▒ 그라핀과 절연체의 접합을 추가적인 결함을 인가하지 않고도 실현,높은 전하 이동도를 갖는 트랜지스터 제조

그라핀(graphene)은 그 독특한 특성과 다양한 응용 가능한 분야 덕분에 거의 완벽한 2차원 물질이라고 인정받으며 연구되고 있다. 그라핀의 우수한 특성은 여러 가지 측면에서 증명이 되고 있는데 매우 높은 전하 이동도(carrier mobility), 전자와 홀의 대칭성, 양자 홀 효과(quantum Hall effect) 등이 그라핀을 우수한 트랜지스터 재료로써 이용할 수 있게 만든다. 그렇지만 밴드갭이 0이라는 특성은 반도체 기술 분야에 이용되기에는 좋지 않은 특성이다.

연구팀들은 이러한 밴드갭 특성을 극복하기 위하여 그라핀 나노구조를 제작하고 있는데, 10nm 이하의 크기를 가지는 나노리본(nanoribbon)이나 나노메쉬(nanomesh)들이 그러한 예들이다. 그라핀이나 그라핀 나노리본이 우수한 전기적 특성을 갖도록 하기 위해서는 기존의 트랜지스터와 마찬가지로 고집적도 공정이 가능해야 하고, 소자 소형화로 인해 나타나는 여러 가지 문제들을 극복해야 하는데 high-k 물질들이 그러한 특성을 가능하도록 할 것이라 인정되고 있다.

그렇지만, 그라핀과 산화 절연막들이 화학적인 특성이 너무 달라서 그라핀과 high-k 물질들을 접합시키는 것은 쉽지 않은 상황이다. 이를 극복하기 위하여 그라핀 표면을 화학적으로 처리하는 방법이 연구 발표되었는데, 이는 추가적인 공정이 필요한 일이라는 점에서 큰 단점이 있다. 폴리머를 버퍼(butter)층으로 이용하는 연구도 수행이 되었는데, 이는 폴리머의 low-k 특성 때문에 전기적 특성이 약화될 수 있다는 점에서 단점이 있다.

최근 이와 관련하여 좋은 특성을 갖는 high-k 물질을 간단한 공정으로 그라핀 나노리본에 접합하여 우수한 특성을 갖는 트랜지스터를 제조할 수 있는 연구가 발표되어 이를 소개하고자 한다. 이 연구는 미국의 University of California, Los Angeles의 Xiangfeng Duan 박사의 연구팀에서 수행되었으며, "Top-Gated Graphene Nanoribbon Transistors with Ultrathin High-k Dielectrics"라는 제목으로 Nano Letters에 발표되었다.

연구팀은 새롭게 개발한 방법을 이용하면 그라핀과 절연체의 접합을 추가적인 결함(defect)을 인가하지 않고도 실현시킬 수 있으며, 따라서 높은 전하 이동도를 갖는 트랜지스터를 제조할 수 있다고 밝히고 있다. 이번 연구에서 순수한 절연 나노구조가 그라핀 트랜지스터를 위해 이용되었고, 그러한 절연체 두께는 전체적인 나노구조의 크기에 따라 조절되었는데, 1~2nm 이하의 두께로 조절하는 것은 쉽지 않다고 한다. 따라서 연구팀은 새로운 구조인 전도체/절연체의 코어/쉘 구조를 이용하여 소자를 제조하였고, ALD 기법을 이용하여 high-k 절연체를 증착해서 매우 얇은 두께의 절연체를 생산할 수 있었다고 한다.

이번 연구에서는 high-k 물질 중에서도 HfO2를 이용하였는데, 제조 공정도에 대해서는 그림 1에 잘 나타나 있다. 그림 2에서는 이렇게 제조한 Si/HfO2 코어/쉘 나노와이어 구조의 모식도와 함께 TEM 사진이 나타나 있으며, 그림 3에서는 이를 이용하여 제조한 트랜지스터 모습과 함께 소자의 단면 TEM 모습이 나타나 있다. 그림 4에서는 이러한 소자에서의 전기적 특성에 대해 나타내주고 있으며, 트랜지스터 특성이 잘 나타나는 것을 알 수 있다.

연구팀은 이번에 개발한 새로운 기법을 이용하면 그라핀 트랜지스터를 보다 쉽게 제조할 수 있으며, 기존의 연구 결과들에 비하여 월등하게 우수한 전기적 특성을 갖는 top-gate 구조의 트랜지스터를 생산할 수 있다고 자부하고 있다. 또한 절연체 두께를 쉽게 조절할 수 있기 때문에 응용 분야에 따른 전기적 특성 조절도 가능할 것으로 보고 있다. 특히 이번 연구를 바탕으로 유연한 기판(flexible substrate)에 기반한 트랜지스터를 제조할 수 있을 것으로 보고 앞으로 관련 연구를 해 나갈 것이라고 밝히고 있다.





Source : Nano Letters

<출처> NDSL, 2010-04-12

Posted by TopARA

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