상기 도전성 기판(10)은 백 게이트 전극으로 작용한다.
상기 탄소나노튜브(19)는 싱글 월(single wall) 나노튜브일 수 있다. 상기 탄소나노튜브(19) 내부에는 할로겐 분자, 예컨대 Br 분자가 밀봉되어 있다. 상기 Br 분자의 밀봉은 Br 원자를 이온 샤워(ion shower) 하거나 또는 Br 수용액에 탄소나노튜브를 담금으로써 이루어질 수 있다.
도 2는 탄소나노튜브 내부에 Br 분자가 밀봉된 것을 보여주는 도면이다. 도 2를 참조하면, 상기 Br 분자는 2-5 Br 원자로 이루어질 수 있다.
도 3은 Ab initio 프로그램으로 계산된 Br 분자와 CNT가 결합시의 형성 에너지를 보여주는 그래프이다. 가로축은 탄소나노튜브의 키럴성(chirality)를 가리키는 것으로 CNT(N, 0)의 N을 가리킨다.
도 3을 참조하면, 홀수 Br 원자로 이루어진 Br 분자(Br3 또는 Br5) 및 CNT 사이의 형성에너지가 짝수 Br 원자로 이루어진 Br 분자(Br2 또는 Br4) 및 CNT 사이의 형성에너지 보나 낮으며, 따라서 홀수 Br 원자로 이루어진 Br 분자(Br3 또는 Br5) 및 CNT 사이의 결합이 용이하게 일어난다.
도 4는 Ab initio 프로그램으로 시뮬레이션한 Br 분자의 결합에 의한 CNT 의 PDOS(partial density of state)를 보여주는 도면이다. 도면에서 실선은 CNT 의 PDOS이며, 점선은 Br 분자와 CNT의 결합으로 생성된 local spin-density 이며, 도면에서 화살표는 CNT 의 밴드갭 에너지를 가리킨다.
도 4를 참조하면, Br3 및 Br5 분자와 탄소의 결합시, 생성된 local spin-density는 Ferimi level 보다 훨신 낮으며, 따라서 이러한 상태는 CNT 의 밴드 에너지 상태에 영향을 미치지 않는다. 이 때 Br 분자는 CNT의 탄소와 결합하여 CNT로부터 전자를 뺏으므로 CNT는 p형으로 된다. 상기 Br 분자는 CNT로부터 전자를 뺏는 캐리어 트래핑 물질이다. 이러한 Br 분자 및 CNT의 결합은 강한 흡착 또는 p-doping 이라고 할 수 있다. 상기 캐리어 트래핑 물질인 Br 분자는 상기 탄소나노튜브(19)를 p형 유니폴라 탄소나노튜브로 만든다. 따라서, 상기 p형 유니폴라 탄소나 노튜브(19)를 구비하는 전계효과 트랜지스터는 p형 유니폴라 전계효과 트랜지스터가 된다.
한편, Br2 분자가 CNT와 결합하는 경우에는 가전자대역(valence band) 및 전도성대역(conducting band) 사이에 local spin-density 가 존재하며, 이 local spin-density는 CNT의 밴드갭 에너지 상태에 영향을 미친다. 그러나, 이러한 Br2 및 CNT 사이의 결합은 도 3의 형성에너지를 고려하면 Br분자가 Br2 상태로 존재할 가능성은 매우 낮다.
제1 실시예에서는 Br을 캐리어 트래핑 물질로 사용하였지만 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 할로겐 분자, 예컨대 요오드(I) 분자가 사용될 수 있다.
또한, 할로겐 분자 대신에 알칼리 금속, 또는 알칼린 토금속이 사용될 수 있다. 예컨대 세슘(Cs), 바륨(Ba)이 사용될 수 있다. 다만, Cs, Ba 과 같은 금속 원자가 캐리어 트래핑 물질로 사용될 때 이들 금속원자가 탄소와 결합하여 전자를 CNT 에 제공하므로 CNT는 n형 이 된다. 이러한 캐리어 트래핑 물질은 CNT에 전자를 주는 전자도너분자이다. 이러한 n형 CNT를 구비한 전계효과 트랜지스터는 n 형이 된다.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 유니폴라 CNT FET의 단면도이다. 도 5를 참조하면, 기판(20) 상에 절연층(21)이 형성되어 있다. 절연층(21) 상에는 서로 이격된 전극(23, 24)이 형성되어 있으며, 이들 전극(23, 24) 사이에는 탄소나노튜브(29)가 상기 전극(23, 24)과 전기적으로 연결되게 형성되어 있다. 상기 탄소나노튜 브(29) 상에는 게이트 산화물층(31)이 형성되어 있다. 또한, 상기 게이트 산화물층(31) 상에서 상기 전극(23, 24) 사이의 채널영역에 대응되는 영역에는 패터닝된 게이트 전극(33)이 형성되어 있다. 상기 전극(23, 24)은 각각 드레인 영역 및 소스 영역으로 작용하며, 상기 탄소나노튜브(29)는 채널영역으로 작용한다.
상기 탄소나노튜브(29)는 싱글 월(single wall) 나노튜브일 수 있다. 상기 탄소나노튜브(29) 내부에는 할로겐 분자, 예컨대 Br 분자가 밀봉되어 있다. 상기 Br 분자는 Br3 또는 Br5 분자로 이루어져 있다. 상기 캐리어 트래핑 물질인 Br 분자는 상기 탄소나노튜브(29)를 p형 유니폴라 탄소나노튜브로 만든다. 따라서, 상기 p형 유니폴라 탄소나노튜브를 구비하는 전계효과 트랜지스터는 p형 유니폴라 전계효과 트랜지스터가 된다.
본 발명에 의하면, 탄소나노튜브의 내부에 캐리어 트래핑 물질을 밀봉시킴으로써 앰비폴라 특성을 유니폴라 특성으로 용이하게 변환시킬 수 있다.
또한, 상기 트래핑 물질에 따라서 p 형 또는 n 형 탄소나노튜브 및 전계효과 트랜지스터를 구현할 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 따라서, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
Claims (19)
- 탄소나노튜브; 및상기 탄소나노튜브 내에 밀봉된 캐리어 트래핑 물질;을 구비하며,상기 캐리어 트래핑 물질은 상기 탄소나토튜브를 도핑시키는 것을 특징으로 하는 유니폴라 탄소나노튜브.
- 제 1 항에 있어서,상기 캐리어 트래핑 물질은 할로겐 분자이며,상기 탄소나노튜브는 P형인 것을 특징으로 하는 유니폴라 탄소나노튜브.
- 제 2 항에 있어서,상기 할로겐 분자는 브롬 또는 요오드 분자인 것을 특징으로 하는 유니폴라 탄소나노튜브.
- 제 2 항에 있어서,상기 할로겐 분자는 홀수개의 할로겐 원자로 이루어진 것을 특징으로 하는 유니폴라 탄소나노튜브.
- 제 1 항에 있어서,상기 캐리어 트래핑 물질은 전자도너분자이며,상기 탄소나노튜브는 n형인 것을 특징으로 하는 유니폴라 탄소나노튜브.
- 제 5 항에 있어서,상기 전자도너분자는 알칼리 금속 또는 알칼린 토금속인 것을 특징으로 하는 유니폴라 탄소나노튜브.
- 제 6 항에 있어서,상기 전자도너분자는 세슘(Cs) 또는 바륨(Ba)인 것을 특징으로 하는 유니폴라 탄소나노튜브.
- 제 1 항에 있어서,상기 탄소나노튜브는 싱글 월 탄소나노튜브인 것을 특징으로 하는 유니폴라 탄소나노튜브.
- 소스 전극 및 드레인 전극;게이트;상기 소스 전극 및 드레인 전극으로부터 상기 게이트를 이격시키는 절연층;상기 소스 전극 및 드레인 전극과 전기적으로 접촉하며, 전계효과 트랜지스터의 채널영역으로 작용하는 탄소나노튜브; 및상기 탄소나노튜브 내에 밀봉된 캐리어 트래핑 물질;을 구비하며,상기 캐리어 트래핑 물질은 상기 탄소나토튜브를 도핑시키는 것을 특징으로 하는 유니폴라 전계효과 트랜지스터.
- 제 9 항에 있어서,상기 캐리어 트래핑 물질은 할로겐 분자이며,상기 전계효과 트랜지스터는 P형인 것을 특징으로 하는 전계효과 트랜지스터.
- 제 10 항에 있어서,상기 할로겐 분자는 브롬 또는 요오드 분자인 것을 특징으로 하는 전계효과 트랜지스터.
- 제 10 항에 있어서,상기 할로겐 분자는 홀수개의 할로겐 원자로 이루어진 것을 특징으로 하는 전계효과 트랜지스터.
- 제 9 항에 있어서,상기 캐리어 트래핑 물질은 전자도너분자이며,상기 전계효과 트랜지스터는 n형인 것을 특징으로 하는 전계효과 트랜지스 터.
- 제 13 항에 있어서,상기 전자도너분자는 알칼리 금속 또는 알칼린 토금속인 것을 특징으로 하는 전계효과 트랜지스터.
- 제 14 항에 있어서,상기 전자도너분자는 세슘(Cs) 또는 바륨(Ba)인 것을 특징으로 하는 전계효과 트랜지스터.
- 제 9 항에 있어서,상기 전계효과 트랜지스터를 위한 기판을 더 구비하며,상기 절연층은 상기 기판 상에 위치하며, 상기 소스 전극, 드레인 전극 및 탄소나노튜브는 상기 절연층 상에 위치하며, 상기 탄소나노튜브는 상기 소스 전극 및 드레인 전극 사이에서 연장된 것을 특징으로 하는 전계효과 트랜지스터.
- 제 16 항에 있어서,상기 기판은 백 게이트로 작용하도록 도핑된 것을 특징으로 하는 전계효과 트랜지스터.
- 제 9 항에 있어서,상기 탄소나노튜브 상에 상기 절연층이 위치하며, 상기 게이트는 상기 절연층 상에 배치된 것을 특징으로 하는 전계효과 트랜지스터.
- 제 9 항에 있어서,상기 탄소나노튜브는 싱글 월 탄소나노튜브인 것을 특징으로 하는 전계효과 트랜지스터.
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