KR101507538B1 - Non-powered molecule detecting element using pn photodiode and method for fabricating the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 전이금속 디칼코게나이드를 이용한 원자층 PN 광 다이오드 기반 무전원 분자 검출 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to an atomic layer PN photodiode based non-powered molecule detection system using transition metal dicalcogenide.
종래의 분자 검출 소자는 높은 전력 소모, 높은 동작 온도가 필요하다는 단점이 존재하였다. 분자 검출 반응을 확인하기 위해 지속적인 전압 또는 전류를 인가해야 하고, 타겟 분자와 소재 사이의 화학적 반응을 위해 열 또는 광을 가해주어야 한다.There has been a disadvantage that conventional molecular detection devices require high power consumption and high operating temperatures. To confirm the molecular detection reaction, a constant voltage or current must be applied, and heat or light must be applied for the chemical reaction between the target molecule and the material.
최근 n-ZnO/p-Si 나노선에서 태양광으로 생성된 전하에 의해 내부 전위를 생성하고, ZnO 표면에 흡착되는 분자에 따른 전위차를 통하여 분자 흡착 반응을 검출할 수 있는 방법이 보고되었다. 그러나 이는 금속 산화물 기반의 분자 흡착 반응이기에 상온에서의 반응속도가 매우 느리게 나타난다.Recently, a method has been reported that generates internal potential by electric charge generated by sunlight in n-ZnO / p-Si nanowire and can detect molecular adsorption reaction by potential difference according to molecules adsorbed on ZnO surface. However, since it is a metal oxide based molecular adsorption reaction, the reaction rate at room temperature is very slow.
또한 압전 효과 기반의 자가발전 분자 검출 센서가 보고된 바 있으나 압전 소자의 특성상 기계적 마모에 따른 수명의 한계 때문에 안정적인 분자 검출 시스템 구현이 불가능하였다.In addition, a self-generated molecular detection sensor based on a piezoelectric effect has been reported. However, due to the characteristics of a piezoelectric element, life expectancy due to mechanical wear has been limited.
본 발명은 외부 전원 없이도 신속하게 분자 검출이 가능한 PN 광 다이오드 방식의 분자 검출 소자를 제공하기 위한 것이다.The present invention is to provide a molecular detector element of a PN photodiode system capable of molecular detection quickly without an external power source.
본 발명이 해결하고자 하는 과제가 상술한 과제로 한정되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 과제들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The objects to be solved by the present invention are not limited to the above-mentioned problems, and the matters not mentioned above can be clearly understood by those skilled in the art from the present specification and the accompanying drawings .
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 분자 검출 셀은 기판 및 상기 기판 상에 형성된 PN 광 다이오드를 포함하며, 상기 PN 광 다이오드는 p 타입 도전형 물질 및 n 타입 도전형 물질을 포함하고, 상기 p 타입 도전형 물질 및 상기 n 타입 도전형 물질 중 적어도 하나는 전이금속 디칼코게나이드로 형성된다.According to an aspect of the present invention, there is provided a non-powered molecular detection cell including a substrate and a PN photodiode formed on the substrate, wherein the PN photodiode includes a p-type conductive material and an n-type conductive material, And at least one of the p-type conductive material and the n-type conductive material is formed of a transition metal decalcogenide.
본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 분자 검출 셀이 포함하는 상기 전이금속 디칼코게나이드는 MoS2, WS2, MoSe2, WSe2, MoTe2, WTe2, TiS2, TiSe2, TiTe2 또는 이들의 조합을 포함한다.The transition metal decalcogenide included in the non-power source molecular detection cell according to an embodiment of the present invention may be MoS 2 , WS 2 , MoSe 2 , WSe 2 , MoTe 2 , WTe 2 , TiS 2 , TiSe 2 , TiTe 2 , . ≪ / RTI >
본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 분자 검출 셀의 기판은 SiO2, ITO, 그래핀 또는 이들의 조합을 포함한다.The substrate of the non-powered molecular detection cell according to an embodiment of the present invention includes SiO 2 , ITO, graphene, or a combination thereof.
본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 분자 검출 셀이 포함하는 PN 광 다이오드는 두께가 3nm 내지 5nm일 수 있다.The PN photodiode included in the non-powered molecular detection cell according to an embodiment of the present invention may have a thickness of 3 nm to 5 nm.
본 발명의 일 실시 예에 따라 형성된 무전원 분자 검출 셀을 포함하는 무전원 분자 검출 셀 어레이는, n 타입 도전형 물질 상에 p 타입 도전형 물질이 형성되어 p 타입 도전형 물질이 노출된 P 타입 셀; p 타입 도전형 물질 상에 n 타입 도전형 물질이 형성되어 n 타입 도전형 물질이 노출된 N 타입 셀; p 타입 도전형 물질 및 n 타입 도전형 물질 상에 형성된 캐핑(capping) 층을 더 포함한 기준 셀;을 포함할 수 있다.A non-powered molecular detection cell array including a non-powered molecular detection cell formed according to an embodiment of the present invention includes: a P-type cell having a p-type conductivity type material formed on an n-type conductivity type material and exposing a p-type conductivity type material; an N-type cell in which an n-type conductive material is formed on a p-type conductive material and an n-type conductive material is exposed; and a reference cell further including a capping layer formed on the p-type conductive material and the n-type conductive material.
본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 분자 검출 소자는 사익 분자 검출 셀 어레이(Cell Array) 및 상기 무전원 분자 검출 소자의 전도도의 변화를 감지하여 신호를 발생하는 신호 발생부를 포함한다.The non-powered molecular detector according to an embodiment of the present invention includes a sac-like molecule detection cell array and a signal generator for detecting a change in conductivity of the non-powered molecular detector and generating a signal.
본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 분자 검출 소자 제조 방법은 기판을 제공하는 단계, 상기 기판 상에 P 타입 도전형 물질 및 N 타입 도전형 물질을 포함하는 PN 광 다이오드를 형성하는 단계를 포함하며, 상기 P 타입 도전형 물질 및 상기 N 타입 도전형 물질 중 적어도 하나는 원자층 증착(Atomic Layer Deposition)에 의하여 전이금속 디칼코게나이드로 형성된다.A method for fabricating a non-powered molecular sensing device according to an embodiment of the present invention includes the steps of providing a substrate, forming a PN photodiode including a P-type conductive material and an N-type conductive material on the substrate, At least one of the P-type conductive material and the N-type conductive material is formed of a transition metal decalcogenide by atomic layer deposition.
본 발명의 일 실시 예에 따라 PN 광 다이오드를 형성할 때, 기화된 MoCl5, WCL6, MO(CO)6, WH2(iprCp)2 또는 이들의 조합을 전이금속 전구체로 사용하여 상기 P 타입 도전형 물질 또는 상기 N 타입 도전형 물질을 형성한다.In forming a PN photodiode according to an embodiment of the present invention, vaporized MoCl 5 , WCL 6 , MO (CO) 6 , WH 2 (iprCp) 2 or a combination thereof is used as the transition metal precursor to form the P type Type conductive material or the N-type conductive material.
본 발명의 일 실시 예에 따라 PN 광 다이오드를 형성할 때, H2S, H2Se, Se(C2H5)2 또는 이들의 조합을 칼코겐 전구체로 사용하여 상기 P 타입 도전형 물질 또는 상기 N 타입 도전형 물질을 형성한다.In forming a PN photodiode according to an embodiment of the present invention, the P-type conductive material or the P-type conductive material may be formed by using H 2 S, H 2 Se, Se (C 2 H 5 ) 2 or a combination thereof as a chalcogen precursor Thereby forming the N type conductive material.
본 발명의 일 실시 예에 따라 PN 광 다이오드를 형성할 때, 중합체를 이용한 전사법 또는 원자층 증착(Atomic Layer Deposition)에 의한 직접 합성법을 이용하여 PN 접합을 형성한다.In forming a PN photodiode according to an embodiment of the present invention, a PN junction is formed by using a polymer-based transfer method or a direct synthesis method by atomic layer deposition (Atomic Layer Deposition).
본 발명의 일 실시 예에 따라 PN 광 다이오드를 형성할 때, 두께를 3nm 내지 5nm로 형성할 수 있다.In forming the PN photodiode according to an embodiment of the present invention, the thickness may be 3 nm to 5 nm.
본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 분자 검출 소자 제조 방법은 SiO2, ITO, 그래핀 또는 이들의 조합을 제공하는 단계를 포함한다.The method for fabricating a non-powered molecular detection device according to an embodiment of the present invention includes providing SiO 2 , ITO, graphene or a combination thereof.
본 발명의 일 실시 예에 의하면 외부 전원 없이도 신속하게 분자 검출이 가능한 PN 광 다이오드 방식의 분자 검출 소자를 얻을 수 있다.According to an embodiment of the present invention, it is possible to obtain a molecular detector of a PN photodiode system capable of quickly detecting molecules without an external power source.
본 발명의 효과가 상술한 효과로 한정되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.The effects of the present invention are not limited to the above-described effects, and the effects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the present specification and the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따라 형성된 원자층 PN 광 다이오드의 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 PN 광 다이오드 기반 분자 검출 소자의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 분자 검출 셀 어레이의 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 분자 검출 셀 어레이의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 P 타입 셀의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 N 타입 셀의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 기준 셀의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 분자 검출 소자의 블록도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 분자 검출 소자를 적용한 전자 장치의 블록도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 분자 검출 소자를 적용한 휴대기기이다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 원자층 증착 공정의 개념도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 PN 광 다이오드 형성 방법을 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 PN 광 다이오드 형성 방법을 나타낸 도면이다.
도 14 내지 도 15는 본 발명의 일 실시 예에 따라 형성된 WS2시트의 분자 검출 결과를 보여주는 그래프이다.1 is a diagram of an atomic layer PN photodiode formed in accordance with one embodiment of the present invention.
2 is a conceptual diagram of a PN photodiode-based molecular detection device according to an embodiment of the present invention.
3 is a top view of a non-powered molecular detection cell array according to one embodiment of the present invention.
4 is a perspective view of a non-powered molecular detection cell array according to an embodiment of the present invention.
5 is a cross-sectional view of a P-type cell according to an embodiment of the present invention.
6 is a cross-sectional view of an N-type cell according to an embodiment of the present invention.
7 is a cross-sectional view of a reference cell according to an embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a block diagram of a non-powered molecular detector according to an embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a block diagram of an electronic device to which the non-powered molecular detection device according to an embodiment of the present invention is applied.
10 is a portable device to which the non-powered molecular detection device according to an embodiment of the present invention is applied.
11 is a conceptual diagram of an atomic layer deposition process according to an embodiment of the present invention.
12 is a view illustrating a method of forming a PN photodiode according to an embodiment of the present invention.
13 is a view illustrating a method of forming a PN photodiode according to an embodiment of the present invention.
14 to 15 are graphs showing the results of molecular detection of the WS 2 sheet formed according to one embodiment of the present invention.
본 발명의 다른 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Other advantages and features of the present invention and methods of achieving them will become apparent with reference to the embodiments described below in detail with reference to the accompanying drawings. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as being limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the concept of the invention to those skilled in the art. Is provided to fully convey the scope of the invention to those skilled in the art, and the invention is only defined by the scope of the claims.
만일 정의되지 않더라도, 여기서 사용되는 모든 용어들(기술 혹은 과학 용어들을 포함)은 이 발명이 속한 종래 기술에서 보편적 기술에 의해 일반적으로 수용되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적인 사전들에 의해 정의된 용어들은 관련된 기술 그리고/혹은 본 출원의 본문에 의미하는 것과 동일한 의미를 갖는 것으로 해석될 수 있고, 그리고 여기서 명확하게 정의된 표현이 아니더라도 개념화되거나 혹은 과도하게 형식적으로 해석되지 않을 것이다.Unless defined otherwise, all terms (including technical or scientific terms) used herein have the same meaning as commonly accepted by the generic art in the prior art to which this invention belongs. Terms defined by generic dictionaries may be interpreted to have the same meaning as in the related art and / or in the text of this application, and may be conceptualized or overly formalized, even if not expressly defined herein I will not.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 본 명세서에서 사용되는 '포함한다' 및/또는 이 동사의 다양한 활용형들 예를 들어, '포함', '포함하는', '포함하고', '포함하며' 등은 언급된 조성, 성분, 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 조성, 성분, 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 본 명세서에서 사용되는 '~위에', '~상에' 등은 언급된 조성, 성분, 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자 사이에 다른 조성, 성분, 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 본 명세서에서 '및/또는' 이라는 용어는 나열된 구성들 각각 또는 이들의 다양한 조합을 가리킨다.
The terminology used herein is for the purpose of illustrating embodiments and is not intended to be limiting of the present invention. In the present specification, the singular form includes plural forms unless otherwise specified in the specification. As used herein, the terms' comprise 'and / or various forms of use of the verb include, for example,' including, '' including, '' including, '' including, , Steps, operations, and / or elements do not preclude the presence or addition of one or more other compositions, components, components, steps, operations, and / or components. As used herein, the terms "on", "on", and the like refer to components, components, steps, operations, and / or elements, components, Or < / RTI > The term 'and / or' as used herein refers to each of the listed configurations or various combinations thereof.
본 발명은 전이금속 디칼코게나이드 기반의 PN 광 다이오드를 이용한 무전원 분자 검출 소자에 관한 것으로서, 외부 전압 없이도 빠른 반응 속도를 나타내어 실용성이 높은 분자 검출 소자를 제공한다.The present invention relates to a non-power-source molecule detection device using a transition metal dicalcogenide-based PN photodiode, and provides a highly practical molecule detection device that exhibits a fast reaction rate without external voltage.
도 1은 이차원 전이금속 디칼코게나이드 물질로 형성된 원자층 PN 광 다이오드를 나타낸 도면이다.1 shows an atomic layer PN photodiode formed of a two-dimensional transition metal dicalcogenide material.
기존의 금속 산화물 반도체의 경우, 합성 과정에서의 중간층(interlayer) 형성 및 원자간 상호 확산으로 인하여 PN 광 다이오드의 두께를 줄이는 것에 한계가 있었다. 그러나 도 1에 도시한 바와 같이, 전이금속 디칼코게나이드 물질로 PN 광 다이오드를 형성할 경우 각 층이 반데르발스 결합으로 이루어져 중간층이 형성되지 않는다. 따라서 두께가 5nm 미만인 원자층 PN 광 다이오드의 제작이 가능하다.In the case of conventional metal oxide semiconductors, there is a limitation in reducing the thickness of the PN photodiode due to interlayer formation and inter-atomic interdiffusion in the synthesis process. However, as shown in FIG. 1, when a PN photodiode is formed of a transition metal dicarcogenide material, each layer is formed by van der Waals bonding, and an intermediate layer is not formed. Thus, it is possible to manufacture an atomic layer PN photodiode having a thickness of less than 5 nm.
원자층 두께로 형성가능한 것 이외에도 전이금속 디칼코게나이드는 두께 대비 높은 광반응 특성, 가시광 영역부터 자외선 영역까지 광대역 파장대의 빛 흡수율, 높은 광 투과도를 가지고 있어 무전원 분자 검출 소재로서 우수하다.In addition to being able to be formed at atomic layer thickness, transition metal decalcogenide is excellent as non-power source molecule detection material because it has high photoreactivity to thickness, light absorption rate of wide band from ultraviolet to ultraviolet region, and high light transmittance.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 PN 광 다이오드 기반 분자 검출 셀(100)의 개념도이다.2 is a conceptual diagram of a PN photodiode-based
PN 광 다이오드 기반 분자 검출 셀(100)은 PN 광 다이오드(101) 및 전극(102a,102b)으로 구성된다. 도 2에 도시된 PN 광 다이오드(101)는 p 타입 도전형 물질(101a) 및 n 타입 도전형 물질(101b)로 구성되며, p 타입 도전형 물질(101a) 및 n 타입 도전형 물질(101b)의 위치는 바뀔 수 있다. 도 2에 도시한 분자 검출 셀(100)은 n 타입 도전형 물질(101b)이 노출된 N 타입 셀이나 이는 이해를 돕기 위한 예시이며 p 타입 도전형 물질(101a)이 노출된 P 타입 셀로도 제작이 가능하다. 전극은 p 타입 도전형 물질(101a)과 접촉된 제 1 전극(102a) 및 n 타입 도전형 물질(101b)과 접촉된 제 2 전극(102b)로 구분된다.The PN photodiode-based
타겟 분자(103)가 n 타입 도전형 물질(101b)의 표면에 흡착되면 도핑 효과가 발생하여 PN 광 다이오드(101)의 밴드 구조가 변화하고, 이 때 두 전극(102a,102b) 사이의 전도도의 변화의 변화(Voc)를 측정하여 타겟 분자(103)의 검출이 가능하다. 검출되는 타겟 분자(103)는 NOX, NH3, CO, TEA, HF, SOX, THF, 아세톤 또는 H2S가 될 수 있으나 이에 제한되지 않는다.When the
p 타입 도전형 물질(101a) 및 n 타입 도전형 물질(101b) 중 적어도 하나는 전이금속 디칼코게나이드로 형성된다. 전이금속 디칼코게나이드 중 WSe2는 p 타입으로 사용될 수 있으며, MoS2는 n 타입으로 사용될 수 있다. 그 외에 전이금속 디칼코게나이드 물질인 MoSe2, WS2, MoTe2, WTe2, TiS2, TiSe2 또는 TiTe2 등이 p 타입 또는 n 타입으로 사용될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 전이금속 디칼코게나이드 물질들은 PN 접합되는 물질에 따라 p 타입 또는 n타입으로 사용할 수 있다.At least one of the p-type
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 분자 검출 셀 어레이(200)의 평면도이다.FIG. 3 is a plan view of a non-powered molecular
본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 분자 검출 셀 어레이(200)는 PN 광 다이오드를 기반으로 한 무전원 분자 검출 셀을 2개 이상 포함할 수 있다. The non-powered molecular
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 분자 검출 셀 어레이(200)는 P 타입 셀, N 타입 셀, 기준 셀을 포함할 수 있다. Referring to FIG. 3, the non-powered molecular
P 타입 셀은 p 타입 물질에 반응하는 분자를 검출할 수 있다. N 타입 셀은 n 타입 물질에 반응하는 분자를 검출할 수 있다. 기준 셀은 노출되는 분자에 반응하지 않고 빛에만 반응할 수 있도록 하여 기준 광 전압을 설정할 수 있다. P 타입 셀 또는 N 타입 셀은 노출되는 분자에 반응하면 전도도가 변하여 전압이 변화하므로, 기준 셀에서 측정한 기준 광 전압과 비교하여 분자를 감지할 수 있다. 이하에서 도 4를 참조하여 무전원 분자 검출 셀 어레이(200)의 구조를 더 구체적으로 설명한다.P-type cells can detect molecules that react with p-type material. N-type cells can detect molecules that react with n-type materials. The reference cell can be set to the reference light voltage by allowing it to react only to light without reacting to the exposed molecules. The P-type cell or the N-type cell responds to the exposed molecules, and the voltage changes due to the change of the conductivity. Therefore, the molecules can be detected by comparing with the reference light voltage measured in the reference cell. Hereinafter, the structure of the non-powered molecular
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 분자 검출 셀 어레이(200)의 사시도이다.4 is a perspective view of a non-powered molecular
본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 분자 검출 셀 어레이(200)는 기판(210) 상에 제조된다. 기판(210)은 SiO2, ITO, 그래핀 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. ITO, 그래핀 또는 이들의 조합으로 구성된 기판(210) 상에 전이금속 디칼코게나이드를 포함하는 PN 광 다이오드를 형성하면 광 투과도 및 유연성이 높은 무전원 분자 소자를 얻을 수 있다.A non-powered molecular
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 분자 검출 셀 어레이(200)는 기판(210), PN 광 다이오드(100), 전극(102a,102b), 캐핑 층(220)을 포함한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 분자 검출 셀 어레이는 복수 개의 셀이 병렬로 연결된 구조일 수 있다. 여러 셀을 병렬로 연결함으로써 소자의 오류를 줄일 수 있다.3 and 4, the non-powered molecular
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 분자 검출 셀 어레이는 P 타입 셀, N 타입 셀, 기준 셀을 포함할 수 있다. 기준 셀은 캐핑 층(220)을 포함할 수 있다. 각 셀의 구조는 도 5 내지 도 7을 참조하여 이하에서 구체적으로 설명한다.Referring to FIGS. 3 and 4, the non-powered molecular detection cell array according to an embodiment of the present invention may include a P-type cell, an N-type cell, and a reference cell. The reference cell may include a
도 5는 도 4에 도시된 'A 부'를 확대하여 보여주는 도면이다.5 is an enlarged view showing 'A part' shown in FIG.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 P 타입 셀의 단면도를 나타낸다. 도 5를 참조하면, P 타입 셀은 p 타입 도전형 물질에 반응하는 분자를 검출할 수 있도록 p 타입 도전형 물질이 노출된다. 노출되는 p 타입 도전형 물질은 WSe2, MoSe2, 또는 WS2일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.5 is a cross-sectional view of a P-type cell according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 5, a p-type cell is exposed to a p-type conductive material so as to detect molecules reacting with the p-type conductive material. The exposed p-type conductive material may be, but is not limited to, WSe 2 , MoSe 2 , or WS 2 .
도 6는 도 4에 도시된 'B 부'를 확대하여 보여주는 도면이다.FIG. 6 is an enlarged view of the 'B part' shown in FIG.
도 6는 본 발명의 일 실시 예에 따른 N 타입 셀의 단면도를 나타낸다. 도 5를 참조하면, N 타입 셀은 n 타입 도전형 물질에 반응하는 분자를 검출할 수 있도록 n 타입 도전형 물질이 노출된다. 노출되는 n 타입 도전형 물질은 MoS2, MoSe2, 또는 WS2일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.6 shows a cross-sectional view of an N-type cell according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 5, an n-type cell is exposed to an n-type conductive material so as to detect molecules that react with the n-type conductive material. The exposed n-type conductive material may be MoS 2 , MoSe 2 , or WS 2 , but is not limited thereto.
본 발명의 일 실시 예에 따라, 언급한 p 타입 도전형 물질 및 n 타입 도전형 물질 이외에도 MoTe2, WTe2, TiS2, TiSe2 또는 TiTe2 로 원자층 PN 광 다이오드를 형성할 수 있다. 상기 언급한 전이금속 디칼코게나이드 물질들은 PN 접합이 이루어지는 물질에 따라서 p 타입 도전형 물질 또는 n 타입 도전형 물질이 될 수 있다.In accordance with an embodiment of the present invention, an atomic layer PN photodiode may be formed of MoTe 2 , WTe 2 , TiS 2 , TiSe 2, or TiTe 2 in addition to the aforementioned p-type conductive material and n-type conductive material. The above-mentioned transition metal dicalcogenide materials may be a p-type conductivity type material or an n-type conductivity type material depending on the material to which the PN junction is made.
도 7는 도 4에 도시된 'C 부'를 확대하여 보여주는 도면이다.7 is an enlarged view showing the 'C part' shown in FIG.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 기준 셀의 사시도이다. 기준 셀은 도 5에 도시된 P 타입 셀 또는 도 6에 도시된 N 타입 셀 위에 캐핑 층(capping layer)을 더 포함할 수 있다. 캐핑 층은 Al2O3를 증착하여 형성할 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 캐핑 층으로 인해 기준 셀은 노출되는 분자에 반응하지 않고 빛에만 반응할 수 있어서, 무전원 분자 검출 셀 어레이의 기준 광 전압을 설정할 수 있다.7 is a perspective view of a reference cell according to an embodiment of the present invention. The reference cell may further include a capping layer on the P-type cell shown in FIG. 5 or the N-type cell shown in FIG. The capping layer may be formed by depositing Al 2 O 3 , but is not limited thereto. Due to the capping layer, the reference cell can react only to light without reacting to the exposed molecules, so that the reference light voltage of the non-powered molecular detection cell array can be set.
본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 분자 검출 소자(300)의 블록도가 도 8에 도시되어 있다. 도 8을 참조하면, 무전원 분자 검출 소자(300)는 무전원 분자 검출 셀 어레이(200) 및 무전원 분자 검출 셀 어레이(200)에서 감지된 전도도의 변화를 신호로 변환하는 신호 발생부(310)를 포함한다.A block diagram of a non-powered
무전원 분자 검출 소자(300)를 적용한 전자 장치의 블록도가 도 9에 도시되어 있다. 도 9의 전자 장치는 도 10에 도시된 휴대기기의 형태로 사용될 수 있다. 휴대기기의 형태는 도 10에 도시된 형태로 제한되지 않으며, 휴대폰, 스마트 안경, 스마트 시계 등 다양한 형태로 응용 가능하다. 휴대기기는 도 9에 도시된 블록도에 따른 장치를 구비하여, 타겟 분자(103)가 감지되면 신호를 발생할 수 있다. 신호 발생부는 무전원 분자 검출 셀 어레이에서 감지된 전도도의 변화를 다양한 형태의 신호로 변환할 수 있다.A block diagram of an electronic device to which the non-powered
도 11 내지 13를 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 PN 광 다이오드 형성 방법을 설명한다. 설명되는 PN 광 다이오드는 전이금속 디칼코게나이드를 기반으로 한다.A method of forming a PN photodiode according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The described PN photodiode is based on a transition metal dicalcogenide.
기계적/화학적 박리법, CVD(Chemical Vapor Deposition), 용액 공정법으로는 원자층 단위 두께 조절 및 대면적으로 균일하게 소재를 합성하는 것이 불가능하였으나, 본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 분자 검출 소자 제조 방법은 원자층 증착(Atomic Layer Deposition) 공정을 이용하여 원자층 두께 조절이 가능하고 2인치 이상의 균일도가 높은 대면적 소자 합성이 가능하다. 원자층 증착(Atomic Layer Deposition) 공정의 개념도가 도 11에 도시되어 있다.It is impossible to control the thickness of the atomic layer unit and to synthesize the material uniformly in a large area by the mechanical / chemical stripping method, CVD (Chemical Vapor Deposition), and the solution processing method. However, in the non- Atomic layer deposition (Atomic Layer Deposition) process can be used to control the atomic layer thickness, and it is possible to synthesize large area devices with high uniformity of 2 inches or more. A conceptual diagram of the Atomic Layer Deposition process is shown in FIG.
원자층 증착 공정은 기판 표면에서의 자기 제한 화학 반응을 기반으로 한다. 도 10을 참조하면, 원자층 증착 공정은 기판에 전이금속 전구체를 공급하는 단계, 미반응 전이금속 전구체를 제거하는 단계, 기판에 칼코겐 전구체를 공급하는 단계, 미반응 칼코겐 전구체를 제거하는 단계를 포함한다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 원자층 PN 광 다이오드가 포함하는 p 타입 도전형 물질 또는 n 타입 도전형 물질은, 도 9에 도시된 원자층 증착 공정 1 cycle을 수 회 반복하여 형성될 수 있다.The atomic layer deposition process is based on a self-limiting chemical reaction at the substrate surface. Referring to FIG. 10, the atomic layer deposition process includes providing a substrate with a transition metal precursor, removing the unreacted transition metal precursor, supplying a chalcogen precursor to the substrate, removing the unreacted chalcogen precursor . The p-type conductive material or the n-type conductive material included in the atomic layer PN photodiode according to an embodiment of the present invention may be formed by repeating one cycle of the atomic layer deposition process shown in FIG. 9 several times.
전이금속 디칼코게나이드 물질로 PN 광 다이오드를 형성하기 위해 기화된 MoCl5, WCL6, MO(CO)6, WH2(iprCp)2 또는 이들의 조합을 전이금속 전구체로 사용할 수 있으며, H2S, H2Se, Se(C2H5)2 또는 이들의 조합을 칼코겐 전구체로 사용할 수 있으나 이에 제한되지 않는다.A transition metal radical chalcogenides material can be used as the MoCl 5, WCL 6, MO ( CO) 6, WH 2 (iprCp) 2 , or transition metal precursor combination thereof vaporized to form a PN photodiode and, H 2 S , H 2 Se, Se (C 2 H 5 ) 2, or combinations thereof, may be used as the chalcogen precursor, but are not limited thereto.
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따라 PN 광 다이오드를 형성할 때 PN 접합 방법을 나타낸 도면이다. 먼저 원자층 증착 공정을 이용하여 기판 상에 p 타입 도전형 물질과 n 타입 도전형 물질을 각각 형성하여 두 개의 박막을 형성하고, 두 박막을 중합체를 이용한 전사법을 이용하여 PN 접합을 형성한다.12 is a view illustrating a PN junction method when forming a PN photodiode according to an embodiment of the present invention. First, a p-type conductive material and an n-type conductive material are formed on a substrate by using an atomic layer deposition process to form two thin films, and a PN junction is formed by transferring the two thin films using a polymer.
중합체를 이용한 전사법의 일 실시 예는, 중합체를 두 박막 중 하나의 박막 위에 스핀 코팅한 뒤 아래의 기판을 제거하는 단계; 및 중합체가 코팅된 박막을 물에 띄우고 다른 박막으로 코팅된 박막을 건져내는 단계;를 포함한다. 중합체는 PMMA(Polymethylmethacrylate, 폴리메타크릴산 메틸)일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.One embodiment of a polymer-based transfer process includes spin coating a polymer onto one of two thin films and then removing the underlying substrate; And floating the polymer-coated thin film and recovering the thin film coated with the other thin film. The polymer may be PMMA (polymethylmethacrylate, polymethyl methacrylate), but is not limited thereto.
PN 접합을 형성하는 방법은 상기와 같이 중합체를 이용하는 방법으로 제한되지 않는다. 다른 방법의 일 실시 예로, 원자층 증착 공정을 반복하여 PN 접합을 형성할 수 있다. 도 13에 도시된 PN 접합 방법은 원자층 증착 공정을 반복하여 직접 합성을 통해 PN 접합을 형성한다. 도 11에 도시된 원자층 증착 공정으로 기판 상에 p 타입 도전형 물질을 형성한 뒤, 형성된 p 타입 도전형 물질 위에 다시 원자층 증착 공정을 이용해 n 타입 도전형 물질을 형성함으로써 PN 접합을 형성한다. 상기 p 타입 도전형 물질과 n 타입 도전형 물질이 형성되는 순서는 바뀔 수 있다.The method of forming the PN junction is not limited to the method using the polymer as described above. In an alternative embodiment, the atomic layer deposition process can be repeated to form a PN junction. The PN junction method shown in FIG. 13 repeats the atomic layer deposition process to form a PN junction through direct synthesis. The p-type conductive material is formed on the substrate by the atomic layer deposition process shown in Fig. 11, and then the n-type conductive material is formed on the formed p-type conductive material using the atomic layer deposition process to form a PN junction . The order of forming the p-type conductive material and the n-type conductive material may be changed.
이하에서 전이금속 디칼코게나이드를 분자 검출 소재로 사용한 실험 예의 결과를 도 14 및 도 15를 참조하여 설명한다.The results of an experimental example using a transition metal dicalcogenide as a molecular detection material will be described below with reference to Figs. 14 and 15. Fig.
WS2 시트를 기판 상에 원자층 증착 공정에 따라 형성하고, 시트 양단에 전극을 증착하였다. 양 전극에 5 V의 전압을 인가하고, 이산화질소(NO2)에 노출시키면서 전류의 변화를 계측하였다.WS 2 A sheet was formed on the substrate by an atomic layer deposition process, and electrodes were deposited on both ends of the sheet. A voltage of 5 V was applied to both electrodes, and the change of the current was measured while being exposed to nitrogen dioxide (NO 2 ).
도 14을 참조하면, WS2를 분자 기체에 노출시켰을 때(음영이 들어간 부분) 전류가 변화하는 것을 볼 수 있다. 전류 변화를 측정하여 분자 검출의 response((미노출시 소재의 저항-가스 노출시 소재의 저항)/가스 노출시 소재의 저항을 %단위로 나타낸 값)를 나타낸 그래프가 도 15에 도시되어 있다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 분자 검출 소자는 이러한 전도도의 변화를 신호로 변환시키는 방법을 이용한다.Referring to FIG. 14, it can be seen that the current changes when WS 2 is exposed to a molecular gas (shaded portion). 15 is a graph showing the response of the molecular detection by measuring the change of current (the resistance of the material at the time of Mino launch / the resistance of the material at the time of gas exposure / the resistance of the material at the time of gas exposure in units of%). The non-powered molecular detector according to an embodiment of the present invention uses a method of converting such a change in conductivity into a signal.
이상에서 실시 예를 통해 본 발명을 설명하였으나, 위 실시 예는 단지 본 발명의 사상을 설명하기 위한 것으로 이에 한정되지 않는다. 통상의 기술자는 전술한 실시예에 다양한 변형이 가해질 수 있음을 이해할 것이다. 본 발명의 범위는 첨부된 특허청구범위의 해석을 통해서만 정해진다.While the present invention has been described with reference to the exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. Those skilled in the art will appreciate that various modifications may be made to the embodiments described above. The scope of the present invention is defined only by the interpretation of the appended claims.
100 : 무전원 분자 검출 셀
101 : PN 광 다이오드
101a : p 타입 도전형 물질
101b : n 타입 도전형 물질
102a, 102b : 전극
200 : 무전원 분자 검출 셀 어레이
210 : 기판
220 : 캐핑 층(capping layer)
300 : 무전원 분자 검출 소자
310 : 신호 발생부100: Non-power source molecule detection cell
101: PN photodiode
101a: p-type conductive material
101b: n type conductivity type material
102a, 102b: electrode
200: Non-powered Molecule Detection Cell Array
210: substrate
220: capping layer
300: Non-power source molecular detector element
310: Signal generator
Claims (13)
상기 무전원 분자 검출 셀은,
기판; 및
상기 기판 상에 형성된 PN 광 다이오드;를 포함하며,
상기 PN 광 다이오드는 p 타입 도전형 물질 및 n 타입 도전형 물질을 포함하고,
상기 p 타입 도전형 물질 및 상기 n 타입 도전형 물질 중 적어도 하나는 전이금속 디칼코게나이드로 형성되며,
상기 무전원 분자 검출 셀 어레이는:
상기 무전원 분자 검출 셀에 있어서 n 타입 도전형 물질 상에 p 타입 도전형 물질이 형성되어 p 타입 도전형 물질이 노출된 P 타입 셀;
상기 무전원 분자 검출 셀에 있어서 p 타입 도전형 물질 상에 n 타입 도전형 물질이 형성되어 n 타입 도전형 물질이 노출된 N 타입 셀; 및
상기 무전원 분자 검출 셀에 있어서 p 타입 도전형 물질 및 n 타입 도전형 물질 상에 형성된 캐핑(capping) 층을 더 포함한 기준 셀;
을 포함하는 무전원 분자 검출 셀 어레이(Cell Array).
A non-powered molecular detection cell array comprising a non-powered molecular detection cell,
Wherein the non-powered molecular detection cell comprises:
Board; And
And a PN photodiode formed on the substrate,
Wherein the PN photodiode includes a p-type conductive material and an n-type conductive material,
At least one of the p-type conductive material and the n-type conductive material is formed of a transition metal dicarcogenide,
Wherein the non-powered molecular detection cell array comprises:
Type cell in which a p-type conductivity type material is formed on the n-type conductivity type material in the non-power source molecule detection cell and the p-type conductivity type material is exposed;
Type cell in which an n-type conductive material is formed on the p-type conductive material and the n-type conductive material is exposed in the non-power source molecule detection cell; And
A reference cell further comprising a capping layer formed on the p-type conductivity type material and the n-type conductivity type material in the non-power source molecular detection cell;
And a non-powered molecular detection cell array.
상기 전이금속 디칼코게나이드는 MoS2, WS2, MoSe2, WSe2, MoTe2, WTe2, TiS2, TiSe2, TiTe2 또는 이들의 조합을 포함하는 무전원 분자 검출 셀 어레이.
The method according to claim 1,
Wherein the transition metal decalcogenide comprises MoS 2 , WS 2 , MoSe 2 , WSe 2 , MoTe 2 , WTe 2 , TiS 2 , TiSe 2 , TiTe 2, or combinations thereof.
상기 기판은 SiO2, ITO, 그래핀 또는 이들의 조합을 포함하는 무전원 분자 검출 셀 어레이.
3. The method of claim 2,
The substrate is SiO 2, ITO, graphene or a non-powered molecular detection cell array including a combination of the two.
상기 PN 광 다이오드는 두께가 3nm 내지 5nm인 무전원 분자 검출 셀 어레이.
The method of claim 3,
Wherein the PN photodiode has a thickness of 3 nm to 5 nm.
상기 무전원 분자 검출 셀의 전도도의 변화를 감지하여 신호를 발생하는 신호 발생부;
를 포함하는 무전원 분자 검출 소자.
A non-powered molecular detection cell array (Cell Array) according to claim 1; And
A signal generator for sensing a change in conductivity of the non-power source molecular detection cell and generating a signal;
Wherein the non-powered molecular detection device comprises:
상기 기판 상에 P 타입 도전형 물질 및 N 타입 도전형 물질을 포함하는 PN 광 다이오드를 형성하는 단계;
를 포함하며,
상기 p 타입 도전형 물질 및 상기 n 타입 도전형 물질 중 적어도 하나는 전이금속 디칼코게나이드로 형성되며,
상기 PN 광 다이오드를 형성하는 단계는,
제 1 기판 상에 p 타입 도전형 물질로 제 1 박막을 형성하는 단계;
제 2 기판 상에 n 타입 도전형 물질로 제 2 박막을 형성하는 단계; 및
상기 제 1 박막 또는 상기 제 2 박막 중 하나의 박막 위에 중합체를 스핀 코팅하고 다른 박막을 상기 중합체에 접착시켜 PN 접합을 형성하는 단계;
를 포함하는 무전원 분자 검출 소자 제조 방법.
Providing a substrate;
Forming a PN photodiode including a P-type conductive material and an N-type conductive material on the substrate;
/ RTI >
At least one of the p-type conductive material and the n-type conductive material is formed of a transition metal dicarcogenide,
Wherein forming the PN photodiode comprises:
Forming a first thin film of a p-type conductive material on the first substrate;
Forming a second thin film of an n-type conductive material on the second substrate; And
Spin coating a polymer on one of the first thin film or the second thin film and bonding another thin film to the polymer to form a PN junction;
Wherein the method comprises the steps of:
상기 PN 광 다이오드를 형성하는 단계는,
원자층 증착(Atomic Layer Deposition) 공정을 이용하는 무전원 분자 검출 소자 제조 방법.
8. The method of claim 7,
Wherein forming the PN photodiode comprises:
(JP) METHOD FOR MANUFACTURING NON - POWER MOLECULAR DETECTION DEVICE USING ATOMIC LAYER DEPOSITION PROCESS.
상기 PN 광 다이오드를 형성하는 단계는,
기화된 MoCl5, WCL6, MO(CO)6, WH2(iprCp)2 또는 이들의 조합을 전이금속 전구체로 사용하여 상기 P 타입 도전형 물질 또는 상기 N 타입 도전형 물질을 형성하는 단계;
를 포함하는 무전원 분자 검출 소자 제조 방법.
9. The method of claim 8,
Wherein forming the PN photodiode comprises:
Forming the P-type conductive material or the N-type conductive material using vaporized MoCl 5 , WCL 6 , MO (CO) 6 , WH 2 (iprCp) 2 or a combination thereof as a transition metal precursor;
Wherein the method comprises the steps of:
상기 PN 광 다이오드를 형성하는 단계는,
H2S, H2Se, Se(C2H5)2 또는 이들의 조합을 칼코겐 전구체로 사용하여 상기 P 타입 도전형 물질 또는 상기 N 타입 도전형 물질을 형성하는 단계;
를 포함하는 무전원 분자 검출 소자 제조 방법.
10. The method of claim 9,
Wherein forming the PN photodiode comprises:
Forming the P-type conductive material or the N-type conductive material using H 2 S, H 2 Se, Se (C 2 H 5 ) 2 or a combination thereof as a chalcogen precursor;
Wherein the method comprises the steps of:
상기 PN 광 다이오드의 두께를 3nm 내지 5nm로 형성하는 무전원 분자 검출 소자 제조 방법.
8. The method of claim 7,
Wherein the PN photodiode has a thickness of 3 nm to 5 nm.
상기 기판을 제공하는 단계는;
SiO2, ITO, 그래핀 또는 이들의 조합을 제공하는 단계를 포함하는 무전원 분자 검출 소자 제조 방법.
8. The method of claim 7,
Wherein providing the substrate comprises:
SiO 2, ITO, graphene or a non-powered molecule detection device manufacturing method comprising the steps of: providing a combination of the two.
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