Vertical ZnO Nanotube Transistor on a Graphene Film for Flexible Inorganic Electronics

본 연구는 1차원 반도체 나노소재와 2차원 나노소재가 결합된 하이브리드 나노소재를 이용한 수직형 전계효과 트랜지스터(VFET)의 제조에 관한 것이다. 본 연구진은 대면적으로 제조된 그래핀 필름 위 위치와 형상이 조절되어 성장된 단결정 산화아연(ZnO) 나노튜브를 채널로 이용하였으며, 그래핀 필름은 또한 ZnO 나노튜브의 소스 전극으로도 활용되었다. 단결정으로 성장된 산화아연 나노튜브의 우수한 물리적 특성과 수직형 소자구조가 가지고 있는 장점으로 말미암아, 제조된 VFET은 탁월한 전기적 특성을 보여주었다. 제조된 VFET의 sub-threshould swing은 110 mV/dec, 최대/최소 전류비는 106, 상호컨덕턴스는 170 nS/um 으로, 이는 기존의 ZnO 나노소재 기반 VFET에 비해 우수한 것이다. 본 소자의 작동 메커니즘은 3차원 시뮬레이션을 이용하여 보다 자세히 분석되었다. 특히, 그래핀을 기판으로 사용하였기 때문에 제조된 소자를 기계적으로 박리 후 다른 임의의 기판에 전사하는 것이 가능하였다. 이를 이용하여 제조된 소자를 유연한 플라스틱 기판위에 전사한 후, 소자의 전기적 특성이 크게 변화하지 않음을 확인하여 향후 웨어러블 디바이스의 전자소자로 활용이 가능함을 입증하였다.

The bottom‐up integration of a 1D–2D hybrid semiconductor nanostructure into a vertical field‐effect transistor (VFET) for use in flexible inorganic electronics is reported. Zinc oxide (ZnO) nanotubes on graphene film is used as an example. The VFET is fabricated by growing position‐ and dimension‐controlled single crystal ZnO nanotubes vertically on a large graphene film. The graphene film, which acts as the substrate, provides a bottom electrical contact to the nanotubes. Due to the high quality of the single crystal ZnO nanotubes and the unique 1D device structure, the fabricated VFET exhibits excellent electrical characteristics. For example, it has a small subthreshold swing of 110 mV dec−1, a high Imax/Imin ratio of 10^6, and a transconductance of 170 nS µm−1. The electrical characteristics of the nanotube VFETs are validated using 3D transport simulations. Furthermore, the nanotube VFETs fabricated on graphene films can be easily transferred onto flexible plastic substrates. The resulting components are reliable, exhibit high performance, and do not degrade significantly during testing.

Journal: Small (2015 Impact Factor = 8.315)
Published online: 3 April 2018
https://doi.org/10.1002/smll.201800240

Authors: Hongseok Oh (물리천문학부), JunBeom Park (물리천문학부), Woojin Choi (UC San Diego), Heehun Kim (물리천문학부), Youngbin Tchoe (물리천문학부), Arpana Agrawal (물리천문학부) and Gyu‐Chul Yi (물리천문학부)

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.201800240