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KR20100135895A - 펜타센-탄소 나노튜브 혼합체, 그 형성 방법, 및 혼합체 포함 반도체 소자 - Google Patents

펜타센-탄소 나노튜브 혼합체, 그 형성 방법, 및 혼합체 포함 반도체 소자 Download PDF

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KR20100135895A
KR20100135895A KR1020107025202A KR20107025202A KR20100135895A KR 20100135895 A KR20100135895 A KR 20100135895A KR 1020107025202 A KR1020107025202 A KR 1020107025202A KR 20107025202 A KR20107025202 A KR 20107025202A KR 20100135895 A KR20100135895 A KR 20100135895A
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South Korea
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pentacene
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dispersion solution
carbon nanotubes
way
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KR1020107025202A
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Inventor
쉐리 르네 케이건
앨리 아프잘리-아다카니
루돌프 마리아 트롬프
Original Assignee
인터내셔널 비지네스 머신즈 코포레이션
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Filing date
Publication date
Application filed by 인터내셔널 비지네스 머신즈 코포레이션 filed Critical 인터내셔널 비지네스 머신즈 코포레이션
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Abstract

혼합체 재료는 탄소 나노튜브, 그리고 그 탄소 나노튜브에 결합된 복수의 펜타센 분자들을 포함한다. 혼합체 층을 형성하는 방법은, 용해가능한 펜타센 전구체 및 탄소 나노튜브들의 분산 용액을 기판 상부에 증착하는 단계, 상기 분산 용액을 가열 처리하여 상기 분산 용액으로부터 용매를 제거하는 단계, 기판을 가열 처리하여 펜타센 전구체를 펜타센으로 변환하고 탄소 나노튜브-펜타센 혼합체 층을 형성하는 단계를 포함한다.

Description

펜타센-탄소 나노튜브 혼합체, 그 형성 방법, 및 혼합체 포함 반도체 소자{PENTACENE-CARBON NANOTUBE COMPOSITE, METHOD OF FORMING THE COMPOSITE, AND SEMICONDUCTOR DEVICE INCLUDING THE COMPOSITE}
본 발명은 탄소 나노튜브, 및 그 탄소 나노튜브에 결합된 복수의 펜타센 분자들(pentacene molecules)을 포함하는 혼합체에 관한 것으로, 더 자세하게는, 탄소 나노튜브-펜타센 혼합체 층(carbon nanotube-pentacene composite layer)을 포함하는 채널 영역을 형성하는 단계를 포함한 반도체 소자 형성 방법에 관한 것이다.
유기 반도체(organic semiconductors)는 박막 트랜지스터의 채널 재료로 사용하기 위해 깊이 연구되어 왔다. 특히, 용매 처리된 펜타센(solution processed pentacene) 박막 트랜지스터(TFT)는 용해 가능 펜타센 전구체들(soluble pentacene precursors)을 사용하여 형성되는데, 이 전구체들은 표면 상에 증착된 후 적절한 가열 처리를 함으로써 펜타센으로 변환될 수 있었다. 참고로, Afzali-Ardakani 외 몇몇에 의한 미국 특허번호 6,963,080, 제목 “THIN FILM TRANSISTORS USING SOLUTION PROCESSED PENTACENE PRECUROR AS ORGANIC SEMICONDUCTOR”, 그리고 Afzali-Ardakani 외 몇몇에 의한 미국 특허번호 7,125,989, 제목 “HETERO DIELS-ALDER ADDUCTS OF PENTACENE AS SOLUBLE PRECURSORS OF PENTACENE”를 보라. 이들은 본 출원에서 참조로 포함된다.
그러나, 이러한 유기 박막 트랜지스터들(OFET)의 전하 캐리어 이동도는 제한적이며 통상 10-2 cm2/Vㆍsec 에서 10-1 cm2/Vㆍsec 범위 값을 갖는다.
한편, 탄소 나노튜브는 단일 결정 실리콘보다 훨씬 뛰어난 전하 캐리어 이동도를 갖지만, 이를 이용하여 집적 회로를 제작하는 것은 매우 어려운 것으로 알려져 있다.
전술한 혼합물(compositions), 방법 및 소자들의 문제들, 단점들, 및 결점들을 고려하여, 본 발명의 바람직한 목적들은, 그 중에서, 탄소 나노튜브-펜타센 혼합체 층(carbon nanotube-pentacene composite layer)을 포함하는 채널 영역을 형성하는 단계를 포함한 반도체 소자를 형성하는 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 바람직한 일 목적은 탄소 나노튜브, 및 그 탄소 나노튜브에 결합된 복수의 펜타센 분자들을 포함하는 혼합체를 제공하는 것이다.
본 발명의 바람직한 또 다른 목적은 탄소 나노튜브-펜타센 혼합체 층을 형성하는 방법을 제공하는 것이다. 상기 방법은 용해 가능 펜타센 전구체 및 탄소 나노튜브들의 분산 용액(dispersion)을 기판 상부에 증착하는 단계, 상기 분산 용액으로부터 용매(solvent)를 제거하기 위해 그 분산 용액을 가열 처리하는 단계; 그리고 상기 펜타센 전구체를 펜타센으로 변환하고 탄소 나노튜브-펜타센 혼합체 층을 형성하기 위해 상기 기판을 가열 처리하는 단계를 포함한다.
본 발명의 바람직한 또 다른 목적은 기판 상부에 형성된 소스, 드레인 및 게이트 전극들, 그리고 그 기판 상부에 형성된 채널 영역들을 포함하되, 상기 채널 영역이 탄소 나노튜브-펜타센 혼합체 층을 포함하는 전계 효과 트랜지스터를 제공하는 것이다.
본 발명의 바람직한 또 다른 목적은 전계 효과 트랜지스터를 형성하는 방법을 제공하는 것이다. 상기 방법은 기판 상부에 소스, 드레인 및 게이트 전극들을 형성하는 단계, 그리고 그 기판 상부에 채널 영역을 형성하는 단계를 포함하되, 상기 채널 영역은 탄소 나노튜브-펜타센 혼합체 층을 포함한다.
따라서 본 발명의 독특한 그리고 새로운 특징들 때문에 본 발명의 바람직한 실시 예들은 탄소 나노튜브-펜타센 혼합체 층을 포함하는 채널 영역을 형성하는 단계를 포함한 반도체 소자를 형성하는 방법을 제공할 수 있다.
전술한 본 발명의 목적들 및 장점들은 이하의 도면들을 참조하는 본 발명의 실시 예들의 상세한 설명으로부터 더 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른, 탄소 나노튜브-펜타센 혼합체(100)을 도시한다;
도 2는 본 발명의 바람직한 또 다른 실시 예에 따른, CNT-펜타센 혼합체를 형성하는 방법(200)을 도시한다;
도 3a는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른, 펜타센 전구체(III)를 제공하기 위해 루이스 산 촉매의 존재하에서 디에노파일 N-술피닐아세트아마이드(dienophile N-sulfinylacetamide)(II)와 반응하게 되는 펜타센(I)을 도시한다;
도 3b는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라, 증착된 분산 용액 내의 탄소 나노튜브(310)을 따라 펜타센 전구체(305)의 복수의 분자들이 정렬(orientation) 하는 예를 도시한다;
도 3c는 CNT 상에 코팅된 펜타센 전구체를 펜타센으로 변환하기 위해 질소 분위기에서 100℃-200℃ 범위의 온도로 기판을 가열 처리하는 단계를 도시한다;
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 반도체 소자(450)(예, 전계 효과 트랜지스터(FET))를 형성하는 바람직한 방법(400)을 도시한다;
도 5a-5c는 본 발명의 바람직한 또 다른 실시 예들에 따른 반도체 소자(450)에 대한 다른 구성들을 도시한다; 그리고
도 6은 본 발명에 따른 반도체 소자를 형성하는 바람직한 방법(600)을 도시한다.
도 1-6을 참조하면, 도 1-6은 본 발명의 바람직한 실시 예들을 도시한다. 도 1에 도시된 것처럼, 본 발명은 탄소 나노튜브(110), 그리고 상기 탄소 나노튜브에 결합된 복수의 펜타센 분자들(120)을 포함한 혼합체(100)(즉, 탄소 나노튜브(CNT)-펜타센 혼합체)을 포함한다.
본 발명은 탄소 나노튜브의 뛰어난 이동 특성들을 유기 반도체들의 프로세싱 용이성에 결합시켜서 유기 반도체보다 훨씬 뛰어난 이동도(mobility)를 갖는 반도체 소자(예, 전계 효과 트랜지스터)를 얻을 수 있는데, 이는 유기 용매로 펜타센 전구체들의 용액을 만들고 이 용액 내에 탄소 나노튜브들을 분산시켜 만들어진 분산 용액(즉, 고도로 안정된 분산 용액)을 사용하여 그렇게 할 수 있다.
탄소 나노튜브(110)은 예를 들어, 전기적으로 반도체성인(semiconductive), 단일-벽으로된(single-walled) 나노튜브(SWNT)를 포함할 수 있다. 그리고 복수의 펜타센 분자들(120)은 ∏-∏ 스태킹(stacking)을 통해 CNT의 흑연 측벽(graphitic sidewall)과 강한 상호작용을 하며 CNT의 측벽 상에 정렬될 수 있다(예를 들어 펜타센 분자들(120)의 고리들(rings)이 CNT의 고리들과 “스택(stack)”을 형성할 수 있다). 분자들(120)은, 예를 들어, ∏-∏ 결합, 전하 이동 결합(charge transfer bonding) 및/또는 정(靜)전기 결합(electrostatic bonding)을 통해 CNT(110)에 결합될 수 있다.
특히, 펜타센은 나노뷰트의 외부 표면에 결합(예를 들어, 접합(graft))될 수 있기 때문에 CNT의 이중 결합에 본질적으로 영향을 미치지 않으며, 그에 따라 CNT의 전기적 및 기계적 특성들은 영향을 받지 않는다는 사실은 확실하다.
도 2는 CNT-펜타센 혼합체를 형성하는 방법(200)을 도시한다. CNT-펜타센 혼합체를 형성하는 방법(200)은 용해 가능한 펜타센 전구체 및 탄소 나노튜브들의 분산 용액(dispersion)을 기판 상부에 증착하는 단계(210), 상기 분산 용액으로부터 용매를 제거하기 위해 상기 분산 용액을 (예를 들어, 50℃ 에서 100℃ 범위의 온도로) 가열 처리하는 단계(220), 펜타센 전구체를 펜타센으로 변환하고 CNT-펜타센 혼합체를 형성하기 위해 기판을 (예를 들어, 100℃ 에서 200℃ 범위의 온도로) 가열 처리하는 단계(230)을 포함할 수 있다.
펜타센 전구체를 형성하는 단계
상기 방법(200)은 펜타센 전구체를(즉, 용해 가능한 펜타센 전구체를) 형성하기 위해 디에노파일(dienophile)과 펜타센을 반응시키는 단계를 포함할 수도 있다. 여기서 비록 본 발명은 펜타센을 포함하는 것으로 기술되었지만, 펜타센 대신 다른 다환 방향족 화합물(polycyclic aromatic compounds) 또한 사용될 수 있음을 유념해야 한다.
상기 디에노파일(dienophile)은, 예를 들어, 제2의 헤테로원자(a second heteroatom) 또는 탄소와 이중 결합(double bond)에 의해서 연결된, N, O 또는, S와 같은 적어도 하나의 헤테로 원자(heteroatom)를 갖는 화합물을 포함할 수 있다. 특히, 상기 디에노파일은 N-술피닐아마이드(N-sulfinylamide)를 포함할 수 있는데, 예를 들어, 상기 디에노파일은 N-술피닐 아세트아마이드(N-sulfinyl acetamide)를 포함할 수 있다.
그리고 펜타센 전구체를 형성하기 위해서 상기 펜타센을 저온과 중간 정도의 온도에서(at low to moderate temperatures) 그리고 루이스 산 촉매(a Lewis acid catalyst)와 같은 촉매가 존재하는 상태에서(in the presence of a catalyst) 디에노파일과 반응시킬 수 있다. 이때 상기 루이스 산 촉매로는, 예를 들어, 티타늄 테트라클로라이드(titanium tetrachloride), 실버 테트라플루오로보레이트(silver tetrafluroborate) 그리고 메틸 레늄 트리옥시드(methyl rhenium trioxide)를 포함할 수 있다. 그리고 반응 생성물에서 남는 상기 디에노파일의 모든 잔류물(any residue)은 용매로 세정하거나 혹은 진공 건조함으로써 제거될 수 있다.
도 3a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 펜타센(I)이 루이스 산 촉매의 존재 하에서 디에노파일 N-술피닐아세트아마이드(dienophile N-sulfinylacetamide)(II) 와 반응하여 펜타센 전구체(III)를 생성하는 반응(예, 디일스-알더 반응(Diels-Alder reaction))을 도시한다.
탄소 나노튜브를 형성하는 단계
본 발명의 탄소 나노튜브들(CNT들)은 몇몇 처리들, 예를 들어, 아크 디스챠지(arc discharge), 레이저 제거(laser ablation), 고압 탄소 일산화물(HiPCO), 및 화학 기상 증착(CVD)(예, 플라즈마 향상 CVD) 처리들 중 어느 하나에 의해서 형성될 수 있다.
예를 들어, CVD를 사용하여, 금속 촉매(예, 니켈, 코발트, 철, 또는 그것들의 조합을 포함함)로 이루어진 금속 촉매 층을, 기판(예, 실리콘) 상부에 형성한다. 여기서 금속 나노입자들(the metal nanoparticles)들은 촉매 보조재료(catalyst support ; 예, MgO, Al2O3, 등등)와 혼합될 수 있는데, 이는 특정 표면 영역을 증가시켜서 탄소 공급재료(carbon feedstock)와 상기 금속입자들의 촉매 반응 수율(yield)을 더 높이기 위함이다. 그리고 성장하는 나노튜브들의 직경은, 예를 들어 패턴된(혹은 마스크된) 금속 증착, 어닐링, 혹은 금속 층의 플라즈마 식각에 의해 금속 입자들의 크기를 조절함으로써 조절될 수 있다.
상기 금속 촉매 층을 포함하는 기판은 대략 700℃로 가열 처리될 수 있다. CNT들의 성장은 상기 금속 촉매가 존재하는 곳에서(at the site of the metal catalyst)에서 시작되는데, 반응기 내부에 적어도 두 종류의 가스들: 즉 프로세스 가스(예, 암모니아, 질소, 수소 또는 그것들의 혼합) 및 탄소-함유 가스(예, 아세틸렌, 에틸렌, 에탄올, 메탄 또는 그것들의 혼합)를 도입함으로서 시작된다.
플라즈마(plasma)가 성장 처리를 향상시키기 위해 사용될 수 있으며 (플라즈마 향상 화학 기상 증착), 이 경우 나노튜브 성장은 플라즈마의 전기장(electric field) 방향을 따른다. 반응기의 형상(geometry of the reactor)을 적절하게 조절함으로써 정렬된 탄소 나노튜브들을 합성하는(synthesize) 것이 가능하다.
본 발명의 CNT들은, 일반적으로, 전기 및 열 전도성이고, 1㎛ 에서 3㎛ 범위의 본질적으로 균일한(essentially uniform) 직경과 1㎛ 에서 10㎛ 범위의 길이를 갖는다. 또한 CNT들은 단일-벽 나노튜브들(SWNTs) 또는 다수-벽 나노튜브들(MWNTs)(예를 들어, 이중-벽 나노튜브들(DWNTs))이 될 수 있다. 그리고 CNT들은 또한 지그재그(zigzag), 암체어(armchair), 또는 키랄(chiral) 구조(arrangement)를 가질 수 있는데, 그러한 구조에서 만들어지는 CNT-펜타센 혼합체(the resulting CNT-pentacene composite)가 뛰어난 전하 캐리어 이동도(예를 들어, 1㎠/Vㆍsec 에서 1000㎠/ Vㆍsec 범위)를 보여줄 때 그렇게 할 수 있다.
그리고 모든 오염 물질들을 제거하기 위해 CNT들은 또한 정제(purifiy)될 수 있다(예를 들어, 나트륨 하이포클로라이트 용액(a sodium hypochlorite solution)으로 세정하여서 그렇게 할 수 있다).
펜타센 전구체과 CNT 들의 분산 용액( dipersion )을 형성하는 단계
펜타센 전구체(예, N-술피닐아마이드와 펜타센의 디일스-알더 반응으로부터 얻어짐) 및 정제된 탄소 나노튜브들은 용해가능한 펜타센 전구체 및 탄소 나노튜브들의 혼합물(a mixture)을 형성하기 위해서 용매(solvent)에 용해될 수 있다.
상기 용매는, 예를 들어, 클로로폼 (chloroform), 테트라클로로에탄 (tetrachloroethane), 테트라하이드로푸란 (tetrahydrofuran(THF)), 톨루엔 (toluene), 에틸 아세테이트 (ethyl acctate), 메틸 에틸 케톤 (methyl ethyl ketone(MEK)), 디메틸 폼아마이드 (dimethyl formamide), 디클로로벤젠 (dichlorobenzene), 프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르 아세테이트 (propylene glycol monomethyl ether accetate(PGMEA)) 또는 그것들의 모든 혼합물을 포함할 수 있다.
그 다음, 유기 용매 내의 정제된 탄소 나노튜브들 및 펜타센-N-술피닐아세트아마이드의 혼합물은 코디네이트되지 않은(un-coordinated) 나노튜브 침전물을 제거하기 위해 초음파 처리 및 원심분리 처리 될 수 있다. 초음파 처리/원심분리 처리후 남는 상층액(supernatant liquid)은 본 발명에서 펜타센 전구체들 및 탄소 나노튜브들의 안정된 분산 용액으로서 기능을 수행한다.
안정된 분산 용액을 증착하는 단계
그 다음, 상기 상층액(supernatant liquid)은 기판 상부에, 예를 들어, 스핀 코팅, 드롭 캐스트(drop cast), 등에 의해 증착될 수 있다. 상기 상층액은 기판 상부에, 예를 들어, CNT-펜타센 혼합체를 증착하려던 위치에 증착될 수 있다.
도 3b는 증착된 분산 용액 내의 탄소 나노튜브(310)을 따라 배열된 펜타센 전구체(305)의 복수의 분자들의 예시적인 방향을 도시한다. 도 3b에 도시된 것처럼, 펜타센 전구체(305) 분자들은 펜타센 부분들과 N-술피닐아세트아마이드 기능 그룹 부분들(예, -SO-N-CO-CH3)을 포함할 수 있는데, 여기서 펜타센 부분들은 탄소 나노튜브(310) 위에 “안장-비슷한(saddle-like)” 구조로 형성되며, N-술피닐아세트아마이드 기능 그룹 부분들은 축 방향으로 탄소 나노튜브(310)을 바라보았을 때 상기 “안장-비슷한(saddle-like)” 구조의 꼭대기(the apex)에 형성되어 탄소 나노튜브(310)을 따라 서로 떨어져(relatively) 정렬된다.
분산 용액( Dispersion )으로부터 복합체( Composite )를 형성하는 단계
용해 가능한 펜타센 전구체들 및 탄소 나노튜브들의 안정된 분산 용액이 기판 상부에 증착된 후, 상기 분산 용액 층으로부터 용매를 제거하고 펜타센 전구체가 코팅된 CNT를 형성하기 위해 상기 분산 용액 층을 포함하는 기판은 낮은 온도(예, 50℃ 에서 100℃ 범위)에서 가열 처리될 수 있다.
도 3c에 도시된 것처럼, 분산 용액 층으로터 용매를 제거한 후, 상기 기판은 질소 분위기에서 100℃ 에서 200℃ 범위의 온도로 다시 가열 처리될 수 있는데, 이는 CNT 상부에 코팅된 펜타센 전구체를 펜타센으로 변환하고, 그래서, 분산 용액이 증착된 위치에 펜타센(120) 및 탄소 나노튜브(110)의 혼합체 (예, CNT-펜타센 혼합체)를 형성하기 위함이다.
실시 예들
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라 반도체 소자(450)(예, 전계 효과 트랜지스터(FET))를 형성하는 바람직한 방법(400)을 도시한다.
도 4에 도시된 것처럼, 기판(402) (예, 실리콘, 게르마늄, 등과 같은 반도체 기판)에는 게이트 전극(410) (예, 고도로 도프된 실리콘(highly doped silicon)), 절연 층(404) (예, SiO2, SiN, SiON), 그리고 절연 층(404) (예, 게이트 절연 층) 위에 형성된 소스 전극(406) (예, 금, 팔라듐, 등) 및 드레인 전극(408) (예, 금, 팔라듐, 등)이 제공될 수 있다. 즉, 기판(402)는 미리정의된(predefined) 소스 전극(406), 드레인 전극(408) 및 게이트 전극(410)을 포함할 수 있다.
펜타센 전구체들 및 탄소 나노튜브들의 분산 용액은 절연 층(404) 상부(예를 들어, 소스 및 드레인 전극들(406, 408) 사이)에 증착될 수 있다(예를 들어, 스핀 코팅, 드롭 캐스트, 등에 의해서). 용매가 제거되고 나서(예를 들어, 50℃ 에서 100℃ 범위의 낮은 온도에서 가열 처리함에 의해), 절연 층(404) 상부(예를 들어, 소스 및 드레인 전극들(406, 408) 사이)에는, 도 4에서 도시한 바와 같이, 펜타센 전구체가-코팅된-CNT(412)가 형성된다.
용매의 제거 후, 상기 기판은, 모든 펜타센 전구체 데코레이션(decoration)이 펜타센으로 변환되어 그 결과 절연 층(404) 상부 및 채널 영역(예를 들어, 소스 및 드레인 전극들(406, 408) 사이)에 CNT-펜타센 혼합체 층(414)이 형성될 때까지, 질소 분위기 하에서 가열 처리된다(예를 들어, 100℃ 에서 200℃ 범위에서). 다시 말하면, CNT-펜타센 혼합체 층(414)는 소자(450)에서 채널 재료로서의 기능을 수행할 수 있다. 이때 CNT-펜타센 혼합체 층(414)은 10nm 에서 200nm 범위의 두께를 가질 수 있다.
상기 가열 처리 단계(heating)는, 펜타센 전구체가-코팅된-CNT(412)를 CNT-펜타센 혼합체 층(414)으로 변환시킬 뿐만 아니라, CNT-펜타센 혼합체 층을 인접 구조(adjacent feature) (예, 소스 및 드레인 전극들, 절연 층, 등등)에 결합시키는 것을 돕는다.
여기서 비록 도 4는 오직 하나의 탄소 나노튜브를 포함하는 CNT-펜타센 혼합체 층(414)을 갖는 반도체 소자를 도시하고 있지만, 상기 혼합체 층(414)는 복수의 탄소 나노튜브들을 포함할 수 있으며, 이 복수의 탄소 나노튜브들은 코디네이트되어 있으며 (예를 들어, 정렬되어 있으며) 그들 각각의 위에 형성된 복수의 펜타센 분자들을 가질 수 있다는 사실을 유념해야 한다. 특히, 혼합체 층(414) 내의 상기 탄소 나노튜브(들)은 소스/드레인 전극들 중 하나로부터 소스/드레인 전극들 중 다른 하나에 이르는 방향으로 적어도 실질적으로 정렬될 수 있다.
여기서 비록 도 4는 절연 층(404) 상부에 그리고 소스 및 드레인 전극들(406, 408) 사이에 형성된 CNT-펜타센 혼합체 층(414)(예, 채널 영역)를 포함하는 것으로 소자(450)을 도시하고 있지만, 다른 구성들 또한 가능하다. 예를 들어, 도 5a-5c는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 반도체 소자(450)에 대한 다른 가능한 구성들을 도시한다.
도 5a에 도시된 것처럼, CNT-펜타센 혼합체 층(414)가 기판(402) 상부에 형성될 수 있으며, 또한 소스 및 드레인 전극들(406, 408)이 혼합체 층(414) 상부에 형성될 수 있다. 그 다음 게이트 절연 층(404)가 소스 및 드레인 전극들(406, 408) 상부에 형성될 수 있고, 그리고 게이트 전극(410)가 상기 게이트 절연 층(404) 상부에 형성될 수 있다.
도 5b에 도시된 것처럼, 게이트 전극(410)이 기판(402) 상부에 형성된 다음, 게이트 절연 층(404)가 게이트 전극(410) 상부에 형성될 수 있다. 그리고 CNT-펜타센 혼합체 층(414)이 게이트 절연 층(404) 상부에 형성될 수 있고, 또한 소스 및 드레인 전극들(406, 408)이 상기 게이트 절연 층(404) 상부에 형성될 수 있다.
또한, 도 5c에 도시된 것처럼, CNT-펜타센 혼합체 층(414)가 기판(402) 상부에 형성될 수 있고, 그리고 소스 및 드레인 전극들(406, 408) 중 하나(이 경우는, 드레인 전극)도 혼합체 층(414)의 측면(beside)에 그리고 기판(402) 상부에 형성될 수 있다. 그 다음 소스 및 드레인 전극들(406, 408) 중 다른 하나(이 경우는, 소스 전극)와 게이트 절연 층(404)는 혼합체 층(414) 상부에 형성될 수 있다. 또한 게이트 전극(410)은 상기 게이트 절연 층(404) 상부에 형성될 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 반도체 소자를 형성하는 바람직한 방법(600)을 도시한다. 도 6에 도시된 것처럼, 방법(600)은 기판 상부에 소스, 드레인 및 게이트 전극들을 형성하는 단계(610), 그리고 상기 기판 상부에 채널 영역을 형성하되, 상기 채널 영역은 탄소 나노튜브-펜타센 혼합체 층을 포함하도록 하는 단계(620)를 포함한다.
여기서 비록 본 발명이 트랜지스터를 형성하는데 사용되는 것으로 기술되었지만, 본 발명은 뛰어난 전하 캐리어 이동도를 갖는 층을 이용하는 다른 반도체 소자들(예, 다이오드, 광전지, 등등.)을 형성하는 데도 사용될 수 있다는 사실을 유념해야 한다.
따라서 독특한 그리고 새로운 특징들을 갖는, 본 발명의 바람직한 실시 예들은 탄소 나노튜브-펜타센 혼합체 층을 포함하는 채널 영역을 형성하는 단계를 포함하는 반도체 소자를 형성하는 방법을 제공할 수 있다.
비록 본 발명은 하나 또는 그 이상의 실시예들에 관해 기술되었지만, 당해 기술분야의 숙련자들은 첨부된 특허청구범위의 사상과 범위 내에서 본 발명이 변경하여 실행될 수 있음을 인식할 수 있을 것이다. 구체적으로, 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 여기의 도면들이 설명하기 위한 목적이며, 본 발명의 어셈블리의 설계는 여기에 개시된 것에 한정되지 않고 본 발명의 범위 내에서 변경될 수 있음을 이해할 것이다.
또한, 출원인의 의도는 모든 청구항 요소들(elements)에 관한 균등물들을 포함하는 것이며, 본 출원의 모든 청구항들에 대한 어떤 수정도 첨부된 특허청구범위의 어떤 요소나 혹은 특성(feature)에 관한 균등물에 대해서 관심이 없다거나 권리를 포기하는 것으로 해석되어서는 안된다.

Claims (19)

  1. 혼합체 재료(composite material)에서,
    탄소 나노튜브( a carbon nanotube); 및
    상기 탄소 나노튜브에 결합된(bonded) 복수의 펜타센 분자들(pentacene molecules)을 포함하는
    혼합체 재료.
  2. 제 1항에서,
    상기 복수의 펜타센 분자들은 ∏-∏ 스태킹을 통해 상기 탄소 나노튜브의 측벽(sidewall)과 상호작용하는(interact)
    혼합체 재료.
  3. 제 1항에서,
    상기 복수의 펜타센 분자들은, ∏-∏ 결합, 전하-이동 결합(charge-transfer bonding) 및 정(靜)전기 결합 중 적어도 하나에 의해 상기 탄소 나노튜브에 결합되는
    혼합체 재료.
  4. 제 1항에서,
    상기 탄소 나노튜브는 전기적으로 반도체성이며(semiconductive), 단일-벽으로 된(single-walled) 탄소 나노튜브를 포함하는
    혼합체 재료.
  5. 탄소 나노튜브-펜타센 혼합체 층을 형성하는 방법에서, 상기 방법은:
    용해가능한 펜타센 전구체 및 탄소 나노튜브들의 분산 용액(dispersion)을 기판 상부에 증착하는 단계;
    상기 분산 용액으로부터 용매를 제거하기 위해 상기 분산 용액을 가열 처리하는 단계;
    상기 펜타센 전구체를 펜타센으로 변환하고 상기 탄소 나노튜브-펜타센 혼합체 층을 형성하기 위해 상기 기판을 가열 처리하는 단계를 포함하는
    방법.
  6. 제 5항에서,
    상기 분산 용액을 가열 처리하는 단계는
    50℃ 에서 100℃ 범위의 온도에서 가열 처리하는 단계를 포함하는
    방법.
  7. 제 5항에서,
    상기 기판을 가열 처리하는 단계는
    질소 분위기 하에서(under nitrogen) 상기 기판을 100℃ 에서 200℃ 범위에서 가열 처리하는 단계를 포함하는
    방법.
  8. 제 5항에서,
    N-술피닐아마이드(N-sulfinylamide)와 펜타센의 디일스-알더 반응(Diels-Alder reaction)으로부터 상기 용해 가능한 펜타센 전구체를 획득하는 단계를 더 포함하는
    방법.
  9. 제 5항에서,
    용해가능한 펜타센 전구체 및 탄소 나노튜브들의 상기 분산 용액을 형성하는 단계를 더 포함하는
    방법.
  10. 제 9항에서,
    상기 분산 용액을 형성하는 단계는
    정제된 탄소 나노튜브들을 유기 용매에 혼합하는 단계를 포함하는
    방법.
  11. 제 10항에서,
    상기 분산 용액을 형성하는 단계는
    코디네이트 되지않은(un-coordinated) 탄소 나노튜브들의 침전물을 제거하기 위해 상기 혼합물을 초음파 처리 및 원심분리 처리하는 단계를 더 포함하는
    방법.
  12. 제 11항에서,
    상기 안정된(stable) 분산 용액은
    상기 혼합물을 상기 초음파 처리 및 원심분리 처리하는 단계로부터 생성된 상층액(a supernatant liquid)을 포함하는
    방법.
  13. 제 5항에서,
    상기 안정된 분산 용액을 증착하는 단계는
    상기 안정된 분산 용액을 상기 기판 상부에 스핀 코팅(spin coating) 및 드롭 캐스팅(drop casting)하는 것 중 하나를 포함하는
    방법.
  14. 제 5항에서,
    상기 펜타센 전구체는
    펜타센-N-술피닐아세트아마이드(pentacene-N-sulfinylacetamide)를 포함하는
    방법.
  15. 제 5항에서,
    상기 기판 상부에 소스, 드레인 및 게이트 전극들을 형성하되, 상기 분산 용액이 상기 소스 및 드레인 전극들 사이에 증착되도록 형성하는 단계를 더 포함하는
    방법.
  16. 제 5항에서,
    상기 기판 상부에 절연 층(insulating layer)을 형성하되, 상기 분산 용액이 상기 절연 층 상부에 증착되도록 형성하는 단계를 더 포함하는
    방법.
  17. 전계 효과 트랜지스터에서, 상기 트랜지스터는
    기판 상부에 형성된 소스, 드레인 및 게이트 전극들; 및
    상기 기판 상부에 형성된 채널 영역을 포함하되,
    상기 채널 영역은 청구항 1항 내지 4항 중 어느 한 항에서 청구된 혼합체 재료 층을 포함하는
    전계 효과 트랜지스터.
  18. 전계 효과 트랜지스터를 형성하는 방법에서, 상기 방법은:
    기판 상부에 소스, 드레인 및 게이트 전극들을 형성하는 단계; 및
    상기 기판 상부에 채널 영역을 형성하되, 상기 채널 영역은 청구항 1항 내지 4항 중 어느 한 항에서 청구된 혼합체 재료 층을 포함하는
    방법.
  19. 제 18항에서,
    상기 채널 영역을 형성하는 단계는:
    용해 가능한 펜타센 전구체 및 탄소 나노튜브들의 안정된 분산 용액을 상기 기판 상부에 증착하는 단계;
    상기 분산 용액으로부터 용매를 제거하기 위해 상기 분산 용액을 가열 처리하는 단계; 및
    상기 펜타센 전구체를 펜타센으로 변환하고 상기 탄소 나노튜브-펜타센 혼합체 층을 형성하기 위해 상기 기판을 가열 처리하는 단계를 포함하는
    방법.
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