나노기술 및 정책 정보

• 목록

­ ‘강유전체 전계 효과 트랜지스터(Ferroelectric field-effect transistor)’는 ‘강유전체 박막(Ferroelectric thin films)’과 ‘반도체 전계 효과 트랜지스터(Semiconductor field-effect transistor)’의 통합(Integrated)으로서 ‘강유전체 박막’의 강유전체 히스테리시스(Hysteresis) 특성은 전계 효과의 트랜지스터가 본래 갖추고 있는 특징인 저장기능을 부여한다. 이런 현상의 기본원리는 강유전체 분극(Ferroelectric polarization)을 이용하여 채널 전류(Channel current)에 대해 조절을 진행한다는 것이다.

­ ‘강유전체 전계 효과 트랜지스터’의 저장은 비휘발성(Nonvolatile)일 뿐만 아니라 비파괴성 데이터 판독을 하기 때문에 저장 밀도가 높고, 속도가 빠르고, 에너지 소모가 작아 잠재적 응용 전망이 밝다. 나노구조(Nanostructured) 전도성 채널(Conductive channel)에 기반한 ‘강유전체 전계 효과 트랜지스터’는 나노재료의 독특한 전기수송 특성과 ‘강유전체 박막’의 강유전체 특성을 유기적으로 결합시키는 동시에 ‘강유전체 박막’은 매우 높은 유전체(Dielectric) 상수(Constant)를 가지고 있기 때문에 게이트 전극(Gate electrode)과 나노구조 간의 결합(Coupling)을 뚜렷이 강화시켜 부품의 전기적 특성을 대폭 향상시킨다. 최근 년 간 ‘나노구조 강유전체 전계 효과 트랜지스터’에 대한 연구는 과학기술 연구계의 높은 중시를 받고 있는 상황이다.

­ ‘중국과학원(中國科學院)’ 산하 ‘물리 연구소’의 ‘베이징(北京) 응집물질물리(Condensed Matter Physics) 국가 실험실(설립 준비중)’ 소속으로 되어 있는 ‘표면 물리 실험실’ SF1팀은 장기간 ‘나노구조에 기반한 강유전체 전계 효과 트랜지스터’ 연구를 통해 ‘강유전체 조정 통제’ 하에서의 전기 수송 특징을 분석해내는데 성공하였다. 지난 2009년도에 연구팀은 탄소나노튜브(Carbon nanotubes)에 기반한 ‘강유전체 전계 효과 트랜지스터’ 메모리 셀(Memory cell)을 개발하였으며 최초로 이런 비휘발성(Nonvolatile) 메모리 부품의 비파괴성 판독 특성을 구현하였다.

­ 단일 벽(Single-walled) 탄소나노튜브 초미세사이즈는 전계의 효과를 강화시키기 때문에 메모리는 1볼트의 전압보다 작은 상황에서 작동할 수 있다. SF1팀의 관련 연구성과는 Nano Letters 9，921（2009）에 공식 발표되었다. 연구팀은 관련 연구성과를 기반으로 한 개(一根)의 나노튜브 상에서 두 개의 ‘최고 게이트 전계 효과 트랜지스터 강유전체(Top-gate field-effect transistor ferroelectric)’를 구축하여 ‘더블 바이트 저장(Double-byte storage)’ 기능을 실현하였다. 동 연구성과는Nanotechnology 20, 735305 (2009)에 공식 발표되었다.

­ 최근 SF1팀의 왕원룽(王文龍) 연구원은 ‘베이징(北京)대학’의 왕언거(王恩歌) 원사(院士)와 현재 왕원사의 지도를 받고 있는 박사과정 대학원생인 푸왕양(符汪洋), 미국의 ‘오크 리지 국가 실험실(Oak Ridge National Laboratory)’ 리안핑(李安平) 박사와 공동으로 단일 테트라포드(Tetrapod) 상태의 황화카드뮴(CdS) 나노 결정체(Nanocrystalline)의 강유전체로 전기 수송 특성을 조정 통제하는 연구에서 중대한 성과를 달성하였다.

­ 테트라포드 상태의 II-VI 족 반도체 나노 결정체는 특수 3D 입체 분기 구조를 가진 저차원 나노 체계를 보유하고 있으며 입방 구조(Cubic structure)의 ‘핵(核)’과 외연 성장(Epitaxial growth)을 한 육각 구조를 가진 ‘팔(臂)’ 사이에는 에너지 밴드 오프셋(band offset)이 존재하여 테트라포드 반도체 나노 결정체로 하여금 독특한 광학과 전기학 특성을 가지게끔 한다.

­ 하지만 초미세사이즈이기 때문에 이런 단일 테트라포드 반도체 나노 결정체의 전기 수송 특성을 측정하는 것은 매우 큰 도전에 속하고 있다. 특히 3D 입체 분기 구조로 인해 발생하는 공간 틈새 때문에 기판 간의 전기 결합 역할이 비교적 취약하고 전계 효과 트랜지스터 부품의 구축이 매우 어렵게 된다. 때문에 부품을 어떻게 디자인할 것인가라는 연구는 테트라포드 반도체 나노 결정체와 기판 간의 전기 결합을 통해 단일 테트라포드 반도체 나노 결정체에 기반한 전계 효과 트랜지스터를 구축하는데 있어서의 극히 도전적인 과학연구 과제에 속한다.

­ 연구팀은 용액의 ‘습식 화학’ 방법으로 고 품질의 테트라포드 CdS 나노 결정체를 개발하였으며 높은 유전체 상수와 조정 가능한 극화(極化) 방향을 동시에 보유한 티타산염 스트론튬(BST) 강유전체 박막을 게이트(Gate) 개질(介質) 재료를 이용하여 단일 CdS 테트라포드 나노 결정체에 기반한 전계 효과 트랜지스터를 구축하였으며 온도가 변화하는 테트라포드 스캐너 터널 현미경(STM) 시스템 속에서 전기 수송 특성을 연구하였다.

­ BST 강유전체 박막 게이트 개질은 유전체 결합을 효과적으로 강화시키기 때문에 연구팀은 최초로 테트라포드 반도체 나노 결정체 부품을 선정하여 실온(室溫) 상태에서 전계의 특성을 전기 수송 특성으로 전환시키는데 성공하였다. 동시에 BST 강유전체 박막은 부품으로 하여금 본래 갖추었던 강유전체 저장 성능을 보유할 수 있게끔 하고 있다는 연구 결론을 도출하였다. 관련 연구성과는 최근 Nano Letters 11,1913（2011）에 공식 발표되었다.

­ 이번 연구는 중국 ‘국가 자연과학 기금 위원회(NSFC)’, ‘국가 과학기술부(MOST)’, ‘중국과학원(CAS)’의 과학연구 비용 지원을 받아 추진되었다고 한다.

图 1：(a) STM 침 끝 부위로 단일 4개 침(針) 형태의 CdS 나노 결정체 철전기 장(场) 효과의 결정체 튜브 전기 수송 특성 표시도； (b) 수용액(水溶液) 습도 화학 방법으로 합성한 CdS 4개침 형태의 나노 결정체 TEM 그래픽；(c) 확대한 단일 나노봉； (d) 단일 4개 침 형태의 나노결정체 장(场) 효과의 결정체 튜브 SEM 그래픽；(e) STM 침 끝 부위로 부품에 모니터링 할 때의 원 위치 SEM 사진；(f) 4개 침 형태의 나노 결정체 부품이 실내 온도 상황에서 전형적인 장(场) 효과를 나타내는 I-VG 곡선；(g) 다양한 전압 하에서의 I-V 곡선

<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

图 2：(a) 4개 침 형태의 CdS 나노 결정체 장(场) 효과의 결정체 튜브가 다양한 온도 하에서의 I-V 곡선（VG = 0 V）（b）4개의 부품이 다양한 온도 하에서의 장(场) 효과 대비

图 3：단일 4개 침 형태의 CdS 나노 결정체 장(场) 효과의 결정체 튜브가 다양한 온도 하에서의 전형적인 I-VG 회귀체류(回滞) 곡선으로서，300 K 하에서，부족한 충방전 효과로 인한 전형적인 역시침 회귀 체류가 됨（a）； 온도가 140 K로 내려왔을 때，철전기 저장 효과와 부족한 충방전 효과 간의 상호 경쟁을 통해 회귀 체류의 폐합(闭合)이 발생（b）； 온도가 지속적으로 80 K까지 내려올 때 철전기 효과가 주도적이 되어 순 시침 방향으로의 철전기 회귀체류가 나타남（c）； 한층 더 온도가 8.5 K로 내려올 때 4개 침 상태의 나노 결정체는 철전기 조정 통제의 단일 전자 결정체 튜브 행위를 나타냄（d）. 图 d 중의 붉은 원은 고(高), 저(低) 전류(电流)의 두 개의 안정 상태

图 4：단일 4개 침 상태의 CdS 나노봉 부품의 전도성과 온도 의존 관계도로서，Arrhenius 결합으로 인한 활성화를 위해 52 meV（나노봉）및 78 meV（4개 침 상태의 나노 결정체）

출처 : http://www.cas.cn/ky/kyjz/201107/t20110706_3302331.shtml