KR100711804B1 - 단전자 트랜지스터의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 단전자 트랜지스터 (single-electron transistor, SET)의 제조방법에 관한 것으로, 특히 상온 및 대기중에서 매우 안정하고 쉽게 대량합성이 가능하고, 상온에서 작동 가능하며 경제적으로 대량 생산할 수 있고, 저전력, 초고속, 초고집적회로의 전자소자 구현을 앞당기는 단전자 트랜지스터의 제조방법이다.
또한, 본 발명은 Au55(PPh3)12Cl6라는 나노 분자를 이용해 현재의 반도체기술내에서 상온에서 동작하는 단전자 트랜지스터 (single-electron transistor)로, Au55(PPh3)12Cl6 나노 분자를 게이트(Gate)가 내장된 산화막 위에 자기조립 단일막 (SAM :self-assembled monolayer) 형태로 증착시킨 후 SAM의 좌측과 우측에 각각 소스와 드레인 전극을 접합하고 SAM위에 산화막을 증착하여 상온 및 대기중에서 매우 안정하고 쉽게 대량합성이 가능한 단전자 트랜지스터의 제조 방법이다.
나노분자, Au55(PPh3)12Cl6, 자기조립 단일막, 나노클러스터, 초고집적.
Description
도 1은 본 발명의 나노분자 Au55(PPh3)12Cl6 분자구조를 도시한 도,
도 2는 본 발명의 게이트가 내재된 산화막기판을 도시한 도,
도 3은 도 2에서 구비한 자기조립 단일막에 소스와 드레인 전극을 장착시킨 도,
도 4는 도 3의 소자 위에 산화막을 덮어씌워 완성한 단전자 트랜지스터의 단층도를 도시한 것이다.
본 발명은 단전자 트랜지스터 (single-electron transistor, SET)의 제조방법에 관한 것으로, 특히 상온 및 대기중에서 매우 안정하고 쉽게 대량합성이 가능하고, 상온에서 작동 가능하며 경제적으로 대량 생산할 수 있고, 저전력, 초고속, 초고집적회로의 전자소자 구현을 앞당기는 단전자 트랜지스터의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 단전자 트랜지스터(SET : single electron transistor)는 소스와 드레인 사이에 나노크기의 한 개의 양자점과 이와 전기용량적으로 커플링된 게이트로 하나의 단위소자를 이루는 양자(量子: quantum)화 개념의 트랜지스터이다. 전자 1개가 1비트의 정보를 저장할 수 있어 1mm의 10만분의 1정도의 나노 소자에서 테라(tera)급의 기억용량을 실현할 수 있는 차세대 기억소자로 기대되고 있다.
단전자 트랜지스터는 저전력, 초고속, 초고집적 미래 전자소자의 구현을 위해 반드시 필요한 필수 요소로서 인식되고 있어 상온에서 동작하는 단전자 트랜지스터의 제조방법 개발은 필수적이다. 상온에서 동작하는 단전자 트랜지스터를 제조하기 위해서는 쿨롱 아일랜드 (Coulomb island)의 정전용량 (Capacitance)이 0.2x10-18 F 이하가 되어야 쿨롱장벽 (Coulomb blockade) 에너지가 상온의 열에너지보다 커져서 단전자 소자로서 작동을 할 수가 있다. 정전용량 (Capacitance)이 0.2x10-18 F 이하가 되기 위해서는 쿨롱 아일랜드의 직경이 약 20나노미터 이하가 되어야 한다.
그러나 종래의 단전자 트랜지스터의 제조 방식인 빛 (light)에 의한 식각방법이나 전자빔에 의한 식각 방법은 쿨롱 아일랜드의 크기를 20 나노미터 이하로 하기가 불가능하거나 비용의 엄청난 증가로, 현재까지 상온에서 작동하는 단전자 트랜지스터는 현실화되지 못하는 문제점이 있다.
위와 같은 나노미터 크기의 쿨롱 아일랜드를 제작하기 위해 식각 방법에 바탕을 둔 톱-다운(top-down) 방식 대신에, 나노 크기의 분자를 이용한 버텀 업(bottom-up)방식을 창안해 내어왔고, 최근에 주사투과현미경 (scanning tunneling microscope; STM, 이하 STM)을 이용하여 나노 분자의 쿨롱장벽의 에너지가 상온의 열에너지보다 크다는 것을 보여주었다.
본 발명은 종래의 기술에 의해 제작된 단전자 트랜지스터는 쿨롱 아일랜드의 크기가 수십에서 수백 나노미터 이상이어서, 저온에서만 동작하였던 것을 해결한 것으로, 쿨롱장벽의 에너지가 상온의 열에너지보다 훨씬 큰 나노 분자를 이용하여 상온에서 동작하는 단전자 트랜지스터의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 Au55(PPh3)12Cl6라는 나노 분자를 이용해 현재의 반도체기술내에서 상온에서 동작하는 단전자 트랜지스터 (single-electron transistor)를 제조하는 것으로, Au55(PPh3)12Cl6 나노 분자를 게이트(Gate)가 내장된 산화막 위에 자기조립 단일막 (SAM :self-assembled monolayer) 형태로 증착시킨 후 SAM의 좌측과 우측에 각각 소스와 드레인 전극을 접합하고 SAM위에 산화막을 증착하여 상온 및 대기중에서 매우 안정하고 쉽게 대량합성이 가능한 단전자 트랜지스터의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 단전자 트랜지스터의 제조 방법은, 게이트, 소스, 드레인, 쿨롱 아일랜드가 있는 단전자 트랜지스터에 있어서, 게이트가 포함된 산화막 위에 나노 분자 Au55(PPh3)12Cl6를 이용하여 자기조립 단일막 형태로 증착시키는 단계와, 자기조립 단일막의 좌우측에 상기 소스와 드레인 전극을 접합하여 전압을 인가하는 2단계와, 자기조립 단일막위에 산화막을 증착하여 덮어서 단전자 트랜지스터를 제조하는 3단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 나노 분자 Au55(PPh3)12Cl6 는 화학식 Ph는 C6H5의 화학식을 갖는 페닐(Phenyle)기를 나타내고, Au, P, Cl은 화학 원소를 나타내는 것을 특징으로 하며, 단전자 트랜지스터는 상온과 대기중에서 대량 합성이 가능하고, 상온에서 작동하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 쿨롱 아일랜드는 2 nm 크기의 분자로 구비되고, 정전용량 이 0.2x10-18 F 이하를 만족시키는 것을 특징으로 하고, 소스 전극과 상기 쿨롱 아일랜드 사이 그리고 상기 드레인과 상기 쿨롱 아일랜드 사이의 전기저항은 각각 수십 메가 오옴이상 되도록 구비되고, 정전용량은 각각 0.1 x10-19 F 이하를 만족하도록 구비되는 것을 특징으로 하며, 게이트와 상기 쿨롱 아일랜드 사이의 전기저항은 수백 메가 오옴이상이며, 정전용량은 0.1 x10-19 F 이하를 만족하도록 구비되는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 단전자 트랜지스터의 제조 방법을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 나노분자 Au55(PPh3)12Cl6 분자구조를 도시한 도면이고, 도 2는 게이트가 내재된 산화막기판을 나타낸 것이고, 도 3은 게이트가 내재된 산화막 위에 형성된 Au55(PPh3)12Cl6 자기조립 단일막 (self-assembled monolayer)과 SAM의 좌측과 우측에 각각 부착된 소스와 드레인 전극을 도시한 것이고, 도 4는 도 3의 소자위에 산화막을 덮어씌워 완성한 단전자 트랜지스터의 단층도를 도시한 것이고, 도 5는 본 발명의 단전자 트랜지스터의 제조 순서도이다.
본 발명은 종래와는 다르게 상온에서 작동하는 단전자 트랜지스터의 제조에 관한 것으로, 나노분자 Au55(PPh3)12Cl6 를 가지며 금 (Au) 원자 55개로 이루어진 2nm 크기의 클러스터(cluster)를 산화막 위에 증착 한 후 그것을 쿨롱 아일랜드 (Coulomb island)로 이용하고, 상온 및 대기중에서 매우 안정하고 쉽게 대량합성이 가능하고 나노분자 Au55(PPh3)12Cl6를 갖는 화합물을 게이트 (gate)가 내재된 산화막 위에 자기조립 단일막 (self-assembled monolayer, SAM) 방식으로 형성한 후 자기조립 단일막의 좌측과 우측에 소스 (source) 와 드레인 (drain) 전극을 접합하여 상온에서 동작하는 SET를 제조한다.
상기 화학식 Ph는 C6H5의 화학식을 갖는 페닐(Phenyle)기를 나타내고, Au, P, Cl은 화학 원소를 나타낸다.
도 1에는 화학식 1로 표기되는 나노분자의 분자구조를 도시한 것으로, 금원자 (Au) 55개로 된 클러스터가 12개의 PPh3 분자와 6개의 Cl 원자에 의해 둘러싸여진 2nm 크기를 갖는 나노 분자를 이용한다. Au55클러스터를 둘러싸고 있는 PPh3 분자들과 Cl 원자들은 Au55 클러스터를 화학적으로 보호함과 전기적으로 절연체 역할을 한다.
본 발명은 언급한 바와 같이, 나노 분자 Au55(PPh3)12Cl6를 이용하여 상온에서 작동하는 단전자 트랜지스터를 제조하는 것으로, 도 2에는 실리콘(Si) 기판위에 구비된 게이트(Gate)가 내재된 산화막 위에 Au55(PPh3)12Cl6 나노분자를 이용하여 자기조립 단일막 (self-assembled monolayer, SAM)의 형식으로 도 3에 도시한 바와 같이 증착시키고, 자기조립 단일막(SAM)의 좌측과 우측에 각각 소스와 드레인 전극을 진공에서 증착 접합시킨다.
또한 도 4에 도시한 바와 같이 자기조립 단일막(SAM)을 보호하기 위해 자기조립 단일막(SAM) 위에 산화막을 증착시키는 것으로 이루어진다.
본 발명은 상온에서 작동하는 단전자 트랜지스터를 제조하기 위해 쿨롱아일 랜드(Coulomb island)의 정전용량 (Capacitance)이 0.2x10-18 F 이하가 되도록 구비하고, 쿨롱 아일랜드의 직경은 약 20 나노미터 이하가 되도록 구비한다.
또한 소스(Source)와 쿨롱아일랜드간의 전기저항 그리고 드레인(Drain)과 쿨롱아일랜드간의 전기저항이 각각 수십 메가 오옴(MΩ)이상 되도록 제조하며 정전용량은 각각 0.1 x10-19 F 이하가 되도록 구비한다.
한편, 게이트(Gate)와 쿨롱 아일랜드간의 전기저항은 수백 메가 오옴(MΩ) 이상되도록 하며 정전용량 또한 0.1 x10-19 F 이하가 되도록 한다.
또한 소스(Source)와 드레인(Drain) 사이에 있는 쿨롱아일랜드(Coulomb island)는 분자간 인력에 의해 서로 결합되어 있어야 되며 두 분자사이의 전기저항은 수십 메가 오옴(MΩ)에서 수 기가 오옴(GΩ) 사이가 되도록 구비한다.
종래의 기술에 의해 제작된 단전자 트랜지스터는 쿨롱아일랜드의 크기가 수십에서 수백 나노미터 이상이어서, 저온에서만 동작하였으나, 본 발명은 쿨롱 장벽의 에너지가 상온의 열에너지보다 훨씬 큰 나노 분자 Au55(PPh3)12Cl6를 이용하여 상온에서 동작하고, 상온과 대기중에서 대량 합성이 가능하며 경제성이 우수한 단전자 트랜지스터를 제공한다.
지금까지 본 발명의 구성 및 동작에 대해 상세하게 설명하였다. 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 변형을 가할 수 있다.
위에서 언급한 바와 같이, 본 발명에 의한 단전자 트랜지스터의 제조방법에 따르면 쿨롱아일랜드를 2 nm 크기의 분자로 제작하기 때문에 상온에서 작동 가능하며, 경제적으로 대량 생산할 수 있으므로 저전력, 초고속, 초고집적회로의 전자소자 구현을 앞당길 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 단전자 트랜지스터의 제조 방법은 상온 및 대기중에서 매우 안정하고 쉽게 대량 합성이 가능한 효과가 있으며, 테라(tera)급의 메모리의 구현을 앞당길 수 있는 효과가 있다.
Claims (6)
- 게이트, 소스, 드레인, 쿨롱 아일랜드가 있는 단전자 트랜지스터에 있어서,상기 게이트가 포함된 산화막 위에 나노 분자 Au55(PPh3)12Cl6를 이용하여 자기조립 단일막 형태로 증착시키는 단계와;상기 자기조립 단일막의 좌우측에 상기 소스와 드레인 전극을 접합하여 전압을 인가하는 2단계와;상기 자기조립 단일막위에 산화막을 증착하여 덮어서 단전자 트랜지스터를 제조하는 3단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단전자 트랜지스터의 제조방법.
- 제 1항에 있어서,상기 나노 분자 Au55(PPh3)12Cl6 는 화학식 Ph는 C6H5의 화학식을 갖는 페닐(Phenyle)기를 나타내고, Au, P, Cl은 화학 원소를 나타내는 것을 특징으로 하는 단전자 트랜지스터의 제조방법.
- 제 1항에 있어서,상기 단전자 트랜지스터는 상온과 대기중에서 대량 합성이 가능하고, 상온에 서 작동하는 것을 특징으로 하는 단전자 트랜지스터의 제조방법.
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