KR100692916B1 - Carbon nanotube transistor with SU-8 resist coated in electrode - Google Patents
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Abstract
본 발명은 변형전극을 갖는 탄소 나노튜브 트랜지스터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 쉽게 패터닝이 가능한 네가티브 포토레지스트인 SU-8 을 탄소 나노튜브 트랜지스터의 전극부분에 코팅하여 탄소 나노튜브 트랜지스터에 안정적인 p 도핑을 유도하고, 바이오센서로 이용하기 위해 전극을 절연시킬 수 있도록 한 변형전극을 갖는 탄소 나노튜브 트랜지스터에 관한 것이다.The present invention relates to a carbon nanotube transistor having a deformation electrode, and more particularly, a stable p-dope is applied to a carbon nanotube transistor by coating SU-8, a easily patternable negative photoresist, on the electrode portion of the carbon nanotube transistor. The invention relates to a carbon nanotube transistor having a strained electrode capable of inducing and insulating the electrode for use as a biosensor.
이를 위해, 본 발명은 탄소나노튜브의 양단부에 각각 전기적으로 접촉되는 소스 전극과 드레인 전극을 포함하는 탄소나노튜브 트랜지스터에 있어서,To this end, the present invention is a carbon nanotube transistor comprising a source electrode and a drain electrode in electrical contact with each end of the carbon nanotube, respectively,
상기 전극에 포토레지스트, 저분자 자기조립막 및 기타 폴리머 중 어느 하나가 코팅되는 것을 특징으로 하는 변형전극을 갖는 탄소 나노튜브 트랜지스터를 제공한다.Provided is a carbon nanotube transistor having a modified electrode, characterized in that the electrode is coated with any one of a photoresist, a low molecular self-assembled film and other polymers.
SU-8 네가티브 포토레지스트, 탄소 나노튜브, 트랜지스터, 저분자 자기조립막, 폴리머 SU-8 negative photoresist, carbon nanotube, transistor, low molecular self-assembled film, polymer
Description
도 1a는 본 발명에 따른 전극에 SU-8 레지스트가 코팅된 탄소 나노튜브 트랜지스터를 나타내는 개략도.1A is a schematic view showing a carbon nanotube transistor coated with an SU-8 resist on an electrode according to the present invention.
도 1b는 본 발명에 따른 탄소 나노튜브 트랜지스터의 전극에 코팅되는 SU-8 레지스트의 화학구조식을 나타내는 구조도.Figure 1b is a structural diagram showing the chemical structure of the SU-8 resist coated on the electrode of the carbon nanotube transistor according to the present invention.
도 2는 본 발명에 따른 탄소 나노튜브 트랜지스터의 전극에 SU-8 레지스트를 선택적으로 코팅하기 위한 마스크 패턴을 나타내는 구성도.2 is a block diagram showing a mask pattern for selectively coating a SU-8 resist on the electrode of the carbon nanotube transistor according to the present invention.
도 3은 본 발명에 따른 전극에 SU-8 레지스트가 코팅된 탄소 나노튜브 트랜지스터의 제작공정을 나타내는 개략도.Figure 3 is a schematic diagram showing the manufacturing process of the carbon nanotube transistor coated with the SU-8 resist on the electrode according to the present invention.
도 4는 본 발명에 따른 전극에 SU-8 레지스트가 코팅된 탄소 나노튜브 트랜지스터의 일부분을 광학현미경으로 확대한 사진.4 is an enlarged photograph of a portion of a carbon nanotube transistor coated with an SU-8 resist on an electrode according to the present invention with an optical microscope.
도 5는 본 발명에 따른 전극에 SU-8 레지스트가 코팅된 탄소 나노튜브 트랜지스터의 일부분을 원자력 현미경(Atomic force microscope)에 의해 확대한 사진.5 is an enlarged photograph of a portion of a carbon nanotube transistor coated with an SU-8 resist on an electrode according to the present invention by an atomic force microscope.
도 6은 본 발명에 따른 탄소 나노튜브 트랜지스터에서 SU-8 레지스트가 전극에 코팅되기 전과 후의 전기적 특성을 나타내는 그래프.6 is a graph showing the electrical properties before and after the SU-8 resist is coated on the electrode in the carbon nanotube transistor according to the present invention.
도 7은 본 발명에 따른 전극에 SU-8 레지스트가 코팅된 탄소 나노튜브 트랜지스터의 절연특성을 나타내는 그래프.7 is a graph showing the insulating properties of the carbon nanotube transistor coated with the SU-8 resist on the electrode according to the present invention.
도 8은 SU-8 레지스트가 전극에 흡착되면서 생기는 금속의 일함수 변화에 따른 쇼트키 장벽(Schttky barrier)의 크기 변화를 나타내는 상태도.8 is a state diagram showing a change in the size of the Schtky barrier according to the change in the work function of the metal generated by the SU-8 resist is adsorbed on the electrode.
도 9는 전극에 아미노에탄시올(aminoethanthiol)이 흡착되면서 생기는 전기적 변화를 나타내는 그래프.Figure 9 is a graph showing the electrical changes generated by the adsorption of aminoethanthiol (aminoethanthiol) to the electrode.
도 10은 한쪽 전극에 아미노에탄시올로 처리된 소자의 전기적 특성을 나타내는 그래프.10 is a graph showing the electrical properties of a device treated with aminoethanethiol on one electrode.
도 11은 전극에 아미노에탄시올의 흡착에 의한 일함수 변화 및 밴드 다이어그램의 변화를 나타내는 개락도.Fig. 11 is a schematic diagram showing the change in work function and band diagram due to adsorption of aminoethanethiol on the electrode;
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of Symbols for Main Parts of Drawings>
10 : 기판 12 : 전극10
14 : 탄소 나노튜브 16 : SU-8 네가티브 포토레지스트14 carbon nanotube 16: SU-8 negative photoresist
본 발명은 변형전극을 갖는 탄소 나노튜브 트랜지스터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 쉽게 패터닝이 가능한 네가티브 포토레지스트인 SU-8 을 탄소 나노튜브 트랜지스터의 전극부분에 코팅하여 탄소 나노튜브 트랜지스터에 안정적인 p 도핑을 유도하고, 바이오센서로 이용하기 위해 전극을 절연시킬 수 있도록 한 변형전극을 갖는 탄소 나노튜브 트랜지스터에 관한 것이다.The present invention relates to a carbon nanotube transistor having a deformation electrode, and more particularly, a stable p-dope is applied to a carbon nanotube transistor by coating SU-8, a easily patternable negative photoresist, on the electrode portion of the carbon nanotube transistor. The invention relates to a carbon nanotube transistor having a strained electrode capable of inducing and insulating the electrode for use as a biosensor.
최근에 나노미터 크기의 극미세 영역에서 새로운 물리현상과 향상된 물질특성을 나타내는 연구결과가 보고되면서 나노과학기술이라는 새로운 영역이 태동하게 되었고, 이러한 나노과학기술은 앞으로 21세기를 선도해 나갈 수 있는 과학기술로서 전자정보통신, 의약, 소재, 제조공정, 환경 및 에너지 등의 분야에서 미래의 기술로 부각되고 있다.With the recent reports of new physical phenomena and improved material properties in nanometer-sized microspheres, a new field of nanotechnology has emerged, and these nanoscience technologies can lead the 21st century. It is emerging as a future technology in the fields of electronic information communication, medicine, materials, manufacturing process, environment and energy.
이러한 나노과학기술 분야 중에서도 특히 탄소나노튜브(Carbon NanoTube)는 새로운 물질특성의 구현이 가능하여 기초연구의 중요성과 산업적 응용성이 동시에 크게 각광을 받고 있다.Among these nanotechnology fields, carbon nanotubes, in particular, are able to realize new material properties, and thus, the importance of basic research and industrial applicability are receiving great attention at the same time.
일반적으로, 탄소 나노튜브란 지구상에 다량으로 존재하는 탄소로 이루어진 탄소 동소체로서 하나의 탄소가 다른 탄소원자와 육각형 벌집무늬로 결합되어 튜브형태를 이루고 있는 물질이며, 튜브의 직경이 나노미터(nm=10억분의 1미터) 수준으로 극히 작은 영역의 물질이다. In general, a carbon nanotube is a carbon allotrope composed of carbon present in a large amount on the earth, and one carbon is combined with another carbon atom in a hexagonal honeycomb pattern to form a tube, and the diameter of the tube is nanometer (nm =). One billionth of a meter) is an extremely small area of matter.
탄소 나노튜브는 우수한 기계적 특성, 전기적 선택성, 뛰어난 전계방출 특성, 고효율의 수소저장매체 특성 등을 지니며 현존하는 물질 중 결함이 거의 없는 완벽한 신소재로 알려져 있다.Carbon nanotubes have excellent mechanical properties, electrical selectivity, excellent field emission characteristics, high-efficiency hydrogen storage media, and are known to be perfect new materials with few defects in existing materials.
이러한 탄소 나노튜브는 그래파이트 면(graphite sheet)이 나노 크기의 직경으로 둥글게 말린 상태이며, sp2 결합 구조를 갖고 있다. The carbon nanotubes have a graphite sheet rounded to a nano-sized diameter and have a sp 2 bond structure.
이 그래파이트 면이 말리는 각도 및 형태에 따라서 전기적으로 도체 또는 반도체의 특성을 보인게 된다.Depending on the angle and shape of the graphite surface is curled, it is electrically conductive characteristics of the conductor or semiconductor.
또한, 탄소 나노튜브는 벽을 이루고 있는 결합 수에 따라 단일벽 나노튜브(Single Walled NanoTube) 또는 다중벽 나노튜브(Mullti Walled NanoTube)로 구분하고, 아울러 단일벽 나노튜브가 여러개로 뭉쳐있는 형태를 다발형 나노튜브(Rope NanoTube)라 한다.In addition, carbon nanotubes are classified into single walled nanotubes or multiwalled nanotubes according to the number of bonds forming walls, and bundles of multiple single-walled nanotubes are bundled together. It is called Rope NanoTube.
이에 탄소 나노튜브는 각종 장치의 전자방출원(electron emitter), VFD(vacuum fluorescent display), 백색광원, FED(field emission display), 리튬이온 2차전지전극, 수소저장 연료전지, 나노 와이어, 나노 캡슐, 나노 핀셋, AFM/STM 팁(tip), 단전자 소자, 가스센서, 의·공학용 미세부품, 고기능 복합체 등에서 무한한 응용 가능성을 보여주고 있다. Therefore, carbon nanotubes are used in electron emitters, vacuum fluorescent displays (VFDs), white light sources, field emission displays (FEDs), lithium ion secondary battery electrodes, hydrogen storage fuel cells, nanowires, and nanocapsules of various devices. , Nano-tweezers, AFM / STM tips, single-electron devices, gas sensors, medical / engineering microcomponents, and high performance composites.
탄소 나노튜브는 이처럼 역학적 견고성과 화학적 안정성이 뛰어나고, 반도체와 도체의 성질을 모두 띨 수 있으며, 직경이 작고 길이가 상대적으로 매우 긴 특성 때문에, 평판표시소자, 트랜지스터, 에너지 저장체 등의 소재로서 뛰어난 성질을 보이고, 나노크기의 각종 전자소자로서의 응용성이 매우 크다.Carbon nanotubes have excellent mechanical robustness and chemical stability, can exhibit both semiconductor and conductor properties, and have a small diameter and relatively long lengths, making them excellent materials for flat panel displays, transistors, and energy storage. It shows properties, and its applicability as nano-sized various electronic devices is very large.
한편, 탄소 나노튜브는 그 특이한 물리적, 화학적 성질 및 뛰어난 전기 전도도등에 의해 차세대 나노소자의 대표물질로 인식되고 있고, 상기 나노소자의 대표적 응용분야로서 특정 가스입자 및 생체분자 또는 유기 분자의 흡착을 민감하게 감지하는 나노센서 분야를 들 수 있다. Meanwhile, carbon nanotubes are recognized as representative materials of next-generation nanodevices due to their unique physical and chemical properties and excellent electrical conductivity, and are sensitive to the adsorption of specific gas particles, biomolecules or organic molecules as a representative application field of the nanodevices. Nanosensors that detect
탄소 나노튜브 트랜지스터가 채널의 산소 도핑에 의해 일반적으로 p 형 반도 체로 작동한다고 잘 알려져 있지만, 전류가 턴-온(turn-on)이 되는 문턱전압이 주로 음의 게이트 전압 쪽으로 치우쳐 있어서 음의 게이트 전압을 걸어준 후에야 센서로 동작할 수 있는 문제점이 있다. It is well known that carbon nanotube transistors generally act as p-type semiconductors by oxygen doping of the channel, but the negative gate voltage is mainly due to the threshold voltage at which the current turns turn on towards the negative gate voltage. There is a problem that can operate as a sensor only after.
따라서, 탄소 나노튜브에 안정적인 p 도핑을 해줄 수 있는 새로운 기술의 개발은 탄소 나노튜브의 응용에 있어 필수적인 요소라고 하겠다. Therefore, the development of a new technology capable of stable p-doped carbon nanotubes is an essential element in the application of carbon nanotubes.
탄소 나노튜브 트랜지스터에 p 도핑을 해줄 수 있는 방법으로는 채널에 화학적 도핑 방법을 이용하여 도핑하거나 트랜지스터의 전극물질로 일함수가 큰 금속을 채용하여 쇼트키 장벽(Schottky barrier)의 크기를 줄여줌으로서 도핑이 가능하다.P-doped carbon nanotube transistors can be chemically doped to the channel or reduced by the Schottky barrier by employing a metal with a large work function as the electrode material of the transistor. Doping is possible.
전자의 경우, 안정적으로 지속적인 도핑을 해줄 수 있는 탄소 나노튜브의 도핑 방법이 개발되어 있지 않으며, 도핑이 된 탄소 나노튜브의 센서 특성이 변할 수 있는 가능성 때문에 적절하지 못한 단점을 갖는다. In the former case, a doping method of carbon nanotubes capable of stably and continuously doping has not been developed, and has a disadvantage of being inadequate due to the possibility of changing the sensor characteristics of the doped carbon nanotubes.
후자의 경우, 이미 쇼트키 장벽 크기를 최소화 할 수 있는 금속으로 Pd 이 좋은 평가를 받고 있으며, 나노튜브 전체에 PMMA(polymethylmetaacrylate)를 코팅하면 p 도핑효과가 커진다는 연구결과가 있다.In the latter case, Pd is already well-received as a metal that can minimize the Schottky barrier size, and there is a research showing that the coating of PMMA (polymethylmetaacrylate) on the whole nanotube increases the p-doping effect.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 탄소 나노튜브 트랜지스터의 전극에 SU-8 네가티브 포토레지스트를 코팅하여, 문턱전압이 양의 게이트 전압으로 증가하도록 함으로써 탄소 나노튜브에 효과적인 홀 도핑을 제공하는 동시에, 상기 SU-8 네가티브 포토레지스트 레이어가 우수한 절연막을 형성함으로써 전 기적 방식의 바이오 센서로 응용될 수 있도록 한 변형전극을 갖는 탄소 나노튜브 트랜지스터를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made in view of the above, and by coating the SU-8 negative photoresist on the electrode of the carbon nanotube transistor, the effective hole doping to the carbon nanotube by increasing the threshold voltage to a positive gate voltage At the same time, an object of the present invention is to provide a carbon nanotube transistor having a strained electrode in which the SU-8 negative photoresist layer forms an excellent insulating film so that the SU-8 negative photoresist layer can be used as an electric biosensor.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 탄소나노튜브의 양단부에 각각 전기적으로 접촉되는 소스 전극과 드레인 전극을 포함하는 탄소나노튜브 트랜지스터에 있어서,The present invention for achieving the above object is a carbon nanotube transistor comprising a source electrode and a drain electrode in electrical contact with both ends of the carbon nanotube, respectively,
상기 전극에 포토레지스트, 저분자 자기조립막 및 기타 폴리머 중 어느 하나가 코팅되는 것을 특징으로 한다.The electrode is coated with any one of a photoresist, a low molecular self-assembled film and other polymers.
바람직한 구현예로서, 상기 탄소 나노튜브는 단일벽 탄소 나노튜브, 다중벽 탄소 나노튜브 및 탄소 나노튜브 번들 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.In a preferred embodiment, the carbon nanotubes are any one of single-walled carbon nanotubes, multi-walled carbon nanotubes, and carbon nanotube bundles.
더욱 바람직한 구현예로서, 상기 전극에 코팅되는 물질은 절연특성을 보일 수 있는 모든 흡착물 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.In a more preferred embodiment, the material coated on the electrode is characterized in that any one of all the adsorbates that can exhibit insulating properties.
또한, 상기 전극 코팅막은 리소그라피, 스핀코팅, 잉크젯 프린팅 또는 자기조립막 중 어느 하나의 방법에 의해 형성되는 것을 특징으로 한다.In addition, the electrode coating film is characterized in that formed by any one method of lithography, spin coating, inkjet printing or self-assembled film.
또한, 상기 전극 코팅막은 전극의 일함수를 효과적으로 변형시킬 수 있는 폴리머, 유기분자의 자기조립막 및 포토레지스트, 전자빔레지스트를 이용하는 것을 특징으로 한다.In addition, the electrode coating film is characterized by using a polymer that can effectively modify the work function of the electrode, a self-assembled film of organic molecules, a photoresist, an electron beam resist.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
첨부한 도 1a는 본 발명에 따른 전극에 SU-8 레지스트가 코팅된 탄소 나노튜 브 트랜지스터를 나타내는 개략도이고, 도 1b는 본 발명에 따른 탄소 나노튜브 트랜지스터의 전극에 코팅되는 SU-8 레지스트의 화학구조식을 나타내는 구조도이다.FIG. 1A is a schematic view showing a carbon nanotube transistor coated with an SU-8 resist on an electrode according to the present invention, and FIG. 1B is a chemistry of a SU-8 resist coated on an electrode of a carbon nanotube transistor according to the present invention. It is a structural diagram which shows a structural formula.
본 발명은 탄소 나노튜브 트랜지스터의 전극(12)에 SU-8 네가티브 포토레지스트(16)를 코팅하여 금속표면에 흡착되어 금속의 일함수를 효과적으로 증가시켜 주면서, 절연막 역할을 수행할 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.According to the present invention, the SU-8
본 발명의 탄소 나노튜브 트랜지스터는 두 개의 전극(12)사이에 위치한 탄소 나노튜브(14)와, 이 전극(12)에 코팅된 SU-8 네가티브 포토레지스트(16)로 구성되어 있다. The carbon nanotube transistor of the present invention is composed of a
상기 탄소 나노튜브 트랜지스터의 전극(12)에 코팅된 SU-8 네가티브 포토레지스트(16)는 각종 유기분자 및 기타 흡착물로부터 전극(12)을 보호하고 절연막의 역할을 하며, 이와 동시에 탄소 나노튜브(14)에 홀 도핑을 유도하여 문턱전압을 높여주는 역할을 한다.The SU-8
본 발명에 따른 탄소 나노튜브 트랜지스터의 제작공정을 설명하면 다음과 같다.Referring to the manufacturing process of the carbon nanotube transistor according to the present invention.
도 3은 본 발명에 따른 전극에 SU-8 레지스트가 코팅된 탄소 나노튜브 트랜지스터의 제작공정을 나타내는 개략도이다.3 is a schematic diagram showing a manufacturing process of a carbon nanotube transistor coated with an SU-8 resist on an electrode according to the present invention.
① SiO2/Si 기판(10)위에 얼라인먼트 마커(alignment marker)를 형성한다.① Alignment markers are formed on the SiO 2 /
② SiO2 층으로 절연된 실리콘 기판(10)에 PMMA 를 이용하여 액상의 촉매(catalyst)가 남을 패턴을 제작한다. ② A pattern in which a liquid catalyst remains on the
③ 액상의 촉매와 반응한 실리콘 기판(10)은 아세톤 용액에 담가 PMMA 층을 제거한다.③ The
④ 900 °C 퍼니스(furnace)에서 CH4, H2 분위기에서 10분간 단일벽 탄소 나노튜브(14)를 성장시킨다. ④ Grow single-walled carbon nanotubes (14) for 10 minutes in a CH 4 , H 2 atmosphere in a 900 ° C furnace.
⑤ 성장된 탄소 나노튜브(14)에 광식각법(Photholithography)와 열증착(thermal evaporation)을 이용하여 전극(12)을 형성하는 것으로 일단계 트랜지스터의 제작이 이루어지게 된다. ⑤ The
⑥ 탄소 나노튜브(14)에 전극(12)을 붙여 트랜지스터를 제작하고, SU-8 네가티브 포토레지스트(16)를 코팅하여 절연막을 형성한다. (6) A transistor is fabricated by attaching the
이때, SU-8 네가티브 포토레지스트(16) 절연막을 형성하기 위한 마스크의 도면은 도 2에 도시한 바와 같이 SU-8 네가티브 포토레지스트(16) 레이어가 외부와의 와이어링을 위한 접촉 패드(contact pad)를 제외한 나머지 부분을 감싸는 형태를 취하는 것을 알 수 있다. At this time, the mask for forming the SU-8
도 4는 이와 같이 제작된 탄소 나노튜브 트랜지스터의 일부분을 확대한 광학 현미경 사진이다. 도 4에 도시한 바와 같이 전극사이의 채널 부분만이 노출되어 있고 나머지 부분이 SU-8 네가티브 포토레지스트로 코팅되어 있음을 알 수 있다. 4 is an enlarged optical micrograph of a portion of the carbon nanotube transistor manufactured as described above. As shown in FIG. 4, it can be seen that only the channel portion between the electrodes is exposed and the remaining portion is coated with the SU-8 negative photoresist.
도 5는 이와 같은 공정을 통하여 제작된 탄소 나노튜브 트랜지스터의 일부분을 원자력 현미경(Atomic force microscope)에 의해 확대한 사진으로서, 하나의 단일벽 나노튜브(Single wall NanoTube)가 전극 사이에 걸려있는 것을 볼 수 있다.FIG. 5 is an enlarged photograph of a portion of the carbon nanotube transistor manufactured by such a process by an atomic force microscope, in which one single wall nanotube is caught between electrodes. Can be.
상기와 같은 제작공정에 의하여 탄소 나노튜브 트랜지스터의 소스(드레인) 전극(12)에 SU-8 네가티브 포토레지스트(16)를 코팅하고 열처리하게 되면, SU-8 네가티브 포토레지스트(16)는 각종 유기용매 및 물의 침투에 대하여 안정하며 높은 온도에서도 안정한 절연막을 형성하게 된다. When the SU-8
따라서, 별도의 절연막의 필요없이 탄소 나노튜브(14)를 이용한 바이오센서의 응용이 가능하다. Therefore, the application of the biosensor using the
또한, 도 1b에 도시한 바와 같이 SU-8 네가티브 포토레지스트(16)가 금속표면에 코팅되게 되면, SU-8 끝단의 산소원자들이 금속에서 전자가 튀어나오는 것을 어렵게 만들어 결과적으로 금속의 일함수를 상승시키는 효과를 가져오게 된다. In addition, as shown in FIG. 1B, when the SU-8
이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 이들 실시예에 의하여 본 발명의 범위가 한정되지 않는다는 것은 당분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. It will be apparent to those skilled in the art that the scope of the present invention is not limited by these examples.
실시예Example
먼저 PMMA로 패턴된 SiO2/Si 기판위(10)에 Fe/Mo 촉매 용액을 뿌리고 들어올린(lift-off) 뒤, 900°C 퍼니스(furnace)에서 CH4, H2 분위기에서 10분간 단일벽 탄소 나노튜브(14)를 성장시킨다. First, the Fe / Mo catalyst solution was sprayed and lifted off on the PM 2 patterned SiO 2 / Si substrate (10), followed by a single wall for 10 minutes in a CH 4 , H 2 atmosphere at a 900 ° C furnace. The
탄소 나노튜브(14)가 성장된 기판(10)위에 광식각법으로 전극 패턴을 형성한 후, 열증착(thermal evaporation)을 이용하여 진공을 깨지 않고 5 nm 의 Ti 와 30 nm의 Au를 연속 증착시킨 후에 샘플을 아세톤 용액에 담가 원하지 않는 부위의 금 속(metal)을 제거하여 탄소 나노튜브 트랜지스터를 완성한다. After forming an electrode pattern on the
상기 나노튜브 트랜지스터에 다시 SU-8 네가티브 포토레지스트(16)를 스핀 코팅한 후, 90℃에서 2분간 베이킹하여 유기용제를 제거한다. 이와 같이 코팅된 포토레지스트(16)를 UV 로 노광시키게 되면 UV 조사된 부분의 폴리머는 고형화되어 남게 됨으로써 절연막으로서의 역할을 하게 된다. After spin coating SU-8
이 밖에 자기조립법을 이용하여 전극에 시올(thiol)(SH)이 붙은 유기분자막을 이용할 수도 있다. 이 방법으로 제조된 전극패턴은 도 4에 도시한 바와 같다.In addition, it is also possible to use an organic molecular film having a thiol (SH) attached to the electrode by using a self-assembly method. The electrode pattern manufactured by this method is as shown in FIG.
실험예Experimental Example
상기 실시예에 따라 제조된 탄소 나노튜브 트랜지스터의 전기적 특성을 평가하기 위하여 전압을 일정 간격으로 변화시키면서 전류 변화를 측정하였다. 전압을 -1 V에서 +1 V까지의 범위에서 변화시키면서 전압 변화에 따른 전류 변화특성 곡선을 구하였으며 그 결과는 도 6 (a)에 도시한 바와 같다.In order to evaluate the electrical characteristics of the carbon nanotube transistor manufactured according to the above embodiment, the current change was measured while changing the voltage at regular intervals. While varying the voltage in the range of -1 V to +1 V, the current change characteristic curve according to the voltage change was obtained, and the result is as shown in FIG.
이때, 도 6 (a)에서 검은 선은 전극에 SU-8 레지스트를 입히기 전, 빨간 선은 전극에 SU-8 레지스트를 코팅한 후의 전압-전류 곡선을 나타낸다. At this time, in Fig. 6 (a), the black line shows the voltage-current curve after coating the electrode with the SU-8 resist, the red line after coating the SU-8 resist.
상기 SU-8 네가티브 포토레지스트(16)를 전극(12)에 코팅한 후에 트랜지스터의 전기 전도도 값이 약 90% 까지 증가하는 것을 볼 수가 있다. After coating the SU-8
도 6 (b)는 특정 바이어스 전압(-1, 0, 1 V) 에서 게이트 전압을 변화시키면서 트랜지스터의 전류를 측정한 (I-Vg) 곡선에 해당한다. 이때, 검은 색으로 표시된 부분은 전극(12)에 SU-8 네가티브 포토레지스트(16)를 코팅하기 전, 빨간색은 전극(12)에 SU-8 네가티브 포토레지스트(16)가 코팅된 후의 전기적 특성을 나타낸다. 6 (b) corresponds to a curve (I-Vg) in which the current of the transistor is measured while changing the gate voltage at a specific bias voltage (−1, 0, 1 V). At this time, the portion shown in black is the electrical characteristics before the coating of the SU-8
전극(12)에 SU-8 네가티브 포토레지스트(16)가 코팅되었을 때 소자의 문턱전압(Vth)이 양의 게이트 전압 쪽으로 변화하며, 동시에 전기 전도도(전류값)이 증가하는 것이 확연하게 관측되었다. It was clearly observed that when the SU-8
본 발명에서 제조된 트랜지스터의 절연특성을 알아보기 위해 탄소 나노튜브(14) 위에 버퍼용액을 떨어뜨리고 이를 게이트로 사용하였다. In order to examine the insulation characteristics of the transistor manufactured in the present invention, a buffer solution was dropped on the
도 7에 도시한 바와 같이, 게이트로 사용된 버퍼용액에 -200mV ~ 200mV 사이의 전압이 인가되었을 때 누설전류값이 수 pA 미만인 것으로 미루어 SU-8 네가티브 포토레지스트(16)에 의한 절연특성이 우수함을 알 수 있다. As shown in FIG. 7, when the voltage between -200 mV and 200 mV is applied to the buffer solution used as the gate, the leakage current value is less than several pA, so that the insulating property of the SU-8
또한, 도 8에 도시한 바와 같이, p 형 반도체인 탄소 나노튜브(14)에 일함수가 상대적으로 큰 금속을 붙이게 되면, 금속-반도체 경계면에서 발생하는 쇼트키 장벽(Schottky barrier)의 높이를 낮춰주게 되어, 결과적으로 전기 전도도가 증가하고 홀 캐리어가 증가하는 효과를 나타내게 된다. In addition, as shown in FIG. 8, when a metal having a relatively large work function is attached to the
이와 같은 효과를 도식으로 나타낸 것이 도 8(b)로서, 전극(12)의 일함수가 증가하면 금속과 탄소 나노튜브 사이의 전하 고갈영역이 줄어들어 전기 전도도가 증가함을 알 수 있다.8 (b) shows such an effect. As the work function of the
본 발명에 따른 탄소 나노튜브(14)는 단일벽 탄소 나노튜브, 다중벽 탄소 나노튜브 및 탄소 나노튜브 번들 등 중에서 선택된 것을 사용할 수 있으며, 이 밖에도 반도체 나노구조체 (나노와이어, 나노리본, 나노로드, 나노오링 등)를 이용한 트랜지스터들에도 적용될 수 있다.
여기서, 반도체 나노와이어에는 GaP, GaN, Si, InP, InAs, GaAs, ZnO, TiO2, SnO2 등이 있다.Here, the semiconductor nanowires include GaP, GaN, Si, InP, InAs, GaAs, ZnO, TiO 2 , SnO 2, and the like.
전극(12)에 보호막을 생성하는 일반적인 방법으로 스핀코팅과 광식각법(photolithography)이 있으나, 이빔 리소그라피나 잉크젯 프린팅 등의 기타 패턴형성법 및 자기조립막이 이용될 수 있다.Common methods for forming a protective film on the
상기 탄소 나노튜브 트랜지스터에 코팅된 SU-8 포토레지스트(16)층은 기타 폴리머나 유기분자의 자기조립막(self-assembled monolayer)으로 대체할 수 있고, SU-8 네가티브 포토레지스트(16)에만 제한되지 않는다.The layer of SU-8
즉, 탄소 나노튜브 트랜지스터의 소스 또는 드레인 전극(12)을 노출시켜 전극에 일함수를 높이거나 낮추어 주는 자기조립막을 형성하는 것이다. In other words, the self-assembled film is formed to expose the source or drain
전술한 바와 같이, 금속의 일함수가 달라지면서 탄소 나노튜브 트랜지스터의 전기 전도도 및 도핑상태에 영향을 미칠 수 있다. As described above, the work function of the metal may be changed to affect the electrical conductivity and the doping state of the carbon nanotube transistor.
도 9는 전극에 아미노에탄시올(aminoethanthiol)이 흡착되면서 생기는 전기적 변화를 나타내는 그래프이다.FIG. 9 is a graph showing electrical changes generated by adsorption of aminoethanthiol to an electrode.
도 9에 도시한 바와 같이, 탄소 나노튜브 트랜지스터의 소스 전극(12)에만 아미노에탄시올(aminoenthanthiol)의 흡착은 효과적으로 전극의 일함수를 낮추어 주게 되어 탄소 나노튜브(14)의 전기적 특성이 양극성(ambipolar)을 띠도록 변화되며 다이오드와 같은 특성을 보여준다.As shown in FIG. 9, the adsorption of aminoenthanthiol to the
도 10은 이와같이 한쪽 전극(12)에 아미노에탄시올로 처리된 소자의 전기적 특성을 보여준다. 전형적인 다이오드 곡선이 관측되었으며, 이와 같은 비선형 전기적 특성은 한쪽 전극(12)을 변형시킨 샘플들에 대해 공통적으로 관측되었다.FIG. 10 shows the electrical characteristics of the device treated with the amino ethanol at one
도 11은 전극에 아미노에탄시올의 흡착에 의한 일함수 변화 및 밴드 다이어그램의 변화를 나타낸다.FIG. 11 shows the change in work function and band diagram due to adsorption of aminoethanethiol on the electrode.
이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 변형전극을 갖는 탄소 나노튜브 트랜지스터에 의하면, 탄소 나노튜브 트랜지스터의 전극에 SU-8 네가티브 포토레지스트 또는 유기분자의 자기조립막이 코팅되어 흡착되게 되면, 금속의 일함수를 상대적으로 높여주어 탄소 나노튜브에 효과적인 홀 도핑을 유도할 수 있는 장점이 있다.As described above, according to the carbon nanotube transistor having the modified electrode according to the present invention, when the self-assembled film of SU-8 negative photoresist or organic molecules is coated and adsorbed on the electrode of the carbon nanotube transistor, The relatively high function has the advantage of inducing effective hole doping in carbon nanotubes.
또한, 상기 SU-8 네가티브 포토레지스트가 우수한 절연막을 형성함으로써, 별도의 유체관이나 절연막 처리 없이도 탄소 나노튜브 트랜지스터의 바이오센서 응용이 가능하게 된다. In addition, by forming an excellent insulating film of the SU-8 negative photoresist, it is possible to apply the biosensor application of the carbon nanotube transistor without additional fluid tube or insulating film treatment.
또한, 본 발명의 탄소 나노튜브 트랜지스터의 경우, 간단하고 저가인 포토레지스트 공정으로 쉽게 안정적인 도핑을 할 수 있고, 우수한 절연막으로도 쓰일 수 있다는데서 의미를 가지며, 각종 나노구조를 이용한 트랜지스터 센서, 가스센서 및 바이오센서 등에 응용될 수 있다.In addition, the carbon nanotube transistor of the present invention has a meaning that it can be easily doped with a simple and inexpensive photoresist process, and can be used as an excellent insulating film, and a transistor sensor and a gas sensor using various nanostructures. And biosensors.
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