[논문 리뷰] 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 Bangsaruntip외 4명|arXiv (Cornell University)|2006. 02. 20.

Semiconductor materials and devices인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 dT40-DNA를 이용한 비공유 결합 DNA 기능화를 통해 단일성탄나노튜브(SWNTs)에 고k 유전체의 균일하고 콘フォ멀한 원자층증착(ALD)이 2–3 nm 두께까지 가능함을 입증한다. 이는 실온에서 60 mV/decade 미만의 서브스브리지 스위치를, 터널링 영역에선 약 50 mV/decade까지 실현하여 나노튜브 FET의 열역학적 한계에 가까워진다.

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.

연구 동기 및 목표

• 순수한 SWNTs가 표면 기능기를 갖추지 못해 고k 유전체의 균일한 ALD를 지원하지 못하는 문제를 해결하기 위해.
• 현재 약 8 nm 한계를 초월해 SWNT 필드효과트랜지스터의 유전체를 수직적으로 스케일링할 수 있도록 하기 위해.
• 60 mV/decade 이하의 서브스브리지 스위치를 실현하여 FET의 이론적 최소값에 가까워지기 위해.
• 나노튜브의 전자적 성질을 유지하면서도 ALD 핵형성 가능성을 제공하는 안정적인 비공유 결합 기능화 방법을 개발하기 위해.

제안 방법

• dT40-DNA를 이용한 비공유 결합 방식으로 SWNTs를 기능화하여 충분한 표면 기능기를 도입하기 위해.
• DNA를 분자 기반 지지체로 활용하여 원자층증착(ALD)을 통해 고k 유전체의 핵형성과 콘포멀한 성장을 촉진하기 위해.
• 제어된 온도와 사이클 조건에서 HfO2 또는 유사한 고k 산화물을 ALD로 증착하여 초박편하고 균일한 필름을 얻기 위해.
• TEM 및 스펙트로스코피를 통한 유전체 균일성과 두께 측정을 통해 2–3 nm 체계에서의 콘포멀리티를 확인하기 위해.
• SWNT FET의 전기적 특성 측정을 통해 서브스브리지 스위치와 전자 이동도를 평가하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 DNA 기능화가 순수한 SWNTs에 대해 콘포멀한 ALD를 가능하게 할 만큼 충분하고 안정적인 표면 기초를 제공할 수 있는가?
• RQ2 DNA 보조 ALD를 통해 SWNTs에서 도달 가능한 최소 유전체 두께는 얼마인가?
• RQ3 이 방법을 통해 SWNT FET에서 60 mV/decade 이하의 서브스브리지 스위치를 실현할 수 있는가?
• RQ4 DNA 기능화가 나노튜브 트랜지스터의 전기적 성능과 터널링 특성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• DNA 기능화된 SWNTs에 대한 고k 유전체의 ALD는 순수한 SWNTs의 약 8 nm 한계를 훨씬 상회하는 균일한 두께 2–3 nm를 달성하였다.
• 실온에서 약 60 mV/decade의 서브스브리지 스위치가 안정적으로 실현되었으며, 이는 이론적 최소값인 60 mV/decade에 가까워졌다.
• 밴드-투-밴드 터널링 영역에서는 서브스브리지 스위치가 ~50 mV/decade로 향상되어 근사적으로 이상적인 전자 이동 특성을 나타내었다.
• 현미경 분석을 통해 DNA 기능화된 SWNTs에서는 균일하고 콘포멀한 유전체 피복이 확인되었으며, 반면 순수한 튜브에서는 비균일한 핵형성이 관찰되었다.
• DNA 기능화는 SWNTs의 본질적인 전자적 성질을 손상시키지 않으면서도 충분한 표면 에너지와 핵형성 위치를 제공하였다.