주석산화막 전자 터널링을 이용한 탄소나노튜브 네트워크 FET

Abstract

탄소나노튜브 (Carobon Nanotube) 네트워크와 금 전극과의 접촉면에 주석산화막을 삽입하는 방법으로 전자의 주입을 가능하게 만드는 구조를 최초로 제안하고 실험적으로 증명하였다. 이러한 구조를 이용하여p-type 특성을 가지는 탄소나노튜브 소자의 특성을 n-type으로 바꿀 수 있었다. 새로운 구조로 제작한 n-type 소자와 일반적인 형태인 금/탄소나노튜브/금 구조의 p-type 탄소나노튜브 소자를 연결하여 CMOS 동작을 하는 소자를 구현하였다.

소자의 전극구조는 각 Cell 간의 간섭을 최소화 할 수 있는 동심 구조 전극을 사용하였고, 실리콘 기판 위에 보편적인 사진, 식각 공정을 통해 금 또는 알루미늄을 올려서 제작을 하였다. 채널 길이는 10μm이고 동심 구조 전극에서 섬 전극을 드레인 전극으로 사용하였다. 이렇게 형성된 전극 위에 딥코팅을 이용하여 탄소나노튜브를 코팅하였다. N-type 소자로의 변환을 위해서 탄소나노튜브 코팅 전에 ALD(Atomic Layer Deposition)를 이용하여 주석산화막을 증착하고 탄소나노튜브를 코팅하였다.

제작한 소자에 백 게이트 전압을 인가한 후 전압에 따른 채널전류의 변화를 측정하고 분석하였다. P-type 동작을 하는 소자의 특성과 n-type 동작을 하는 소자의 특성을 확인하였다. 그리고 금 전극을 알루미늄 전극으로 바꾸어서 같은 실험을 반복하였다. 금 전극을 이용한 소자와 알루미늄 전극을 이용한 소자의 실험 결과를 비교하고 분석하였다.

주석산화막 삽입을 이용한 소자의 특성변화를 에너지 밴드 모델을 통해 설명하였다. 적당한 두께의 산화막을 탄소나노튜브와 금속 전극 사이에 삽입하고 전압을 인가하면 전압의 대부분이 산화막에 걸리게 되고, 이것이 금속 전극에서 탄소나노튜브로 전자가 넘어가기 위한 장벽의 높이를 줄이게 된다. 그러므로 산화막을 삽입하기 전보다 전자가 넘어가기 위한 장벽이 낮아지게 되는 것이다. 따라서 금속 전극에서 탄소나노튜브에 산화막을 삽입함으로써 전극으로부터의 전자 주입 효율을 높일 수 있다. 본 연구에서 개발한 방법을 기반으로 하여 기존의 탄소나노튜브를 이용한 소자 제작에서의 한계점을 극복할 수 있고, 전자 주입을 통해 포토 다이오드나 CMOS 소자의 제작에 이용할 수 있다. 특히 본 연구에서 개발된 소자를 탄소나노튜브 네트워크를 complementary logic이나 발광소자에 사용할 수 있는 가능성을 보였다.

In this thesis, we propose a new method to enhance electron injection from the metal by using a tin oxide (SnO2) layer between a metal electrode and a carbon nanotube network (CNN) channel. A CNN device, which is intrinsically a p-type semiconductor, is successfully transformed to an n-type device by introducing an electron injection buffer layer.

A gold evaporated film was used to make concentric electrode by means of optical lithography and general lift off techniques. The channel length is 10μm and island electrode is drain electrode in our device. The CNN was deposited on the Au patterned substrate by using deep coating method, which made it possible to obtain uniform film characteristic. In the case of n-type CNN device, the SnO2 layer with the thickness of 3nm was deposited on the device by the atomic layer deposition (ALD) before CNT deep coating step.

The conversion mechanism from p-type to n-type characteristics in our device was explained on the schematic energy band model. If a proper thickness of the insulating layer is included, large part of voltage can be dropped across the insulating layer, which results in reduction in the effective barrier for electron injection from Au to CNN channel. Therefore, the barrier for electron injection will be smaller than the case without the buffer layer. Consequently, the electron injection to the CNN channel can be improved by inserting the insulating layer between the Au electrode and the CNN.

It has been shown that the limitation of carbon nanotube device can be overcome by realizing the n type device by adopting the above mentioned idea and that the idea can be applied to fabricate the photo diode by injecting electrons to the p-type CNN as well as the CMOS circuit. Especially, this device may offer the opportunity for CNN to complementary logic or light emitting device.