KR100820102B1 - Semiconductor nano-element - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 나노소자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 p 형 반도체 나노구조인 경우 일함수가 낮은 Al 등의 금속 나노입자나 유기물을 코팅하고, n 형 반도체 나노구조인 경우 일함수가 높은 Pd 금속 나노입자를 코팅하여 나노구조체의 감도를 향상시킬 수 있도록 한 반도체 나노소자에 관한 것이다.The present invention relates to a semiconductor nano device, and more particularly, in the case of a p-type semiconductor nanostructure, a metal nanoparticle or an organic material such as Al having a low work function is coated, and in the case of an n-type semiconductor nanostructure, a Pd metal having a high work function The present invention relates to a semiconductor nanodevice capable of improving the sensitivity of nanostructures by coating nanoparticles.
이를 위해, 본 발명은 탄소 나노튜브, 반도체 나노와이어 및 각종 나노구조체를 이용한 트랜지스터 또는 소자에 있어서,To this end, the present invention is a transistor or device using carbon nanotubes, semiconductor nanowires and various nanostructures,
상기 트랜지스터들 또는 소자들 중 어느 하나의 채널에 일함수가 다른 금속 나노입자 또는 촉매역할을 하는 금속 나노입자가 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 나노소자를 제공한다.Provided is a semiconductor nanodevice characterized in that a metal nanoparticle having a work function is coated on a channel of any one of the transistors or devices.
탄소 나노튜브, 반도체 나노와이어, 나노구조체, 채널, 금속 나노입자, 일함수 Carbon Nanotubes, Semiconductor Nanowires, Nanostructures, Channels, Metal Nanoparticles, Work Functions
Description
도 1은 본 발명에 따른 금속 나노입자들이 코팅된 탄소 나노튜브 트랜지스터 센서를 나타내는 개략도.1 is a schematic view showing a carbon nanotube transistor sensor coated with metal nanoparticles according to the present invention.
도 2는 본 발명에 따른 탄소 나노튜브 트랜지스터 제작공정 및 금속 나노입자 코팅공정을 나타내는 개략도.2 is a schematic view showing a carbon nanotube transistor fabrication process and a metal nanoparticle coating process according to the present invention.
도 3a은 본 발명에 따른 탄소 나노튜브 트랜지스터의 일부분을 광학현미경으로 확대한 사진.Figure 3a is an enlarged photograph of a portion of the carbon nanotube transistor according to the present invention with an optical microscope.
도 3b는 본 발명에 따른 탄소 나노튜브 트랜지스터의 일부분을 원자력 현미경(Atomic force microscope)에 의해 확대한 사진.3b is an enlarged photograph of a portion of a carbon nanotube transistor according to the present invention by an atomic force microscope.
도 4는 본 발명에 따른 탄소 나노튜브 트랜지스터에 코팅된 서로 다른 금속 나노입자에 따른 전기적 특성의 변화를 나타내는 그래프.Figure 4 is a graph showing the change in electrical properties according to different metal nanoparticles coated on the carbon nanotube transistor according to the present invention.
도 5는 Pd이 코팅된 탄소 나노튜브 트랜지스터의 가스반응을 나타내는 그래프.5 is a graph showing a gas reaction of a Pd-coated carbon nanotube transistor.
도 6은 Al이 코팅된 탄소 나노튜브 트랜지스터의 전기적 특성 및 가스반응 특성을 나타내는 그래프.6 is a graph showing the electrical characteristics and gas reaction characteristics of Al-coated carbon nanotube transistors.
도 7은 반도체 나노와이어인 GaP 나노와이어에서 금속 나노입자의 코팅효과 를 나타내는 그래프.Figure 7 is a graph showing the coating effect of the metal nanoparticles in the semiconductor nanowires GaP nanowires.
도 8은 GaP 나노와이어 트랜지스터에 Pd 나노입자를 코팅한 센서의 가스반응을 나타내는 그래프.8 is a graph showing a gas reaction of a sensor coated with Pd nanoparticles on a GaP nanowire transistor.
도 9는 탄소 나노튜브 트랜지스터에 Pd 나노입자를 코팅하였을 때 게이트 효과가 상실되는 원리를 나타내는 그래프 및 개략도.9 is a graph and a schematic diagram showing the principle that the gate effect is lost when the Pd nanoparticles coated on the carbon nanotube transistor.
도 10은 금속 나노입자의 흡착이 탄소 나노튜브 또는 반도체 나노와이어의 전기적 특성에 미치는 영향을 나타내는 개략도.10 is a schematic diagram showing the effect of adsorption of metal nanoparticles on the electrical properties of carbon nanotubes or semiconductor nanowires.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
10 : 실리콘 기판 12 : 전극10
14 : 탄소 나노튜브 16 : 금속 나노입자14
본 발명은 반도체 나노소자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 탄소 나노튜브 및 반도체 나노와이어 등의 나노구조체를 이용하여 제작된 전기적 방식의 센서 제작에 있어, 그 감도를 단순한 금속 나노입자 코팅공정을 이용하여 증가시킬 수 있도록 한 반도체 나노소자에 관한 것이다.The present invention relates to a semiconductor nanodevice, and more particularly, in the fabrication of an electrical sensor manufactured using nanostructures such as carbon nanotubes and semiconductor nanowires, the sensitivity of the semiconductor nanodevices is obtained by using a simple metal nanoparticle coating process. It relates to a semiconductor nanodevice that can be increased.
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 구분 하고, 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 a wall, 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, '나노구조체' 물질이라는 용어는, C 60 풀러린(fullerene), 풀러린형 동심 흑연 입자와 같은 나노입자, Si, Ge, SiO x , GeO x 와 같은 나노와이어/나노로드, 또는 탄소, Bx Ny , Cx By Nz , MoS2 및 WS2 와 같은 단일 원소 또는 다중 원소로 이루어진 나노 튜브를 비롯한 물질들을 말한다.On the other hand, the term 'nanostructure' material, C 60 fullerene, nanoparticles such as fullerene concentric graphite particles, nanowires / nanorods such as Si, Ge, SiO x, GeO x, or carbon, Bx Ny , Materials including nanotubes consisting of single or multiple elements, such as Cx By Nz, MoS 2 and WS 2 .
나노구조체 물질의 공통된 특징들 중 하나는 기본 구성 블록이다. 하나의 나노입자 또는 탄소 나노튜브는 적어도 한 방향으로의 크기가 500 nm 미만이다. 이런 종류의 물질들은 여러 분야 및 공정에서 관심을 끄는 일정한 특성을 나타내는 것으로 알려졌다.One of the common features of nanostructured materials is the basic building blocks. One nanoparticle or carbon nanotube is less than 500 nm in size in at least one direction. These types of materials are known to exhibit certain properties that are of interest in many fields and processes.
탄소 나노튜브 및 반도체 나노와이어는 그 독특한 물리적, 화학적 성질 및 뛰어난 전기 전도도등에 의해 차세대 나노소자의 대표물질로 인식되고 있다. Carbon nanotubes and semiconductor nanowires are recognized as representative materials of next-generation nanodevices due to their unique physical and chemical properties and excellent electrical conductivity.
나노튜브나 나노와이어 등의 나노구조체들은 상대적인 표면적/체적 비가 매우 높아서 표면 흡착의 영향이 민감하게 그 전기적 성질에 반영될 수 있는 특징을 갖는다. Nanostructures such as nanotubes and nanowires have a characteristic that the relative surface area / volume ratio is very high so that the influence of surface adsorption can be sensitively reflected in their electrical properties.
그러나, 상대적으로 탄소 나노튜브에 비해 표면적 비율이 낮은 반도체 나노와이어의 경우에는 화학물질의 흡착과 같은 분자흡착에 상대적으로 둔감한 단점을 가져서 센서의 온도가 고온일 경우에만 감도를 유지하는 것으로 알려져 있다. However, semiconductor nanowires, which have a relatively low surface area ratio compared to carbon nanotubes, have a disadvantage that they are relatively insensitive to molecular adsorption such as adsorption of chemicals. Therefore, sensitivity is only maintained when the temperature of the sensor is high. .
최근 Kolmakov 등이 SnO2 나노와이어 및 나노벨트에 Pd 금속 나노입자를 코팅하여 센서의 감도를 향상시킨 연구결과가 있지만 현재까지 센서의 작동온도는 100 ℃ 이상에서 작동하여 상온 작동센서의 구현에는 성공하지 못했다. Recently, Kolmakov et al. Have researched to improve the sensitivity of the sensor by coating Pd metal nanoparticles on SnO 2 nanowires and nanobelts. I couldn't.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 나노구조의 주요 캐리어(전하수송자) 타입에 따라 일함수가 다른 금속 나노입자를 나노구조체 트랜지스터 표면에 코팅하여 나노구조의 전기적 특성을 변화시키거나, 촉매역할을 하는 금속나노입자를 나노구조체 트랜지스터 표면에 코팅하여 이로부터 분자흡착, 즉 NO2, NH3 등의 가스에 대한 감도를 향상시킬 수 있도록 한 반도체 나노소자를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made in view of the above, and by coating the surface of the nanostructure transistor with metal nanoparticles having different work functions according to the major carrier (charge transporter) type of the nanostructure to change the electrical properties of the nanostructure Or, to provide a semiconductor nano-device that can be coated on the surface of the nano-structure transistor metal nanoparticles that act as a catalyst to improve the molecular adsorption, that is, the sensitivity to gases such as NO 2 , NH 3, etc. .
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 나노구조체로 이루어지고 양단에 금속 전극이 연결되어 있으며 트랜지스터의 전하흐름을 위한 채널을 포함하는 반도체 소자에 있어서,In the present invention for achieving the above object is a semiconductor device consisting of a nanostructure, the metal electrode is connected at both ends and comprises a channel for the charge flow of the transistor,
상기 채널에 일함수가 다른 금속 나노입자가 코팅되어 있는 것을 특징으로 한다.The channel is coated with metal nanoparticles having different work functions.
바람직한 구현예로서, 상기 채널에 촉매역할을 하는 금속 나노입자가 코팅되어 있는 것을 특징으로 한다.In a preferred embodiment, it is characterized in that the metal nanoparticles are coated on the channel as a catalyst.
더욱 바람직한 구현예로서, 상기 나노구조체는 단일벽 탄소 나노튜브, 다중벽 탄소 나노튜브, 탄소 나노튜브 번들 및 반도체 나노구조체(나노리본, 나노로드, 나노튜브, 나노와이어, 나노오링 등) 중 어느 하나가 선택된 것을 특징으로 한다.In a more preferred embodiment, the nanostructure is any one of single-walled carbon nanotubes, multi-walled carbon nanotubes, carbon nanotube bundles and semiconductor nanostructures (nanoribbons, nanorods, nanotubes, nanowires, nano-orings, etc.) Is selected.
또한, 상기 나노입자의 코팅은 증착, 화학적/ 물리적 흡착, 스핀코팅, 전기 화학적 반응을 이용한 흡착 및 자기조립을 이용한 고정화 방법 중 어느 하나의 방법으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.In addition, the coating of the nanoparticles is characterized by consisting of any one of the methods of deposition, chemical / physical adsorption, spin coating, adsorption using an electrochemical reaction and immobilization using self-assembly.
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 1은 본 발명에 따른 금속 나노입자들이 코팅된 탄소 나노튜브 트랜지스터 센서를 나타내는 개략도이다.1 is a schematic view showing a carbon nanotube transistor sensor coated with metal nanoparticles according to the present invention.
본 발명은 나노구조체 트랜지스터의 표면에 나노구조체의 성질에 따라 일함수가 높은(혹은 낮은) 금속 나노입자(16)를 코팅하여 나노구조체내의 전하수송자의 수를 감소시켜 나노구조체를 이용한 트랜지스터 센서의 감도를 증가시키거나 금속 나노입자의 촉매역할을 이용하여 센서의 감도를 증가시키도록 한 점에 주안점이 있다.According to the present invention, the surface of a nanostructure transistor is coated with
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명은 실리콘 기판(10)위에 직접 성장된 탄소 나노튜브(14)와, 이 탄소 나노튜브(14)의 양단에 연결된 소스 및 드레인 전극(12), 그리고 감도를 향상시키기 위해 코팅된 금속 나노입자(16)로 구성되어 있다.As shown in FIG. 1, the present invention relates to
본 발명은 상기 탄소 나노튜브(14) 외에도 반도체 나노와이어, 나노벨트 및 나노로드 등 나노구조체를 이용할 수 있고, 이를 이용한 트랜지스터의 채널 부분에 금속 나노입자(16)가 코팅된다.The present invention may use nanostructures such as semiconductor nanowires, nanobelts, and nanorods in addition to the
먼저 상온에서 p 형 반도체로 작동하는 탄소 나노튜브 트랜지스터를 이용한 센서의 경우에는 금속 나노입자(16)의 흡착이 주변의 정공들을 끌어당겨 고갈시킬 수 있도록 일함수가 낮은 금속 나노입자(Al)를 탄소 나노튜브(14)의 채널에 코팅한다. First, in the case of a sensor using a carbon nanotube transistor that operates as a p-type semiconductor at room temperature, carbon nanoparticles (Al) having low work function may be carbon so that adsorption of the
n 형 반도체로 작동하는 GaP 나노와이어 트랜지스터의 경우에는 금속 나노입자(16)의 흡착이 주변의 전자들을 끌어당겨 고갈시킬 수 있도록 일함수가 큰 금속나노입자(Pd)를 나노와이어 트랜지스터의 채널 부분에 코팅한다. In the case of GaP nanowire transistors operating as n-type semiconductors, metal nanoparticles (Pd) having a large work function are added to the channel portion of the nanowire transistor so that adsorption of the
이와 같이 금속 나노입자(16)의 흡착에 의한 전하수송자의 고갈로 인해 각 나노구조체 트랜지스터의 전기전도도는 감소하는 추세를 보이며, 이에 따라 분자흡착 등의 외부자극에 대한 반응도 크게 나타나는 결과를 보인다.As described above, due to the depletion of the charge transporter due to the adsorption of the
본 발명의 반도체 나노소자의 감도 향상 기술은 우선 탄소 나노튜브(14) 혹은 반도체 나노구조체와, 이에 연결된 소스 및 드레인 전극(12)과 실리콘 기판(10) 을 이용한 백게이트와 감도향상에 핵심역할을 수행하는 나노구조체 표면에 코팅된 금속 나노입자(16)로 구성되어 있다.The sensitivity enhancement technology of the semiconductor nanodevice of the present invention first plays a key role in improving the back gate and sensitivity using the
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 2는 본 발명에 따른 탄소 나노튜브 트랜지스터 제작공정 및 금속 나노입자 코팅공정을 나타내는 개략도이다.2 is a schematic view showing a carbon nanotube transistor fabrication process and a metal nanoparticle coating process 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 이와 같이 제작된 탄소 나노튜브 트랜지스터의 표면에 열 증착법 또는 화학적 반응에 의해 금속 나노입자를 코팅하게 된다. ⑥ The metal nanoparticles are coated on the surface of the carbon nanotube transistor thus manufactured by thermal evaporation or chemical reaction.
도 3a은 본 발명에 따른 탄소 나노튜브 트랜지스터의 일부분을 광학현미경으 로 확대한 사진이고, 도 3b는 본 발명에 따른 탄소 나노튜브 트랜지스터의 일부분을 원자력 현미경(Atomic force microscope)에 의해 확대한 사진이다.FIG. 3A is an enlarged photograph of a portion of a carbon nanotube transistor according to the present invention by an optical microscope, and FIG. 3B is an enlarged photograph of a portion of the carbon nanotube transistor according to the present invention by an atomic force microscope. .
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 금속(metal)을 제거하여 탄소 나노튜브 트랜지스터를 완성한다. After forming an electrode pattern on the
반도체 나노와이어 (GaP) 트랜지스터의 경우에는, 유기 용매에 분산된 나노와이어를 좌표계가 표시된 기판에 얹은 후, 각각의 나노와이어의 위치를 확인하고 이빔리소그라피를 이용하여 전극(12)을 형성하거나, 자기조립막 또는 미세유체관 등을 이용하여 나노와이어를 원하는 위치에 배치시킨 후 상부전극을 형성하는 방법을 통해 트랜지스터를 제작한다.In the case of a semiconductor nanowire (GaP) transistor, nanowires dispersed in an organic solvent are placed on a substrate having a coordinate system, and then the positions of the respective nanowires are confirmed, and the
이와 같이 제작된 탄소 나노튜브 트랜지스터 또는 반도체 나노와이어 트랜지 스터에 단순한 증착 또는 화학적 환원법을 이용하여 금속 나노입자(16)를 코팅한다. The
증착법에 의해 금속 나노입자(16)를 코팅할 때는 10-6 이하의 고진공에서 평균 0.2 ~ 0.5 nm 두께의 금속막을 증착하였고, 화학적 환원법을 이용한 경우에는 금속이온이 들어있는 용액을 트랜지스터 샘플위에 코팅하고 약 400℃ 에서 열처리하여 금속 나노입자(16)를 코팅하였다.When the
실험예Experimental Example
상기 실시예에 따라 제조된 탄소 나노튜브 트랜지스터 및 반도체 나노와이어의 전기적 특성을 평가하기 위하여 일정 바이어스 전압(1V)에서 게이트 전압의 변화에 따른 전류의 변화를 측정하였다. In order to evaluate the electrical characteristics of the carbon nanotube transistor and the semiconductor nanowire manufactured according to the above embodiment, the change of the current according to the change of the gate voltage at a constant bias voltage (1V) was measured.
도 4는 본 발명에 따른 탄소 나노튜브 트랜지스터에 코팅된 서로 다른 금속 나노입자에 따른 전기적 특성의 변화를 나타내는 그래프이다.Figure 4 is a graph showing the change in electrical properties according to different metal nanoparticles coated on the carbon nanotube transistor according to the present invention.
도 4의 (a)는 Pd 나노입자를 코팅한 탄소 나노튜브 트랜지스터의 전기적 특성을 나타내고, 도 4의 (b)는 Al 나노입자를 코팅한 탄소 나노튜브 트랜지스터의 전기적 특성을 나타낸다.4 (a) shows the electrical properties of the carbon nanotube transistor coated with Pd nanoparticles, Figure 4 (b) shows the electrical properties of the carbon nanotube transistor coated with Al nanoparticles.
도 4의 (a)에 도시한 바와 같이, 우선 Pd이 코팅된 탄소 나노튜브 트랜지스터의 경우 확연한 반도체 특성을 보이던 (검은선) 시료에서 Pd 코팅이후에 게이트 전압에 따른 변화를 완전히 잃는 것(적색선)을 관찰하였다. 즉, Pd 나노입자를 코 팅하게 되면 반도체 탄소 나노튜브는 더 이상 게이트에 반응하지 않음을 알 수 있다.As shown in (a) of FIG. 4, first, the Pd-coated carbon nanotube transistor completely loses the change due to the gate voltage after the Pd coating in the (black line) sample, which exhibits obvious semiconductor characteristics (red line). Was observed. That is, when the Pd nanoparticles are coated, the semiconductor carbon nanotubes no longer react to the gate.
또한, 게이트 전압을 걸지 않은 상태에서 즉 게이트 전압이 0일때의 전류값은 Pd 코팅전에 비해 크게 증가함을 알 수 있다. In addition, it can be seen that the current value when the gate voltage is not applied, that is, when the gate voltage is 0, is significantly increased compared to before the Pd coating.
도 9는 탄소 나노튜브 트랜지스터에 Pd 나노입자를 코팅하였을 때 게이트 효과가 상실되는 원리를 나타내는 그래프 및 개략도이고, 도 10은 금속 나노입자의 흡착이 탄소 나노튜브 또는 반도체 나노와이어의 전기적 특성에 미치는 영향을 나타내는 개략도이다.9 is a graph and a schematic diagram showing the principle that the gate effect is lost when the Pd nanoparticles coated on the carbon nanotube transistor, Figure 10 is the effect of the adsorption of metal nanoparticles on the electrical properties of carbon nanotubes or semiconductor nanowires It is a schematic diagram showing.
도 9에 도시한 바와 같이, 금속 나노입자(16)가 게이트의 전기장을 스크리닝하여 Pd 나노입자로 표면개질된 탄소 나노튜브 트랜지스터는 게이트 전압의 변화에 반응을 보이지 않게 된다. As shown in FIG. 9, the carbon nanotube transistors surface-modified with Pd nanoparticles by the
또한, 도 10에 도시한 바와 같이, 일함수가 높은 금속 나노입자(Pd)(16)가 탄소 나노튜브 또는 반도체 나노와이어 표면에 흡착되게 되면 탄소 나노튜브(14)로 부터 일함수가 높은 금속 나노입자(16) 쪽으로 전자가 전이되면서, p 형 반도체로 작동하는 탄소 나노튜브(14)의 경우 전기 전도도가 증가하고, n 형 나노와이어 트랜지스터의 경우 전기 전도도가 감소한다.In addition, as shown in FIG. 10, when the metal nanoparticles (Pd) 16 having a high work function are adsorbed onto the surface of the carbon nanotubes or the semiconductor nanowires, the metal nanoparticles having a high work function are emitted from the
이와 반대로, 일함수가 낮은 금속(Al)을 탄소 나노튜브(14) 또는 반도체 나노와이어 표면에 고정화하면 전자가 금속 나노입자(16)로부터 탄소 나노튜브(14) 또는 반도체 나노와이어 쪽으로 이동하게 되므로, p 형 탄소 나노튜브(14)의 경우 전기 전도도가 감소하고, n 형 나노와이어의 경우 전기 전도도가 증가한다.On the contrary, when the metal (Al) having a low work function is immobilized on the surface of the
Pd 나노입자를 코팅하였을 때 게이트 전압에 대한 변화를 완전히 상실하는 것과는 달리, 도 4(b)에 도시한 바와 같이, Al 나노입자를 코팅한 탄소 나노튜브 트랜지스터에서는 게이트 효과가 계속 유지되고, Al 나노입자의 코팅 후(적색 곡선)에는 탄소 나노튜브 트랜지스터의 전기 전도도 값이 감소함을 볼 수 있다. Unlike completely losing the change in gate voltage when the Pd nanoparticles are coated, as shown in FIG. 4 (b), the gate effect is maintained in the carbon nanotube transistors coated with Al nanoparticles, and the Al nanoparticles are maintained. After coating of the particles (red curve) it can be seen that the electrical conductivity values of the carbon nanotube transistors decrease.
이때, 도 4의 (a), (b)의 삽입그림은 각각 Pd 및 Al 나노입자가 코팅된 탄소 나노튜브의 AFM 사진을 나타낸다. 금속 나노입자(16)들이 탄소 나노튜브(14) 표면에 작은 덩어리로 흡착되어 있는 것을 볼 수 있다.4A and 4B show AFM images of carbon nanotubes coated with Pd and Al nanoparticles, respectively. It can be seen that the
다음에 이와 같이 금속 나노입자(16)로 코팅된 탄소 나노튜브 트랜지스터의 가스센서 특성을 조사하였다. Next, the gas sensor characteristics of the carbon nanotube transistor coated with the
도 5는 Pd이 코팅된 탄소 나노튜브 트랜지스터의 가스반응 특성을 나타내는 그래프이다.5 is a graph showing gas reaction characteristics of Pd-coated carbon nanotube transistors.
상기 탄소 나노튜브(14)는 그 자체로도 NO2 및 NH3 에 민감한 반응을 보이는 것으로 알려져 있으며, Pd 나노입자의 코팅 후에도 여전히 NO2 및 NH3 가스에 대해 유사한 감도로 반응함을 알 수 있다(적색곡선).The
그러나, 일반 탄소 나노튜브 트랜지스터는 수소기체에 대해 전혀 반응을 보이지 않는 것에 비해 Pd이 코팅된 탄소 나노튜브(14)는 수소기체에 대해 민감한 반응을 보인다. However, Pd-coated
도 5 (b)는 100ppm 농도의 수소기체에 대한 Pd 코팅된 탄소 나노튜브 트랜지스터의 반응을 나타내는 그래프이다.Figure 5 (b) is a graph showing the reaction of the Pd-coated carbon nanotube transistor to the hydrogen gas of 100ppm concentration.
도 5 (b)에 도시한 바와 같이, 수소기체가 가스챔버에 유입되는 즉시 전기 전도도는 감소하고, 반대로 수소기체 유입을 끊어주면 다시 전기 전도도 값이 회복되는 것을 알 수 있다. As shown in (b) of FIG. 5, as soon as the hydrogen gas flows into the gas chamber, the electrical conductivity decreases. On the contrary, when the hydrogen gas inflow is cut off, the electrical conductivity value is restored.
이와 같은 반응은 Pd 나노입자가 수소분자를 수소원자로 해리시켜주면서 자신의 일함수를 낮춘다는 특성으로 설명할 수 있다. This reaction can be explained by the fact that Pd nanoparticles lower their work function while dissociating hydrogen molecules into hydrogen atoms.
즉, 탄소 나노튜브(14) 위에 흡착하여 홀도핑 효과를 주고 있던 Pd 나노입자들이 수소분자와 반응하면서 일함수가 낮아지므로 홀도핑 효과가 낮아져서 탄소 나노튜브(14)의 전기 전도도는 감소하게 된다. That is, since the Pd nanoparticles adsorbed on the
그러나, 해리된 수소원자가 탄소 나노튜브(14) 표면에 흡착하여 전자를 탄소 나노튜브(14)에 전해주는 효과도 완전히 배제할 수는 없다. 따라서, 여기에서의 Pd 나노입자는 수소에 대한 반응을 향상시키는 촉매역할을 수행하였다고도 볼 수 있다.However, the effect of dissociated hydrogen atoms adsorbed on the surface of the
다음으로 탄소 나노튜브 트랜지스터에 Al 나노입자를 고정화시켰을 때 가스센서 반응을 측정하였다. Next, the gas sensor response was measured when the Al nanoparticles were immobilized on the carbon nanotube transistor.
도 6은 Al이 코팅된 탄소 나노튜브 트랜지스터의 전기적 특성 및 가스센서 반응을 나타내는 그래프이다.6 is a graph showing the electrical characteristics and gas sensor response of Al-coated carbon nanotube transistors.
도 6(a)에 도시한 바와 같이, 많은 수의 샘플에서 Al 나노입자 코팅 후에 다이오드와 같은 특성을 보이는 것을 관측하였다. As shown in FIG. 6 (a), it was observed that a large number of samples showed diode-like properties after Al nanoparticle coating.
또한, 시간이 지나면서 게이트 문턱전압도 점점 양의 게이트 전압 쪽으로 이동하는 것을 볼 수 있는데, 이것은 시간에 따라 Al 나노입자의 산화가 진행되면서 상대적으로 일함수가 높아지는 효과에 기인한다. In addition, it can be seen that as time passes, the gate threshold voltage gradually shifts toward the positive gate voltage, which is due to the effect of relatively increasing the work function as the oxidation of Al nanoparticles progresses with time.
이와 같은 Al 나노입자가 코팅된 탄소 나노튜브 트랜지스터의 가스센서 반응을 도 6(b)에 나타낸 바와 같다. 도 6(b)에 도시한 바와 같이 Al 나노입자 코팅 전 약 2.5 배의 감도를 보이던 샘플이(검은선) Al 나노입자 코팅후에 100 배 이상의 감도(적색선)를 가지고 반응함을 알 수 있다. The gas sensor reaction of the Al nanoparticle-coated carbon nanotube transistor is shown in FIG. 6 (b). As shown in FIG. 6 (b), it can be seen that a sample that exhibited about 2.5 times the sensitivity before coating the Al nanoparticles (black line) reacted with a sensitivity of 100 times or more (red line) after Al nanoparticle coating.
또한, 위의 금속 나노입자(16) 코팅을 반도체 나노와이어 트랜지스터 센서에도 적용하였다. In addition, the coating of the
도 7는 실험에 사용된 GaP 나노와이어의 전기적 특성을 나타낸다. Figure 7 shows the electrical properties of the GaP nanowires used in the experiment.
도 7 (a)에 도시한 바와 같이, GaP 나노와이어는 양의 게이트 전압에서 높은 전류값을 갖는 n 형 반도체로 작동한다. 이때, n 형 트랜지스터인 GaP 나노와이어 센서의 감도를 높이기 위해서 일함수가 높은 금속인 Pd 나노입자를 사용하였다. As shown in Fig. 7A, the GaP nanowires operate as n-type semiconductors having high current values at positive gate voltages. In this case, in order to increase the sensitivity of the GaP nanowire sensor, which is an n-type transistor, Pd nanoparticles, which are metal having a high work function, were used.
도 7(b)는 Pd 나노입자가 코팅되기 전후의 GaP 나노와이어의 전기적 특성을 나타내는 그래프이다.Figure 7 (b) is a graph showing the electrical properties of the GaP nanowires before and after the Pd nanoparticles are coated.
도 7(b)에 도시한 바와 같이, 일함수가 높은 Pd 나노입자를 코팅하면 전하의 고갈효과를 가져와서 현저한 전기 전도도가 크게(청색선) 감소하는 것을 알 수 있다. As shown in FIG. 7 (b), it can be seen that coating the Pd nanoparticles having a high work function brings about a depletion effect of charge, thereby significantly reducing the electrical conductivity (blue line).
다음으로 이와 같이 Pd 나노입자로 표면개질된 GaP 트랜지스터 센서의 가스센서 작동을 실험하였다. Next, the gas sensor operation of the GaP transistor sensor surface-modified with Pd nanoparticles was tested.
Pd 나노입자로 표면개질 되기 이전에 GaP 나노와이어는 NO2, NH3, H2 기체에 대해 거의 반응을 보이지 않았다. Prior to surface modification with Pd nanoparticles, GaP nanowires showed little response to NO 2 , NH 3 and H 2 gases.
도 8은 Pd 나노입자로 표면개질된 GaP 나노와이어 센서의 가스반응을 보여준다. 8 shows the gas reaction of GaP nanowire sensors surface-modified with Pd nanoparticles.
도 8(a)에 도시한 바와 같이, Pd 나노입자로 표면개질된 GaP 나노와이어 센서는 100 ppm NO2 가스가 유입되면 전기 전도도가 감소하고, NH3 에 대해서는 전기 전도도가 증가하는 것을 보인다. As shown in FIG. 8 (a), the GaP nanowire sensor surface-modified with Pd nanoparticles shows that the electrical conductivity decreases when 100 ppm NO 2 gas is introduced, and the electrical conductivity increases for NH 3 .
또한, 도 8 (b)에 도시한 바와 같이, 100 ppm 수소기체에 대해서 전기 전도도가 증가하는 것을 알 수 있다. 이와 같은 현상은 n 형 반도체인 GaP 나노와이어에서 환원가스인 NH3 가스와 반응하였을 때 전기 전도도가 증가하고, 산화가스인 NO2 와 반응하면 전기 전도도의 감소를 보이는 것으로 설명할 수 있다. In addition, as shown in FIG. 8 (b), it can be seen that the electrical conductivity increases with respect to 100 ppm hydrogen gas. This phenomenon can be explained by the increase in the electrical conductivity when reacted with the NH 3 gas of reducing gas in the GaP nanowire of the n-type semiconductor, and the reduction in electrical conductivity when reacting with NO 2 of the oxidizing gas.
또한, Pd 나노입자는 수소와 반응하여 일함수가 낮아지므로 수소기체와 반응할 때 GaP 나노와이어에서 전자고갈영역의 크기가 줄어들어 전기 전도도의 증가도 예상할 수 있다.In addition, since Pd nanoparticles react with hydrogen to lower the work function, the electron depletion region of GaP nanowires may be reduced when reacting with hydrogen gas, thereby increasing electrical conductivity.
본 발명에서 사용할 수 있는 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 및 금속 산화물 나노구조체를 이용한 트랜지스터들에도 적용될 수 있는데 여기서 사용되는 나노구조체 (나노리본, 나노로드, 나노튜브, 나노와이어, 나노오링 등)에는 GaP, GaN, Si, InP, InAs, GaAs, ZnO, TiO2, SnO2 등이 있다.
상기 채널에 코팅되는 물질은 일함수가 다른 금속 나노입자 뿐만이 아니라 촉매역할을 수행하는 금속 나노입자, 전하수송현상 또는 산화, 환원 작용에 의해 나노구조체 트랜지스터의 전하수송자를 고갈 또는 축적시킬 수 있는 유,무기 화합물, 생체분자, DNA, RNA 및 재조합 단백질도 해당될 수 있다.The material coated on the channel is not only metal nanoparticles having different work functions, but also metal nanoparticles which perform a catalytic role, an oil which can deplete or accumulate charge carriers of a nanostructure transistor by charge transport phenomenon or oxidation and reduction. Inorganic compounds, biomolecules, DNA, RNA and recombinant proteins may also be applicable.
이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 반도체 나노소자에 의하면, 탄소 나노튜브 트랜지스터 또는 반도체 나노와이어 트랜지스터 센서의 표면에 금속 나노입자를 코팅하여 가스센서의 감도를 향상시킴으로써, 별도의 열선이 없이도 고감도 센서로 작동 가능하므로 소비전력의 감소는 물론, 센서 자체의 크기도 더욱 소형화가 가능하며 극미량 가스의 신속한 검출이 필수적인 군사목적의 센서로도 이용될 수 있다.As described above, according to the semiconductor nano device according to the present invention, by coating the metal nanoparticles on the surface of the carbon nanotube transistor or semiconductor nanowire transistor sensor to improve the sensitivity of the gas sensor, a high sensitivity sensor without a separate heating wire It can be used as a military purpose sensor that requires not only reduction of power consumption but also small size of sensor itself and rapid detection of trace amount of gas.
또한, 공정이 매우 간단하고 저가이면서도 그 효과가 뛰어나 각종 나노구조를 이용한 트랜지스터 센서, 가스센서 및 바이오센서 등에 응용될 수 있다.In addition, the process is very simple and inexpensive and excellent in effect, it can be applied to transistor sensors, gas sensors and biosensors using various nanostructures.
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