[논문]탄소나노튜브 트랜지스터

신진국; 한영수; 정민재; 이재은; 윤상수

문제 정의

卫렇다면 어떤 방법이 있 을까? 그 대안중의 하나로 대두된 것이 물질 자체로서 나노크 기를 갖는 나노튜브가 대두되어 카본 컴퓨터라는 기치를 걸고 연구되고 있다. 본 고에서는 이러한 탄소나노튜브 트랜지스터 에 대한 솔직한 review와 overview를 전개하고자 한다.
이상까지 그동안 국내외에서 이루어지고 있는 탄소나노류브 트랜지스터 연구와 트랜지스터 구현 방법과 bottleneck들, 그 리고 제시된 대안들에 대해 알아보았다.

가설 설정

두 번째' 전극/튜브 접 점에서 접합이 형성되어 접촉 저항이 생김을 알 수 있다. 기본 적으로 접촉 저항은 튜브의 페르마 레벨과 가 밴드의 에너지 차이만큼이 되겠으나, 실재적으로는 전극표면의 top。]。取나 불순물 흡착 정도에 따라 다를 것이다. 나노튜브 자체의 저함 은 d=2.

제안 방법

탄소 나노 튜브를 재현성 있게 성장하고 건설적 파괴를 통해 전체척으로 균일한 아rannel을 제작하였다고 하더라도 기존소자에 비해 많 은 결함을 가질 것이다. Hewlett Pa사tard에서 이중배선과 결 함을 우회하는 architecture를 제안하였다. 이것을 이용하면 일 정부분의 소자결함과 배선결함 하에서도 사용할 수 있다는 것을 보여주었다.
제작돤 소자는 wiring을 하지 않고 probe station올 이용하 여 1차 측정 후, 그 중 특성이 좋은 소자에 wiring올 해서 온 도 변화에 따른 저 항 변화를 측정 하였다. Probe station의 한 팁에서 전류를 흘려주고, drain 쪽의 팁에서 나오는 전류를 측정하였다. 기판 밑면의 Si%를 제거하고, Ag paste로 금속 판에 붙인 후 금속판에 게이트 전압을 걸어 주었다.
탄소나 노튜브의 양단에 금속전극을 붙이고 Si 기판을 gate로 사용하 는 단순한 구조이다. gate 지배력을 높이기 위한 방안으로 나노튜브 위에 절연체를 증착하고 그 위에 gate 전극을 붙이는 방법 (top gate)과 나노튜브의 좌우에 gate전극을 붙이는 방법 (s거e gate). 및 나노튜브를 수직으로 교차시켜서 그중 하나를 gate로 이용하는(floated top gate) 등 다양한 방법이 시도되 고 있다.
온도를 변화시키면서 게이트 立과를 알아보았고, 그를 위해 서는 먼저 wire bonder를 사용해서 소자의 전극과 chip car~tier의 전극을 금이나 알루미늄으로 wiring하였다. 그리고, 와 이어題된 칩캐리어를 전선이 연결된 소켓에 끼워서 Cryo就at 에 넣고 온도를 바꿔주면서 실험하였다.
제작돤 소자는 wiring을 하지 않고 probe station올 이용하 여 1차 측정 후, 그 중 특성이 좋은 소자에 wiring올 해서 온 도 변화에 따른 저 항 변화를 측정 하였다. Probe station의 한 팁에서 전류를 흘려주고, drain 쪽의 팁에서 나오는 전류를 측정하였다.

대상 데이터

최근 LG전자기술원과 KIST 등 몇몇 국내연구기관이 ther~ mal CVD를 사용하여 기존반도체 공정을 이용하여 제작된 패 턴상에 세계최초로 MWNT의 수평성장을 성공한 바 있다. 그림 7에서 볼 수 있듯이 마주보는 두촉매 패턴사이에 floated CNT-bridge를 제작하였다. 촉매금속의 윗면에는 Nb를 증착 하여 전극 및 수직성장 방지막으로 사용하였다.
촉매금속의 윗면에는 Nb를 증착 하여 전극 및 수직성장 방지막으로 사용하였다. 이렇게 제작 된 CNT-bridge를 채널로 하는 FET를 구성하였으며 그 개략 도를 그림 8에 나타내었다.

이론/모형

나노튜브가 gate 전기장 에 따라서 훨 수도 있고 tunneling^ 의한 누설전류가 생갈 수 있으므로 gate위에 얇은 절연막이 필요할 수도 있다. 방향이 제 어되기 위하여 전기장이나 자기장에 의한 vectorial growth 방 법이 사용된다. 전기장을 이용한 경우 값이 너무 크고 소자에 무리가 갈 수 있으므로 자기장을 이용하는 것이 유려할 것이다.

성능/효과

첫째, 잘 알려진 사실이지만 나노튜브의 major carrier가 정공임을 알 수 있다. 두 번째' 전극/튜브 접 점에서 접합이 형성되어 접촉 저항이 생김을 알 수 있다. 기본 적으로 접촉 저항은 튜브의 페르마 레벨과 가 밴드의 에너지 차이만큼이 되겠으나, 실재적으로는 전극표면의 top。]。取나 불순물 흡착 정도에 따라 다를 것이다.
Hewlett Pa사tard에서 이중배선과 결 함을 우회하는 architecture를 제안하였다. 이것을 이용하면 일 정부분의 소자결함과 배선결함 하에서도 사용할 수 있다는 것을 보여주었다. 따라서 이러한 구조를 이용하여 탄소 나노튜브 채 널의 결함에 좀더 관대한 구조를 고안해 낼 수 있을 것이다.
금을 나 노튜브 끝에 deposit한 다음에 silane (Si%)을 이용해서 SiNW를 길러서 접합을 만들 수도 있는데, 이를 Ga-In liq uid metal에 담그고 FV를 측정하면. 정류 특성을 보여주는 Schottky diode device의 가능성을 보여주었다. 제로바이어 스 접합장벽은 약 0.
어쨌든, 이들의 결과를 종합해보면 곁국 몇 가지 사실을 유 추해 볼 수 있다. 첫째, 잘 알려진 사실이지만 나노튜브의 major carrier가 정공임을 알 수 있다. 두 번째' 전극/튜브 접 점에서 접합이 형성되어 접촉 저항이 생김을 알 수 있다.
합성된 CNT-bridges의 전송특성을 측정해 본 결과 CNT 들은 대부분 수 kQ에서 수백 MQ의 저항을 갖는 Metallic MWNT 임을 알 수 있었다. 전류一전압 곡선이 ohmic 거동을 보여주는 경우는 거의 metallic이었고, 수백 MQ의 저항을 갖 는 소자의 경우 전류-전압 곡선은 non-ohmic 성질을 보여 주 는 경우가 많았는데, 이 경우 저온에서 약한 게이트 의존성이 관측되었다.

후속연구

90meV 정도의 thermal 에너지 장벽이 존재하는 것으로 보이나. 그것이 나노 튜브의 것인지’ 아니면 전극과 다른 접촉에 의한 것인지는 더 많은 연구가 필요하다.
이것을 이용하면 일 정부분의 소자결함과 배선결함 하에서도 사용할 수 있다는 것을 보여주었다. 따라서 이러한 구조를 이용하여 탄소 나노튜브 채 널의 결함에 좀더 관대한 구조를 고안해 낼 수 있을 것이다.
물론 이와 같은 intramolecule을 이용하여 공정을 제 어하고 하나의 나노튜브 안에 금속/ 반도체의 접합을 만들면 옹용 가능성이 높을 것이다. 또, n-type의 나노튜브를 만들어 기존의 p-type 나노 튜브와 접합시키면 그 응용 가능성 또한 훨씬 높아질 것이다. 올 12월 게재된 n-type CNT에 대한 Dai의 보고에서 하나의 가능성을 찿을 수도 있을 것이다.
또한 새로운 촉매에 대한 연구가 필요하다. 좀더 재현성 있 고 반경이 작은 반도성 탄소 나노튜브를 성장시켜 줄 수 있는 다양한 촉매의 연구가 시도되어야 한다.
금속 패턴 및 capacitor 등을 기존의 반도체 공정을 이용하여 제작할 경우 촉매 패턴의 크기 또한 수십 나노이하이어야 한 다. 실제로 사진공정의 해상도는 점점 더 증가하므로 앞으로 십년내에 사진공정은 50nm이하가 가능할 것으로 예상되며 대 량생산에 적합한 stepper 방식이 될 것이다. 기존의 MOS- FET 공정이 이온 주입과 short channel 효과를 제거하기 위 하여 노력하고 있으며 20 〜 30 nm 크기의 nano~CMOS가 가능할 것으로 보인다.
또한 새로운 촉매에 대한 연구가 필요하다. 좀더 재현성 있 고 반경이 작은 반도성 탄소 나노튜브를 성장시켜 줄 수 있는 다양한 촉매의 연구가 시도되어야 한다. 다공성 촉매를 이용 한 SWNT에 대한 연구가 많이 이루어졌다.

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