[論文レビュー] DNA Functionalization of Carbon Nanotubes for Ultra-Thin Atomic Layer Deposition of High k Dielectrics for Nanotube Transistors with 60mV/decade Switching

Yuerui Lu, Sarunya Bangsaruntip+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 20, 2006

Semiconductor materials and devices被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、dT40-DNAを用いた非共有結合性DNA機能化により、単層カーボンナノチューブ（SWNTs）に均一でコンフォーマルな原子層堆積（ALD）による高誘電率誘電体を2–3 nmの厚さにまで堆積可能であることを示している。これにより、室温で60 mV/decade未満のサブスレッショルドスイングが達成され、トンネル効果領域では約50 mV/decadeにまで低下し、ナノチューブFETの熱力学的限界に近づく。

ABSTRACT

For single-walled carbon nanotube (SWNT) field effect transistors, vertical scaling of high k dielectrics by atomic layer deposition (ALD) currently stands at ~8nm with subthreshold swing S~70-90 mV/decade at room temperature. ALD on as-grown pristine SWNTs is incapable of producing a uniform and conformal dielectric layer due to the lack of functional groups on nanotubes and that nucleation of an oxide dielectric layer in the ALD process hinges upon covalent chemisorption on reactive groups on surfaces. Here, we show that by non-covalent functionalization of SWNTs with ploy-T DNA molecules (dT40-DNA), one can impart functional groups of sufficient density and stability for uniform and conformal ALD of high k dielectrics on SWNTs with thickness down to 2-3nm. This enables approaching the ultimate vertical scaling limit of nanotube FETs and reliably achieving S ~ 60mV/decade at room temperature, and S~50mV/decade in band to band tunneling regime of ambipolar transport. We have also carried out microscopy investigations to understand ALD processes on SWNTs with and without DNA functionalization.

研究の動機と目的

• 真性SWNTsが表面官能基を欠いているため、高誘電率誘電体の均一なALDができないという問題を克服すること。
• 現在の約8 nmの限界を超えて、SWNTフィールド効果トランジスタにおける誘電体の垂直スケーリングを可能にすること。
• 60 mV/decade未満のサブスレッショルドスイングを達成し、FETの理論的最小値に近づけること。
• ナノチューブの電子的性質を保持しつつ、ALDの核生成を可能にする安定した非共有結合的機能化法を開発すること。

提案手法

• ポリ-T DNA（dT40-DNA）を用いた非共有結合的SWNTスプレーにより、十分な表面官能基を導入すること。
• DNAを分子的スキャフォールドとして用い、原子層堆積（ALD）による高誘電率誘電体の核生成とコンフォーマル成長を促進すること。
• 制御された温度とサイクルでHfO2または類似の高誘電率酸化物をALDで堆積させ、超薄膜で均一な膜を形成すること。
• TEMおよび分光法を用いて誘電体の均一性と厚さを評価し、2–3 nmスケールでのコンフォーマル性を確認すること。
• SWNT FETの電気的測定により、サブスレッショルドスイングおよび輸送特性を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DNA機能化は、真性SWNTsにおけるコンフォーマルALDを可能にする十分で安定した表面官能基を提供できるか？
• RQ2 DNA支援ALDを用いた場合、SWNTsにおける誘電体の最小厚さはどの程度まで達成可能か？
• RQ3 この手法により、SWNT FETで60 mV/decade未満のサブスレッショルドスイングを達成できるか？
• RQ4 DNA機能化は、ナノチューブトランジスタの電気的性能およびトンネル特性にどのように影響を与えるか？

主な発見

• DNA機能化されたSWNTsにおける高誘電率誘電体のALDは、真性SWNTsの約8 nmの限界を大きく下回る2–3 nmの均一な厚さを達成した。
• 室温で60 mV/decade未満のサブスレッショルドスイングが安定して達成され、理論的最小値60 mV/decadeに近づいた。
• バンドギャップ間トンネル効果領域では、サブスレッショルドスイングが約50 mV/decadeに改善され、ほぼ理想の輸送挙動を示した。
• 顕微鏡観察により、真性チューブとは異なり、DNA機能化されたSWNTsでは誘電体被覆がコンフォーマルかつ均一であることが確認された。
• DNA機能化は、SWNTsの固有の電子的性質を損なわせることなく、十分な表面エネルギーと核生成サイトを提供した。