단일벽 탄소나노튜브의 전기적인 수송 특성

Abstract

단일벽 탄소나노튜브로 제작한 Field Effect Transistor(FET) 소자는 현재 쓰이고 있는 Metal-Oxide-Semiconductor FET(MOSFET) 소자와 유사한 동작 형태를 보여줌으로써 미래에 사용될 소자로 주목받고 있다. 이런 단일벽 탄소나노튜브는 흑연의 한 층인 그래핀(graphene)을 말아놓은 구조로, 금속성, 준금속성, 반도체성 탄소나노튜브로 나뉜다. 이 중에서 반도체성 탄소나노튜브가 FET 소자 형태로 제작됐을 때 기존의 MOSFET과 유사한 ISD-VG 특성을 보이며, 대기중에서는 p-channel MOSFET 과 유사한 특성을 보이는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 이런 단일벽 탄소나노튜브를 열화학기상증착법(Thermal CVD)을 이용해 직접 성장시켜 FET 소자를 제작하였다. 단일벽 탄소나노튜브의 전기적인 특성을 알아보기 위해 ISD-VG 측정을 하였으며, 이로부터 소자가 p형 반도체 특성을 보임을 확인할 수 있었다. 한 단계 더 나아가 소자 제작과정에서 있을 수 있는 열처리나 산처리 후 ISD-VG 특성이 어떻게 변화하는지를 측정하였는데, 상압에서 열처리를 한 후 소자의 ISD-VG 특성은 포화 전류(saturation current) 값은 커지며, 소자의 임계 전압이 양의 값으로 옮겨가는 현상을 보였다. 이러한 현상은 열처리 후 금속 전극이 크롬 접촉에서 금 접촉으로 변화했기 때문일 것으로 생각된다. 질산처리 후 ISD-VG 특성 변화는 이력 현상(hysteresis)이 커지는 현상과 소자가 불안정해지는 현상이 있었다. 이렇게 산처리 된 소자를 다시 진공에서 열처리 하게 되면, 커졌던 이력현상이 줄어들고, 0으로 가지 않았던 전류가 0으로 떨어지는 현상을 보인다. 기판 표면에 있는 물 분자가 이력현상에 영향을 주었을 것으로 생각되며, 열처리 과정 중 금속 접촉의 변화나 질산처리 된 탄소나노튜브 중 금속성 탄소나노튜브가 진공에서 열처리 되었을 때 영향을 받아 전류값이 변하는 것으로 보였다. AC-Electrostatic Force Microscopy(EFM)의 측정은 탄소나노튜브 내에서 교류 신호가 어떻게 변화하는지를 보여주었다. AC-EFM 신호에 영향을 주는 변수 의 변화를 먼저 측정하고 AC-EFM 신호에서 이 변수의 영향을 제거함으로써, 정량적인 교류신호의 분포를 계산할 수 있었다. 이렇게 계산된 데이터로부터 탄소나노튜브와 전극이 접촉하는 지역에서 신호가 불연속적으로 줄어드는 모습을 볼 수 있었는데, 이로부터 본 연구에서 측정한 탄소나노튜브 FET 소자의 경우 금속 전극과 탄소나노튜브 사이의 접촉 저항(contact resistance)이 10㏀ 정도가 됨을 유도할 수 있었다. Scanning Gate Microscopy(SGM)의 측정 이미지는 탄소나노튜브 내에서의 게이트 효과가 균일하지 않음을 보여주었다. 이로부터 탄소나노튜브의 에너지 밴드 구조가 균일하지 않을 것으로 판단되었으며, 이를 바탕으로 탄소나노튜브의 에너지 밴드 구조를 유추하여 그려 보았다. 탄소나노튜브의 특정 위치에서는 결함이나 전하 트랩 지역이 있는 것으로 생각된다.