KR101541084B1 - Dna 코팅을 통한 그래핀 내 pn 접합 형성 방법 및 이에 의해 형성된 pn 접합 구조체 - Google Patents

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Abstract

그래핀(graphene) 내 PN 접합 형성 방법은, 그래핀 층을 형성하는 단계; 및 상기 그래핀 층의 일부 영역에, 상기 그래핀 층에 흡착되었을 때 상기 그래핀 층에 미리 결정된 도핑 특성을 부여하도록 설계된 염기 배열 구조를 갖는 DNA 분자층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 그래핀이 특정 반도체 특성을 갖도록 도핑시키도록 염기 배열 구조가 설계된 DNA 분자를 마이크로 패터닝에 의해 일부 영역이 노출된 그래핀 층 표면에 코팅함으로써, 그래핀 층에서 DNA 분자가 코팅된 영역과 코팅되지 않은 영역에 의해 다양한 구조의 PN 접합을 형성할 수 있다.

Description

DNA 코팅을 통한 그래핀 내 PN 접합 형성 방법 및 이에 의해 형성된 PN 접합 구조체{METHOD FOR FORMING PN JUNCTION IN GRAPHENE WITH APPLICATION OF DNA AND PN JUNCTION STRUCTURE FORMED USING THE SAME}
실시예들은 DNA 코팅을 통한 그래핀 내 PN 접합 형성 방법 및 이에 의해 형성된 PN 접합 구조체에 대한 것으로, 보다 구체적으로는 염기 배열을 제어 가능한 DNA 분자를 그래핀 표면상에 코팅함으로써 유기물질 기반 반도체 접합 구조를 형성하는 것에 대한 것이다.
PN 접합(junction)은 반도체의 내부에서 p형과 n형의 성질을 나타내는 두 영역 사이의 경계 또는 전이 부분을 이르며, 여러 가지 중요한 기능을 수행할 수 있어서 많은 반도체 장치의 중심적 구조를 이룬다. 순방향으로 전류가 흐를 경우 각 영역에서 상대 영역으로 소수 캐리어(carrier)의 주입이 발생하며, 이는 접합 트랜지스터의 이미터(emitter)나 발광 다이오드(light-emitting diode), 접합 레이저 등에 이용된다. 역방향으로 전압을 가하면 소수 캐리어의 수집 작용이나 공핍(depletion)층의 정전 용량 특성, 공핍층 속에서의 전자 애벌란시(avalanche) 증배 현상 등이 생겨 접합 트랜지스터의 컬렉터(collector) 및 콘덴서(condenser), 애벌란시 포토 다이오드(photo diode) 등에 이용된다.
그래핀(graphene)은 탄소 원자들이 벌집 격자로 2차원 배열된 구조를 가진 물질로서, 원자 하나 두께의 매우 얇고 평탄한 탄소층으로 구성되어 있다. 그래핀은 특이한 원자배열구조로 인하여 2차원 구조체 확보가 용이하고, 탄소 원자 부근에서 정지질량이 0에 근접하여 전하이동도가 매우 뛰어나 전자가 빠른 속도로 그래핀을 통과할 수 있기 때문에 질량이 없는 "디락(Dirac)" 입자처럼 행동한다. 따라서, 그래핀은 센서 및 반도체 회로 소자로서 응용 가능성이 높고, 또한 산란(scattering)에 의한 저항 감소가 적어 반도체 소자 구성에 유리하며, 공정 및 제작이 용이한 이점이 있다.
그러나, 반도체 실리콘과는 달리, 그래핀에는 가전자대(valence band)와 전도대 사이에 갭(gap)이 없다. 밴드갭은 트랜지스터 제작에 사용되는 재료가 전류를 온/오프(on/off)할 수 있게 하기 위한 필수적인 특성이다. 그래핀 속에 밴드갭을 도입할 수 있는 한 가지 방법은 그래핀을 도핑하는 것이지만, 이러한 도핑은 그래핀 고유의 전기적 성질을 파괴하지 않도록 신중하게 수행되어야 한다.
일반적으로 그래핀의 도핑은 화학적인 방법을 통하여 이루어지는데, 국부적 도핑을 위해서는 확산 공정과 이온주입 공정이 적용되고 있다. 그러나, 확산 공정에 의한 그래핀 도핑은 원하는 부분만 국부적으로 도핑시키기 어렵기 때문에 소자 집적화에 걸림돌이 된다. 또한, 이온 주입 기법에 의한 그래핀 표면 도핑 공정은 이온 충돌에 의해 그래핀 내 격자결함을 발생시키며, 이는 그래핀의 전자이동도를 낮추게 된다. 나아가, 이들 공정은 불순물을 농도차에 의해 확산시키고 전계에 의해 가속된 이온이 격자 결함을 발생시키도록 하기 위해 고온 공정 및 높은 에너지 소모가 요구되며, 도핑 공정에 소요되는 시간이 크고, 공정 중에 그래핀의 원자배열구조가 손상되어 전기적 특성을 상실할 가능성이 있는 단점이 있다.
미국 등록특허공보 제7,674,447호
그래핀(graphene)의 경우 뛰어난 전기적·역학적 특성으로 인해, 많은 관심을 받고 있지만, 에너지 밴드갭(bandgap)이 없기 때문에 반도체 특성이 뚜렷하지 않다. 본 발명의 일 측면에 따르면, 염기 배열 구조에 따른 DNA 분자의 전기적 특성을 이용하여 그래핀 표면에 화학적 도핑 효과를 부여하고 회로의 채널 부분에 PN 접합을 형성하는 기술을 제공할 수 있다.
일 실시예에 따른 그래핀(graphene) 내 PN 접합 형성 방법은, 그래핀 층을 형성하는 단계; 및 상기 그래핀 층의 일부 영역에, 상기 그래핀 층에 흡착되었을 때 상기 그래핀 층에 미리 결정된 도핑 특성을 부여하도록 설계된 염기 배열 구조를 갖는 DNA 분자층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 PN 접합 구조체는, 그래핀 층; 및 상기 그래핀 층의 일부 영역상에 위치하며 미리 결정된 염기 배열 구조를 갖는 DNA 분자층을 포함할 수 있다. 이때, 상기 그래핀 층의 상기 일부 영역은 상기 DNA 분자층의 염기 배열 구조에 의해 결정되는 반도체 특성을 갖는다.
본 발명의 일 측면에 따르면, DNA 분자의 염기 배열 설계를 통해 DNA 분자 내 전자 개수를 조절함으로써 DNA 분자가 그래핀(graphene) 표면에 흡착되었을 때의 화학적 도핑 효과를 제어할 수 있으며, 이를 통해 도핑 공정에 소요되는 시간 및 공정 비용을 줄일 수 있다. 또한, DNA 분자-그래핀 간 결합은 간단한 흡착 공정을 통해 형성되므로 공정 수순 및 공정 난이도가 낮아져 소자 제작 수율(yield)이 증가될 수 있다. 나아가, 상용화된 기술을 이용해 특정하게 설계된 염기 배열을 갖는 DNA 구조를 제작할 수 있으므로, DNA 염기 배열 설계를 통한 그래핀 도핑 특성의 미세 제어가 가능하다.
본 발명의 일 측면에 따른 그래핀 내 PN 접합 형성 방법 및 PN 접합 구조체는, 플렉서블(flexible) 디스플레이, 플렉서블 태양전지, 투명 디스플레이, 그래핀 기반 초고속 트랜지스터 등 다양한 그래핀 기반 능동 소자에 유리하게 사용될 수 있다.
도 1은 네 종류의 DNA 분자가 그래핀(graphene)에 흡착된 후 그래핀의 전류-게이트 전압 변화를 나타내는 그래프이다.
도 2는 일 실시예에 따라 그래핀 층 표면에 DNA 분자를 코팅하여 제작된 PN 접합 구조체의 개략적인 단면도이다.
도 3a 내지 3e는 일 실시예에 따라 포토리소그래피(photolithography)를 이용하여 그래핀 내에 PN 접합을 형성하는 방법을 나타내는 개략적인 단면도들이다.
도 4a 내지 4c는 실시예들에 따라 각각 PN 접합, NPN 접합 및 PNP 접합이 형성되는 것을 나타내는 개념도들이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 몇몇 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 몇몇 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명의 실시예들에서는, 염기 배열 구조에 따른 DNA 분자의 전기적 특성을 이용하여 그래핀(graphene)의 표면에 화학적 도핑 효과를 부여하고, 이를 이용하여 PN 접합을 형성하도록 구성된다. DNA 분자의 염기 배열 설계를 통해 DNA 분자 내 전자 개수를 조절함으로써, DNA 분자가 그래핀 표면에 흡착되었을 때의 화학적 도핑 효과를 제어할 수 있다.
DNA 분자는 각 염기가 서로 상보적인 결합을 이루고 있는 구조체로서, 아데닌(adenine; A), 티민(thymine; T), 시토신(cytosine; C), 및 구아닌(guanine; G)의 각 염기를 기초로 A-T 및 G-C 결합 구조에 의해 이중나선 구조를 취하게 된다. DNA 분자는 기본적으로 나선형 꼬임 구조를 이루고 있으나, 단일 가닥 DNA(single strand DNA) 분자의 제작 및 염기 배열 구조 제어가 가능해짐으로써 인위적으로 DNA 분자의 배열, 구조 및 길이를 설계할 수 있게 되었다. DNA 분자는 자기 결합(self-assemble) 특성을 지니고 있어 DNA 구조체의 형성이 용이하며, DNA 분자 말단부에 작용기(functional group)를 형성하여 다른 물질과의 접합을 유도할 수 있다. 일부 물질들은 오비탈 구조에 따라서 작용기 활성화 없이 DNA 분자의 접합이 가능하다.
그래핀은 탄소 원자만으로 이루어진 2차원 원자배열 구조를 가진 물질로서, 원자구조로 인한 2차원 구조체 확보가 용이하고, 탄소 원자 부근에서 정지질량이 0에 근접하여 전하이동도가 매우 뛰어나 센서 및 반도체 회로 소자로서 응용 능력이 뛰어나다. 또한 산란(scattering)에 의한 저항 감소가 적어 반도체소자 구성에 유리하며, 공정 및 제작이 용이하고, 오비탈간 π-π 상호작용에 의한 DNA 분자의 결합이 간편하다는 장점이 있다. 그래핀에 분자가 흡착될 경우 흡착된 분자에 의해 그래핀의 디락 점(Dirac point)이 이동하는 현상이 관찰되는데, 이는 흡착된 분자와 그래핀 간의 전자 교류로 인해 그래핀의 캐리어(carrier) 농도가 달라짐으로써 페르미 레벨(Fermi level)이 달라지게 되기 때문이다.
실시예들에서는, DNA 분자가 그래핀에 흡착되었을 때 그래핀이 미리 결정된 반도체 특성(p형 또는 n형)으로 도핑되도록 DNA 분자의 염기 배열 구조를 설계하고, 이와 같이 설계된 DNA 분자를 그래핀 표면에 선택적으로 위치시킴으로써 그래핀 내에 PN 접합을 형성하도록 구성된다. DNA 분자에서 A-T 및 G-C 결합은 단백질 구조체의 결합 특성에 의하여 서로 상이한 전하량을 갖는데, 이는 A-T 결합 구조에서는 2중 수소결합 구조가 형성되는 반면, G-C 결합구조에서는 3중 수소결합 구조가 형성되기 때문이다. 따라서, 선택된 일부 염기(예컨대, 구아닌(G) 및 시토신(C))의 비율을 조절함으로써 DNA 분자가 지니는 전하량을 조절할 수 있으며, 이를 통하여 DNA 분자 내의 전자 개수를 조절함으로써 그래핀에 대한 화학적 도핑 효과를 제어할 수 있다.
도 1은 네 종류의 DNA가 그래핀에 흡착된 후 그래핀의 전류-게이트 전압 변화를 나타내는 그래프이다.
도 1에서 가로축은 그래핀을 채널로 이용한 트랜지스터의 게이트 전압(Vg)을 나타내고, 세로축은 채널인 그래핀을 통한 소스 전극과 드레인 전극 사이의 소스-드레인 전류(Ids)를 나타낸다. 또한, 도 1에서 그래프(15)는 그래핀의 측정 결과를 나타내며, 그래프(11-14)는 각각 하기 표 1에 기재된 DNA #1 내지 DNA #4가 흡착된 그래핀의 측정 결과를 나타낸다. 표 1에 도시된 DNA #1 내지 DNA #4에서 괄호 안의 %는 DNA의 염기 중 구아닌(G) 및 시토신(C) 염기의 비율을 나타낸다.
DNA #1 GCG GAG GTG CAC GCG GAG CAC (76%)
DNA #2 GTG CGC GCA CGC AGA CAT ATA (57%)
DNA #3 ACA TAT ATG TAT GAG TGC GCG (42%)
DNA #4 ACA TAT AGA TGT ACA TAT AGA (23%)
도 1에 도시된 바와 같이, 그래핀에 흡착된 DNA에서 구아닌(G) 및 시토신(C) 염기의 비율이 감소할수록, 소스-드레인 전류(Ids)가 최소가 되는 게이트 전압(Vg)으로 나타내어지는 그래핀의 디락 점이 낮은 게이트 전압 쪽으로 시프트된다. 즉, 흡착된 DNA의 염기 배열 구조에 따라 그래핀 내에서 이동하는 캐리어(정공)의 양이 변화되는 것을 알 수 있다. 이를 역으로 이용하면, 그래핀에 흡착되는 DNA의 염기 배열 구조를 이용하여 그래핀의 전기적 특성을 제어할 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따라 그래핀 층 표면에 DNA 분자를 코팅하여 제작된 PN 접합 구조체의 개략적인 단면도이다.
본 명세서에서 PN 접합이란, 하나 이상의 p형 반도체 영역과 하나 이상의 n형 반도체 영역을 포함하는 임의의 구조를 지칭하는 것으로 의도된다. 따라서, 본 명세서에 기재된 PN 접합은 p형 반도체-n형 반도체로 이루어진 PN 접합 또는 n형 반도체-p형 반도체로 이루어진 NP 접합을 포함할 뿐만 아니라, PNP 접합 또는 NPN 접합과 같은 이중극 트랜지스터(bipolar transistor)도 포함하는 것으로 의도된다. 나아가, p형 반도체와 n형 반도체 사이, 또는 p형 반도체 및 n형 반도체 중 어느 하나와 접촉하도록 배치된 진성(intrinsic) 실리콘 영역을 더 포함하는 PIN 접합 또는 NIP 접합 등도 본 명세서에 기재된 PN 접합의 범위에 포함된다.
도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 PN 접합 구조체는 그래핀 층(24) 및 상기 그래핀 층(24)상에 부분적으로 위치하는 DNA 분자층(29)을 포함할 수 있다. DNA 분자층(29)은 화학적 공정에 의하여 그래핀 층(24)상에 흡착된 DNA 분자들로 이루어질 수 있다. DNA 분자층(29)은 그래핀 층(24)을 부분적으로만 덮도록 위치할 수 있다. DNA 분자층(29)을 이와 같이 배치하기 위하여, PN 접합 구조체는 그래핀 층(24)의 일부 영역(242)과 DNA 분자층(29) 사이에 위치하여 상기 일부 영역(242)이 DNA 분자층(29)과 접촉하지 않도록 하는 패시베이션(passivation) 층(27)을 더 포함할 수도 있다. 패시베이션 층(27)은 포토레지스트(photoresist)로 이루어질 수도 있다.
DNA 분자층(29)을 구성하는 DNA 분자의 염기 배열 구조는 그래핀 층(24)에 부여하고자 하는 반도체 특성에 기초하여 결정될 수 있다. 그래핀은 나노구조체(예컨대, 나노리본) 형성 시 기본적으로 p형 반도체 특성을 갖는다. 이때, DNA 분자층(29)의 DNA 분자들은 그래핀 층(24)의 일부 영역에 코팅됨으로써 해당 영역에서 그래핀 내 주요 캐리어가 DNA 분자와 접촉되는 것에 의해 n형 반도체 특성을 부여하도록 설계될 수 있다. 그 결과, 그래핀 층(24)에서 DNA 분자층(29)에 의하여 덮이지 않은 영역(241)은 p형 반도체 특성을 가지며, DNA 분자층(29)에 의해 덮인 영역(242)은 n형 반도체 특성을 갖게 되며, 두 영역(241, 242)이 PN 접합을 형성할 수 있다.
본 명세서에서, 그래핀 층(24)에서 DNA 분자층(29)과 접촉하지 않는 영역(241)은 제1 영역으로, 그래핀 층(24)에서 DNA 분자층(29)과 접촉하는 영역은 제2 영역(242)으로도 지칭된다.
일 실시예에서, PN 접합 구조체의 그래핀 층(24)은 트랜지스터의 채널층에 해당될 수 있다. 즉, PN 접합 구조체는 기판(22) 및 상기 기판(22)상에 위치하며 그래핀 층(24)의 양 측면에 각각 접촉하도록 배치된 소스 전극(25) 및 드레인 전극(26)을 포함할 수 있다. 소스 전극(25) 및 드레인 전극(26)은 금(Au)과 같은 금속 또는 다른 적당한 도전 물질로 이루어질 수 있다.
일 실시예에서, PN 접합 구조체는 기판(22)의 양 표면에 각각 위치하는 제1 및 제2 절연막(21, 23)을 더 포함할 수도 있다. 절연막(23)은 기판(22)과 그래핀 층(24)의 사이에 위치할 수 있다. 제1 및 제2 절연막(21, 23) 각각은 실리콘 산화물(SiOx) 또는 다른 적당한 절연 물질로 이루어질 수 있다.
또한 일 실시예에서, PN 접합 구조체는 소스 전극(25) 및 드레인 전극(26)상에 위치하는 패시베이션 층(28)을 더 포함할 수도 있다. 패시베이션 층(28)은 그래핀 층(24) 상의 패시베이션 층(27)과 마찬가지로 포토레지스트로 이루어질 수 있으며, 후술하는 것과 같이 패시베이션 층(27)과 동일 공정에서 하나의 물질을 이용하여 형성될 수도 있다.
도 3a 내지 3e는 일 실시예에 따라 포토리소그래피(photolithography)를 이용하여 그래핀 내에 PN 접합을 형성하는 방법을 나타내는 개략적인 단면도들이다.
실시예들에 따른 그래핀-DNA 기반 PN 접합 구조체는 반도체 공정을 이용하여 형성될 수 있다. 도 3a를 참조하면, 기판(22)의 양 표면상에 각각 제1 및 제2 절연막(21, 23)을 형성하고, 절연막(21, 23)이 형성된 기판(22)의 일 표면상에 그래핀 층(24)을 형성할 수 있다. 일 실시예에서, 그래핀 층(24)은 다른 기판(미도시)상에 그래핀을 형성한 후 기판(22)에 전사시키는 방식으로 기판(22)상에 형성될 수도 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 3b를 참조하면, 다음으로 리소그래피를 통해 형성된 마스크를 이용하여 그래핀 층(24)을 패터닝할 수 있다. 예컨대, 그래핀 층(24)을 트랜지스터의 채널층으로 이용하기 위하여 추후 채널의 기능을 할 나노구조체 부분만 남기고 그래핀 층(24)을 식각할 수 있다.
도 3c를 참조하면, 채널 형상으로 식각된 그래핀 층(24)의 양측에 리소그래피 공정을 이용하여 소스 전극(25) 및 드레인 전극(26)을 형성할 수 있다. 소스 전극(25) 및 드레인 전극(26)은 기판(22)의 전면상에 금(Au) 또는 다른 적당한 도전 물질의 층을 형성하고, 전극으로 사용할 부분만 남도록 상기 도전 물질의 층을 패터닝함으로써 형성될 수 있다.
도 3d를 참조하면, 다음으로 그래핀 층(24)상에 패시베이션 층(27)을 형성하고, 소스 전극(25) 및 드레인 전극(26)상에 패시베이션 층(28)을 형성할 수 있다. 패시베이션 층(27)과 패시베이션 층(28)과 동일한 공정에서 하나의 물질로 형성된 층을 단지 위치에 따라 구분한 것을 지칭할 수 있다. 예컨대, 소스 전극(25), 그래핀 층(24) 및 드레인 전극(26)의 전면상에 포토레지스트를 형성하고, 그래핀 층(24)의 표면에서 포토레지스트를 부분적으로 제거함으로써 패시베이션 층(27) 및 패시베이션 층(28)을 형성할 수 있다. 포토레지스트가 제거될 영역은 마이크로 패터닝 기술을 이용하여 미세 조절될 수 있다.
도 3e를 참조하면, 마지막으로 패시베이션 층(27)에 의하여 덮이지 않고 노출된 그래핀 층(24)과 접촉하도록 그래핀 층(24)상에 DNA 분자층(29)을 형성할 수 있다. DNA 분자층(29)을 이루는 DNA 분자들은 그래핀 층(24)에 소정의 반도체 특성을 부여하도록 설계된 염기 배열 구조를 가진다. 그래핀은 sp2 오비탈 구조를 지니고 있어, 별다른 전처리 과정을 거치지 않아도 DNA 분자를 표면에 쉽게 결합할 수 있다.
DNA 분자층(29)을 형성하는 예시적인 방법은 다음과 같다. 먼저, DNA 분자들을 증류수(DI water)에 분산시켜 약 6 ng/ml 농도의 콜로이드 용액을 제조한다. 다음으로, 그래핀 층(24)이 노출된 부분을 포함하는 영역에 DNA 콜로이드 용액을 피펫을 이용하여 3 마이크로리터 떨어뜨린 후, 이를 증류수가 담긴 비커 내에 넣고 교반기를 이용하여 1분간 워싱(washing)한다. 이와 같은 방법을 통하여, 그래핀 층(24)의 원하는 영역에 DNA를 코팅할 수 있다.
그러나 이는 단지 예시적인 것으로서, DNA 분자층(29)을 형성하는 방법은 그래핀 층(24)의 원하는 영역에 DNA 분자가 흡착될 수 있는 공지된 또는 향후 개발될 임의의 방법을 포함할 수 있으며, 특정 방법에 한정되지 않는다.
도 4a 내지 4c는 실시예들에 따라 각각 PN 접합, NPN 접합 및 PNP 접합이 형성되는 것을 나타내는 개념도들이다.
도 4a를 참조하면, 일 실시예에 따라 그래핀 층에는 DNA 분자가 흡착된 영역(41)과 DNA 분자가 흡착되지 않은 영역(42)이 형성될 수 있다. DNA 분자가 흡착된 영역(41)은 그래핀에 흡착된 DNA 분자와 그래핀 간의 전자 교류로 인해 그래핀의 캐리어 농도가 달라지게 되며, 그 결과 페르미 레벨 EF 가 달라져 n형 반도체 특성을 갖게 될 수 있다. 반면, DNA 분자가 흡착되지 않은 영역(42)은 그래핀 고유의 p형 반도체 특성을 갖는다. 따라서, 두 영역(41, 42)에 의해 PN 접합이 형성된다.
도 4a에서 그래핀 층을 구성하는 탄소 원자 및 그 위에 위치하는 DNA 분자의 크기나 결합 구조 등은 단지 그래핀 층의 해당 영역에 DNA 분자가 흡착되었다는 것을 개념적으로 설명하기 위한 것이며, 도시된 DNA 분자에 의하여 DNA 분자가 실제로 흡착될 영역의 경계가 정의되거나 DNA 분자의 크기 또는 종류가 한정되는 것이 아니라는 점이 이해되어야 한다. 이는 후술하는 도 4b 및 4c에서도 마찬가지이다.
도 4b를 참조하면, 일 실시예에 따라 그래핀 층에는 DNA 분자가 흡착된 영역(43), DNA 분자가 흡착되지 않은 영역(44), 그리고 DNA 분자가 흡착된 또 다른 영역(45)이 순서대로 배열될 수 있다. 그 결과, 세 개의 영역(43, 44, 45)에 의하여 NPN 접합 구조의 이중극 트랜지스터가 형성될 수 있다.
또한 도 4c를 참조하면, 일 실시예에 따라 그래핀 층에는 DNA 분자가 흡착되지 않은 영역(46), DNA 분자가 흡착된 영역(47), 그리고 DNA 분자가 흡착되지 않은 또 다른 영역(48)이 순서대로 배열될 수 있다. 그 결과, 세 개의 영역(46, 47, 48)에 의하여 PNP 접합 구조의 이중극 트랜지스터가 형성될 수 있다.
이상에서 도 4a 내지 4c를 참조하여 설명한 것과 같이, 실시예들에 따르면 그래핀 층의 각 영역에 대한 DNA 분자의 코팅 여부에 따라 다양한 구조를 지니는 PN 접합 소자를 구현할 수 있다. 또한, 본 명세서에서는 DNA 분자를 흡착시킴으로써 그래핀 층에 n형 반도체 특성을 부여하는 실시예들을 개시하였으나, 그래핀 층에 부여되는 반도체 특성은 코팅된 DNA 염기의 종류 및 배열에 따라 이와 상이하게 결정될 수도 있다.
이상에서 설명한 실시예들에 따르면, DNA 코팅 기법 및 염기 배열 구조에 따른 DNA 분자의 전기적 특성 변화를 이용하여 그래핀에 화학적 도핑 효과를 부여하고, 이를 통해 그래핀 표면에 PN 접합을 형성할 수 있다. 실시예들에 따르면, 종래의 화학적인 방법에 의한 그래핀의 도핑 시 높은 공정 비용이 요구되고 공정 중에 그래핀의 원자배열구조가 손상되는 등의 문제점을 해결하고, 도핑 공정에 소요되는 시간 및 공정 비용을 줄일 수 있다. 또한, DNA 분자-그래핀 간 결합은 간단한 흡착 공정을 통해 형성되므로, 공정 수순 및 공정 난이도가 낮아져 소자 제작 수율이 증가될 수 있다. 나아가, DNA의 염기 배열 구조 설계는 이미 상용화된 기술을 이용해 용이하게 이루어질 수 있으며, 이를 활용하여 그래핀의 도핑 특성을 미세 제어할 수 있다.
실시예들에 따른 그래핀 내 PN 접합 형성 방법 및 PN 접합 구조체는, 플렉서블(flexible) 디스플레이, 플렉서블 태양전지, 투명 디스플레이, 그래핀 기반 초고속 트랜지스터 등 다양한 그래핀 기반 능동 소자에 유리하게 사용될 수 있다.
본 발명은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 변경 및 변형이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것은 아니다.

Claims (11)

  1. 그래핀 층을 형성하는 단계; 및
    상기 그래핀 층의 일부 영역에, 상기 그래핀 층에 흡착되었을 때 상기 그래핀 층에 미리 결정된 도핑 특성을 부여하도록 설계된 염기 배열 구조를 갖는 DNA 분자층을 형성함으로써, 상기 그래핀 층이 상기 DNA 분자층이 형성되지 않은 하나 이상의 제1 영역과 상기 DNA 분자층이 형성된 하나 이상의 제2 영역을 갖도록 상기 DNA 분자층을 형성하는 단계를 포함하되,
    상기 제1 영역은 p형 반도체 특성을 가지며, 상기 제2 영역은 n형 반도체 특성을 가지고,
    상기 DNA 분자층을 형성하는 단계는, 상기 제2 영역이 n형 반도체 특성을 갖도록 DNA 분자 내 시토신 염기 및 구아닌 염기의 비율을 변화시키는 단계를 포함하는, 그래핀 내 PN 접합 형성 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 DNA 분자층을 형성하는 단계는,
    상기 그래핀 층상에 패시베이션 층을 형성하는 단계;
    상기 그래핀 층의 상기 일부 영역으로부터 상기 패시베이션 층이 제거되도록 상기 패시베이션 층을 패터닝하는 단계; 및
    상기 그래핀 층 및 패터닝된 상기 패시베이션 층상에 DNA 분자를 흡착시키는 단계를 포함하는, 그래핀 내 PN 접합 형성 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 DNA 분자층을 형성하는 단계 전에, 상기 그래핀 층의 양 측면에 각각 접촉하며 서로 이격된 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 단계를 더 포함하는, 그래핀 내 PN 접합 형성 방법.
  7. 그래핀 층; 및
    상기 그래핀 층의 일부 영역상에 위치하며 미리 결정된 염기 배열 구조를 갖는 DNA 분자층을 포함하되,
    상기 그래핀 층의 상기 일부 영역은 상기 DNA 분자층의 DNA 분자 내 시토신 염기 및 구아닌 염기의 비율에 의해 결정되는 반도체 특성을 가지며,
    상기 그래핀 층은, 상기 DNA 분자층이 형성되지 않으며 p형 반도체 특성을 가지는 하나 이상의 제1 영역과, 상기 DNA 분자층이 형성되어 n형 반도체 특성을 가지는 하나 이상의 제2 영역을 포함하는 PN 접합 구조체.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 그래핀 층의 상기 일부 영역상에 위치하며 상기 그래핀 층과 상기 DNA 분자층 사이에 위치하는 패시베이션 층을 더 포함하는 PN 접합 구조체.
  11. 제 7항에 있어서,
    상기 그래핀 층의 일 측면에 접촉하도록 배치된 소스 전극; 및
    상기 그래핀 층의 다른 측면에 접촉하고 상기 소스 전극과 이격되어 위치하는 드레인 전극을 더 포함하는 PN 접합 구조체.
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