KR101083843B1 - 평면 게이트 제어 소자 및 그의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 유기 트랜지스터나 바이오센서와 같이 게이트 전극에 의해 제어되는 반도체 소자의 제조를 용이하게 하는 평면 게이트 제어 소자 및 그의 제조 방법에 관한 것으로서, 기판 위의 동일 평면상에 소스 전극과 드레인 전극과 게이트 전극을 형성하여 둠으로써, 상기 소스 전극과 드레인 전극과 게이트 전극 위에 활성층을 형성하는 단순한 과정을 통해 유기 트랜지스터나 바이오센서의 구현이 가능하고, 더불어, 열에 약한 유기물이나 바이오 물질의 응용을 가능케 한 것이다.
게이트 전극, 소스 전극, 드레인 전극, 바이오센서, 유기 트랜지스터
Description
본 발명은 유기 트랜지스터, 바이오센서와 바이오칩을 포함하는 반도체 디바이스, 및 바이오 디바이스에 적용될 수 있는 게이트 전극으로 제어되는 반도체 소자에 관한 것이다.
유기 트랜지스터는 유기 물질을 활성층으로 한 트랜지스터로서, 실리콘을 기반으로 한 트랜지스터와 마찬가지로, 게이트 전극에 가해지는 전하 또는 전류에 따라서 소스 전극과 드레인 전극 사이에 흐르는 전류량을 제어할 수 있는 반도체 소자이다.
바이오센서는 효소의 기질 특이성 및 항원ㅇ항체 반응과 같이 생체물질들이 특정한 물질에 과민 반응하는 것을 이용하여 분석물(화학물질)을 검출(식별)하기 위해 제안된 반도체 소자이다. 혈액에서 당과 소변에서 요소 검출과 같이 의료 및 의약 분야, 식품제조과정에서 발생되는 알코올이나 유기산, 어육의 신선도를 측정 하는 식품 분야 그리고 폐수나 강물에서 환경 오염물 등을 검출하는 환경 분야에서 이용된다. 상기 바이오센서는 DNA, 단백질, 효소, 항원, 항체, 호르몬, 미생물, 세포 등을 전극에 고정시켜 특정한 화학물질에 대한 반응을 컴퓨터가 판독하도록 되어 있다.
상술한 유기 트랜지스터나 바이오센서는 모두 게이트 전극에 의해 제어되는 반도체 소자인데, 이러한 소자를 제조하기 위해서는, 유기물 또는 바이오물질로 이루어진 활성층을 코팅한 후, 그 위에 전극을 형성하기 위한 금속 물질을 증착하는 과정을 거쳐야 한다. 특히, 소자를 완성시키기 위해서, 열 증착 또는 스퍼터링 또는 전자빔 등을 사용하여 최소한 2회 이상의 금속 전극을 형성하는 과정을 거쳐야 한다.
이러한 금속 증착 과정은, 열에 약한 유기물질이나 단백질과 같은 바이오 물질의 이용에 제한을 준다.
본 발명은, 유기 트랜지스터나 바이오센서와 같이 유기물 또는 바이오물질로 이루어진 활성층을 포함하는 반도체 소자에 있어서, 활성층 형성후의 금속 전극 형성에 따른 문제를 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 소스 전극과 드레인 전극과 함께 게이트 전극이 동일 평면상에 형성된 평면 게이트 제어 소자 및 그의 제조 방법을 제공하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명은, 기판; 상기 기판 위에 형성되며, 제어 전압 또는 제어 전류가 인가되는 하나 이상의 게이트 전극; 상기 기판 위의 상기 게이트 전극과 동일 평면상에 형성되며, 상기 게이트 전극에 가해지는 전압 또는 전류에 따라서 입출력되는 신호가 제어되는 소스 전극 및 드레인 전극을 포함하여 이루어지는 평면 게이트 제어 소자를 제공한다.
상기 평면 게이트 제어 소자는, 상기 하나 이상의 게이트 전극과 소스 전극과 드레인 전극 위에 형성되는 활성층을 더 포함할 수 있다.
상기 평면 게이트 제어 소자에 있어서, 상기 기판은, 유리, 플라스틱, 및 금속 중에서 어느 하나로 이루어진다.
또한, 상기 평면 게이트 제어 소자에 있어서, 상기 소스 전극 및 드레인 전극은, 상호 소정의 간극을 두고 평행하게 형성되고, 상기 하나 이상의 게이트 전극 은, 상기 소스 전극과 드레인 전극 사이에 위치하도록 상기 게이트 전극으로부터 연장 형성되어 소스 전극과 드레인 전극 사이의 채널 간격을 조절하는 채널 조절부를 포함하도록 형성된다.
또한, 상기 평면 게이트 제어 소자에 있어서, 상기 하나 이상의 게이트 전극은, 상기 소스 전극과 드레인 전극의 양측 면에 형성되어 두 개의 게이트 전극으로 이루어지되, 상기 소스 전극과 드레인 전극과 두 개의 게이트 전극은 X 자 형상으로 배치되어, 두 게이트 전극이 모두 상기 소스 전극 및 드레인 전극과 마주할 수 있도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
더하여, 본 발명은 상기 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로서, 기판 위에 전극층을 형성하는 단계; 상기 전극층 위에 감광액(photoresist)을 형성하는 도포(coating) 공정 단계; 소스 전극과 드레인 전극과 하나 이상의 게이트 전극의 형상으로 패턴된 마스크를 이용하여, 상기 감광액(photoresist)의 제거할 부분을 선택적으로 노광하는 노광 공정 단계; 상기 감광액(photoresist)의 노광된 부분을 현상액을 이용하여 제거하여, 전극층을 노출시키는 현상 공정 단계; 상기 노출된 전극층을 제거하여, 소스 전극과 드레인 전극과 하나 이상의 게이트 전극을 형성하는 박막 식각 공정 단계; 및 상기 전극 위에 남아 있는 감광액(photoresist)을 제거하는 스트립 공정 단계를 포함하는 평면 게이트 제어 소자의 제조 방법을 제공한다.
상기 평면 게이트 제어 소자의 제조 방법에 있어서, 상기 기판 및 소스 전극과 드레인 전극과 하나 이상의 게이트 전극 위에 활성층을 형성하는 단계를 더 포함한다.
상기 평면 게이트 제어 소자의 제조 방법에 있어서, 상기 기판은, 유리, 플라스틱, 및 금속 중에서 어느 하나로 이루어진다.
그리고 상기 소스 전극 및 드레인 전극은, 상호 소정의 간극을 두고 평행하게 형성되고, 상기 하나 이상의 게이트 전극은, 상기 소스 전극과 드레인 전극 사이에 위치하도록 연장되어 소스 전극과 드레인 전극 사이의 채널 간격을 조절하는 채널 조절부를 포함하거나, 상기 소스 전극과 드레인 전극의 양측 면에 형성되는 두 개의 게이트 전극으로 이루어지되, 상기 소스 전극과 드레인 전극과 두 개의 게이트 전극은 X 자 형상으로 배치되어, 두 게이트 전극이 모두 상기 소스 전극 및 드레인 전극과 마주할 수 있도록 형성된다.
본 발명에 의하면, 소스 전극 및 드레인 전극과, 전하량을 제어하는 게이트 전극을 기판 위의 동일 평면상에 먼저 형성하여 둠으로써, 게이트 전극에 의한 제어가 요구되는 바이오센서나 유기 트랜지스터의 제조 시에, 상기 전극 위에 활성층을 형성하기만 하면 되므로, 활성층 위에 다시 금속 물질을 증착하여야 하는 번거로운 과정을 줄일 수 있으며, 금속 증착 공정에서 발생하는 열에 의해 사용할 수 없었던 열에 약한 유기물질이나 단백질과 같은 바이오 물질로도 활성층을 형성할 수 있는 우수한 효과가 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할 때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 구성 요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 평면 게이트 제어 소자의 구조를 보인 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 의한 평면 게이트 제어 소자는, 소스 전극(12)과 드레인 전극(13)과 게이트 전극(14)이 기판(11) 위의 동일 평면상에 함께 형성되어 이루어진다. 이때, 상기 소스 전극(12)과 드레인 전극(13)은, 소정의 간격을 두고 평행하게 마주보도록 형성되고, 상기 게이트 전극(14)은, 상기 소스 전극(12)과 드레인 전극(13) 사이에 위치하도록 연장 형성되어 소스 전극(12)과 드레인 전 극(13) 사이의 채널 간격을 조절하는 채널 조절부(14a)를 포함한다.
상기에서 기판(11)은, 유리, 금속, 플라스틱 중 어느 하나로 이루어진다.
상술한 구조의 평면 게이트 제어 소자는, 게이트 전극(14)의 채널 조절부(14a)의 모양 및 크기를 다양하게 조절할 수 있으며, 이를 통해 소스 전극(12)과 드레인 전극(13) 사이의 채널 간격을 조절할 수 있다.
도 2는 상기 도 1에 보인 구조의 평면 게이트 제어 소자를 실제 구현한 실물 사진이다.
다음으로, 도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 평면 게이트 제어 소자의 구조를 보인 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 의한 평면 게이트 제어 소자는, 기판(31) 위의 동일 평면상에, 소스 전극(32)과 드레인 전극(33)과 두 개의 게이트 전극(34,35)이 함께 존재한다. 이때, 상기 소스 전극(32)과 드레인 전극(33)과 두 개의 게이트 전극(34,35)은 X 자 형상으로 배치되어, 두 게이트 전극(34,35)이 모두 상기 소스 전극(32) 및 드레인 전극(33)과 마주하도록 형성된다.
이 경우, 두 개의 게이트 전극(34,35)을 통해 소스 전극(32)과 드레인 전극(33)의 양방향에서 채널을 활성화시킬 수 있다.
도 4는 상기 도 2에 보인 구조의 평면 게이트 제어 소자를 실제로 구현한 사진이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 평면 게이트 제어 소자는, 기판(11,31) 위의 동일 평면에 소스 전극(12,32)과 드레인 전극(13,33)과 하나 이상의 게이트 전극(14,34,35)이 함께 형성되어 있으므로, 상기 소스 전극(12,32)과 드레인 전극(13,33)과 하나 이상의 게이트 전극(14,34,35) 위에 유기물이나 바이오 물질로 이루어지는 활성층을 형성하는 공정만 수행하여, 유기 트랜지스터 또는 바이오센서를 간단히 구현할 수 있다.
이에 의하면, 기존의 금속 증착 공정에 의해 적용하기 어려웠던 열에 약한 유기물이나 단백질과 같은 바이오 물질로 활성층을 형성할 수 있으며, 따라서, 유기물 및 바이오 물질의 응용 가능성을 확대시킬 수 있다.
상기 예시한 본 발명의 평면 게이트 제어 소자는, 기판 위에 전극층을 형성하는 단계와, 상기 전극층 위에 감광액(photoresist)을 형성하는 도포(coating) 공정 단계와, 소스 전극과 드레인 전극과 하나 이상의 게이트 전극의 형상으로 패턴된 마스크를 이용하여, 상기 감광액(photoresist)의 제거할 부분을 선택적으로 노광하는 노광 공정 단계와, 상기 감광액(photoresist)의 노광된 부분을 현상액을 이용하여 제거하여, 전극층을 노출시키는 현상 공정 단계와, 상기 노출된 전극층을 제거하여, 소스 전극과 드레인 전극과 하나 이상의 게이트 전극을 형성하는 박막 식각 공정 단계와, 상기 전극 위에 남아 있는 감광액(photoresist)을 제거하는 스트립 공정 단계를 통하여 제조될 수 있다. 더하여, 상기 소스 전극과 드레인 전극과 하나 이상의 게이트 전극 위에 활성층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
도 5 및 도 7은 본 발명에 의한 평면 게이트 제어 소자를 이용한 반도체 소자의 구현 예를 도시한 것으로서, 이를 참조하여, 본 발명에 의한 평면 게이트 제어 소자를 제조 과정을 더 구체적으로 설명한다.
도 5에 보인 소자는 다음과 같은 과정으로 제조된다. 먼저, 유리 기판(51) 위에 일정 두께로 전극층을 형성한다. 상기 전극층은 예를 들어, ITO(Indium Tin Oxide)로 이루어지며, 상기 ITO를 일정 두께로 형성한 후, 세정 공정을 고쳐, 습기 제거를 위한 프리-베이킹(pre-baking)을 실시하여, 전극층을 형성한다.
그 다음, 전극층 위에 감광액(photoresist) (도시 생략)을 균일한 두께로 만들어준 후, Solvent를 제거하기 위해서 다시 소프트-베이킹(soft-baking)을 수행하고, 이어서 도 1 및 도 2와 같은 형태의 소스 전극, 드레인 전극 및 게이트 전극들의 패턴이 형성된 마스크를 통해 상기 감광액(photoresist)의 제거될 부분을 노광하고, 현상액을 이용하여 감광액(photoresist)의 노광된 부분과 노광되지 않은 부분을 선택적으로 제거하여, 상기 전극층에서 제거할 부분을 노출시킨다. 이후, 감광액(photoresist)의 접착력을 강화시키기 위하여 하드-베이킹(hard-baking)을 실시하고, 반응성양액(etchant)을 통해 상기 노출된 전극층을 제거하고, 남아있는 감광액(photoresist)을 제거하면, 도 5에 도시된 바와 같이, 동일 평면상에 위치한 소스 전극(52)과 드레인 전극(53)과 게이트 전극(54)이 형성된다.
그리고 상기 소스 전극(52)과 드레인 전극(53)과 게이트 전극(54) 위에, P3HT(poly 3-hexylthiophene)을 소정의 두께로 스핀 코팅하고, 50ㅀC 에서 약 15분 간 용매를 증발시켜, P3HT로 이루어진 활성층(55)을 형성한다.
도 6a 및 도 6b는 도 5와 같이 구현된 소자의 게이트 전압 및 드레인 전압에 따른 드레인 전류의 변화량을 측정하여 나타낸 그래프로서, 도시된 바와 같이, 게이트 전극(53)에 가해지는 게이트 전압 Vg이나, 상기 드레인 전극(53)의 전압 Vds에 따라서, 드레인 전류 Ids가 가변되는 것을 알 수 있으며, 이로부터 본 발명에 의한 평면 게이트 제어 소자가, 게이트 전극(54)을 통해 제어 가능함을 알 수 있다.
다음으로, 도 7에 보인 소자는, 앞서와 동일한 제조 과정을 통하여, 유리 기판(71) 위에 소스 전극(72)과 드레인 전극(73)과 게이트 전극(74)을 형성한 후, 상기 소스 전극(72)과 드레인 전극(73)과 게이트 전극(74) 위에, HRP(Horseradish Peroxidase)를 코팅하여, 활성층(75)을 형성한 것이다.
도 8a 및 도 8b는 상기 도 7과 같이 제조된 소자의 드레인 전압 및 게이트 전압 대비 드레인 전류의 변화를 측정한 그래프로서, 드레인 전류 Id가 상기 드레인 전압 Vd이나 게이트 전압 Vg에 의하여 가변되는 것을 볼 수 있으며, 따라서, 게이트 전극(74)을 통해 소자의 제어가 가능함을 알 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식 을 가진 당업자에게 있어 명백할 것이다.
본 발명은 유기 트랜지스터와, 바이오센서와 같이 게이트 제어되는 반도체 소자에 적용될 수 있는 것으로서, 동일 평면상에 형성된 소스 전극, 드레인 전극 및 게이트 전극 위에 활성층만을 형성하는 간단한 과정을 통하여, 상기 유기 트랜지스터 및 바이오센서를 구현하는 것이 가능하며, 더하여, 활성층을 형성한 후의 금속 증착 과정이 불필요해져, 금속 증착 시에 발생하는 열에 의해 이용이 제한되었던, 열에 약한 유기물이나 단백질과 같은 바이오 물질의 응용을 확대할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 평면 게이트 제어 소자의 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 보인 구조로 구현된 평면 게이트 제어 소자의 사진이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 평면 게이트 제어 소자의 구조를 나타낸 도면이다.
도 4는 도 3에 보인 구조로 구현된 평면 게이트 제어 소자의 사진이다.
도 5는 본 발명에 의한 평면 게이트 제어 소자의 제1 응용 예를 보인 도면이다.
도 6a 및 도 6b는 도 5에 보인 소자의 게이트 전압 및 드레인 전압 대비 드레인 전류의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명에 의한 평면 게이트 제어 소자의 제2 응용 예를 보인 도면이다.
도 8a 및 도 8b는 도 7에 보인 소자의 게이트 전압 및 드레인 전압 대비 드레인 전류의 변화를 나타낸 그래프이다.
Claims (11)
- 기판;상기 기판 위에 형성되며, 제어 전압 또는 제어 전류가 인가되는 하나 이상의 게이트 전극;상기 기판 위의 상기 게이트 전극과 동일 평면상에 형성되며, 상기 게이트 전극에 가해지는 전압 또는 전류에 따라서 입출력되는 신호가 제어되는 소스 전극 및 드레인 전극; 및상기 하나 이상의 게이트 전극과 소스 전극과 드레인 전극 위에 형성되며 유기물 또는 바이오물질로 이루어진 활성층;을 포함하여 이루어지는 평면 게이트 제어 소자.
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 기판은유리, 플라스틱, 및 금속 중에서 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 평면 게이트 제어 소자.
- 제1항에 있어서, 상기 소스 전극 및 드레인 전극은,상호 소정의 간극을 두고 평행하게 형성되는 것을 특징으로 하는 평면 게이트 제어 소자.
- 제4항에 있어서, 상기 하나 이상의 게이트 전극은상기 소스 전극과 드레인 전극 사이에 위치하도록 연장되어 소스 전극과 드레인 전극 사이의 채널 간격을 조절하는 채널 조절부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 평면 게이트 제어 소자.
- 제4항에 있어서, 상기 하나 이상의 게이트 전극은,상기 소스 전극과 드레인 전극의 양측 면에 형성되는 두 개의 게이트 전극으로 이루어지되,상기 소스 전극과 드레인 전극과 두 개의 게이트 전극은 X 자 형상으로 배치되어, 두 게이트 전극이 모두 상기 소스 전극 및 드레인 전극과 마주할 수 있도록 형성되는 것을 특징으로 하는 평면 게이트 제어 소자.
- 기판 위에 전극층을 형성하는 단계;상기 전극층 위에 감광액(photoresist)을 형성하는 도포(coating) 공정 단계;소스 전극과 드레인 전극과 하나 이상의 게이트 전극의 형상으로 패턴된 마스크를 이용하여, 상기 감광액(photoresist)의 제거할 부분을 선택적으로 노광하는 노광 공정 단계;상기 감광액(photoresist)의 노광된 부분을 현상액을 이용하여 제거하여, 전극층을 노출시키는 현상 공정 단계;상기 노출된 전극층을 제거하여, 소스 전극과 드레인 전극과 하나 이상의 게이트 전극을 형성하는 박막 식각 공정 단계;상기 전극 위에 남아 있는 감광액(photoresist)을 제거하는 스트립 공정 단계; 및상기 기판 및 소스 전극과 드레인 전극과 하나 이상의 게이트 전극 위에 유기물 또는 바이오 물질로 이루어진 활성층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 평면 게이트 제어 소자의 제조 방법.
- 삭제
- 제7항에 있어서, 상기 기판은유리, 플라스틱, 및 금속 중에서 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 평면 게이트 제어 소자의 제조 방법.
- 제7항에 있어서,상기 소스 전극 및 드레인 전극은, 상호 소정의 간극을 두고 평행하게 형성되고, 상기 하나 이상의 게이트 전극은, 상기 소스 전극과 드레인 전극 사이에 위치하도록 연장되어 소스 전극과 드레인 전극 사이의 채널 간격을 조절하는 채널 조절부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 평면 게이트 제어 소자의 제조 방법.
- 제7항에 있어서,상기 하나 이상의 게이트 전극은, 상기 소스 전극과 드레인 전극의 양측 면에 형성되는 두 개의 게이트 전극으로 이루어지되, 상기 소스 전극과 드레인 전극과 두 개의 게이트 전극은 X 자 형상으로 배치되어, 두 게이트 전극이 모두 상기 소스 전극 및 드레인 전극과 마주할 수 있도록 형성되는 것을 특징으로 하는 평면 게이트 제어 소자의 제조 방법.
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