KR20070032389A - 광학적으로 구성 가능한 나노 튜브 또는 나노 와이어반도체 디바이스 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 적어도 둘의 전극; 및 적어도 하나의 나노 튜브 또는 나노 와이어, 특히 카본 나노 튜브 또는 나노 와이어를 포함하는 반도체 디바이스에 관한 것이다. 상기 디바이스는, 적어도 하나의 감광성 물질의 분자 또는 나노 결정으로 구성된 적어도 하나의 층에 의하여 적어도 일부분이 덮여지는 영역을 적어도 하나 구비하는 적어도 하나의 반도성 나노 튜브 또는 나노 와이어를 포함한다. 그리고 상기 적어도 둘의 전극은, 적어도 하나의 나노 튜브, 즉 상기 반도성 나노 튜브 또는 나노 와이어, 또는 이와 다른 적어도 하나의 나노 튜브 또는 나노 와이어에 의해 전기적으로 연결된다.
Description
본 발명은, 광학적으로 구성 가능한 트랜지스터 또는 다이오드와 같은 나노 튜브 또는 나노 와이어 반도체 디바이스에 관한 것이며 이를 광학적으로 재구성 가능한 전자 회로에의 사용하는 것에 관한 것이다.
R.J.Chen 등에 의한 Applied Physics Letters, Vol. 79, No. 14, 2258 (2001)의 "단일벽 카본 나노 튜브로부터의 분자 이탈(Molecular desorption from single-walled carbon nanotubes)" 명칭의 논문은, 자외선 또는 가시광선에서의 강한 일루미네이션은 전극 위에 존재하는 산소 분자를 이탈시켜 나노 튜브 트랜지스터의 전기적인 특성을 변화시킬 수 있음을 개시하고 있다. 이러한 현상은 빠르지만, 가역성에 관해서는, 최초 전류를 복구하기 위하여 일반적으로 수십 분이 필요하다. 많은 양의 파워(power)가 요구되는 이 현상은 파장 특이적이지 않으며 되돌리기 어렵다.
K. Balasubramanian 등에 의한 Applied Physics Letters, Vol. 84, No. 13 (2004)의 "개별적인 반도성 카본 나노 튜브의 광전자 전달 이미징(Photoelectronic transport imaging of individual semiconducting carbon nanotubes)" 명칭의 논문은, 514.5 나노미터(nm) 및/또는 647 nm에 위치한 파장을 가지는 광자가 비기능화된(non-functionallized) 카본 나노 튜브 트랜지스터에서 광전류(photo-current)를 생성할 수 있음을 개시하고 있다. 상기 전류는 1 나노 앰프(nanoamps, nA)보다 작은 정도로 아주 약하게 생성되며 트랜지스터가 오프(off) 상태인 경우에만 검출될 수 있다.
Freitag 등에 의한 Nano Letters, Vol. 3, No. 8, pp.1067-1071 (2003)의 "단일 카본 나노 튜브의 광전도도(Photoconductivity of single carbon nanotubes" 명칭의 논문은, 나노 튜브 트랜지스터가 적외선 광자(infrared photon)를 검출하는 데 사용될 수 있음을 개시하고 있다. 나노 튜브 트랜지스터 내의 전류는, 트랜지스터의 채널의 역할을 하는 반도성 나노 튜브의 반 호프 특이점들(예를 들면, 금지대(forbidden band)) 사이에서 허용된 전이들(permitted transitions) 중 하나의 에너지에 대응하는 광의 파장을 가지는 광자들에 의해 변경될 수 있다. 일반적으로, 이 파장은 처음 두 접근 가능한 전이들의 적외선에 높여진다. 이는 나노 튜브의 원자 구조(직경과 키랄리티(chirality))에 의해 최종적으로 정의된다.
광의 존재에 의해 나노 튜브에 의한 트랜지스터의 전기적 특성에서 관찰되는 변경들은 매우 작다. 이들이 적외선 방출을 검출하는 데 사용될 수 있다고 할지라도, 트랜지스터는 순수하게 "광학적으로 제어"되어야 한다. 트랜지스터의 오프(off) 상태만이 아주 작은 양으로 변화할 뿐이다. 결국, 비기능화된 나노 튜브의 금지대를 통하여 전자-정공 쌍을 직접적으로 생성하는 데 사용되는 방법은 10-7 오더(order)의 아주 작은 양자 효율(quantum efficienby)을 가진다.
A. Star 등에 의한 Nano Letters, 2004년 6월에 발행된 "나노 광전자 메모리 디바이스(Nanotube optoelectronic memory devices)" 명칭의 논문은, 메모리 기능을 제공할 수 있도록, 감광성의 폴리머를 이용하여 카본 나노 튜브에 의한 디바이스를 기능화하는 것을 개시하고 있다. 이러한 목적을 위하여, 일군(一群)의 나노 튜브는 칩 위에 드롭 증착된(drop deposited) 두꺼운 폴리머 필름에 의해 덮여진다. 따라서 이는 매우 두꺼운 층상으로 비제어된 형식으로 증착된 매우 큰 분자의 폴리머와 관계가 있다. 상기 디바이스가 일루미네이션되면, Id(Vgs) 전기적 특성은 시프트(shift)되고, 이에 따라 전자들이 폴리머로 이동되는 것을 나타낸다. 일루미네이션이 중단될 때, 디바이스는 매우 긴 시간(수 분) 동안 그 특성을 유지하여, "메모리" 효과를 제공한다. 이러한 기술은 "메모리" 타입의 특성들에 한정되며 고밀도 집적(dense integration)에 적합하지 않다.
Rotkin과 Zmarov에 의해 International Journal of Nanoscience, Vol. 1, Nos. 3 and 4 (2002), pp. 347-355에 발표된 "나노 튜브 광 제어 전자 스위치(Nanotube light-controlled electronic switch)" 명칭의 논문은, 형상-변형 분자(shape-changing molcule)를 이용하여 카본 나노 튜브 주변에서 전하를 치환하는 것을 제안한다. 광자가 흡수될 때, 상기 분자는 변형된다. 이 이론적 연구에 따르면, 분자가 그 선단에 전하(charge)를 나노 튜브로부터 멀리 이동하면, 그 전하는 기계적으로 그 튜브를 향하거나 이로부터 떨어진다. 이는 디바이스의 특성을 변화시키는 역할을 한다. 어떠한 경우에도, 이 기술은 형상-변형 분자가 사용되는 것이 요구된다.
본 발명의 다른 특성들 및 장점들은 아래 도면들을 참조하여 후술하는 상세한 설명을 읽음으로써 좀더 나타날 것이다.
도 1a는 카본 나노 튜브 전계 효과 트랜지스터(CNTFET)의 일례를 보여주고, 도 1b와 도 1c는 본 발명의 배경(context)에서 사용될 수 있는 디바이스의 다양한 예를 구성한다.
도 2의 a 내지 c는 감광성 층의 서로 다른 위치들과 그로부터 야기되는 효과를 보여준다.
도 3은 레이저 광에 의한 여기가 있는 경우와 없는 경우에서의 일련의 실험을 보여준다.
도 4a 및 도 4b는 각기 어두운 경우와 파장이 647.1 nm인 레드 레이저(red laser)의 일루미네이션이 있는 경우에 트랜지스터의 게이트 소스 전압(Vgs)에 따른 드레인 전류(Id) 특성을 보여준다. 도 4b에는 반로그(semilogarithmic coordinate)를 사용하여 동일한 곡선을 보여준다.
도 5의 a 내지 f는, -1 V 내지 +1 V의 범위 내에 있는 전압 Vgs의 작동 범위에서 p-형 카본 나노 튜브 트랜지스터에서 얻을 수 있는 다양한 효과들을 보여주기 위하여, 게이트 소스 전압(Vgs)[V]에 따른 nA에서 드레인 전류(Id)[nA] 실험적인 곡선을 사용한다.
도 6의 a 내지 c는 본 발명에 따른 하나 또는 그 이상의 디바이스에 적용되는 광학적으로 재구성 가능한 다양한 회로들을 보여준다.
본 발명의 목적은 적어도 하나의 나노 튜브, 특히 카본 나노 튜브, 또는 적어도 하나의 나노 와이어를 포함하는 반도체 디바이스를 제공하는 것이다. 이 디바이스는 어떠한 현저한 메모리 효과 없이도 유리한 양자 효율으로 광학적으로 구성 가능하며 가역적이다. 즉, 이 디바이스는 일루미네이션이 중단되면 그 초기 상태로 회복된다. 유리하게는, 이 디바이스가 선택된 감광성 물질의 기능에 따라 선택된 파장에서 이 디바이스가 광에 의해 광학적으로 구성 가능하다.
본 발명은 또한 적어도 둘의 전극들과 적어도 하나의 나노 튜브 또는 나노 와이어, 특히 카본 나노 튜브 또는 나노 와이어를 포함하는 반도체 디바이스를 제공한다. 이 디바이스는 적어도 하나의 감광성 물질의 분자 또는 나노 결정으로 구성된 적어도 하나의 층에 의하여 적어도 일부분이 덮여지는 영역을 적어도 하나 구비하는 적어도 하나의 반도성 나노 튜브 또는 나노 와이어를 포함하고; 상기 적어도 둘의 전극은, 적어도 하나의 나노 튜브, 즉 상기 반도성 나노 튜브 또는 나노 와이어, 또는 이와 다른 적어도 하나의 나노 튜브 또는 나노 와이어에 의해 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 한다.
유리하게는 상기 분자은 앰피필릭(amphiphilic)하다.
상기 물질들은, 특히 금속 중심 원자(특히 구리 원자)로 구성되는 금속 중심 원자가 존재하는 프탈로시아닌(phthalocyanine)이거나, 포르피린(porphyrine), 아조포르피린(azoporphyrine) 또는 이들의 유도체이거나, 또는 실제의(indeed) 염료(dye) 또는 크로모포어(chromophore), 특히 앰필리픽 크로모포어(amphilipic chromophore)일 수 있다. 또는 상기 물질들이, 적어도 두 부분, 즉 크로모포릭(chromophoric)한 중심과 상기 디바이스 위에 선택적으로 공유 결합으로 그라프트(graft) 될 수 있는 그라프터블(graftable) 부분으로 구성되는 실제의 복합 분자일 수 있다. 다양하게, 그 물질은 반도체 물질의 나노 결정일 수 있다.
이 물질은, 이 물질의 분자들로 구성되는 0에서 20, 특히 1에서 10의 층을 가지는 박막의 형태일 수 있다. 더 얇은 필름이 빠른 광전자 효과를 얻는 데 적합하기 때문에 바람직하다.
유리하게는, 박막이 디바이스의 선택된 부분(나노 튜브, 전극들, 및/또는 튜브를 지지하는 표면)에서 분자 단층의 선택적으로 공유 그라프트(covalent graft)하는 것에 의해 대체될 수 있다.
상기 물질이 증착되거나 그라프트된 영역은 나노 튜브 또는 나노 와이어의 외면 및/또는 내면이거나, 반도체 디바이스의 전극이거나, 트랜지스터의 게이트 절연막의 실제의 표면이거나, 또는 나노 튜브 또는 나노 와이어가 위치하는 기판의 실제의 표면일 수 있다.
상기 디바이스는 서로 다른 감광성 물질로 구성되는 적어도 하나의 층 내에 각기 덮여지는 하나 또는 그 이상의 영역들이 존재할 수 있다.
또한, 본 발명은 상술한 반도체 디바이스의 제어 방법을 제공한다. 이 제어 방법은 상기 물질의 광-흡수 영역에 위치한 파장의 광에 의해 적어도 하나의 상기 영역의 일루미네이션을 적용하는 것을 특징으로 한다.
구조(키랄리티, chirality)에 따라, 단일벽 카본 나노 튜브는 금속성이거나 반도성일 수 있다. 이들은 전자 구성 요소(component)를 형성하도록 전극들에 연결된다. 따라서, 1996년에서부터 2004년까지 기간에는, 이러한 나노 튜브가 다이오드, 단전자 트랜지스터(single-electron transistor, SET), 카본 나노 튜브 전계 효과 트랜지스터(carbon nanotube field-effect transistor, CNTFET)를 제조하는 데 있어 기본적인 성분으로 사용되었다. 이러한 CNTFET는 메모리 성분, 개별 논리 게이트(individual logic gate), 기체 또는 생물학적 분자(biological molecule)의 검출기, 또는 실제의 에미터(indeed emitter)와 적외선 광자(infrared photon)의 검출기 등의 제조에 사용될 수 있다.
CNTFET 타입의 전계 효과 트랜지스터는, 두 전극, 즉 소스(S)와 드레인(D)에 의해 연결되는, 예를 들어 반도성의 단일벽 카본 나노 튜브(1)에 의해 구성되며, 절연막(2)(게이트 산화물)에 의해 튜브와 분리되어 있는 제3 전극, 즉 게이트(G)에 의해 제어된다. 소스(S)와 드레인(D) 사이에서 카본 나노 튜브(1)에 의해 구성된 채널을 따라 흐르는 전류는 게이트 전압에 의해 조절된다. 상기 구성이 가능한 구성만이 아니다. 특히, 게이트 전극은 나노 튜브의 위 또는 아래에 위치할 수 있다.
1998년 이래로, 특히 지난 2년에 걸쳐, 실리콘 트랜지스터와 유사한 레벨에 도달할 수 있도록 개선을 위해 이러한 구성 요소들의 실행이 계속되었다.
카본 나노 튜브에 의한 이러한 전자 구성 요소의 주요한 특징 중 하나는 환경에 매우 민감하다는 것이다. 이 구성 요소의 다양한 부분(튜브, 전극들, 표면)에서 흡수되는 분자들의 존재는 전자 전달 성질을 매우 크게 변화시킨다.
CNTFET의 환경은 아래와 같은 다양한 방법으로 CNTFET의 전기적 성질을 변경시킬 수 있다.
a) 나노 튜브에 흡착되거나 화학적으로 결합되는 분자들은 나노 튜브로 전하를 이동(전자를 공여하거나 수용)시킬 수 있다. 이러한 변화는 나노 튜브의 도핑 레벨의 변화를 가져온다.
b) 나노 튜브의 주변에서, 전극들에 흡착되거나 화학적으로 결합된 분자들은 채널로의 캐리어 주입을 변경할 수 있다. 나노 튜브 내로 들어가기 위하여, 전극들 내의 전하는 쇼트키 접촉(Schottky contact)에 의해 발생하는 포텐셜 장벽(potential barrier)를 극복해야만 한다. 이 장벽의 높이는 특정한 분자, 특히 극성 분자의 존재에 민감하다.
c) 나노 튜브의 주변의 표면 또는 튜브에서의 분자의 흡착 역시, 분자와 나노 튜브 사이에서 어떠한 전하의 이동 없이, 구성 요소의 전기적 특성을 변경할 수 있다. 특히, 튜브 주변에서의 차지된(charged) 또는 높은 극성 분자는 튜브에서 정전(靜電) 포텐셜(electrostatic potential)을 변경하고, 이에 따라 게이트에 인가된 전압과 같이 기능한다. 이를 "화학적인 게이팅(chemical gating)" 또는 화학적으로-유도된 게이트 포텐셜이라 지칭한다.
본 발명은 트리거링(triggering), 정지(stopping), 증가(increasing), 감소(decreasing) 및/또는 이러한 타입의 가역적인 효과를 위하여 특히 광을 이용하는 것을 시도한다.
다양한 부류의 분자들은 광화학적(photochemical)이거나 광물리적(photophysical)인 성질을 구비한다. 매우 일반적으로 말해서, 분자가 광자를 흡수할 때 분자가 여기 상태로 스위치(switch)된다. 에너지의 이러한 접근은 다양한 결과를 가질 수 있다. 분자들은, 여러 프래그멘트(fragment)로 분열되고; 냉광을 발하며(luminesce); 비방사 전이(non-radiative transition)를 경험하고; 이온화되고; 형상을 바꾸고; 새로운 구성 요소를 형성하거나 전하를 이동시키기 위하여 다른 분자들과 반응하며; 다른 분자로 그 여기를 이동시킬 수 있다. 이러한 메카니즘의 일부, 특히 마지막 네 가지는, 나노 튜브 트랜지스터의 전달 성질을 제어하는 데 사용될 수 있다.
a) 광여기 도핑( Photo - induced doping )
용액 내의 특정한 분자들은 광자를 흡수할 때 전자를 공여하거나 수용할 수 있다. 아래의 예에서, 분자들은 여기 상태일 때 전하를 이동시키는 튜브에 흡착된다(도 2의 a). 이는 트랜지스터 채널의 도핑 레벨을 변화시킨다.
반도성의 나노 결정, 전형적으로 CdSe의 우수한 광학적인 성질을 이용하는 것도 가능하다. 광자가 반도성의 나노 결정에 흡수될 때, 전자-정공 쌍(여기자)가 형성된다. 그 다음 나노 결정의 표면에 존재하는 분자를 향해 이동하는 전하가 관찰될 수 있다. 이에 따라 나노 결정의 표면이 티올(thiol) 또는 폴리-아로마틱(poly-aromatic)과 같은 환원 특성의 분자에 의해 기능화될 때 정공의 이동이 관찰된다. 표면의 앞선 기능화에 의하여 가능하게 나노 튜브에 그라프트 되거나 그 주변에 직접 증착되는 반도성의 나노 결정은 광여기 도핑을 가능하게 할 수 있다. 또 다른 나노 결정의 유리한 성질은 흡수 스펙트럼이 크기 또는 사용되는 칼코겐 화합물(chalcogenide)(CdTe, CdSe, CdS)의 타입에 의존하는 방식이다. 따라서 서로 다른 직경 또는 조성을 가지는 나노 결정을 사용함으로써 광-도핑 효과를 일으키는 방사의 파장을 선택할 수 있다.
b) 전하 주입의 광여기 변화
광자의 흡수에 의해 특정한 분자의 화학적인 구조가 변경될 수 있다는 것이 알려져 있다. 이는 특히 양 또는 음의 전하의 중심의 분배가 하나의 상태와 다른 상태에서 다를 때 전기적인 쌍극자 모멘트(dipole moment)를 변화시키는 결과가 될 수 있다. 이러한 분자들이 CNTFER의 전극들에 그라프트 되면(도 2의 b), 나노 튜브로의 캐리어의 주입이 분자의 상태, 이에 따라 광에 민감해 질 것이다.
c) 광여기 게이트 포텐셜
나노 튜브 또는 게이트 산화물의 표면에 그라프트된 이러한 분자들을 이용하는 것도 가능하다(도 2의 c). 그 다음 광자의 흡착은 정전 환경(electrostatic enviroment)을 변경하고, 이에 따라 화학적 게이팅의 효과와 유사한 효과를 생성한다.
예: 광에 의해 변경될 수 있는 전기적인
특성을 가지는
카본 나노 튜브 트랜지스터
이 예에서, 나노 튜브 트랜지스터는 CuS18로 알려진 프탈로시아닌 랭뮤어블로제트박막(Langmuir-Blodgett film)으로 덮여진다. 사용된 크로모포어(chromophore) 분자들은 양으로 차지된 네 개의 C18 지방성 체인(aliphatic chain)(즉 각기 18개의 카본을 가지는 네 개의 C18 지방성 체인(aliphatic chain))과 함께 크로모포어(chromophore) 하트(heart)를 가지는 앰필리픽 프탈로시아닌이다. CuS18은 1986년 Serge Palacin에 의해 참조문헌 S. Palacin, A. Ruaudel-Teixier, A. Barraud, J. Phys. Chem., 90, 6237-6242 (1986)에서 상술된 화합물이다. CuS18의 명칭은 유사한 구조의 일련의 화합물의 이름을 짓는 시스템에서 유리했다. 풀 네임은 테트라옥타디실테트라피리디노[3,4-b:3',4'-g:3'',4''-1,3''',4'''-q]포피라지니움(tetraoctadecyltetrapyridino[3,4-b:3',4'g:3'',4''1 :3'' ', 4'' '-q]porphyrazinium)이다.
이 분자의 전형적인 크기는, 그 가장자리 또는 모바일(mobile)과 결합하는 2.0nm의 체인과 함께, 크로모포어 코어가 1.7nm 직경이다. 랭뮤어블로제트 증착 기술은, 단일층에 의해 단일층으로, 단일층을 겹침으로써 증착되는 분자의 양을 정확하게 제어할 수 있도록 한다. 아래 설명되는 효과는 트랜지스터 위에 분자들의 단일 층, 두 층, 그리고 열 층을 재생산된다. 실제로는, 예를 들어 대략 이십 층의 단일층 또는 그 이상으로 겹치는 것이 가능하다.
본 발명은 랭뮤어블로제트 증착 기술에 의해 증착된 층을 사용하는 것에 한정되지 않는다. 화학 기상 증착(CVD) 등과 같이 당업자에게 알려진 다른 증착 방법들이 존재한다. 디바이스 내에서 그들을 조립하기 전에 나노 튜브를 기능화하는 것과 가능하다.
분자의 스페트럼의 최대 흡수에 대응하는 주어진 파장의 일루미네이션, 이 경우에는 647.1mm 파장의 레이저 일루미네이션에서, 사용된 분자에 의존하는 파장 선택성에 의해서, 튜브에 접촉하는 분자들은 전자를 튜브로 전달하여 양으로 차지(charge)된다. 상기에서의 양으로 차지된 분자의 존재는 튜브 내에서 양의 전하(정공)의 밀도를 감소시킨다. 음의 게이트 전압에서 정공들이 트랜지스터에서 흐르는 전류의 원인이기 때문에, 이들의 개수의 감소는 트랜지스터가 일루미네이션 될 때 트랜지스터를 통한 전류를 크게 감소시킨다.
이러한 현상의 역학 관계를 보여주기 위하여, 도 3은 시간에 따른 일군의 곡선이며 전압 Vgs를 통한 스위핑(sweeping)의 주기(cycle)을 보여준다. 이는 결과적으로 Id(Vgs) 특성의 스트링(string)이 된다. 광이 온(on) 될 때 전류의 갑작스런 하락이 관찰된다. 특별히 주목할 만한 것은 이 현상의 빠른 가역성이다.
다른 연구, 특히 앞서 말한 다른 연구는, 되돌리기가 어려운 광여기 현상을 나타낸다: 전극으로부터 트랜지스터로의 분자들의 광-이탈과 감광성 폴리머 내의 차지 스토리지. 도 3의 곡선들이 레이저가 꺼지자마자 최초 성질로 회복한다는 사실은 다른 메카니즘이 관련됨을 나타낸다. 레이저의 파워는 광-흡수 현상에 다다를 때까지 실험적으로 증가되었다. 광-이탈 트레숄드(threshold)에 다다르기 전에, 그 자신에 의해 관찰되는 빠른 역학 관계에 의해 유리한 현상을 가능하게 하는 파워의 넓은 범위가 존재한다.
도 4a는 어두운 경우와 파장이 647.1 nm인 레드 레이저(red laser)의 일루미네이션이 있는 경우에 트랜지스터의 Id(Vgs) 특성을 보여준다. Id(Vgs) 특성은 도 3의 곡선에 대응하는 Id(Vgs)의 레코드를 평균내어 얻어진다. 이 특성은 광자에 의해, 특히 온(on) 상태에서 크게 변경되는 것을 매우 분명하게 알 수 있다. 이는 종래 기술과 두드러지게 차이가 나는 점이다.
오프(off) 상태 또한 알기 위하여, 반로그 계산자(semilogarithmic scale)를 사용하여 도 4b에 동일한 곡선을 제시하였다. 트레숄드(threshold) 전압보다 큰 그리드(grid) 전압에서 오프 상태 또한 크게 변화하는 것을 명확하게 알 수 있다.
결과적으로, 이 현상이 확고하다는 것을 관찰하는 것은 중요하다. 분자의 층을 열화시키지 않으면서 레이저는 매우 많은 회수로 사이클 될 수 있다.
본 발명은, 분자들의 단일 층까지 매우 작은 양으로 작업하여, 빠르고 잠재적으로 지역화된 전기적 효과에 도달하게 함으로써, 나노 튜브와 상대적으로 작은 분자들 (고분자 분자들과 비교했을 때 상대적으로 작은 분자들) 사이의 상호 작용을 최대화하는 것을 가능하게 한다. 이에 따라 재구성 가능할 뿐만 아니라 집적 회로에서 트랜지스터를 사용하는 것을 가능하게 한다.
이러한 트랜지스터는 광학적으로 재구성 가능한 회로의 제조에 사용될 수 있다. 이는 광에 의해 제어되는 스위치처럼 행동한다. 전압 Vgs가 음의 값(예를 들어, 도 4에 보여진 특별한 경우에서처럼 -10 V)으로 설정되면, 광이 있는 상태에서 트랜지스터는 전류가 흐르는 것이 방지된다. 로그 계산자(logarithimic scale)으로부터 명확하게 알 수 있는 바와 같이, Id << 10-11A 이다. 그 구성 요소가 부회로(sub-circuit)에 입력에 위치하면, 이 부회로는 광의 부재에 의하여 활성화되고 광의 존재에 의해 비활성화된다.
본 발명의 배경에서, 두 전극들(도 1b의 트랜지스터에서 소스(S)와 드레인(D)) 사이에 연결되며 단일 반도성 나노 튜브 또는 나노 와이어(도 1), 적어도 하나가 반도성인 실제의 일군의 나노튜브 및/또는 나노 튜브, 그 자체로 두 전극들을 연결하여 튜브가 없는 것으로 전극들(도 1c의 트랜지스터에서 소스와 드레인)에 경로를 제공하는 적어도 하나가 반도성인 실제의 일군의 나노 와이어 및/또는 나노 튜브를 적용하는 것도 가능하다.
도 1b 및 도 1c의 다양한 예들은 전하가 카본 나노 튜브에서 높은 이동성, 79000 cm2/V/s에 이르는 높은 이동성을 가진다는 장점이 있다. 이는 유기 물질에서의 값들이 10-3 cm2/V/s 내지 10-1 cm2/V/s 인 것과 대비된다.
다음과 같은 다른 분자들이 사용될 수 있다.
- 중심 원자가 구리 이외의 금속인 프탈로시아닌 및/또는 지방성 체인(aliphatic chain)이 다른 체인으로 대체될 수 있는 다른 프탈로시아닌.
- 포르피린(porphyrine), 아조포르피린(azoporphyrine) 또는 이들의 유도체.
- 반도성의 나노 결정, 예를 들면 CdTe, CdSE 또는 CdS을 포함하는 플루오로포어(fluorophore) 또는 크로모포어(chromophore). 나노 결정은 이와 같이 사용될 수 있거나 또는 다른 물질, 예를 들어 ZnSE와 같은 쉘(shell) 또는 분자들의 커버링(covering) 내에서 둘러 쌓이면서 변경될 수 있다. 예로서, ZnSe가 흡수된 광자가 재방사되는 것을 방지할 수 있다.
여러 증착 기술들이 상기 분자의 증착에 이행될 수 있다.
첫 번째는, 앞서의 예에서와 같이, 존재하는 트랜지스터에 제어된 수로 하나 또는 그 이상의 분자들의 층을 증착하는 것으로 구성된다. 특히, 다음의 앰필리픽 분자들을 이용하는 것이 가능하다.
- 내부에 앰플리필릭 내쳐(ampliphilic nature)를 제공하는 길이 C18 또는 다른 길이의 지방성의 체인이 있는 중심 금속 원자를 구비하는 프탈로시아닌,
- 포르피린, 아조포르피린, 이들의 앰필리픽 유도체, 또는
- 앰필릭픽 크로모포어 또는 염료.
선택적으로 공유 결합을 적용하는 두 번째 기술은, 존재하는 트랜지스터에 화학 흡착(chemisorption) 또는 물리 흡착(physiosorption)을 함으로써, 제어된 수로 전형적으로 하나인 분자의 층을 증착하는 것으로 구성된다.
세 번째 기술은, 선택적으로 공유 결합을 적용하여, 나노 튜브와 분자들을 용액에서 조립하는 것으로 구성된다. 그러면 나노 튜브는 작은 수의 분자들, 전형적으로 단일 층을 덮는다. 이러한 나노 튜브들은 귀납적으로 트랜지스터(또는 다이오드)를 제조하는 데 사용될 수 있다.
이러한 세 가지 기술들은 복수의 파장들에 대응하는 고밀도 회로들을 제조하는 데 적합하다. 처음 두 경우에서, 회로들은 분자와 나노 튜브가 결합되기 전에 형성된다. 회로의 특정한 부분을 성공적으로 마스킹하기 때문에, 다른 트랜지스터(또는 다른 회로 부분) 위에 다른 분자들을 증착하는 것이 가능하다. 선택적으로, 다른 분자들로 다른 트랜지스터를 기능화하는 딥 펜 타입의 기술(dip pen type technique)이 사용될 수 있다. 이러한 기술(예를 들어 Piner 등에 의해 C.A. Science 1999, 283, 661 또는 Hong 등에 의해 C.A. Science 1999, 286, 523, 또는 실제로 Hong 등에 의해 C.A.Science 2000, 288, 1808 문헌에 잘 기록된 기술)은, "펜"으로 원자 현미경(atomic force microscope, AFM)의 팁(tip)과 함께 "잉크"로 분자를 사용하는 것으로 구성된다. AFM의 팁은 분자의 공급에 이르기까지 이동한 다음, 변경될 디바이스까지 이동한다. 특정한 조건 하에서, 분자들은 AFM의 팁으로부터 인접한 표면까지 이동한다.
선택적으로, 트랜지스터에서 선택적인 화학적 기능화는 전기-그라프트에 의해 수행될 수 있다. 회로를 반응물과 접촉하도록 하고, 예를 들어 이를 담그고 하나(또는 그 이상)의 트랜지스터를 전기적으로 바이어스(bias) 함으로써, 바이어스 되지 않은 트랜지스터에 영향을 주지 않으면서 그 트랜지스터를 특별히 기능화할 수 있다.
전극의 증착과 관련하여, 티올군(SH)에 의해 마무리되는 모든 크로모포어 분자들이 금과 황의 결합을 형성함에 의해 금으로 구성되는 전극 위로 그라프트될 수 있음이 관찰되어야 한다. 게이트와 관련하여, 클로로-실란(chloro-silane) 또는 에톡시-실란(ethoxy-silane) 타입의 분자에 의해 실리콘 산화물을 기능화하는 방법을 사용할 수 있는데, 이는 카본 나노 튜브 트랜지스터를 제조하는 것에 적합하다. 특히 다음과 같은 출판물에 문헌들이 만들어졌다.
- K.C. Choi, J.P. Bourgoin, S. Auvray, D. Esteve, G.S. Duesberg, S. Roth, Burghara, Surface Science 462, 195 (2000); 및
- E. Valentin, S. Auvray, A. Filoramo, A. Ribayrol, M. Goffman, L. Cape, J.P. Bourgoin, J.N. Patillon, Mat.Rers. Soc. Symp. Proc. 772, M4.7.1 (2003).
도 5의 a 내지 f는, 예로서, -1 V 내지 +1 V의 범위 내에 있는 게이트/소스 전압 Vgs 사이로 설정된 작동 범위에서 p-형 카본 나노 튜브 트랜지스터에서 얻을 수 있는 다양한 효과들을 보여준다. 유사한 효과들은 n-형 트랜지스터에서 얻어질 수 있다.
- 도 5의 a: 정지된(일루미네이션 되지 않은) 트랜지스터
- 도 5의 b: 광의 효과는 작동 범위에서 트랜지스터가 오프 상태에서 존속하도록 한다. 이는, 상술한 예에서와 같이, 전자 공여 분자들을 사용한 것에 대응한다.
- 도 5의 c: 광의 효과는 작동 범위에서 항상 트랜지스터가 온(on)이 되도록 하는 것이다. 이는 전자 수용 분자들에 대응한다.
- 도 5의 d: 광의 효과는 p-형 트랜지스터가 n-형 트랜지스터로 변형하도록 하는 것이다. 이는, 도 5의 b에 도시된 바와 같이, 정공 전류가 Vgs<0이고 Vgs>0에서 전자 전류가 나타나도록 일루미네이티드되는 전자 공여 분자들에 대응한다.
- 도 5의 e: 광의 효과는 트랜스컨덕던스(transconductance)가 개선되도록 하는 것이다. 이는 정공 주입을 증가시켜 쇼트키 장벽의 높이를 줄이는 것에 대응한다.
-도 5의 f: 광의 효과는 트랜스컨덕턴스가 감소하도록 하는 것이다. 이는 정공 주입을 제한하여 쇼트키 장벽의 높이를 증가시키는 것에 대응한다.
요약하면, 도 5의 a 내지 d에 도시된 효과들은 "도핑"에 대응하는 반면, 도 5의 e와 f에 도시된 효과들은 전자들을 변경시키는 것에 의해 주입을 변경시키는 것에 대응한다.
트랜지스터를 제어하는 광의 파장은 사용된 분자들에 의해 광 흡수에 따라 선택된다. 따라서 이 파장은 사용된 물질에 따라 가시광선과 자외선 부근을 포함하는 넓은 범위에서 선택될 수 있다. 나노 튜브 외적인 파라미터에 의하여 제어 파장을 조절하는 가능성은 회로의 제조에서 이 제어를 사용하는 것에 있어서 중요한 요소이다. 다른 분자들에 의해 기능화되며 다른 파장에 반응하는 복수의 트랜지스터를 포함하는 회로를 관찰하는 것이 가능하도록 한다.
또한 본 발명은 상술한 바와 같은 적어도 하나의 반도체 디바이스를 포함하며 재구성 가능한 전자 회로를 제공한다. 상기 반도체 디바이스는 적어도 하나의 상기 반도체 디바이스의 전자 파라미터 및/또는 기능을 변경하는 데 적합한 적어도 하나의 광 디바이스에 결합된다.
함수적으로 말하면, 전자 회로는 일군의 전기 입력 신호들(E1 내지 En)을 일군의 출력 신호(S1 내지 Sn)으로 변환하는 "블랙 박스"로 여겨질 수 있다(도 6). 이 회로에 의해 수행되는 기능은 입력 신호들에 따라 출력 신호들을 주는 함수 f이다. 전체적인 회로는 제한된 범위의 입력 신호에서 작동하며 즉각적으로 제한된 일군의 출력 신호들을 제공하는 부회로를 포함할 수 있다.
전체적인 함수 f가 일루미네이션(일루미네이션의 유무, 강도 I 및 파장 λ)에 따라 변화한다면 이 회로는 광학적으로 재구성 가능하다. 이를 위하여, 다양한 구성이 고려될 수 있다.
- 도 6의 a의 회로는 단순한 회로이다. 부회로들의 일군으로서의 설계가 불필요한다. f는 일루미네이션의 함수이다: f(I,λ);
- 도 6의 b의 회로는 각기 광에 대하여 다르게 응답하는 부회로들로 구성된다: fscn(In,λn). 선택적으로, 특정한 부회로들은 광에 민감할 필요가 없다. 이 경우에는, 부회로는 다른 타입의 분자에 의해 기능화되어야 한다.
- 도 6의 c의 회로는 광에 응답하지 않으나 그 스스로가 감광성인 제어 트랜지스터(T1 to Tn)에 의해 그 활성화가 제어되는 부회로들로 구성된다. 이 경우에는, 하나 또는 그 이상의 선택된 파장에서 제어 트랜지스터들을 감광성으로 만들기 위하여 제어 트랜지스터들만이 화학적으로 기능화될 수 있다.
본 발명은 적어도 하나의 나노 튜브, 특히 카본 나노 튜브, 또는 적어도 하나의 나노 와이어를 포함하는 반도체 디바이스를 제공한다. 이 디바이스는 어떠한 현저한 메모리 효과 없이도 유리한 양자 효율으로 광학적으로 구성 가능하며 가역적이다. 즉, 이 디바이스는 일루미네이션이 중단되면 그 초기 상태로 회복된다. 이 디바이스가 선택된 감광성 물질의 기능에 따라 선택된 파장에서 이 디바이스가 광에 의해 광학적으로 구성 가능하다.
Claims (21)
- 적어도 둘의 전극; 및 적어도 하나의 나노 튜브 또는 나노 와이어, 특히 카본 나노 튜브 또는 나노 와이어를 포함하는 반도체 디바이스에 있어서,상기 디바이스는,적어도 하나의 감광성 물질의 분자 또는 나노 결정으로 구성된 적어도 하나의 층에 의하여 적어도 일부분이 덮여지는 영역을 적어도 하나 구비하는 적어도 하나의 반도성 나노 튜브 또는 나노 와이어를 포함하고,상기 적어도 둘의 전극은, 적어도 하나의 나노 튜브, 즉 상기 반도성 나노 튜브 또는 나노 와이어, 또는 이와 다른 적어도 하나의 나노 튜브 또는 나노 와이어에 의해 전기적으로 연결되는 디바이스.
- 제1항에 있어서,상기 분자가 앰필리픽(amphilipic)인 것을 특징으로 하는 디바이스.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 물질은 금속 중심 원자가 존재하는 프탈로시아닌(phthalocyanine)인 것을 특징으로 하는 디바이스.
- 제3항에 있어서,상기 중심 원자는 구리 원자인 것을 특징으로 하는 디바이스.
- 제3항 또는 제4항에 있어서,상기 프탈로시아닌은 앰필리픽 체인(amphilipic chain)이 존재하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 물질은 포르피린(porphyrine), 아조포르피린(azoporphyrine) 또는 이들의 유도체인 것을 특징으로 하는 디바이스.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 물질은 염료(dye) 또는 크로모포어(chromophore)인 것을 특징으로 하는 디바이스.
- 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,상기 물질은 박막 형태인 것을 특징으로 하는 디바이스.
- 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,상기 물질은 선택적으로 공유 방식(covalent manner)으로 그라프트되는 분자 단층(molecular monolayer) 형태인 것을 특징으로 하는 디바이스.
- 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,상기 층의 적어도 하나는 정렬된(ordered) 것을 특징으로 하는 디바이스.
- 제1항에 있어서,상기 물질은 반도성의 나노 결정인 것을 특징으로 하는 디바이스.
- 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,상기 영역은 상기 반도성의 나노 튜브 또는 반도성의 나노 와이어의 외면 및/또는 내면인 것을 특징으로 하는 디바이스.
- 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,상기 영역은 상기 반도체 디바이스의 전극인 것을 특징으로 하는 디바이스.
- 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,상기 전극들을 구비하는 반도성의 나노 튜브 또는 반도성의 나노 와이어를 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
- 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,트랜지스터를 구성하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
- 제15항에 있어서,상기 영역은 트랜지스터의 게이트 절연막의 표면인 것을 특징으로 하는 디바이스.
- 제15항에 있어서,상기 영역은 상기 반도성의 나노 튜브 또는 상기 반도성 나노 와이어가 위치하는 기판의 표면인 것을 특징으로 하는 디바이스.
- 제13항에 있어서,상기 반도체 디바이스는 다이오드인 것을 특징으로 하는 디바이스.
- 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,상기 디바이스는 상기 영역이 적어도 둘 포함하며, 상기 영역 각각은 서로 다른 감광성 물질로 구성된 상기 적어도 하나의 층으로 덮여지는 것을 특징으로 하는 디바이스.
- 전자적 파라미터 및/또는 반도체 디바이스의 기능을 변화시키는 데 적합한 일루미네이션 디바이스(illumination device)와 결합되는 선행하는 청구항에 따른 적어도 하나의 반도체 디바이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 회로.
- 제1항 내지 제19항 중 어느 하나에 따른 반도체 디바이스 또는 제20항에 따른 전자 회로를 제어하는 방법에 있어서,상기 물질의 광-흡수 영역에 위치한 파장에서 광에 의해 적어도 하나의 상기 영역에 일루미네이션을 하는 것을 특징으로 하는 방법.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| KR1020077003834A KR20070032389A (ko) | 2004-07-20 | 2005-07-19 | 광학적으로 구성 가능한 나노 튜브 또는 나노 와이어반도체 디바이스 |
Applications Claiming Priority (2)
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|---|---|---|---|
| FR0408043 | 2004-07-20 | ||
| KR1020077003834A KR20070032389A (ko) | 2004-07-20 | 2005-07-19 | 광학적으로 구성 가능한 나노 튜브 또는 나노 와이어반도체 디바이스 |
Publications (1)
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|---|---|
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ID=43656377
Family Applications (1)
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2008150726A2 (en) * | 2007-05-25 | 2008-12-11 | Kalburge Amol M | Method for integrating nanotube devices with cmos for rf/analog soc applications |
| KR101132240B1 (ko) * | 2010-11-08 | 2012-04-02 | 한국과학기술원 | 상보적 나노 구조 광전도체 및 이의 제조 방법 |
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-
2005
- 2005-07-19 KR KR1020077003834A patent/KR20070032389A/ko not_active Application Discontinuation
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2008150726A2 (en) * | 2007-05-25 | 2008-12-11 | Kalburge Amol M | Method for integrating nanotube devices with cmos for rf/analog soc applications |
| WO2008150726A3 (en) * | 2007-05-25 | 2009-07-09 | Amol M Kalburge | Method for integrating nanotube devices with cmos for rf/analog soc applications |
| US7871851B2 (en) | 2007-05-25 | 2011-01-18 | RF Nano | Method for integrating nanotube devices with CMOS for RF/analog SoC applications |
| US8536578B2 (en) | 2008-02-18 | 2013-09-17 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Thin film transistor comprising nanowires and fabrication method thereof |
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