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  • NanoFETs에서 노이즈를 감소시키는 이온 스크리닝등록일 : 2015/12/01
  • 전해질 용액은 잠재적으로, 미래 나노전자기기에 활용하기 위한 나노크기의 액체형 게이트 전계 효과 트랜지스터(liquid-gated nanoscale field effect transistor, nanoFETs)에서 게이트(gate)와 채널(channel) 간의 용량성 결합(capacitive coupling)의 정도를 향상시켜 주기 위한 높은 유전체 물질이다.

    전해질 용액에서 이온의 정전기 스크리닝(electrostatic screening)은, 액체-반도체 계면에서 전기 이중층(electric double layer)이 형성되면서 나타나는 자연스러운 결과이다. 전기 이중층의 두께는 전해질 용액에서의 스크리닝 길이와 대략 해석될 수 있으며, 이것은 액체형 게이트 커패시턴스(capacitance)를 결정하는데 중요한 역할을 담당한다.

    그러나 액체형 게이트 나노 전계효과 트랜지스터에서의 이온 스크리닝 길이(screening length)와 운반자 산란(carrier scattering) 정도의 물리적 상호연관성에 대해 알려진 바가 거의 없다. 이에 연구팀은 액체형 게이트 나노와이어 전계효과 트랜지스터에서의 운반자의 산란에 의해 발생하는 저주파수의 전류 노이즈에 대한 이온 스크리닝의 효과를 밝혀내고자 시도하였다.

    대만의 국가 나노기기 연구소(National Nano Device Labs) 및 프랑스의 Grenoble INP의 과학자들로 이루어진 국제 연구팀은, 낮은 이온강도의 버퍼 용액(0.001 M potassium phosphate pH electrolyte buffer; PPB)에 노출된 나노와이어 전계효과 트랜지스터에서의 전류 노이즈의 크기가, 이온강도가 높은 버퍼 용액(0.1M PPB)에 노출되었을 때 보다 대략 70% 정도 크다는 사실을 실험적으로 관찰하였다.

    액체형 게이트 나노와이어 전계효과 트랜지스터 시스템에서의 저주파수 전류 노이즈에 대한 이온 스크리닝의 효과를 묘사하기 위해, 연구팀은 전류 노이즈 모델(current noise model)을 제안하였다. 이 모델은 전해질 용액과 나노와이어의 스크리닝 경쟁과 연관된 전하 커플링 효율(charge coupling efficiency)을 고려하고 있다. 이 모델은 바이오전자공학, 나노센서 및 하이브리드 나노전자기기와 같은 미래 응용분야를 위한 전류 노이즈의 메커니즘에 대해 물리적으로 해석하고 있다.

    Ming-Pei Lu 박사에 따르면, 이온 스크리닝 효과는 액체형 게이트 전계효과 트랜지스터에서의 전기용량 커플링 효과(capacitive coupling effect)뿐만 아니라 운반자의 산란과 관련된 문제를 다룰 때 중요하다고 한다. 낮은 이온강도 버퍼 조건에 비해, 높은 이온강도 버퍼 조건에서 낮은 주파수의 전류 노이즈의 크기는 눈에 띄게 억제할 수 있다. 본 연구결과는 나노센서에서 신호 대 노이즈 비율(signal to noise ratio)을 개선하는데 도움을 줄 뿐만 아니라, 나노 전계효과 트랜지스터에서의 저주파수 전류 노이즈를 억제하는 데에도 도움이 될 것이다.

    그림 1> (a) 액체형 게이트 실리콘 나노와이어 전계효과 트랜지스터의 개념도로, 나노와이어의 길이 및 폭은 각각 1.9μm 및 70nm이다. 금 와이어는 나노와이어 채널에서의 운반자 밀도를 전기적으로 조절하기 위한 게이트 전극(gate electrode)의 역할을 한다. (b) 액체형 게이트 전압(VG)에 대한 드레인 전류(ID)의 절대값을 나타낸 그래프. 또한 드레인 및 게이트 전류를 선형 스케일 및 로그 스케일로 표시하였다.

    그림 2> 임계 조건 (VG=−1.1 V) 이상에서 기록된 실시간 드레인 전류(ID)로, pH 7 버퍼에서 0.001 ∼ 0.1 M 범위에서 변화시키면서 측정하였다. 삽입그림: 0.001 ∼ 0.1 M에서 버퍼의 디바이(Debye) 스크리닝 길이.

    원문정보: “Ionic screening effect on low-frequency drain current fluctuations in liquid-gated nanowire FETs”, Nanotechnology, Volume 26, Number 49.

  • 키워드 : 이온 스크리닝, 전계효과 트랜지스터, 드레인 전류
  • 출처 : KISTI 미리안 글로벌동향브리핑