KR101667486B1 - 핀 전극을 가진 그래핀 릴레이 소자 및 그 제작 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 나노전자기계소자로 이용될 수 있는 핀 전극을 가진 그래핀 릴레이 소자 및 그 제작 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일실시예에 의한 핀 전극을 가진 그래핀 릴레이 소자는 드레인; 상기 드레인 위에 안착되어 단일의 층으로 형성된 그래핀 층; 상기 그래핀 층과 이격되게 위치한 핀을 포함한 소스; 및 상기 그래핀 층과 이격되게 형성된 게이트를 포함할 수 있다. 특히, 상기 게이트에 소정 전압 인가 시, 상기 그래핀 층은 상기 핀에 부착될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 의한 핀 전극을 가진 그래핀 릴레이 소자는 드레인; 상기 드레인 위에 안착되어 단일의 층으로 형성된 그래핀 층; 상기 그래핀 층과 이격되게 위치한 핀을 포함한 소스; 및 상기 그래핀 층과 이격되게 형성된 게이트를 포함할 수 있다. 특히, 상기 게이트에 소정 전압 인가 시, 상기 그래핀 층은 상기 핀에 부착될 수 있다.
Description
본 발명은 핀 전극을 가진 그래핀 릴레이 소자 및 그 제작 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 나노전자기계소자로 이용될 수 있는 핀 전극을 가진 그래핀 릴레이 소자 및 그 제작 방법에 관한 것이다.
일반적으로 DRAM 이나 불휘발성 메모리소자 등과 같은 반도체 메모리소자들은 정보를 기억하는 장치로서, 정보를 저장하거나, 저장된 정보를 읽어오거나, 또는 저장된 정보를 소거할 수 있다. DRAM 의 경우 하나의 단위셀이 하나의 모스 트랜지스터와 하나의 캐패시터로 구성된다. 소자가 고집적화가 됨에 따라 그의 사이즈가 점점 축소되고, 이에 따라 캐패시터면적이 축소되어 충분한 캐패시턴스를 확보할 수 없게 되었다. 이에 따라 고집적 메모리소자에서 단위셀당 충분한 캐패시턴스를 확보할 수 있는 기술이 요구되었다. 한편, 불휘발성 메모리소자는 저전력의 고속동작이 가능하고, 비휘발성 특성이 우수하면서 소자가 요구되었다. 관련된 선행문헌으로 대한민국 등록특허 제10-0652410호가 있다.
한편, Nanoelectromechanical System (NEMS) 소자에 연구 개발이 활발이 진행되고 있다. 그 일례로 탄소나노튜브 기반 NEMS 비휘발성 메모리/스위칭 소자 관련한 주요 연구들이 발표되고 있다. 그러나 탄소나노튜브는 전력 소모 측면이나 전기적, 기계적 특성에서 한계점이 있다.
따라서 탄소나노튜브 보다 우수한 전기적, 기계적 특성을 갖는 소재 기반의 NEMS 소자에 대한 연구가 필요한 실정이다.
본 발명의 목적은 전력 소모가 적으면서도 우수한 전기적, 기계적 특성을 갖고 나노전자기계소자로 이용될 수 있는 핀 전극을 가진 그래핀 릴레이 소자 및 그 제작 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일실시예에 의하면, 드레인; 상기 드레인 위에 안착되어 단일의 층으로 형성된 그래핀 층; 상기 그래핀 층과 이격되게 위치한 핀을 포함한 소스; 및 상기 그래핀 층과 이격되게 형성된 게이트를 포함하되, 상기 게이트에 소정 전압 인가 시, 상기 그래핀 층은 상기 핀에 부착되는 핀 전극을 가진 그래핀 릴레이 소자가 개시된다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일실시예에 의하면, 드레인; 상기 드레인 위에 안착되어 복수의 층으로 형성된 그래핀 층; 상기 그래핀 층과 이격되게 위치한 핀을 포함한 소스; 및 상기 그래핀 층과 이격되게 형성된 게이트를 포함하되, 상기 게이트에 소정 전압 인가 시, 상기 그래핀 층은 상기 핀에 부착되는 핀 전극을 가진 그래핀 릴레이 소자가 개시된다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일실시예에 의하면, 웨이퍼를 패터닝하여 핀을 포함한 소스를 형성하는 단계; 상기 소스 위에 절연층을 증착하는 단계; 상기 핀의 상부가 노출되도록 상기 절연층을 식각하는 단계; 상기 절연층 및 상기 핀 상부에 메탈을 증착시키는 단계; 상기 핀의 상부가 노출되도록 상기 메탈을 식각하는 단계; 및 상기 핀과는 이격되면서 좌우 양쪽 부분은 상기 메탈 위에 안착되게 그래핀 층을 형성하는 단계를 포함하는 핀 전극을 가진 그래핀 릴레이 소자의 제작 방법이 개시된다.
본 발명의 일실시예에 의한 핀 전극을 가진 그래핀 릴레이 소자는 그래핀의 전기적, 기계적 특이성으로 인하여 스위칭 제어가 용이하다.
본 발명의 일실시예에 의한 핀 전극을 가진 그래핀 릴레이 소자는는 스위칭 스피드가 빠르다.
본 발명의 일실시예에 의한 핀 전극을 가진 그래핀 릴레이 소자는 스위칭 스피드가 빠르다.
본 발명의 일실시예에 의한 핀 전극을 가진 그래핀 릴레이 소자는 비휘발성 메모리로 활용 가능할 뿐만 아니라 압력 센서, 가속도 센서, 질량센서, 온도센서 등에도 응용이 가능하다.
본 발명의 일실시예에 의한 핀 전극을 가진 그래핀 릴레이 소자는 단면적인 넓어서 Capacitance가 커서 낮은 전압으로도 동작이 가능하기에, 전력 소모가 적다.
도 1은 본 발명의 일실시예와 관련된 핀 전극을 가진 그래핀 릴레이 소자의 제작 방법을 나타내는 공정도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예와 관련된 핀 전극을 가진 그래핀 릴레이 소자의 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예와 관련된 핀 전극을 가진 그래핀 릴레이 소자의 오프(off) 상태를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예와 관련된 핀 전극을 가진 그래핀 릴레이 소자의 온(on) 상태를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예와 관련된 핀 전극을 가진 그래핀 릴레이 소자의 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예와 관련된 핀 전극을 가진 그래핀 릴레이 소자의 오프(off) 상태를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예와 관련된 핀 전극을 가진 그래핀 릴레이 소자의 온(on) 상태를 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 일실시예와 관련된 핀 전극을 가진 그래핀 릴레이 소자 및 그 제작 방법에 대해 도면을 참조하여 설명하도록 하겠다.
본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명의 일실시예와 관련된 핀 전극을 가진 그래핀 릴레이 소자에 사용되는 그래핀(Graphene)은 다음과 같은 특징을 가진다.
그래핀(Graphene)은 탄소 원자 한 개 두께의 2차원 구조이고 탄소 원자들이 벌집 모양의 격자로 배열되어 있다. 그래핀(Graphene)이란 흑연을 의미하는 graphite와 탄소의 이중결합을 가진 분자를 뜻하는 접미나 -ene을 결합해서 만든 용어로서 육각형의 결자를 가진 탄소의 2차원적인 동소체를 의미한다. 그래핀의 무한한 평면은 valence band와 conduction band가 만나는 전자가 없는 에너지 영역을 보인다.
그래핀의 성질을 살펴보면 아래와 같다. 그래핀은 뛰어난 물리적 강도를 가지고 있다. 그래핀의 강도는 강철의 200배 이상인 1,100 GPa이다. 이것은 단단한 탄소 결합이 있고 단층에 결합이 존재할 수 없기 때문이다. 그래핀은 우수한 열 전도성을 가진다. 그래핀의 열전도성은 실온에서 약 500 W/m K이다. 이는 탄소나노 튜브보다 50% 이상 높은 값이며, 구리나 알루미늄 같은 금속보다는 10배정도 큰 값이다. 이것은 그래핀이 원자진동을 쉽게 전달할 수 있기 때문이다. 이러한 우수한 열 전도성은 전자의 긴 평균 자유 행로에도 영향을 준다.
또한, 그래핀은 빠른 전자 이동도와 전자의 긴 평균 자유행로를 가진다. 상온에서 그래핀의 최대 전자 이동도는 200,000 cm/V s이다. 이것은 그래핀의 경우 전자가 움질일 때 방해를 주는 산란의 정도가 매우 작기 때문으로 알려지고 있으며 이로 인하여 긴 평균 자유행로를 가지게 된다. 따라서 저항이 매우 낮은 구리보다도 35 % 이상 저항이 낮은 값을 지닌다. 또한, 그래핀에서는 반정수적인 양자 홀 효과가 나타난다. 그래핀에서 빠른 전자 이동도를 이용하면 양자 홀 효과를 관찰할 수 있다. 양자 홀 효과란 조건과 물질에 관계없이 홀 저항이 일정한 값을 가지게 되는 현상을 의미하는데 보통은 정수나 분수로 나타나지만 그래핀은 란다우 준위가 특이하게 형성되기에 반정수 (n+1/2) 계단 형태로 나타난다. 이러한 양자 현상은 극저온이나 고자기장과 같은 상황에서 관측되는데 그래핀의 경우는 낮은 자기장과 상온에서도 관측이 가능하다는 특징을 지닌다. 그래핀은 매우 얇은 두께와 뛰어난 유연성을 가진다. 그래핀의 경우 10 % 이상 면적을 늘리거나 접어도 전기 전도성을 잃지 않는다. 이러한 유연성으로 인하여 그래핀을 휘게하여 풀러렌과 같은 공모양의 물질이나 탄소나노튜브 등을 만들어 낼 수도 있고 플렉서블 디스플레이의 투명 전극으로도 활용이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일실시예와 관련된 핀 전극을 가진 그래핀 릴레이 소자의 제작 방법을 나타내는 공정도이다.
도 1에서 왼쪽 그림은 공정도의 사시도를 나타낸 도면이고, 오른쪽 그림은 그에 대응되는 측단면도를 나타내는 도면이다.
먼저, 육면체의 와이퍼(wafer)를 마련한다(S1). 상기 와이퍼를 패터닝(pattern)하여 소스(source, 110)를 형성한다(S2). 상기 소스(110)는 핀(111), 바닥 전극(112) 및 벽(113)을 포함할 수 있다.
상기 소스(110) 위에 절연층(120)을 증착시킨다(S3). 상기 절연층(120)은 핀(111)의 둘레를 감싸도록 형성될 수 있다. 상기 절연층(120)은 유리, 대리석, 운모, 고무, 에보나이트, 황, 폴리스티롤, 폴리에틸렌, 산화계 세라믹스 등이 사용될 수 있다.
상기 절연층(120)이 증착되면, 핀(111) 상부가 외부로 노출될 수 있도록 상기 절연층(120)을 식각할 수 있다(S4).
상기 절연층(120) 식각 후에, 메탈을 증착시킬 수 있다(S5). 상기 메탈은 바닥 전극 위에 형성된 절연체 위에 영역인 제1영역, 벽(113) 위에 형성된 절연체 위에 영역인 제2영역, 핀(111) 상부 영역인 제3영역에 증착될 수 있다.
상기 메탈 증착 공정 후, 핀(111) 상부 영역이 외부로 노출되도록 식각 공정을 수행할 수 있다(S6).
상기 메탈 식각 공정이 이루어지면, 상기 메탈은 상기 제1영역 및 상기 제2영역에 남아 있을 수 있다. 상기 제1영역에 남아있는 메탈(하단에 위치한 메탈)은 게이트(140)로 동작하고, 상기 제2영역 위에 남아있는 메탈(상단에 위치한 메탈)은 드레인(130)으로 동작할 수 있다.
그리고 판넬 형상의 그래핀 층을 형성할 수 있다(S7). 상기 그래핀 층(150)은 단일층으로 형성될 수 있고, 복수의 층으로 형성될 수 있다. 단일층으로 형성하는 제조 공정이 다소 복잡하지만, 동작 전압이 낮아 전력 소모가 적고, 스위칭 속도가 빠르다. 복수의 층으로 형성하는 제조 공정이 다소 수월하지만, 단일층에 비해 상대적으로 동작 전압이 높아 전력 소모가 크고, 스위칭 속도가 빠르다.
상기 그래핀 층(150)의 양쪽 부분은 드레인(130)에 접촉되게 안착되어 있으면서도, 게이트(140) 및 핀(111)과는 이격되게 형성될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예와 관련된 핀 전극을 가진 그래핀 릴레이 소자의 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도시된 바와 같이, 그래핀 릴레이 소자(100)는 핀(111)을 포함한 소스(110), 상기 소스(110) 위에 형성된 절연층(120), 상단 절연층 위에 형성된 드레인(130), 하단 절연층 위에 형성된 게이트(140) 및 그래핀 층(150)을 포함할 수 있다.
상기 그래핀 층(150)의 양쪽 부분은 드레인(130)에 접촉되게 안착되어 게이트(140)의 전압 인가에 따라 수직으로 움직일 수 있다.
상기 그래핀 층(150)의 수직 움직임에 의해 상기 그래핀 릴레이 소자(100)가 온(on)/오프(off) 동작을 수행한다.
도 3은 본 발명의 일실시예와 관련된 핀 전극을 가진 그래핀 릴레이 소자의 오프(off) 상태를 나타내고, 도 4는 본 발명의 일실시예와 관련된 핀 전극을 가진 그래핀 릴레이 소자의 오프(on) 상태를 나타내는 도면이다.
여기서 FGG는 게이트(140)와 그래핀 층(150) 사이의 정전기력을 의미하고, FGP는 핀(111)과 그래핀 층(150) 사이의 정전기력을 의미한다. FvdWBG는 바닥 전극(112)과 그래핀 층(150) 사이의 van der Waals Force를 의미한다. FvdWGP는 핀(111)과 그래핀 층(150) 사이의 van der Waals Force를 의미한다. Felastic는 그래핀 층(150)의 탄성력을 의미한다.
오프 상태는 그래핀 층(150)과 핀(111)이 접촉되지 않은 상태이다. 이 경우, 게이트(140)에 소정 전압이 인가되면, 온 상태가 된다. 온 상태는 그래핀 층(150)과 핀(111)이 접촉된 상태이다.
힘의 균형 측면에서 보면 그래핀의 탄성력이 다른 힘들보다 클 때, 즉 Felastic > FGG + FGP + FvdWGP + FvdWBG 인 상태일 때 오프 상태가 유지된다. 반면에, 그래핀의 탄성력보다 다른 힘들이 클 때, 즉 Felastic < FGG + FGP + FvdWGP + FvdWBG 인 상태일 때 스위치는 오프 상태에서 온 상태로 변화된다. 이 때 온 상태를 유지하기 위해서는 Felastic ≤ FGG + Fadhesive + FvdWGP + FvdWBG 인 상태를 유지해야 된다. 온 상태에서 오프 상태로 바꾸기 위해서는 Felastic > FGG + Fadhesive + FvdWGP + FvdWBG 인 상황이 되도록 FGG 를 조절함으로 가능하게 할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 일실예에의 의한 핀 전극을 가진 그래핀 릴레이 소자 및 그 제작 방법은 그래핀의 전기적, 기계적 특이성으로 인하여 스위칭 제어가 용이하다.
본 발명의 일실시예에 의한 핀 전극을 가진 그래핀 릴레이 소자는는 스위칭 스피드가 빠르다.
본 발명의 일실시예에 의한 핀 전극을 가진 그래핀 릴레이 소자는 스위칭 스피드가 빠르다.
본 발명의 일실시예에 의한 핀 전극을 가진 그래핀 릴레이 소자는 비휘발성 메모리로 활용 가능할 뿐만 아니라 압력 센서, 가속도 센서, 질량센서, 온도센서 등에도 응용이 가능하다.
본 발명의 일실시예에 의한 핀 전극을 가진 그래핀 릴레이 소자는 단면적인 넓어서 Capacitance가 커서 낮은 전압으로도 동작이 가능하기에, 전력 소모가 적다.
상기와 같이 설명된 핀 전극을 가진 그래핀 릴레이 소자 및 그 제작 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
100: 그래핀 릴레이 소자
110: 소스
111: 핀
112: 바닥 전극
113: 벽
120: 절연층
130: 드레인
140: 게이트
150: 그래핀 층
110: 소스
111: 핀
112: 바닥 전극
113: 벽
120: 절연층
130: 드레인
140: 게이트
150: 그래핀 층
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- 웨이퍼를 패터닝하여 핀을 포함한 소스를 형성하는 단계;
상기 소스 위에 절연층을 증착하는 단계;
상기 핀의 상부가 노출되도록 상기 절연층을 식각하는 단계;
상기 절연층 및 상기 핀 상부에 메탈을 증착시키는 단계;
상기 핀의 상부가 노출되도록 상기 메탈을 식각하는 단계; 및
상기 핀과는 이격되면서 좌우 양쪽 부분은 상기 메탈 위에 안착되게 그래핀 층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 핀 전극을 가진 그래핀 릴레이 소자의 제작 방법. - 제 15 항에 있어서,
상기 소스는 상기 핀과 연결되어 상기 핀보다 낮은 높이를 가지는 바닥 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 핀 전극을 가진 그래핀 릴레이 소자의 제작 방법. - 제 16 항에 있어서,
상기 식각된 메탈은 상기 절연층에 증착된 메탈은 상기 바닥 전극 상부에 위치한 절연층 위의 제1영역 및 상기 제1영역 보다 높은 곳에 위치한 제2영역에 형성되고,
상기 제1영역에 형성된 메탈은 상기 그래핀 층과 비접촉되어 있고, 상기 제2영역에 형성된 메탈은 상기 그래핀 층과 접촉되어 있는 것을 특징으로 하는 핀 전극을 가진 그래핀 릴레이 소자의 제작 방법. - 제 17 항에 있어서,
상기 제1영역에 형성된 메탈은 게이트로 동작하고, 상기 제2영역에 형성된 메탈은 드레인으로 동작하되,
상기 게이트에 소정 전압 인가 시, 상기 그래핀 층은 상기 핀에 부착되는 것을 특징으로 하는 핀 전극을 가진 그래핀 릴레이 소자의 제작 방법. - 제 18 항에 있어서,
상기 게이트에 소정 전압 인가 여부에 따라 상기 그래핀 층은 수직 방향으로 움직이는 것을 특징으로 핀 전극을 가진 그래핀 릴레이 소자의 제작 방법. - 제 18 항에 있어서,
상기 절연층은 상기 핀 둘레를 감싸도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 핀 전극을 가진 그래핀 릴레이 소자의 제작 방법.
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| KR1020150069783A KR101667486B1 (ko) | 2015-05-19 | 2015-05-19 | 핀 전극을 가진 그래핀 릴레이 소자 및 그 제작 방법 |
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| KR (1) | KR101667486B1 (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101925945B1 (ko) * | 2017-02-28 | 2018-12-06 | 서울시립대학교 산학협력단 | 테이퍼 형상의 빔을 가진 릴레이 소자의 제조 방법 및 테이퍼 형상의 빔을 가진 릴레이 소자 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2013098553A (ja) * | 2011-11-02 | 2013-05-20 | Samsung Electronics Co Ltd | エアギャップを備えるグラフェントランジスタ、それを備えるハイブリッドトランジスタ及びその製造方法 |
| US20140124340A1 (en) * | 2011-06-03 | 2014-05-08 | Joseph F. Pinkerton | Electrically-conductive membrane switch |
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2015
- 2015-05-19 KR KR1020150069783A patent/KR101667486B1/ko active IP Right Grant
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