Two kinds of porphyrin-silicon hybrid field-effect transistors are proposed and analyzed. High carrier mobility and reproducible behavior can be achieved for the hybrid devices because of their single-crystalline inorganic channel, while high photosensitivity and charge containing characteristics can be also achieved due to the optically activated organic molecules. The proposed structures of hybrid devices solve the convention-al dilemma that an individual gate cannot be used for an organic-inorganic hybrid device because the individual gate blocks area where organic material should be immobilized. Therefore only back-gate has been implemented for the hybrid devices, however the back-gate has critical problems on practicality. As a first proposed structure, planar MOSFET based hybrid device is experimented. By forming a nanogap in the part of gate insulator that porphyrins can be placed, the conductance of silicon channel can be modulated by external light. As a second proposed structure, 3-D FinFET based hybrid device is experimented. The modified FinFET device solves the disadvantages of the first structure that large device area and performance degradations are required for operation. We demonstrated that both individually addressable hybrid devices shows significant conductance change for external optical excitations which can be applied for optoelectronic memory applications.
기존의 실리콘 트랜지스터 구조에 기반해 두 종류의 포피린-실리콘 혼성 트랜지스터를 제작하고 특성을 분석하였다. 혼성 트랜지스터는 실리콘의 높은 전도도와 실험적 균일성과 함께 유기물질의 높은 빛 감응성과 다양성을 동시에 가질 수 있다. 기존의 혼성 트랜지스터 연구에 사용되던 백게이트 구조는 개별 소자를 제어할 수 없다는 문제점을 가지고 있었으나, 본 연구에서는 소자 마다 개별적인 게이트를 가질 수 있도록 하여 해당 문제점을 해결하였다. 제안한 구조의 첫 번째로 기존의 평면 MOSFET의 게이트 절연체의 일부를 식각하여 유기 물질이 삽입될 수 있는 나노갭을 형성한 구조를 제작하고 실험하였다. 나노갭 안에 삽입된 포피린의 전하 충전 상태에 따라 실리콘 채널의 전위 장벽 크기가 변하며 결과적으로 전도도가 바뀌는 원리로 동작한다. 빛에 노광될 때 포피린이 실리콘으로부터 전자를 흡수하는 광유도 전하전달 원리에 의해 높은 빛 감응성을 가짐을 확인하였다. 두 번째 구조로 최신 트랜지스터 기술인 3차원 FinFET 구조를 변형하여 유기 물질이 채널 전역에 영향을 줄 수 있는 구조를 제작하고 실험하였다. 앞서 실험한 변형 MOSFET 소자가 가지고 있던 단점인 넓은 소자 면적과 낮은 전류 성능이 개선됨을 확인하였다. 포피린의 전하 충전 특성을 이용해 두 소자 모두 광전자 메모리로 응용될 수 있음을 검증하였다.
