KR20010010348A - 소스/드레인으로서 탄소 나노튜브를 갖는 공명 투과 트랜지스터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전자가 흐르는 방향은 물론 다른 방향으로도 수 나노미터의 크기를 가지며, 상온에서 스위칭 동작 가능한 공명 투과 트랜지스터를 제공하고자 하는 것으로, 이를 위한 본 발명의 공명 투과 트랜지스터는, 소스로서 작용하는 제1 탄소나노튜브; 드레인으로서 작용하는 제2 탄소나노튜브; 전자중첩영역을 구성하는 C₆₀분자; 및 상기 C₆₀분자에 상기 제1 및 제2 탄소나노튜브를 각각 연결하여 주면서 전자의 투과장벽으로 작용하는 금속뭉치화합물을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하며, 또한 상기 제1 탄소나노튜브와 상기 제2 탄소나노튜브는 스위칭 동작을 위하여 서로 다른 길이를 갖는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 탄소 나노튜브가 자연적인 반도체이어서 도핑의 과정이 필요치 않고, 전자가 흐르는 방향뿐 아니라 모든 방향으로 나노미터 크기를 가져 진정한 의미의 나노 전자소자를 만들수 있을 뿐 아니라, 분자 전자소자의 특징을 가지고 있기 때문에 상온에서도 트랜지스터의 특성인 스위칭 동작을 이루게 된다. 따라서 탄소 나노튜브를 소스와 드레인으로 사용하고 이들을 분자 레벨에서 전기적으로 연결하면 종래의 반도체보다 수만배 이상의 집적도를 가진 전자소자를 제작할 수 있다.

Description

소스/드레인으로서 탄소 나노튜브를 갖는 공명 투과 트랜지스터 {Resonant tunneling transistor with carbon nanotubes as source and drain}

본 발명은 공명 투과 트랜지스터에 관한 것으로, 특히 탄소나노튜브를 소스/드레인으로 갖는 공명 투과 트랜지스터에 관한 것이다.

양자 공명 투과 현상(quantum resonant tunneling)을 이용한 트랜지스터는 전자의 파동함수 중첩을 외부 전압으로 조절함으로써 스위칭이 가능하도록 만든 소자이다. 수 나노미터 두께의 소스와 드레인은 외부 전압이 인가되지 않았을 때 소스의 밸런스 밴드(valence band)와 드레인의 컨덕션 밴드(conduction band) 전자의 파동함수가 거의 중첩되지 않아 공명 투과 트랜지스터에는 전류가 흐르지 않지만, 외부 전압이 인가되어 소스의 밸런스 밴드와 드레인의 컨덕션 밴드가 같은 에너지 레벨을 가질 때 공명 투과 트랜지스터는 공명 상태가 되면서 파동함수의 중첩이 커져 소스에서 드레인으로 전자가 이동한다.

즉 외부 전압으로 소스에서의 드레인으로의 전류를 조절한다는 면에서 전형적인 트랜지스터와 같은 스위치 소자로 사용되지만 근본적으로 전자의 파동함수의 중첩과 투과라는 양자역학적인 현상을 조절하기 때문에 고전적인 트랜지스터와 구별이 된다.

또한 공명 투과 트랜지스터는 전압을 인가하지 않았을 때 소스와 드레인 사이에 전류가 흐르지 않도록 절연체 또는 와이드 밴드 갭(wide band gap) 물질로 이루어진 장벽층이 존재하고 파동함수의 중첩영역으로 아주 얇은 층이 있다.

종래의 공명투과 트랜지스터는 소스와 드레인으로 수 나노미터 두께의 실리콘이나 화합물 반도체 박막을 사용하고 전자 투과의 장벽으로 와이드 밴드 갭 물질이나 절연층 박막을 이용하며, 전자중첩영역에는 이산적인 에너지띠를 가지는 물질을 사용하여 수 나노미터 두께를 가진다.

그런데, 이러한 종래의 공명 투과 트랜지스터의 경우, 전자가 흐르는 방향으로는 수 나노미터의 크기를 가지지만 다른 방향으로는 기존의 반도체 공정이 허용하는 선폭을 가지기 때문에 진정한 의미의 나노 전자 소자라고 말하기 힘들다. 또한 트랜지스터와 커패시터로 이루어진 메모리 셀을 만들기 어려운 단점과 저온에서만 동작하기 때문에 실제적인 응용을 기대하기 어렵다.

더욱이, 종래의 공명 투과 트랜지스터의 경우 소스, 드레인, 장벽층, 및 중첩영역 모두를 박막형으로 제작되는데, 이와 같은 구조에서는 전자의 투과는 2차원 전자 기체로 이해될 수 있다. 따라서 저온에서는 트랜지스터의 특성인 스위칭을 보여 주지만 상온에서는 공명 투과보다 열 에너지(thermal energy)에 의한 전자의 여기(excitation)로 인하여 스위칭 특성이 사라진다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 전자가 흐르는 방향은 물론 다른 방향으로도 수 나노미터의 크기를 가지며, 상온에서 스위칭 동작 가능한 공명 투과 트랜지스터를 제공함을 그 목적으로 한다.

도1은 전형적인 탄소 나노튜브의 분자 구조를 나타내는 도면,

도2는 탄소 나노튜브를 이용한 본 발명에 따른 공명 투과 트랜지스터의 개념도,

도3a 및 도3b는 탄소 나노튜브를 이용한 공명 투과 트랜지스터의 작동 원리를 설명하기 위한 에너지 밴드(band) 다이어그램(diagram).

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 소스용 제1 탄소 나노튜브

2 : 드레인용 제2 탄소 나노튜브

3 : 투과 장벽용 절연성 금속뭉치화합물

4 : 전자중첩영역(electron overlap region)

5 : 전극(electrode)

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 공명 투과 트랜지스터는, 소스로서 작용하는 제1 탄소나노튜브; 드레인으로서 작용하는 제2 탄소나노튜브; 전자중첩영역을 구성하는 C₆₀분자; 및 상기 C₆₀분자에 상기 제1 및 제2 탄소나노튜브를 각각 연결하여 주면서 전자의 투과장벽으로 작용하는 절연성 금속뭉치화합물을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 제1 탄소나노튜브와 상기 제2 탄소나노튜브는 스위칭 동작을 위하여 서로 다른 길이를 갖는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도1은 탄소 나노튜브의 전형적인 분자구조를 나타낸 것이다.

탄소 나노튜브는 도1에 도시된 바와 같이 원통의 표면을 따라 탄소 원자들이 있고 끝 부분이 반구형으로 싸여 있다. 탄소 나노튜브는 원통을 이루고 있는 탄소 원자의 수와 이들의 결합 방향에 따라 금속 또는 반도체 성질을 가진다. 따라서 탄소 나노튜브는 원통 방향으로 나노미터 레벨의 도선 또는 반도체로 이용될 수 있다.

도2는 탄소 나노튜브를 이용한 본 발명에 따른 공명 투과 트랜지스터를 개념적으로 나타낸 도면이다.

도2를 참조하면, 본 발명에 따른 공명 투과 트랜지스터는, 소스로서 작용하는 제1 탄소나노튜브(1)와, 드레인으로서 작용하는 제2 탄소나노튜브(2)와, 전자중첩영역(4)을 구성하는 C₆₀분자(4)와, 상기 C₆₀분자(4)에 상기 제1 및 제2 탄소나노튜브(1, 2)를 연결하여 주면서 전자의 투과장벽으로 작용하는 절연성 금속뭉치화합물(3)을 포함하여 구성된다. 그리고, 소스로 사용된 제1 탄소 나노튜브(1)의 길이가 짧고 드레인으로 사용된 제2 탄소 나노튜브(2)의 길이가 길다. 탄소 나노튜브(1, 2)의 끝부분은 반구형으로 C₆₀분자와 국부적인 동형이므로 C₆₀분자와 금속뭉치화합물을 이용해 분자 수준에서의 전기적 접촉을 이룰 수 있다.

도3a 및 도3b는 탄소 나노튜브를 이용한 공명 투과 트랜지스터의 작동 원리를 설명하기 위한 에너지 밴드 다이어그램(band diagram)이다.

도2, 도3a 및 도3b를 참조하면, 소스로 사용된 제1 탄소 나노튜브(1)의 길이가 짧고 드레인으로 사용된 제2 탄소 나노튜브(2)의 길이가 길면, 도3a에 도시된 바와 같이, 에너지 다이어그램과 같이 소스의 밸런스 밴드(valence band)와 컨덕션 밴드(conduction band)의 에너지 갭(E_c1-E_v1)이 드레인의 것(E_c2-E_v2)보다 크다. 또 소스와 드레인의 밸런스 밴드들중 소스의 것이 더 높은 에너지를 가지는데(E_v1〉 E_v2), 이것은 소스쪽의 길이가 짧기 때문에 드레인 쪽보다 밸런스 전자들이 더 국소화(localization)되기 때문이다.

따라서 도3b에 도시된 바와 같이, 정방향으로 전압을 인가하면 eV = E_c2- E_v1를 만족하는 전압에서 소스에서 드레인으로의 전자의 투과가 일어난다. 즉 트랜지스터가 스위칭 된다.

한편, 종래의 공명 투과 트랜지스터의 경우 소스, 드레인, 장벽층, 중첩영역 모두를 박막형으로 제작하는데, 이와 같은 구조에서는 전자의 투과는 2차원 전자 기체로 이해될 수 있다. 따라서 저온에서는 트랜지스터의 특성인 스위칭을 보여 주지만 상온에서는 공명 투과보다 열 에너지(thermal energy)에 의한 전자의 여기(excitation)로 인하여 스위칭 특성이 사라진다.

하지만 본 발명에서 구성된 공명 투과 트랜지스터의 경우, 1차원적인 투과가 분자 레벨에서 일어나기 때문에 상온에서도 열 에너지에 의한 효과가 미미하여 정상적인 스위칭 특성을 보이게 된다.

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

본 발명에서 제시한 탄소 나노튜브를 이용한 공명투과 트랜지스터의 경우, 탄소 나노튜브가 자연적인 반도체이어서 도핑의 과정이 필요치 않고, 전자가 흐르는 방향뿐 아니라 모든 방향으로 나노미터 크기를 가져 진정한 의미의 나노 전자소자를 만들수 있을 뿐 아니라, 분자 전자소자의 특징을 가지고 있기 때문에 상온에서도 트랜지스터의 특성인 스위칭 동작을 이루게 된다. 따라서 탄소 나노튜브를 소스와 드레인으로 사용하고 이들을 분자 레벨에서 전기적으로 연결하면 종래의 반도체보다 수만배 이상의 직접도를 가진 전자소자를 제작할 수 있다.

Claims (2)

1. 공명 투과 트랜지스터에 있어서,

   소스로서 작용하는 제1 탄소나노튜브;

   드레인으로서 작용하는 제2 탄소나노튜브;

   전자중첩영역을 구성하는 C₆₀분자; 및

   상기 C₆₀분자에 상기 제1 및 제2 탄소나노튜브를 각각 연결하여 주면서 전자의 투과장벽으로 작용하는 절연성 금속뭉치화합물

   을 포함하여 이루어진 공명 투과 트랜지스터.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제1 탄소나노튜브와 상기 제2 탄소나노튜브는 스위칭 동작을 위하여 서로 다른 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 공명 투과 트랜지스터.