KR101071110B1 - 광유도 전하전달 물질을 이용한 나노 구조 광센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 나노 구조의 작은 부피에도 불구하고 높은 광전류 변화를 얻을 수 있는 기법에 관한 것으로써, 광유도 전하전달 물질을 나노 구조에 부착하여 빛에 대한 감도를 키울 수 있는 방법에 관한 것이다.
보다 더 구체적으로 본 발명은, 광유도 전하전달 물질을 부착한 반도체 나노 구조 광센서에 있어서, 기판; 및 상기 기판 위에 형성되는 소스, 드레인 및 나노 구조;를 포함하되, 상기 소스 및 드레인은 높은 전도도를 위해 금속이나 큰 도핑농도의 반도체를 사용하고, 상기 나노 구조는 작은 면적과 실용 가능한 정도의 에너지 밴드갭을 갖는 실리콘, 게르마늄, 탄소나노튜브, 그래핀 등의 반도체를 사용하며, 부착하는 물질은 빛을 받았을 때만 선택적으로 전자를 흡수하거나 방출하는 광유도 전하전달 물질을 사용하는 것을 특징으로 하는 반도체 나노 구조 광센서를 제공한다.
보다 더 구체적으로 본 발명은, 광유도 전하전달 물질을 부착한 반도체 나노 구조 광센서에 있어서, 기판; 및 상기 기판 위에 형성되는 소스, 드레인 및 나노 구조;를 포함하되, 상기 소스 및 드레인은 높은 전도도를 위해 금속이나 큰 도핑농도의 반도체를 사용하고, 상기 나노 구조는 작은 면적과 실용 가능한 정도의 에너지 밴드갭을 갖는 실리콘, 게르마늄, 탄소나노튜브, 그래핀 등의 반도체를 사용하며, 부착하는 물질은 빛을 받았을 때만 선택적으로 전자를 흡수하거나 방출하는 광유도 전하전달 물질을 사용하는 것을 특징으로 하는 반도체 나노 구조 광센서를 제공한다.
Description
본 발명은 광유도 전하전달(Photo-induced charge transfer) 물질을 부착하여 광학 특성을 개선한 반도체 나노 구조 광센서에 관한 것으로써, 부피가 매우 작음에도 빛에 대해 충분히 큰 저항 변화를 얻을 수 있는 기법의 적용에 관한 것이다.
최근, 나노미터 수준의 구조까지 제어 가능한 나노 공정의 기술에 힘입어 나노 공학(NT, Nano Technology)은 하루가 다르게 발전해 왔다. 나노 공학의 발전은 작은 크기의 칩에 방대한 정보를 실을 수 있게 해주었고, 이는 곧 근대의 폭발적인 정보 공학 (IT, Information Technology) 발전에 가장 중요한 역할을 하였다. 더 많은 정보를 칩에 포함하기 위해선 그만큼 작은 트랜지스터가 필요하여 더 작은 트랜지스터를 만들기 위한 공정 기술은 계속 발전되어 왔다.
하지만 최근 트랜지스터의 필수 단자 중 하나인 게이트의 크기가 극단적으로 작아지며 생기는 게이트 누설 전류는 트랜지스터 크기 축소에 물리학적 한계를 가져왔다.
이 한계를 극복하기 위한 많은 방법들이 시도되었으며 그 중에서도 나노 구조 채널(Nano-structured channel)과 다중 게이트를 이용한 새로운 구조는 가장 성공적으로 게이트 누설 전류를 제어하는 방법으로 인정받아 널리 사용되어 왔다.
나노 구조 채널은 나노미터 단위로 작은 두께나 폭을 가지도록 공정한 0차원의 나노점(Nanodot) 구조, 1차원의 나노선(Nanowire) 구조, 2차원의 나노벨트(Nanobelt) 구조를 통틀어 말하며 주로 반도체 물질로 구성된다.
나노 구조 채널은 작은 크기와 높은 표면-부피 비율(Surface to volume ratio) 덕분에 트랜지스터 뿐 아니라 바이오센서 등 다른 응용들에서도 각광을 받고 있다.
나노 구조는 트랜지스터 뿐 아니라 반도체 기술의 전반적인 응용에 걸쳐 많은 주목을 받아왔지만, 대표적인 반도체 기술 중 하나인 반도체 광센서(semiconductor photodetector) 분야에서는 외면되어왔다.
반도체 광센서는 반도체가 빛을 받았을 때 일어나는 전자-홀 생성 현상을 이용해 전류 변화를 일으키는 구조인데, 전자-홀 생성 현상은 빛을 받는 반도체의 부피에 비례한다. 하지만 나노 구조는 극단적으로 작은 부피를 가진 구조이므로 반도체의 전자-홀 생성 현상이 거의 일어나지 않는다. 따라서 빛을 받기 전과 후의 전류 변화가 매우 적어 반도체 광센서를 나노 구조로 제작하기는 불가능하다고 인식되어 왔다.
이런 상황에서 크기가 작아 집적이 용이하며 표면-부피 비율이 높은 반도체 나노 구조를 나노 광센서 소자로도 응용할 수 있도록 하기 위해, 반도체 나노 구조가 빛을 받았을 때 발생하는 전류 변화를 증폭하는 기법이 요구되고 있다.
본 발명은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로써, 광유도 전하전달 특성(Photo-induced charge transfer)을 가지는 물질을 반도체 나노 구조에 부착함으로써 작은 부피에도 불구하고 높은 광전류 변화를 얻을 수 있는 나노 구조 채널 반도체 광센서를 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 본 발명의 기재로부터 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 종래기술의 한계점을 해결하기 위하여 본 발명의 일측면에 의하면, 광유도 전하전달 특성을 가지는 물질이 부착된 반도체 나노 구조 광센서에 있어서, 기판; 기판 위에 형성된 반도체 나노 구조; 반도체 나노 구조에 부착된 광유도 전하전달 물질; 을 포함하되 반도체 나노 구조는 높은 전도도를 위해 도펀트 원자들로 도핑 되어 있을 수 있으며, 나노 구조의 양 끝에는 소스(source) 와 드레인(drain)이 형성되어 적어도 두 개 이상의 전극을 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 나노 구조 광센서를 제공한다.
본 발명에서 상기 기판은 Si 기판, Ge 기판, SOI 기판, SiC 기판, SiGe 기판, Glass 기판, GaAs 기판, AlGaAs 기판 또는 InGaAs 기판 중에서 선택되는 어느 하나의 기판을 이용하여 형성하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 소스와 드레인은 금속 또는 높은 농도로 도핑된 반도체 물질을 이용하여 형성하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 반도체 나노 구조는 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 탄소 나노 튜브(Carbon nanotube), 그래핀(Graphene) 중에서 선택되는 어느 하나의 물질로 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 광유도 전하전달 특성 물질은 빛을 받았을 때 전자를 흡수하는 전자 억셉터(electron acceptor) 또는 빛을 받았을 때 전자를 방출하는 전자 도너(electron donor)로 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 광유도 전하전달 물질이 부착된 반도체 나노 구조 광센서를 제조하는 방법은, 기판을 생성하는 단계; 기판 상에 반도체층을 형성하는 단계; 반도체층을 식각하여 소스, 드레인 및 소스 및 드레인을 연결하는 나노 구조를 형성하는 단계; 및 나노 구조 상에 한 종류 이상의 광유도 전하전달 물질을 부착하는 단계를 포함한다.
본 발명에 의하여, 작은 크기임에도 빛에 따른 큰 전류 변화를 얻을 수 있는 기법이 적용된 반도체 나노 구조 광센서를 제공하는 효과가 있다.
도 1은 발명의 일실시예에 따른 광유도 전하전달 물질이 부착된 반도체 나노 구조 광센서를 나타낸 예시도.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 일실시예에 따른 광유도 전하전달 물질이 부착된 반도체 나노 구조 광센서의 제조단계별 예시도.
도 3a 내지 도 3b는 나노 구조의 다른 종류인 나노점(Nanodot)과 나노벨트(Nanobelt)로 형성된 나노 구조 광센서의 예시도.
도 4a는 광 특성 개선 기법이 적용되지 않은 일반적인 반도체 나노 구조 일예시에서의 광 특성 측정 결과.
도 4b는 본 발명의 일실시예에 따른 광유도 전하전달 물질이 부착된 반도체 나노 구조 광센서를 이용한 광 특성 측정 결과.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 일실시예에 따른 광유도 전하전달 물질이 부착된 반도체 나노 구조 광센서의 제조단계별 예시도.
도 3a 내지 도 3b는 나노 구조의 다른 종류인 나노점(Nanodot)과 나노벨트(Nanobelt)로 형성된 나노 구조 광센서의 예시도.
도 4a는 광 특성 개선 기법이 적용되지 않은 일반적인 반도체 나노 구조 일예시에서의 광 특성 측정 결과.
도 4b는 본 발명의 일실시예에 따른 광유도 전하전달 물질이 부착된 반도체 나노 구조 광센서를 이용한 광 특성 측정 결과.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 광유도 전하전달 물질이 부착된 반도체 나노 구조 광센서를 나타낸 예시도이다. 본 예시에서 나노 구조 형태로는 대표적인 나노 구조 중 하나인 나노선을 사용하였다.
본 발명에 의한 광유도 전하전달 물질이 부착된 반도체 나노 구조 광센서는, 공정 조건에 따라 나노 구조(130)의 길이, 폭 및 두께의 조정이 가능하고 후속으로 부착하는 광유도 전하전달 물질(140)을 자유롭게 선택할 수 있다는 특징을 가진다. 본 발명에 의하면, 나노미터 수준의 작은 나노 구조 채널에 광유도 전하전달 물질(140)을 부착하여 높은 광전류 변화를 얻을 수 있는 광센서 구조를 제공한다. 광유도 전하전달 물질의 예로는 Porphyrin , PCBM(Phenyl-C61-butyric acid methyl ester) 및 bacteriorhodopsin(bR) 등이 있으나, 본 발명에 사용되는 광유도 물질은 이에 한정되지 않는다.
본 발명에 의한 광유도 전하전달 물질이 부착된 반도체 나노 구조 광센서는 기판(100) 및 상기 기판(100) 이 식각되며 생긴 소스(110), 드레인(120) 및 나노 구조(130)를 포함하되, 상기 소스(110), 드레인(120) 및 나노 구조(130)는 반도체의 높은 전도도를 위해 도핑이 될 수 있는 것을 특징으로 한다.
광유도 전하전달 물질은 빛을 받았을 때 전자를 흡수하는 전자 억셉터(electron acceptor) 또는 빛을 받았을 때 전자를 방출하는 전자 도너(electron donor)로 형성될 수 있다.
도 1을 참조하면, 상기 기판(100)의 일부를 식각하여, 소스(110), 드레인(120) 및 나노 구조(130)를 형성하였는데, 발명의 필요에 따라 기판(100)의 초기 조건을 다르게 하여 나노 구조(130)의 길이, 두께, 폭을 조정하는 것이 가능하다. 또한 나노 구조 위에 부착하는 광유도 전하전달 물질(140)은 사용하는 용액에 따라 종류를 달리할 수 있다.
이하, 본 발명에서 제안하는 광유도 전하전달 물질(140)이 부착된 반도체 나노 구조 광센서의 제조 과정에 대하여 자세히 기술하기로 한다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 일실시예에 따른 광유도 전하전달 물질(140)이 부착된 반도체 나노 구조 광센서의 제조단계별 예시도이다.
먼저 도 2a는 본 발명이 포함하는 기판(100)의 모습을 도시하고 있다.
상기 기판(100)은 Si 기판, Ge 기판, SOI 기판, SiC 기판, SiGe 기판, Glass 기판, GaAs 기판, AlGaAs 기판 또는 InGaAs 기판 중에서 선택되는 어느 하나의 기판을 이용하여 형성할 수 있다. 다만, 반드시 이에 한정되는 것이 아니라 나노 구조 채널 공정에 사용되는 통상적인 반도체 기판으로서 사용되는 물질로 형성된 기판을 이용할 수 있다. 본 발명을 설명하는 일실시예에 있어서 기판은 SOI(Silicon on oxide) 기판을 사용함을 가정하여 설명하였다.
도 2b를 참조하면, 기판(100)을 식각하여 소스(110), 드레인(120) 및 나노 구조(130)를 형성하였음을 보였다. 이 일실시예에서 설명하는 SOI 기판을 이용한 나노 구조 광센서의 공정에선 소스(110), 드레인(120) 및 나노 구조(130)가 같은 재료인 실리콘으로 연결되어 있지만, 이 특징은 사용하는 기판의 종류에 따라 달라짐이 자명하다.
본 발명에서 상기 소스(110) 및 드레인(120)은 금속 또는 높은 전도도를 위해 강하게 도핑한 반도체로 형성될 수 있다.
본 발명에서 상기 나노 구조(130)는 적당한 에너지 밴드갭을 가진 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 탄소 나노 튜브(Carbon nanotube), 그래핀(Graphene) 중에서 선택함이 바람직하나, 반드시 이에 한정되지 않고, 통상 나노 구조 채널에 사용되는 반도체 물질로 형성될 수 있다.
도 2c를 참조하면, 도 2b에서와 같은 구조에 소스(110), 드레인(120) 및 나노 구조(130)에 높은 전도도를 위해 도핑을 하였음을 보였다.
이 때, 증착공정의 도핑 농도는 사용자가 필요로 하는 전류의 크기 및 전도도 정도에 따라 임의로 조절이 가능함을 특징으로 한다. 또한, 각각의 소스(110), 드레인(120) 및 나노 구조(130)의 도펀트 원자의 종류는 동일하게 형성하는 것이 가능하나, 필요에 따라 나노 구조(130)에는 소스(110) 및 드레인(120)과 반대 특성의 도펀트 원자를 주입할 수 있다.
도 2d를 참조하면, 기판(100)상에 소스(110), 드레인(120) 및 나노 구조(130)가 형성된 후 광유도 전하전달 물질(140)이 부착 완료된 반도체 나노 구조 광센서를 도시하고 있다.
도 2d에서는 상기 반도체 나노 구조 광센서의 나노 구조(130) 부분에만 광유도 전하전달 물질(140)이 부착된 것으로 묘사하고 있으나, 실험 과정에 따라 기판(100), 소스(110) 및 드레인(120)에도 광유도 전하전달 물질이 부착될 수 있다.
하지만 이 경우에도 광유도 전하전달 물질(140)에 의한 반도체 나노 구조 광센서의 광전류 변화에 영향을 미치는 요인은 나노 구조(130)에 부착된 광유도 전하전달 물질(140) 개수에만 의존한다.
즉 기판(100), 소스(110) 및 드레인(120)에 광유도 전하전달 물질(140)이 부착되는 여부와 관계없이 반도체 나노 구조 광센서의 광전류 변화는 나노 구조(130)에 부착된 광유도 전하전달 물질(140) 개수에 의해서만 정해진다.
광유도 전하전달 물질(140)을 나노 구조(130)에 온전히 부착하기 위해 광유도 전하전달 물질(140)이 포함된 용액을 전체 구조에 흩뿌린다. 이 때 광유도 전하전달 물질(140)은 아직 나노 구조에 부착되지 않은 채 용액을 부유한다.
이 때, 용액의 용매를 증발시키면 부유하던 광유도 전하전달 물질(140)이 내려앉으며 기판(100) 및 나노 구조(130)를 포함한 반도체 나노 구조 광센서에 침착되어 최종적인 광유도 전하전달 물질(140)이 부착된 반도체 나노 구조 광센서가 완성된다.
도 3a는 나노 구조의 다른 종류인 나노점(Nanodot) 및 나노벨트(Nanobelt)로 형성한 나노 구조 광센서를 표현하고 있다. 공정 과정은 도 2a 내지 도 2d에서 설명한 것과 동일하며, 그 모양에서만 차이를 가진다.
도 4a는 광유도 전하전달 물질(140)을 부착하지 않은 일반적인 반도체 나노 구조 광센서를 이용한 광전류 변화 데이터를 나타내는 실험 그래프이다. 본 실험예 에서는 기판(100)은 SOI(Silicon on insulator) 기판을 사용하였고, 소스(110), 드레인(120) 및 나노 구조(130)는 인(Phosphorus) 원자로 도핑된 실리콘을 사용하였다.
도 4a의 결과를 참조하면 빛이 켜졌을 때와 꺼졌을 때 전류 변화가 거의 없음을 확인할 수 있다. 이는 나노 구조(130)의 부피가 너무 작아 충분한 전자-홀 생성을 하지 못하여 저항 변화가 매우 미미하기 때문이다.
반면 도 4b는 본 발명의 일실시예에 따른 광유도 전하전달 물질(140)을 부착한 반도체 나노 구조 광센서를 이용한 광전류 변화 데이터를 나타내는 실험 그래프이다. 본 실험 예에서 광유도 전하전달 물질(140)은 Porphyrin을 사용하였다.
도 4b를 참조하면, 본 발명이 제시하는 광유도 전하전달 물질(140)이 부착된 반도체 나노 구조 광센서에 흐르는 전류의 양이 빛이 켜졌을 때가 빛이 꺼졌을 때에 비해 훨씬 작음을 확인할 수 있다. 즉 빛을 받았을 때 저항이 급격히 변화하여 전기적으로 저항 변화 검출이 가능한 상태가 됨을 볼 수 있다.
이러한 결과는 본 발명이 제시하는 광유도 전하전달 물질(140)이 부착된 반도체 나노 구조 광센서가 작은 광량도 검출할 수 있는 반도체 광센서로 사용되기에 적합함을 의미한다고 할 수 있다.
이상 본 발명의 구체적 실시형태와 관련하여 본 발명을 설명하였으나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 설명된 실시형태를 변경 또는 변형할 수 있으며, 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
100: 기판
110: 소스
120: 드레인
130: 반도체 나노 구조
140: 광유도 전하전달 물질
110: 소스
120: 드레인
130: 반도체 나노 구조
140: 광유도 전하전달 물질
Claims (12)
- 광유도 전하전달 물질이 부착된 반도체 나노 구조 광센서에 있어서,
기판;
상기 기판 위에 형성되는 소스, 드레인;
상기 소스 및 상기 드레인에 그 양단이 접속된 나노 구조; 및
상기 나노 구조에 부착된 한 종류 이상의 광유도 전하전달 물질을 포함하고,
상기 전하전달 물질은 빛에 따른 나노 구조 광전류 변화를 증폭시켜주는, 반도체 나노 구조 광센서. - 제 1항에 있어서,
상기 기판은 Si 기판, Ge 기판, SOI 기판, SiC 기판, SiGe 기판, Glass 기판, GaAs 기판, AlGaAs 기판 및 InGaAs 기판 중에서 하나의 기판인, 반도체 나노 구조 광센서. - 제 1항에 있어서,
상기 소스 및 드레인은 금속 및 높게 도핑 된 반도체 중에서 어느 하나의 물질을 포함하는, 반도체 나노 구조 광센서. - 제 1항에 있어서,
상기 반도체 나노 구조는 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 탄소 나노 튜브(Carbon nanotube), 그래핀(Graphene) 중에서 하나 이상의 물질을 포함하고,
상기 반도체 나노 구조의 형태는 나노점(Nanodot), 나노선(Nanowire), 나노벨트(Nanobelt) 중 에서 하나인, 반도체 나노 구조 광센서. - 제 1항에 있어서,
상기 광유도 전하전달 물질은 빛을 받았을 때 전자를 흡수하는 전자 억셉터(electron acceptor) 또는 빛을 받았을 때 전자를 방출하는 전자 도너(electron donor)로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 나노 구조 광센서. - 제 5항에 있어서,
광유도 전하전달 물질은 Porphyrin , PCBM(Phenyl-C61-butyric acid methyl ester) 및 bacteriorhodopsin(bR) 중 하나 이상을 포함하는, 반도체 나노 구조 광센서. - 광유도 전하전달 물질이 부착된 반도체 나노 구조 광센서를 제조하는 방법으로서,
기판을 생성하는 단계;
상기 기판 상에 반도체층을 형성하는 단계;
상기 반도체층을 식각하여 소스, 드레인 및 상기 소스 및 드레인을 연결하는 나노 구조를 형성하는 단계; 및
상기 나노 구조 상에 한 종류 이상의 광유도 전하전달 물질을 부착하는 단계를 포함하는, 반도체 나노 구조 광센서 제조 방법. - 제 7항에 있어서,
상기 기판은 Si 기판, Ge 기판, SOI 기판, SiC 기판, SiGe 기판, Glass 기판, GaAs 기판, AlGaAs 기판 및 InGaAs 기판 중에서 하나의 기판인, 반도체 나노 구조 광센서 제조 방법. - 제 7항에 있어서,
상기 소스 및 드레인은 금속 및 높게 도핑 된 반도체 중에서 어느 하나의 물질을 포함하는, 반도체 나노 구조 광센서 제조 방법. - 제 7항에 있어서,
상기 반도체 나노 구조는 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 탄소 나노 튜브(Carbon nanotube), 그래핀(Graphene) 중에서 하나 이상의 물질을 포함하고,
상기 반도체 나노 구조의 형태는 나노점(Nanodot), 나노선(Nanowire), 나노벨트(Nanobelt) 중 에서 하나인, 반도체 나노 구조 광센서 제조 방법. - 제 7항에 있어서,
상기 광유도 전하전달 물질은 빛을 받았을 때 전자를 흡수하는 전자 억셉터(electron acceptor) 또는 빛을 받았을 때 전자를 방출하는 전자 도너(electron donor)로 형성되는 것을 특징으로 하는, 반도체 나노 구조 광센서 제조 방법. - 제 11항에 있어서,
광유도 전하전달 물질은 Porphyrin, bacteriorhodopsin(bR) 및 PCBM(Phenyl-C61-butyric acid methyl ester) 중 하나 이상을 포함하는, 반도체 나노 구조 광센서 제조 방법.
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- 2010-07-20 KR KR1020100070060A patent/KR101071110B1/ko active IP Right Grant
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