KR101803411B1 - Preparing method of the 3D wrap gate structured carbon nanotube transistors in aqueous solution and 3D wrap gate structured carbon nanotube transistors by the same - Google Patents
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본 발명은 용액상에서 자가조립을 통해 3차원 랩 게이트 구조의 탄소나노튜브 트랜지스터를 제조하기 위한 방법 및 이에 의해 제조된 3차원 랩 게이트 구조의 탄소나노튜브 트랜지스터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 저가의 용액공정을 통하여 탄소나노튜브의 양끝 단을 제외한 표면에 선택적으로 절연막을 형성하고, 절연막의 외층에 게이트 금속층을 자가조립시켜 3차원 랩 게이트 구조의 탄소나노튜브 트랜지스터를 제조하는 기술에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for manufacturing a carbon nanotube transistor having a three-dimensional wrap gate structure through self-assembly in a solution state, and a carbon nanotube transistor having a three-dimensional wrap gate structure manufactured thereby, The present invention relates to a technique for forming a carbon nanotube transistor having a three-dimensional wrap gate structure by selectively forming an insulating film on a surface excluding both ends of the carbon nanotube through a process and self-assembling a gate metal layer on an outer layer of the insulating film.
최근 스마트 전자 기기의 경량화 및 소형화 추세가 가속화됨에 따라 내부 소자의 고집적화가 요구되고 있으며, 따라서 집적화된 논리 회로에서 나노 크기의 트랜지스터 개발과 이를 실현시켜 줄 수 있는 신규한 물질에 대한 연구의 중요성이 점차 확산되고 있다. 탄소나노튜브(CNT)는 반도체의 성질을 가지며, 독특한 전기적 특성과 우수한 전기 전도성을 지니고 있는 나노 소자용 재료로서 실리콘을 대체하여 소자의 고집적화, 경량화가 가능한 차세대 트랜지스터 물질로서 각광받고 있다. Recently, as the trend of weight reduction and miniaturization of smart electronic devices is accelerated, there is a demand for high integration of internal devices. Therefore, development of nano-sized transistors in an integrated logic circuit and research on new materials capable of realizing the nano- Is spreading. Carbon nanotubes (CNTs) are materials for semiconductors, nano devices that have unique electrical characteristics and excellent electrical conductivity. They are becoming popular as next-generation transistor materials that can replace silicon with high integration and light weight.
그러나 탄소나노튜브 트랜지스터는 소자의 고집적화에 적합할 수 있으나, 종래 소자 대비 액티브 영역의 크기가 작아 액티브 영역에 형성되는 트랜지스터의 채널 길이가 짧으며, 이에 따라 소스 및 드레인 영역이 채널의 전계에 미치는 영향이 현저하여 게이트 전극에 의한 채널의 구동능력이 상당히 저하되는 단채널 효과(short channel effect)를 극복해야 하는 문제점이 있었다. 또한, 소자의 고집적화로 소스 및 드레인 전극과 게이트 전극이 서로 인접하여 위치함으로써 소스 및 드레인 전극과 게이트 전극 간에 강한 전계가 발생되고, 이로 인해 게이트 유도 드레인 누설(gate-induced drain leakage)이 증가하는 문제점이 있었다. However, the carbon nanotube transistor may be suitable for high integration of devices, but the channel length of the transistor formed in the active region is short due to the small size of the active region compared with the conventional device, and thus the influence of the source and drain regions on the channel electric field There is a problem in that the short channel effect, in which the driving ability of the channel due to the gate electrode is considerably lowered, has to be overcome. In addition, since the source and drain electrodes and the gate electrode are positioned adjacent to each other due to the high integration of the devices, a strong electric field is generated between the source and drain electrodes and the gate electrode, thereby increasing the gate-induced drain leakage .
따라서, 탄소나노튜브 트랜지스터가 기존의 실리콘 기반 소자를 대체하기 위해서는 소자 내 수 nm 수준의 짧은 채널영역(대략 10nm 이하)에 탄소나노튜브가 쉽게 집적되어야 하며 이때, 누설전류의 손실 없이 전자를 잘 컨트롤 할 수 있는 게이트 장악력(gate controllability)의 향상이 매우 중요한 요소이다. Therefore, in order for a carbon nanotube transistor to replace a conventional silicon-based device, carbon nanotubes must be easily integrated in a short channel region (about 10 nm or less) of several nanometers in the device. In this case, The improvement of gate controllability is very important factor.
이에 게이트 전극이 채널 영역을 입체적으로 감싸 소스 및 드레인 전극이 채널 영역의 전계에 미치는 영향을 감소시킬 수 있는 3차원 랩 게이트 구조(또는 게이트 올 어라운드 구조라고도 불리움)의 트랜지스터가 제안되었으며, 실제로 미국 IBM사나 일본NEC사 등의 연구소에서는 소스와 드레인 전극의 사이에 탄소나노튜브를 자가-정렬시키는 연구 및 3차원 랩 게이트 구조로 제작하여 소자의 효율을 향상시키는 연구 등 탄소나노튜브 트랜지스터를 실질적으로 디바이스화 시키기 위한 연구가 활발히 진행 중에 있다. A three-dimensional wrap gate structure (also referred to as a gate-all-around structure) is proposed in which a gate electrode surrounds a channel region in a three-dimensional manner to reduce the influence of source and drain electrodes on an electric field in a channel region. Research institutes such as Nana Corporation and NEC Corporation have conducted researches on self-aligning carbon nanotubes between source and drain electrodes and studies on improving the efficiency of devices by fabricating them with a three-dimensional wrap gate structure. Research is actively underway.
관련하여 대한민국 등록특허 제10-0958055호(발명의 명칭: 게이트에 의해 둘러싸인 카본나노튜브 전계효과 트랜지스터 및 그 제조방법, 이하 종래기술 1이라고 한다.)는 기판 상에 절연성을 가지는 제1매몰층, CNT 성장을 위한 공동부를 형성하기 위한 희생층, 제2매몰층을 순차적으로 형성하고, 상기 적층 구조물을 부분적으로 식각하여 희생층의 양측 단부가 각각 노출되는 대향된 두 측면을 형성하고, 두 측면을 포함하는 적층 구조물의 표면 상에 소스 및 드레인을 위한 도전층을 형성하고, 적층 구조물의 상부로부터 희생층의 중간 부분을 관통하는 우물을 형성하고 우물을 통해 에천트(echant)를 공급하여 희생층을 제거한 뒤, 제거된 부분에 CNT를 성장시키고, CNT의 노출된 부분에 게이트 절연층을 형성하고 게이트 절연층 상에 게이트 물질을 형성하고, 도전층 및 게이트 물질을 패터닝하여 CNT의 양단에 전기적으로 접촉되는 소스 및 드레인 그리고 CNT의 중간 부분을 감싸는 게이트를 형성하는 단계를 포함하여 제조되는 게이트에 의해 둘러싸인 CNT 전계효과 트랜지스터에 관한 기술을 개시한 바 있다. Korean Patent No. 10-0958055 (entitled "Carbon Nanotube Field Effect Transistor Surrounded by a Gate and Method for Manufacturing the Same" hereinafter, hereinafter referred to as "Prior Art 1") discloses a semiconductor device having a first buried layer, A sacrificial layer and a second buried layer for forming a cavity for CNT growth are sequentially formed, and the laminated structure is partially etched to form opposing two side surfaces at which both ends of the sacrificial layer are exposed, Forming a conductive layer for the source and drain on the surface of the stacked structure including the well, forming a well penetrating the middle portion of the sacrificial layer from the top of the stacked structure, and supplying an echant through the well to form a sacrificial layer CNTs are grown on the removed portions, a gate insulating layer is formed on the exposed portions of the CNTs, a gate material is formed on the gate insulating layers, Discloses a CNT field effect transistor surrounded by a gate formed by patterning a layer and a gate material to form a source and a drain that are in electrical contact with both ends of the CNT and a gate surrounding the middle portion of the CNT have.
또한, 대한민국 등록특허 제10-0839181호(발명의 명칭: 삼극관 구조의 탄소나노튜브 전계방출소자의 제조 방법, 이하 종래기술 2라고 한다.)는 실리콘 기판상에 형성시킨 산화 알루미나를 선택적으로 차폐시켜 차폐되지 않은 공간에서 CNT를 선택적으로 성장시키고, 그 위에 제1절연층, 게이트 전극층 및 제2절연층을 차례로 증착시킨 후, 식각 처리하여 CNT를 노출시킴으로써 CNT와 게이트 전극층 간의 절연성을 확보하는 기술에 관하여 개시한 바 있다. Korean Patent No. 10-0839181 entitled "Method for manufacturing a carbon nanotube field emission device having a triode structure, hereinafter referred to as Conventional Technique 2") selectively shields alumina formed on a silicon substrate A technique of selectively growing CNTs in a non-shielded space, sequentially depositing a first insulating layer, a gate electrode layer, and a second insulating layer thereon, and then etching the CNTs to expose the CNTs to secure insulation between the CNTs and the gate electrode layer .
종래기술 1은 소자의 게이트 장악력을 향상시키기 위하여 게이트에 의해 둘러싸인 CNT 트랜지스터 및 이의 제조방법에 관한 기술을 개시하고 있으나, 제1매몰층, 희생층 및 제2매몰층으로 이루어진 적층 구조물을 일부 식각하는 공정, 에천트를 이용하여 희생층을 제거하는 공정, 패터닝 등의 복잡한 반도체 공정을 포함함에 따라 제조비용의 절감 및 양산성 향상에 어려움이 있었다. The prior art 1 discloses a CNT transistor surrounded by a gate in order to improve the gate holding power of the device and a method of manufacturing the CNT transistor, but it is also possible to partially etch the multilayered structure composed of the first buried layer, the sacrificial layer and the second buried layer The process of removing the sacrificial layer by using an etchant, and the complicated semiconductor process such as patterning, it has been difficult to reduce the manufacturing cost and improve the mass productivity.
종래기술 2도 종래기술 1과 마찬가지로 기판에 선택적으로 CNT를 성장시키고, 절연층을 덮은 뒤 CNT의 일부를 노출시키기 위하여 식각하는 공정을 별도로 포함하여 양산성을 향상시키는데 있어서 제한된다는 문제점이 있었다. The conventional art 2 has a problem in that it is limited in improving the mass productivity by separately including a step of selectively growing CNTs on the substrate, covering the insulating layer, and etching the CNTs to expose a part of the CNTs.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 일부를 식각하거나 패터닝하는 반도체 공정 없이 탄소나노튜브의 양 끝단을 제외한 표면부에 선택적으로 게이트 절연층 및 게이트 금속층을 동시에 형성하는 방식으로 3차원 랩 게이트 구조의 CNT 트랜지스터를 제조하는 방법을 제공하는 것이다. 또한, 본 발명은 종래기술 대비 간단한 공정으로 3차원 랩 게이트 구조의 CNT 트랜지스터를 제조하는 방법을 제공함으로써 CNT 트랜지스터의 양산성 향상 및 제조비용 절감에 기여하는 것을 또 다른 일 목적으로 한다. SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, the present invention has been made in view of the above problems, and it is an object of the present invention to provide a method of forming a three-dimensional wrap gate structure by selectively forming a gate insulating layer and a gate metal layer on a surface portion excluding both ends of a carbon nanotube, And to provide a method for manufacturing a CNT transistor. It is another object of the present invention to provide a method of manufacturing a CNT transistor having a three-dimensional wrap gate structure by a simple process as compared with the prior art, thereby contributing to improvement in mass productivity of the CNT transistor and reduction in manufacturing cost.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description are exemplary and explanatory and are not intended to limit the invention to the precise form disclosed. There will be.
본 발명의 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 탄소나노튜브의 표면을 화학적 작용기로 선택적 개질시키는 단계, 상기 선택적 개질된 탄소나노튜브를 비극성 용매에 분산시켜 분산용액을 형성하는 단계, 상기 분산용액에 극성용매를 첨가하여 상기 탄소나노튜브의 표면상에 화학적 작용기가 개질된 정도에 따라 극성용매 밀집부와 비극성 용매 밀집부를 형성시키는 단계, 상기 극성용매가 첨가된 분산용액에 절연막 전구체를 첨가하고, 상기 극성용매 밀집부에 상기 절연막 전구체가 확산되어 상기 극성용매 밀집부 상에 기능성 작용기로 개질된 절연막을 형성하는 단계, 및 상기 절연막 전구체가 첨가된 분산용액에 금속 전구체를 첨가하여 상기 개질된 절역막 상에 게이트 금속층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 랩 게이트 구조의 탄소나노튜브 트랜지스터 제조방법을 제공할 수 있다. In order to accomplish the above object, the present invention provides a method for producing a carbon nanotube, comprising the steps of: selectively modifying a surface of a carbon nanotube with a chemical functional group; dispersing the selectively modified carbon nanotube in a non-polar solvent to form a dispersion solution; To form a polar solvent dense portion and a non-polar solvent dense portion according to the degree of modification of the chemical functional group on the surface of the carbon nanotubes, adding an insulating film precursor to the dispersion solution to which the polar solvent is added, A method of manufacturing a semiconductor device, the method comprising: forming an insulating film having a functional group on a surface of a substrate; forming an insulating film on the insulating film precursor by diffusion of the insulating film precursor into the dense portion, A method for manufacturing a three-dimensional wraps gate structure The present invention can provide a method for manufacturing a carbon nanotube transistor.
본 발명의 일 실시 예로서, 탄소나노튜브, 상기 탄소나노튜브의 양 끝단을 제외한 중심부 표면에 선택적으로 코팅된 절연막, 및 상기 절연막 상에 선택적으로 자가조립된 게이트 금속층을 포함하고, 상기 절연막 및 상기 게이트 금속층은 용액상에서 상기 탄소나노튜브의 양 끝단을 제외한 중심부에 선택적으로 형성된 것임을 특징으로 하는 3차원 랩 게이트 구조의 탄소나노튜브 트랜지스터를 제공할 수 있다.In one embodiment of the present invention, a semiconductor device includes a carbon nanotube, an insulating film selectively coated on the surface of the center except for both ends of the carbon nanotube, and a gate metal layer selectively self-assembled on the insulating film, And the gate metal layer is selectively formed on the center portion of the carbon nanotube except for both ends of the carbon nanotube in a solution state.
본 발명의 실시 예에 따르면, 용액상에서 간편한 공정으로 탄소나노튜브의 양 끝단을 제외한 표면에 선택적으로 절연막을 형성할 수 있으며, 상기 절연막의 표면은 기능성 작용기로 개질되어 이에 금속 전구체를 결합시킴으로써 연속적으로 용액상에서 게이트 금속층의 형성이 가능함에 따라 종래기술들과 같이 레지스트층을 형성하고 부분적으로 식각하는 등 고가의 공정비용이 요구되는 복잡한 반도체 공정을 필요로 하지 않기 때문에 탄소나노튜브 트랜지스터 제조공정을 획기적으로 단축시킬 수 있으며, 제조비용을 크게 절감할 수 있다는 제1효과,According to an embodiment of the present invention, an insulating film can be selectively formed on surfaces except for both ends of the carbon nanotubes by a simple process in a solution state, and the surface of the insulating film is modified with a functional group to bond the metal precursor thereto, Since the formation of a gate metal layer in a solution state is possible, a complicated semiconductor process requiring expensive process cost such as formation of a resist layer and partial etching as in the prior art is not required, so that a process for manufacturing a carbon nanotube transistor The first effect that the manufacturing cost can be greatly reduced,
소스 및 드레인 전극을 형성하기 위한 영역을 제외한 탄소나노튜브의 표면 전체에 절연막 및 게이트 금속층에 둘러싸인 3차원 랩 게이트 구조를 가지게 되므로써, 트랜지스터 소자의 게이트 장악력을 극대화 시킬 수 있다는 제2효과,The second effect is that the gate holding force of the transistor device can be maximized by having a three-dimensional wrap gate structure surrounded by the insulating film and the gate metal layer on the entire surface of the carbon nanotube except the region for forming the source and drain electrodes,
제조공정의 단축 및 비용 절감에 의해 탄소나노튜브 트랜지스터의 양산성이 향상될 수 있다는 제3효과를 갖는다. The third effect is that the mass productivity of the carbon nanotube transistor can be improved by shortening the manufacturing process and reducing the cost.
또한, 본 발명에 따른 3차원 랩 게이트 구조의 탄소나노튜브 트랜지스터는 종래 탄소나노튜브 트랜지스터의 한계(단채널 효과에 의한 소자의 효율 저하)를 극복하여 소자의 효율 증진 및 고집적화에 기여할 수 있다는 부수적인 이점도 있다.In addition, the carbon nanotube transistor having a three-dimensional lap-gate structure according to the present invention can overcome the limitation of the conventional carbon nanotube transistor (efficiency deterioration of a device due to a short channel effect) and contribute to enhancement of efficiency and integration of a device. There are advantages.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.It should be understood that the effects of the present invention are not limited to the above effects and include all effects that can be deduced from the detailed description of the present invention or the configuration of the invention described in the claims.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 랩 게이트 구조의 탄소나노튜브 트랜지스터를 제조하는 방법을 설명하기 위한 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 화학적 작용기로 개질된 탄소나노튜브의 표면에 선택적으로 절연막이 형성되는 메커니즘을 설명하기 위한 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 3차원 랩 게이트 구조의 탄소나노튜브 트랜지스터의 분해 모식도이다. FIG. 1 is a schematic view for explaining a method of manufacturing a carbon nanotube transistor having a three-dimensional lap gate structure according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.
2 is a schematic view illustrating a mechanism of selectively forming an insulating film on the surface of a carbon nanotube modified by a chemical functional group according to an embodiment of the present invention.
3 is a schematic exploded view of a carbon nanotube transistor having a three-dimensional lap gate structure according to an embodiment of the present invention.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and similar parts are denoted by like reference characters throughout the specification.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다. Throughout the specification, when a part is referred to as being "connected" (connected, connected, coupled) with another part, it is not only the case where it is "directly connected" "Is included. Also, when an element is referred to as "comprising ", it means that it can include other elements, not excluding other elements unless specifically stated otherwise.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, the terms "comprises" or "having" and the like refer to the presence of stated features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 랩 게이트 구조의 탄소나노튜브 트랜지스터를 제조하는 방법을 설명하기 위한 모식도이다(도 1에서는 탄소나노튜브의 표면에 절연막과 게이트 금속층이 순차적으로 형성되는 것을 보여주기 위하여 단면도로 나타내었으나, 본 발명의 일실시예에 따라 제조되는 탄소나노튜브 트랜지스터는 도 3에 도시된 것과 같이 3차원 구조를 갖는 것을 명시한다). FIG. 1 is a schematic view for explaining a method of manufacturing a carbon nanotube transistor having a three-dimensional wrap gate structure according to an embodiment of the present invention (in FIG. 1, an insulating film and a gate metal layer are sequentially formed on a surface of a carbon nanotube The carbon nanotube transistor manufactured according to an embodiment of the present invention has a three-dimensional structure as shown in FIG. 3).
본 발명은 용액상에서 3차원 랩 게이트 구조의 탄소나노튜브 트랜지스터를 제조하는 방법에 관한 것으로, 탄소나노튜브의 표면을 화학적 작용기로 선택적 개질시키는 단계; 상기 선택적 개질된 탄소나노튜브를 비극성 용매에 분산시켜 분산용액을 형성하는 단계; 상기 분산용액에 극성용매를 첨가하여 상기 탄소나노튜브의 표면상에 화학적 작용기가 개질된 정도에 따라 극성용매 밀집부와 비극성 용매 밀집부를 형성시키는 단계; 상기 극성용매가 첨가된 분산용액에 절연막 전구체를 첨가하고, 상기 극성용매 밀집부에 상기 절연막 전구체가 확산되어 상기 극성용매 밀집부 상에 기능성 작용기로 개질된 절연막을 형성하는 단계; 및 상기 절연막 전구체가 첨가된 분산용액에 금속 전구체를 첨가하여 상기 개질된 절역막 상에 게이트 금속층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 이하, 본 발명에 따른 제조방법을 도면을 참조하여 각 단계별로 상술하는 방식으로 설명하기로 한다.The present invention relates to a method of fabricating a carbon nanotube transistor having a three-dimensional wraps gate structure in a solution, comprising: selectively modifying a surface of a carbon nanotube with a chemical functional group; Dispersing the selectively modified carbon nanotubes in a non-polar solvent to form a dispersion solution; Adding a polar solvent to the dispersion solution to form a polar solvent dense portion and a non-polar solvent dense portion according to a degree of modification of a chemical functional group on the surface of the carbon nanotube; Adding an insulating film precursor to the dispersion solution to which the polar solvent is added and forming an insulating film modified with a functional group on the polar solvent densified portion by diffusing the insulating film precursor into the polar solvent dense portion; And adding a metal precursor to the dispersion solution to which the insulating film precursor is added to form a gate metal layer on the modified buffer layer. Hereinafter, the manufacturing method according to the present invention will be described in the above-described manner in each step with reference to the drawings.
본 발명의 탄소나노튜브의 표면을 화학적 작용기로 선택적 개질시키는 단계는, 후술하는 단계에서 절연막 전구체를 첨가하였을 때, 상기 표면에 부착된 화학적 작용기를 매개로 절연막이 선택적으로 형성될 수 있도록 하는 단계일 수 있다. The step of selectively modifying the surface of the carbon nanotube of the present invention by a chemical functional group is a step of selectively forming an insulating film through a chemical functional group attached to the surface when an insulating film precursor is added in a step described later .
본 발명에 있어서, 상기 탄소나노튜브는 양 끝단이 중심부보다 두께가 더 얇은 형태를 가질 수 있다.In the present invention, the carbon nanotubes may have a shape in which both ends are thinner than the central portion.
상기 탄소 나노튜브의 양 끝단의 두께가 중심부의 두께보다 얇은 형태인 경우, 이와 같은 탄소 나노튜브를 화학적 작용기로 개질하는 경우, 도 1에 도시된 바와 같이 상대적으로 넓은 면적의 중심부가 더 많이 개질되고, 양 끝단은 중심부 대비 개질되는 정도가 적다. 따라서, 화학적으로 개질된 탄소나노튜브의 양 끝단은 상대적으로 소수성, 중심부는 상대적으로 친수성이 강한 특성을 가질 수 있다.In the case where the thickness of both ends of the carbon nanotubes is thinner than the thickness of the central portion, when the carbon nanotubes are modified by chemical functional groups, the center portion of a relatively large area is modified more , And both ends are less modified than the center portion. Therefore, both ends of the chemically modified carbon nanotube may have relatively hydrophobic properties and relatively strong hydrophilic properties at the center thereof.
본 발명에 있어서, 상기 극성용매 밀집부는 상기 탄소 나노튜브의 표면 상 상기 화학적 작용기가 상대적으로 더 개질된 부분에 형성되고, 상기 비극성용매 밀집부는 상기 탄소나노튜브의 표면 상 상기 화학적 작용기가 상대적으로 덜 개질된 부분에 형성될 수 있다.In the present invention, the polar solvent densified portion is formed in a portion where the chemical functional groups are relatively more modified on the surface of the carbon nanotube, and the non-polar solvent dense portion has a relatively less chemical functional group on the surface of the carbon nanotube May be formed in the modified portion.
본 발명에 있어서, 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소난노튜브 및 이들의 번들로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.In the present invention, the carbon nanotubes may be at least one selected from the group consisting of single-walled carbon nanotubes, double-walled carbon nanotubes, multi-walled carbon nanotubes, and bundles thereof.
본 발명에 있어서, 화학적 작용기로 선택적 개질하는 단계는 탄소나노튜브를 강산용액, 바람직하게는 질산과 황산을 1:3의 부피비로 혼합한 용액을 가하고 소정의 시간 동안 초음파 처리하는 탄소계 재료의 산처리 공정에 의하는 것일 수 있다. 그러나 탄소나노튜브의 표면을 화학적 작용기로 선택적 개질하는 방법은 전술한 산처리 공정에 제한되는 것은 아님을 명시한다. In the present invention, the step of selectively modifying carbon nanotubes with a chemical functional group is performed by adding a solution of a strong acid solution, preferably a mixture of nitric acid and sulfuric acid in a volume ratio of 1: 3, It may be by a treatment process. However, it should be noted that the method of selectively modifying the surface of the carbon nanotube with a chemical functional group is not limited to the above-mentioned acid treatment process.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 선택적 개질된 탄소나노튜브의 표면은 수산기(-OH), 카르복시기(-COOH), 및 카복시레이트기(-COO-) 중에서 선택되는 1종 이상의 화학적 작용기로 개질 될 수 있다. In one embodiment of the present invention, optionally surface-modified carbon nanotube is a hydroxyl group (-OH), carboxyl group (-COOH), and carboxymethyl acrylate group (-COO -) to be modified with a chemical functional group at least one selected from .
본 발명의 화학적 작용기로 개질된 탄소나노튜브를 비극성용매에 분산시키는 단계에 있어서, In the step of dispersing the carbon nanotubes modified with the chemical functional group of the present invention in a non-polar solvent,
본 발명의 일 실시예에 있어서, 비극성용매는 알칸계 화합물, 방향족 화합물, 및 글리콜 에테르류, 글리콜 에테르 아세테이트류, 에세테이트류, 할로겐 화합물 및 니트로겐 화합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the nonpolar solvent includes at least one selected from the group consisting of an alkane compound, an aromatic compound, and glycol ethers, glycol ether acetates, esters, halogen compounds and nitrogen compounds can do.
예를 들어 상기 방향족 화합물은 부탄, 헥산, 옥탄, 시클로헥산 등의 알칸계 화합물, 톨루엔, 및 디클로로벤젠 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.For example, the aromatic compound may include at least one of an alkane compound such as butane, hexane, octane, and cyclohexane, toluene, and dichlorobenzene.
예를 들어, 상기 글리콜 에테르류는 에틸렌글리콜 모노메틸 에테르, 및 트리에틸렌글리콜 모노에틸 에테르 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. For example, the glycol ethers may include at least one of ethylene glycol monomethyl ether, and triethylene glycol monoethyl ether.
예를 들어, 상기 글리콜 에테르 아세테이트류는 프로필렌 글리콜, 모노메틸 에테르 아세테이트 등일 수 있다. For example, the glycol ether acetates may be propylene glycol, monomethyl ether acetate, and the like.
예를 들어, 상기 할로겐 화합물은, 클로로포름, 디클로로에탄, 및 디클로로에텐 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.For example, the halogen compound may include at least one of chloroform, dichloroethane, and dichloroethane.
예를 들어, 상기 니트로겐 화합물은 니트로메탄, 니트로에탄, 및 아세토니트릴 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.For example, the nitrogen compound may include at least one of nitromethane, nitroethane, and acetonitrile.
상기 비극성용매로부터 선택된 1종의 용매를 단독으로 사용하거나, 이들 중에서 선택되는 1종 이상의 비극성용매를 혼합하여 사용하는 것도 가능할 수 있다. It is also possible to use one kind of solvent selected from the above non-polar solvents alone or a mixture of at least one non-polar solvent selected from the above.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 화학적 작용기로 개질된 탄소나노튜브의 표면에 선택적으로 절연막이 형성되는 메커니즘을 설명하기 위한 모식도이다. 2 is a schematic view illustrating a mechanism of selectively forming an insulating film on the surface of a carbon nanotube modified by a chemical functional group according to an embodiment of the present invention.
도 2에 따르면, 본 발명의 상기 분산용액에 극성용매를 첨가하는 단계는, 비극성용매에 분산된 화학적 작용기로 표면이 개질된 탄소나노튜브가 존재하는 용액에 극성용매를 첨가하는 단계일 수 있다.According to FIG. 2, the step of adding a polar solvent to the dispersion solution of the present invention may be a step of adding a polar solvent to a solution containing carbon nanotubes whose surface is modified with a chemical functional group dispersed in a non-polar solvent.
상대적으로 화학적 작용기로 개질된 정도가 커서 친수성 특성이 강한 탄소나노튜브의 중심부에는 상기 화학적 작용기와 극성용매간의 상호작용에 의해 극성용매 밀집부가 형성되고, 상대적으로 화학적 작용기로 개질되지 않은 소수성 특성이 강한 양 끝단은 비극성용매와의 상호작용으로 비극성용매 밀집부를 형성할 수 있다. 즉, 화학적 작용기의 개질정도에 따라 상대적으로 더 개질이 진행된 표면 상은 친수성을 띄고, 상대적으로 개질이 덜 진행된 표면상은 소수성을 띄게 되면서, 친수성을 띄는 표면상에는 극성용매가 집중되어 극성용매 밀집부가 형성되고, 그렇지 않은 소수성을 띄는 표면상에는 비극성용매가 집중되어 비극성용매 밀집부가 형성되어 하나의 탄소나노튜브의 표면에 각기 다른 두 종류의 용매부가 형성될 수 있다.In the center of the carbon nanotube having a relatively high degree of modification by a chemical functional group and having a high hydrophilic property, a polar solvent-rich portion is formed by the interaction between the chemical functional group and the polar solvent, and a hydrophobic property Both ends can form a non-polar solvent dense part by interaction with a non-polar solvent. That is, depending on the degree of modification of the chemical functional group, the surface of the surface that has undergone further reforming is hydrophilic, the surface of the surface that has undergone relatively less modification becomes hydrophobic, and the polar solvent is concentrated on the hydrophilic surface to form a polar solvent- , A nonpolar solvent may be concentrated on the non-hydrophobic surface to form a non-polar solvent dense portion, and two different kinds of solvent portions may be formed on the surface of one carbon nanotube.
본 발명의 상기 극성용매가 첨가된 분산용액에 절연막 전구체를 첨가하는 단계는, 탄소나노튜브의 표면 상에 각각 극성용매 밀집부, 비극성용매 밀집부를 형성한 뒤에 극성용매와의 상용성이 우수한 절연막 전구체를 첨가하는 경우, 절연막 전구체는 극성용매 밀집부를 매개체로 하여, 극성용매 밀집부가 위치하고 있는 탄소나노튜브의 중심부 상에 선택적으로 절연막을 형성할 수 있다.The step of adding an insulating film precursor to the dispersion solution to which the polar solvent is added may include a step of forming an insulating film precursor having excellent compatibility with a polar solvent after forming a polar solvent dense portion and a nonpolar solvent dense portion on the surface of the carbon nanotube, The insulating film precursor can selectively form an insulating film on the central portion of the carbon nanotubes in which the polar solvent densified portion is located, using the polar solvent dense portion as a medium.
상기 극성용매는 알코올계 용매 및 증류수를 포함할 수 있다.The polar solvent may include an alcohol-based solvent and distilled water.
예를 들어, 상기 알코올계 용매는 메탄올, 에탄올, n-프로판올, n-부탄올, iso-부탄올, sec-부탄올, ter-부탄올 등 탄소수 1 내지 5의 저급 알코올을 단독으로 사용하거나, 이들 중에서 선택되는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수도 있다.For example, the alcohol-based solvent may be used alone or in combination with a lower alcohol having 1 to 5 carbon atoms such as methanol, ethanol, n-propanol, n-butanol, iso-butanol, sec-butanol, Two or more species may be used in combination.
바람직하게 알코올계 용매는 탄소수가 1 내지 5인 n-알코올 일 수 있는데, 이는 n-알코올과 같은 1가 알코올(primary alcohol)과 달리 알코올의 탄화수소기가 2가(secondary), 3가(tertiary)인 알코올과 같이 다수개의 가지를 가지는 알코올의 경우, 절연막 전구체의 가수분해 및 축합반응 도중에 반응물 간의 응집을 유발할 수 있으며, 이에 따라 고른 두께의 절연막을 형성하기에 곤란할 수 있기 때문이다. Preferably, the alcoholic solvent may be an n-alcohol having 1 to 5 carbon atoms, which is different from a primary alcohol such as an n-alcohol, in which the hydrocarbon group of the alcohol is secondary, tertiary Alcohols having a plurality of branches such as alcohols can cause aggregation between the reactants during the hydrolysis and condensation reaction of the insulating film precursor, which makes it difficult to form an insulating film having a uniform thickness.
상기 알코올계 용매 및 증류수는 화학적 작용기로 개질된 탄소나노튜브의 중심부에 극성용매 밀집부를 형성하며, 절연막 전구체의 가수분해 및 축합반응을 위한 반응용매로서도 사용된다. The alcohol solvent and distilled water form a dense solvent portion at the center of the carbon nanotube modified by the chemical functional group, and are also used as a reaction solvent for the hydrolysis and condensation reaction of the insulating film precursor.
본 발명의 절연막 전구체를 상기 극성용매가 첨가된 분산용액에 첨가하는 단계는, 용액상에 존재하는 상기 탄소나노튜브의 양 끝단을 제외한 표면상에 위치하는 상기 극성용매 밀집부를 통하여 상기 탄소나노튜브에 결합된 화학적 작용기와 선택적으로 반응하여 기능성 작용기로 개질된 절연막을 형성하는 단계일 수 있다.The step of adding the insulating film precursor of the present invention to the dispersion solution to which the polar solvent is added may include the step of adding the polar solvent to the carbon nanotubes through the polar solvent denser located on the surface excluding both ends of the carbon nanotubes And optionally reacting with the combined chemical functional groups to form an insulating film modified with functional functional groups.
상기 기능성 작용기로 개질된 절연막은 아민기로 개질된 실리카(SiO2)를 포함하는 절연막일 수 있다.The insulating film modified with the functional group may be an insulating film containing silica (SiO 2 ) modified with an amine group.
하기의 도 1 및 도2를 참조하면, 상기 절연막 전구체는 탄소나노튜브의 중심부 표면에 형성된 극성용매 밀집부를 통해 탄소나노튜브에 결합된 화학적 작용기와 반응하여 선택적으로 절연막을 형성하고, 상기 절연막의 표면에는 상기 절연막 전구체에 포함된 기능성 작용기가 분포하게 된다. 즉, 상기 절연막 전구체가 상기 탄소나노튜브에 결합된 화학적 작용기와 반응하여 탄소나노튜브의 중심부 표면에 기능성 작용기로 개질된 절연막이 형성될 수 있다.1 and 2, the insulating film precursor reacts with a chemical functional group bonded to a carbon nanotube through a polar solvent-containing portion formed on the central portion of the carbon nanotube to selectively form an insulating film, Functional functional groups included in the insulating film precursor are distributed. That is, the insulating film precursor may react with a chemical functional group bonded to the carbon nanotubes to form an insulating film modified with functional functional groups on the central portion surface of the carbon nanotubes.
하기 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 절연막 전구체에 포함된 기능성 작용기는 아민기(-NH2)일 수 있다. 보다 구체적으로 상기 기능성 작용기를 포함하는 절연막 전구체는 하기 화학식 1로 표시되는 금속 알콕사이드류의 화합물일 수 있다. 1 and 2, the functional group included in the insulating film precursor according to an embodiment of the present invention may be an amine group (-NH 2 ). More specifically, the insulating film precursor containing the functional functional group may be a metal alkoxide compound represented by the following general formula (1).
[화학식 1][Chemical Formula 1]
(R1, R2 및 R3는 서로 같거나 상이하며, 수소, C1 내지 C10인 알킬기 중에서 선택되고, M은 규소(Si), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 티타늄(Ti), 하프늄(Hf), 지르코늄(Zr), 바륨(Ba), 란타늄(La), 및 스트론튬(Sr)으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종의 금속원소이고, Q는 C1 내지 C10인 알킬아민기이다). (Wherein R 1 , R 2 and R 3 are the same or different and are selected from hydrogen and an alkyl group having from 1 to 10 carbon atoms and M is selected from the group consisting of silicon (Si), aluminum (Al), magnesium (Mg) (Ti), hafnium (Hf), zirconium (Zr), barium (Ba), lanthanum (La), and strontium (Sr) Lt; / RTI >
바람직하게 본 발명의 상기 화학식 1로 표시되는 절연막 전구체의 R1, R2 및 R3는 C1 내지 C5인 알킬기 일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아님을 명시한다. 다만, 금속 알콕사이드류 화합물은 알킬기(R1, R2 및 R3)의 탄소수가 증가할수록 상대적으로 소수성이 증가하는 경향을 나타내며, 이에 따라 절연막 전구체가 극성용매 밀집부를 통해 화학적 작용기로 개질된 탄소나노튜브의 중심부로 침투하는 것을 곤란하게 하여 선택적으로 절연막을 형성하는 것이 어려울 수 있다.Preferably, R 1 , R 2, and R 3 of the insulating film precursor represented by Formula 1 of the present invention may be an alkyl group of C 1 to C 5, but are not limited thereto. However, the metal alkoxide compound tends to have a relatively increased hydrophobicity as the number of carbon atoms of the alkyl group (R 1 , R 2, and R 3 ) increases. Accordingly, the insulating film precursor is bonded to the carbon nano- It may be difficult to selectively penetrate the center of the tube to form an insulating film.
예를 들어, 기능성 작용기로 아민기를 포함하고, 상기 화학식 1로 표현되는 절연막 전구체는 (3-아미노프로필)트리메톡시실란(APTMS: (3-aminopropyl)trimethoxysilane), (3-아미노프로필)트리에톡시실란(APTES: (3-aminopropyl)triethoxysilane) 등이 있으나 이에 제한되는 것은 아님을 명시한다. For example, the insulating film precursor represented by Formula 1 includes an amine group as a functional group, such as (3-aminopropyl) trimethoxysilane (APTMS), (3-aminopropyl) (3-aminopropyl) triethoxysilane (APTES: (3-aminopropyl) triethoxysilane).
상기 화학식 1로 표시되는 금속 알콕사이드류의 화합물은 알코올계 용매 및 증류수 존재 하에서 가수분해 및 축합반응하여 탄소나노튜브의 화학적 작용기에 선택적으로 기능성 작용기로 개질된 절연막을 형성하며, 절연막은 금속산화물의 형태로 형성될 수 있다. The metal alkoxide compound represented by Chemical Formula 1 is hydrolyzed and condensed in the presence of an alcohol solvent and distilled water to form an insulating film selectively modified with a functional group in the chemical functional group of the carbon nanotube. As shown in FIG.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 즉, 기능성 작용기를 포함하는 절연막 전구체로 (3-아미노프로필)트리메톡시실란을 상기 극성용매가 첨가된 분산용액에 첨가하는 경우, 탄소나노튜브 표면의 중심부에 선택적으로 아민기로 개질된 실리카(SiO2)층이 형성될 수 있다. In one embodiment of the present invention, that is, when (3-aminopropyl) trimethoxysilane is added to a dispersion solution to which the polar solvent is added as an insulating film precursor containing a functional functional group, optionally, there is a modified silica (SiO 2) layer an amine group may be formed.
상기 화학식 1로 표시되는 금속 알콕사이드류 화합물의 가수분해 및 축합반응을 통해 형성되는 금속산화물은 절연성이 높아 탄소나노튜브 채널과 게이트 금속층간의 간섭을 억제함으로써 게이트 장악력을 향상시키는데 기여할 수 있다. 또한, 이러한 간섭 억제 효과는 형성되는 금속산화물의 유전율이 높을수록 더욱 극대화 될 수 있다. The metal oxide formed through the hydrolysis and condensation reaction of the metal alkoxide compound represented by Chemical Formula 1 has a high insulating property and can suppress the interference between the carbon nanotube channel and the gate metal layer, thereby contributing to the improvement of the gate holding power. In addition, the interference suppressing effect can be further maximized as the dielectric constant of the metal oxide to be formed is higher.
또한, 본 발명의 기능성 작용기를 포함하는 절연막 전구체의 가수분해 및 축합반응은 20℃ 내지 80℃의 온도에서 수행될 수 있다. 가수분해 및 축합반응 온도가 20℃ 미만인 경우에는 반응시간이 길어지는 문제점이 있을 수 있으며, 반응온도가 80℃를 초과하는 경우에는 반응용매의 과도한 증발을 야기할 수 있고, 탄소나노튜브의 표면에 균일한 두께의 절연막을 형성하기에 곤란할 수 있다. 또한, 반응시간은 특별히 제한되지 않으며, 반응온도에 따라 얼마든지 달라질 수 있으며, 형성하고자 하는 절연막의 두께를 고려하여 반응시간을 조절하는 것이 가능할 수 있다. 아울러, 반응시간은 가열수단에 따라서도 달라질 수 있음을 명시한다. In addition, the hydrolysis and condensation reaction of the insulating film precursor including the functional group of the present invention can be carried out at a temperature of 20 ° C to 80 ° C. If the hydrolysis and condensation reaction temperature is lower than 20 ° C, the reaction time may become longer. If the reaction temperature is higher than 80 ° C, excessive evaporation of the reaction solvent may be caused. On the surface of the carbon nanotubes It may be difficult to form an insulating film of uniform thickness. The reaction time is not particularly limited and may vary depending on the reaction temperature, and it may be possible to control the reaction time in consideration of the thickness of the insulating film to be formed. In addition, the reaction time may vary depending on the heating means.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 기능성 작용기를 포함하는 절연막은 실제 디바이스에 응용하기 위해 요구되는 최소한의 성능을 확보하기 위하여 수nm 수준(약 10nm 이하)의 두께로 형성하는 것이 바람직할 수 있으며, 절연막의 두께가 가능한 얇으면서도 누설전류가 적을수록 소자의 효율을 보다 극대화시킬 수 있다. In the present invention, it is preferable that the insulating layer containing the functional group is formed to a thickness of several nanometers (about 10 nm or less) in order to secure the minimum performance required for practical application. The smaller the leakage current is, the more the efficiency of the device can be maximized.
마지막으로, 상기 절연막 전구체가 첨가된 분산용액에 금속 전구체를 첨가하는 단계는 기능성 작용기로 개질된 절연막이 형성된 탄소나노튜브 표면의 중심부에 선택적으로 금속 전구체를 결합시켜 게이트 금속층을 형성하는 단계일 수 있다.Finally, the step of adding the metal precursor to the dispersion solution to which the insulating film precursor is added may include a step of forming a gate metal layer by selectively bonding a metal precursor to the center of the surface of the carbon nanotube having the insulating film modified with the functional group .
상기 금속 전구체는 상기 기능성 작용기와 반응할 수 있는 화합물로 자가조립을 통해 선택적으로 절연막의 외층에 게이트 금속층을 형성할 수 있다. The metal precursor is a compound capable of reacting with the functional group, and can form a gate metal layer selectively on the outer layer of the insulating layer through self-assembly.
예를 들면, 상기 금속 전구체는 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 루테늄(Ru), 및 탄탈륨(Ta)으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 금속원소를 포함할 수 있다. For example, the metal precursor may be at least one selected from the group consisting of Ag, Au, Pt, Al, Cu, Ti, W, Ru, (Ta), and the like.
또 다른 예를 들면, 상기 금속 전구체는 카르복실기 함유 리간드를 포함하는 금속화합물일 수 있으며, 이때, 금속화합물은 전술한 금속원소 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 금속원소를 포함하는 것으로 한다.As another example, the metal precursor may be a metal compound including a carboxyl group-containing ligand, wherein the metal compound includes at least one metal element selected from the metal element group described above.
이때, 상기 절연막 전구체로서 아민기를 포함하는 절연막 전구체를 사용하여, 상기 탄소나노튜브의 표면에 아민기로 개질된 절연막이 형성된 경우, 금속 전구체로서 카르복실기 함유 리간드를 포함하는 금속화합물을 사용하는 것이 보다 바람직할 수 있다.At this time, when an insulating film precursor comprising an amine group is used as the insulating film precursor and an insulating film modified with an amine group is formed on the surface of the carbon nanotube, it is more preferable to use a metal compound containing a carboxyl group-containing ligand as the metal precursor .
이는 아민기와 카르복실기는 아마이드 결합을 형성하는 특성을 갖기 때문에 상기 절연막의 표면에 존재하는 아민기(-NH2)와 상기 카르복실기 함유 리간드를 포함하는 금속화합물의 카르복실기(-COOH)간의 아마이드 결합(-CONH-)을 유도함으로써 절연막의 외층에 용이하게 게이트 금속층을 형성할 수 있다. This is because the amine group and carboxyl group have amide bond (-CONH) between the amine group (-NH 2 ) present on the surface of the insulating film and the carboxyl group (-COOH) of the metal compound containing the carboxyl group-containing ligand -), it is possible to easily form the gate metal layer on the outer layer of the insulating film.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 3차원 랩 게이트 구조의 탄소나노튜브 트랜지스터의 분해 모식도이다.3 is a schematic exploded view of a carbon nanotube transistor having a three-dimensional lap gate structure according to an embodiment of the present invention.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 3차원 랩 게이트 구조의 탄소나노튜브 트랜지스터에 대하여 설명한다. 도 3을 참조하면, 3차원 랩 게이트 구조의 탄소나노튜브 트랜지스터는 탄소나노튜브, 탄소나노튜브 표면의 양 끝단을 제외한 중심부 표면에 선택적으로 코팅되되, 기능성 작용기로 개질된 절연막, 및 상기 기능성 작용기로 개질된 절연막 상에 선택적으로 자가조립된 게이트 금속층을 포함하고, 상기 기능성 작용기로 개질된 절연막 및 상기 게이트 금속층은 용액상에서 상기 탄소나노튜브의 양 끝단을 제외한 중심부에 선택적으로 형성된 것임을 특징으로 한다. Hereinafter, a carbon nanotube transistor having a three-dimensional lap gate structure according to an embodiment of the present invention will be described. Referring to FIG. 3, a carbon nanotube transistor having a three-dimensional wrap gate structure includes carbon nanotubes, an insulating film selectively coated on the surface of the center except for both ends of the surface of the carbon nanotube, the insulating film being modified with a functional group, And a gate metal layer selectively self-assembled on the modified insulating film, wherein the insulating functional film modified with the functional group and the gate metal layer are selectively formed in a central portion except for both ends of the carbon nanotube in a solution state.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따라 제조된 3차원 랩 게이트 구조의 탄소나노튜브 트랜지스터는 절연막과 게이트 금속층이 탄소나노튜브의 양 끝단을 제외한 중심부에 선택적으로 형성됨에 따라 별도의 반도체 공정(포토레지스트, 에칭 등)없이 노출된 탄소나노튜브의 양 끝단에 소스 및 드레인 전극을 형성할 수 있다. As shown in FIG. 3, the carbon nanotube transistor of the three-dimensional wrap gate structure manufactured according to an embodiment of the present invention is formed by selectively forming the insulating film and the gate metal layer in the central portion excluding both ends of the carbon nanotube The source and drain electrodes can be formed on both ends of the exposed carbon nanotubes without the semiconductor process (photoresist, etching, etc.) of FIG.
본 발명의 일 실시예에 있어서 상기 탄소나노튜브는 양 끝단이 중심부보다 두께가 더 얇은 형태를 가질 수 있다.In one embodiment of the present invention, the carbon nanotubes may have a shape in which both ends are thinner than the central portion.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 기능성 작용기로 개질된 절연막은 아민기로 개질된 실리카(SiO2)를 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the insulating layer modified with the functional group may include silica (SiO 2 ) modified with an amine group.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.It will be understood by those skilled in the art that the foregoing description of the present invention is for illustrative purposes only and that those of ordinary skill in the art can readily understand that various changes and modifications may be made without departing from the spirit or essential characteristics of the present invention. will be. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive. For example, each component described as a single entity may be distributed and implemented, and components described as being distributed may also be implemented in a combined form.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is defined by the appended claims, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents should be construed as being included within the scope of the present invention.
10: 탄소나노튜브
20: 화학적 작용기
30: 기능성 작용기로 개질된 절연막
40: 게이트 금속층10: Carbon nanotubes
20: Chemical functional group
30: Insulating film modified with functional group
40: gate metal layer
Claims (17)
상기 선택적 개질된 탄소나노튜브를 비극성 용매에 분산시켜 분산용액을 형성하는 단계;
상기 분산용액에 극성용매를 첨가하여 상기 탄소나노튜브의 표면상에 화학적 작용기가 개질된 정도에 따라 극성용매 밀집부와 비극성 용매 밀집부를 형성시키는 단계;
상기 극성용매가 첨가된 분산용액에 절연막 전구체를 첨가하고, 상기 극성용매 밀집부에 상기 절연막 전구체가 확산되어 상기 극성용매 밀집부 상에 기능성 작용기로 개질된 절연막을 형성하는 단계; 및
상기 절연막 전구체가 첨가된 분산용액에 금속 전구체를 첨가하여 상기 개질된 절역막 상에 게이트 금속층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 랩 게이트 구조의 탄소나노튜브 트랜지스터 제조방법.
Selectively modifying the surface of the carbon nanotube with a chemical functional group;
Dispersing the selectively modified carbon nanotubes in a non-polar solvent to form a dispersion solution;
Adding a polar solvent to the dispersion solution to form a polar solvent dense portion and a non-polar solvent dense portion according to a degree of modification of a chemical functional group on the surface of the carbon nanotube;
Adding an insulating film precursor to the dispersion solution to which the polar solvent is added and forming an insulating film modified with a functional group on the polar solvent densified portion by diffusing the insulating film precursor into the polar solvent dense portion; And
And forming a gate metal layer on the modified trimming film by adding a metal precursor to the dispersion solution to which the insulating film precursor is added.
상기 탄소나노튜브는 양 끝단이 중심부보다 두께가 더 얇은 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 3차원 랩 게이트 구조의 탄소나노튜브 트랜지스터 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the carbon nanotubes have a shape in which both ends are thinner than the central part.
상기 탄소나노튜브 중심부가 탄소나노튜브의 양 끝단보다 더 개질되는 것을 특징으로 하는 3차원 랩 게이트 구조의 탄소나노튜브 트랜지스터 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the center of the carbon nanotubes is modified more than both ends of the carbon nanotubes.
상기 극성용매 밀집부는 상기 탄소나노튜브 표면 상에 상기 화학적 작용기가 상대적으로 더 개질된 부분에 형성되고, 상기 비극성용매 밀집부는 상기 탄소나노튜브 표면 상에 상대적으로 상기 화학적 작용기가 덜 개질된 부분에 형성되는 것을 특징으로 하는 3차원 랩 게이트 구조의 탄소나노튜브 트랜지스터 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the polar solvent densified portion is formed on a portion of the carbon nanotube surface where the chemical functional group is relatively modified, and the non-polar solvent dense portion is formed on a surface of the carbon nanotube that is relatively less modified with the chemical functional group Wherein the carbon nanotube film is formed on the surface of the carbon nanotube film.
상기 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT), 이중벽 탄소나노튜브(DWCNT), 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT) 및 이들의 번들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 랩 게이트 구조의 탄소나노튜브 트랜지스터의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the carbon nanotubes include at least one selected from the group consisting of single wall carbon nanotubes (SWCNTs), double wall carbon nanotubes (DWCNTs), multiwall carbon nanotubes (MWCNTs), and bundles thereof Method for fabricating a carbon nanotube transistor having a three - dimensional wrap gate structure.
상기 화학적 작용기는 카르복시기(-COOH), 수산기(-OH) 및 카복시레이트기(-COO-)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 3차원 랩 게이트 구조의 탄소나노튜브 트랜지스터의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the chemical functional group is at least one selected from the group consisting of a carboxyl group (-COOH), a hydroxyl group (-OH) and a carboxylate group (-COO - ). .
상기 비극성 용매는 알칸계 화합물, 방향족 화합물, 글리콜 에테르류, 글리콜 에테르 아세테이트류, 아세테이트류, 할로겐 화합물 및 니트로겐 화합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 랩 게이트 구조의 탄소나노튜브 트랜지스터의 제조방법.
In the first aspect,
Wherein the non-polar solvent includes at least one selected from the group consisting of alkane compounds, aromatic compounds, glycol ethers, glycol ether acetates, acetates, halogen compounds and nitrogen compounds Gt; carbon nanotube < / RTI >
상기 극성용매는 알코올계 용매 및 증류수를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 랩 게이트 구조의 탄소나노튜브 트랜지스터의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the polar solvent comprises an alcohol-based solvent and distilled water.
상기 기능성 작용기는 아민기인 것을 특징으로 하는 3차원 랩 게이트 구조의 탄소나노튜브 트랜지스터의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the functional group is an amine group. ≪ RTI ID = 0.0 > 11. < / RTI >
상기 기능성 작용기로 개질된 절연막은 아민기로 개질된 실리카(SiO2)를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 랩 게이트 구조의 탄소나노튜브 트랜지스터의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the insulator film modified with the functional group includes silica (SiO 2 ) modified with an amine group.
상기 절연막 전구체는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물인 것을 특징으로 하는 3차원 랩 게이트 구조의 탄소나노튜브 트랜지스터의 제조방법:
[화학식 1]
(상기 화학식 1에서,
R1, R2 및 R3는 서로 같거나 상이하며, C1 내지 C10 인 알킬기 중에서 선택되고, M은 규소(Si), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 티타늄(Ti), 하프늄(Hf), 지르코늄(Zr), 바륨(Ba), 란타늄(La) 및 스트론튬(Sr)으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종의 금속원소이고, Q는 C1 내지 C10인 알킬아민기임).
The method according to claim 1,
Wherein the insulating film precursor is a compound represented by the following formula (1): < EMI ID =
[Chemical Formula 1]
(In the formula 1,
R 1, R 2 and R 3 are the same as or different from each other, is selected from an alkyl group of C1 to C10, M is silicon (Si), aluminum (Al), magnesium (Mg), zinc (Zn), titanium (Ti) Wherein the metal element is a metal element selected from the group consisting of hafnium (Hf), zirconium (Zr), barium (Ba), lanthanum (La) and strontium (Sr);
상기 기능성 작용기로 개질된 절연막을 형성하는 단계는, 20℃ 내지 80℃의 온도조건에서 상기 극성용매 밀집부를 가수분해 및 축합 반응시키는 것을 특징으로 하는 3차원 랩 게이트 구조의 탄소나노튜브 트랜지스터의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step of forming an insulating film modified with the functional group comprises the step of hydrolyzing and condensing the polar solvent densified portion at a temperature of 20 ° C to 80 ° C to produce a carbon nanotube transistor having a three- .
상기 금속 전구체는 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 루테늄(Ru), 및 탄탈륨(Ta)으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 금속원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 랩 게이트 구조의 탄소나노튜브 트랜지스터의 제조방법.
The method according to claim 1,
The metal precursor may be at least one selected from the group consisting of Ag, Au, Pt, Al, Cu, Ti, W, Ru, Wherein the metal nanoparticles comprise at least one metal element selected from the group consisting of metal nanoparticles and metal nanoparticles.
상기 금속 전구체는 카르복실기 함유 리간드를 포함하는 금속화합물인 것을 특징으로 하는 3차원 랩 게이트 구조의 탄소나노튜브 트랜지스터의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the metal precursor is a metal compound containing a carboxyl group-containing ligand.
상기 탄소나노튜브의 양 끝단을 제외한 중심부 표면에 선택적으로 코팅되되, 기능성 작용기로 개질된 절연막; 및
상기 기능성 작용기로 개질된 절연막 상에 선택적으로 자가조립된 게이트 금속층; 을 포함하고,
상기 기능성 작용기로 개질된 절연막 및 상기 게이트 금속층은 용액상에서 상기 탄소나노튜브의 양 끝단을 제외한 중심부에 선택적으로 형성된 것임을 특징으로 하는 3차원 랩 게이트 구조의 탄소나노튜브 트랜지스터.
Carbon nanotubes;
An insulating layer selectively coated on the surface of the center except for both ends of the carbon nanotube, the functional layer being modified with a functional group; And
A gate metal layer selectively self-assembled on the insulating film modified with the functional group; / RTI >
Wherein the insulator film modified with the functional group and the gate metal layer are selectively formed in a center portion except for both ends of the carbon nanotube in a solution state.
상기 탄소나노튜브는 양 끝단이 중심부보다 두께가 더 얇은 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 3차원 랩 게이트 구조의 탄소나노튜브 트랜지스터.
16. The method of claim 15,
Wherein the carbon nanotubes have a shape in which both ends of the carbon nanotubes are thinner than the central portion.
상기 기능성 작용기로 개질된 절연막은 아민기로 개질된 실리카(SiO2)를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 랩 게이트 구조의 탄소나노튜브 트랜지스터.
16. The method of claim 15,
Wherein the insulating layer modified with the functional group includes silica (SiO 2 ) modified with an amine group.
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|---|---|---|---|---|
| KR20210155011A (en) * | 2020-04-27 | 2021-12-21 | 고려대학교 산학협력단 | Method for doping carriers into metal oxide thin film and Electronic device comprising semiconductor layer prepared thereby |
Citations (3)
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| WO2007114140A1 (en) | 2006-03-31 | 2007-10-11 | National University Corporation Hokkaido University | Carbon nanotube electric field effect transistor and process for producing the same |
| JP2010192599A (en) | 2009-02-17 | 2010-09-02 | Olympus Corp | Method of forming insulation film in field effect transistor using carbon nano material and field effect transistor using carbon nano material |
| JP5838815B2 (en) | 2010-01-19 | 2016-01-06 | 日本電気株式会社 | Carbon nanotube dispersion and method for manufacturing semiconductor device |
-
2016
- 2016-09-02 KR KR1020160113213A patent/KR101803411B1/en active IP Right Grant
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