KR102065110B1 - 플렉서블 그래핀 스위칭 소자 - Google Patents

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Abstract

플렉서블 그래핀 스위칭 소자가 개시된다. 개시된 그래핀 스위칭 소자는 기판 상의 그래핀층; 상기 기판 상에서 적어도 하나가 상기 그래핀층의 일단과 연결된 복수의 반도체 나노와이어; 상기 그래핀층의 타단과 연결된 제1전극; 상기 기판 상에서 상기 드레인 전극과 마주보게 배치되어 상기 복수의 반도체 나노와이어와 연결된 제2전극; 상기 기판 상에서 상기 그래핀층을 덮는 게이트 절연층; 상기 게이트 절연층 상의 게이트 전극;을 포함한다.
상기 게이트 전극과 상기 반도체 나노와이어는 상기 그래핀층을 사이에 두고 마주보며, 상기 반도체 나노와이어는 n형 또는 p형으로 도핑된다.

Description

플렉서블 그래핀 스위칭 소자{Flexible graphene switching devece}
개시된 실시예는 튜너블 반도체 배리어를 구비한 플레서블 스위칭 소자에 관한 것이다.
투명 디스플레이, 터치 패널(touch panel) 등에 유용한 투명한 플렉서블 트랜지스터의 제작에 관한 연구가 진행되고 있다. ZnO를 비롯한 도전성 산화물(conductive oxide) 또는 유기 물질을 채널로 이용하는 플렉서블 트랜지스터에 관한 것이다. 이러한 산화물과 유기 물질은 광학적으로 투명한 장점이 있으나, 캐리어 이동도(carrier mobility)가 종래의 실리콘 트랜지스터에 비해 현저히 낮아 플렉서블 소자의 제작에는 한계가 있다. 　
그래핀은 제로 갭 반도체(zero gap semiconductor)로 채널 폭을 10nm 이하로 그래핀 나노리본(graphene nanoribbon: GNR)을 제작하는 경우 크기 효과(size effect)에 의하여 밴드갭이 형성되어 상온에서 작동이 가능한 전계효과 트랜지스터를 제작할 수 있다.
그러나, GNR을 이용한 그래핀 트랜지스터를 제작시 그래핀 트랜지스터의 온/오프 비(on/off ratio)는 좋아지지만 GNR의 불규칙한 에지(disordered edge)에 의해 GNR에서의 이동도(mobility)가 많이 떨어지고, 그래핀 트랜지스터의 on current 가 작다는 단점이 있다.
최근, 그래핀을 채널로 사용하면서도 반도체와 그래핀 사이의 일함수의 차이에 의해 생성되는 쇼트키 배리어를 이용하여 그래핀 전자 소자가 최근 연구되고 있다.
플렉서블 소자에 사용가능하면서도 쇼트키 배리어를 가진 그래핀 전자소자가 요구되고 있다.
일 실시예에 따른 플렉서블 그래핀 스위칭 소자는 반도체 나노와이어를 이용하여 쇼트키 배리어를 형성한 플렉서블 그래핀 스위칭 소자를 제공한다.
일 실시예에 따른 플렉서블 그래핀 스위칭 소자는:
기판 상의 그래핀층;
상기 기판 상에서 적어도 하나가 상기 그래핀층의 일단과 연결된 복수의 반도체 나노와이어;
상기 그래핀층의 타단과 연결된 제1전극;
상기 기판 상에서 상기 제1전극 전극과 마주보게 배치되어 상기 복수의 반도체 나노와이어와 연결된 제2전극;
상기 기판 상에서 상기 그래핀층을 덮는 게이트 절연층; 및
상기 게이트 절연층 상의 게이트 전극;을 구비하며,
상기 게이트 전극과 상기 반도체 나노와이어는 상기 그래핀층을 사이에 두고 마주보며, 상기 반도체 나노와이어는 n형 또는 p형으로 도핑된다.
상기 복수의 나노와이어는 실리콘, 게르마늄, 실리콘-게르마늄, III-V족 반도체, II-VI족 반도체, 유기물 반도체를 포함한다.
상기 그래핀층은 상기 제2전극과 이격되게 배치된다.
상기 그래핀층과 상기 제2전극 사이의 이격 길이는 1nm ~30nm일 수 있다.
상기 게이트 절연층은 폴리머로 이루어질 수 있다.
상기 스위칭 소자는 상기 복수의 반도체 나노와이어의 불순물의 극성과 동일한 극성의 유니폴라 트랜지스터일 수 있다.
상기 반도체 나노와이어는 상기 그래핀층과 상기 제1전극 사이에 에너지 갭을 형성하고, 상기 게이트 전극에 인가되는 게이트 전압에 따라 상기 에너지 갭이 변한다.
상기 그래핀층은 1층 내지 4층의 그래핀으로 이루어질 수 있다.
상기 기판은 플라스틱으로 이루어질 수 있다.
일 국면에 따르면, 상기 복수의 반도체 나노와이어는 네트워크 형태로 분산되게 배치된다.
다른 국면에 따르면, 상기 복수의 반도체 나노와이어는 서로 평행하게 배치된다.
실시예에 따른 플렉서블 그래핀 스위칭 소자는 반도체 나노와이어를 쇼트키 배리어로 이용하므로, 고이동도 전자소자이면서 고 온/오프 비를 갖는 전계효과 트랜지스터의 구현이 가능하며, 또한 플렉서블 전자소자의 구현이 용이하게 한다.
도 1은 실시예에 따른 반도체 나노와이어를 포함하는 플렉서블 그래핀 스위칭 소자를 개괄적으로 보여주는 단면도다.
도 2는 실시예에 따른 반도체 나노와이어의 배치를 보여주는 평면도다.
도 3은 실시예에 따른 반도체 나노와이어의 배치를 보여주는 평면도다.
도 4a 내지 도 4b는 실시예에 따른 그래핀 스위칭 소자의 작용을 설명하는 에너지 밴드 다이어그램이다.
도 5는 실시예에 따른 n형 그래핀 스위칭 소자의 I-V 곡선이다.
도 6a 및 도 6b는 실시예에 따른 그래핀 스위칭 소자의 작용을 설명하는 에너지 밴드 다이어그램이다.
도 7는 실시예에 따른 그래핀 스위칭 소자의 I-V 곡선이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다. 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다. 명세서를 통하여 실질적으로 동일한 구성요소에는 동일한 참조번호를 사용하고 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 일 실시예에 따른 반도체 나노와이어를 포함하는 플렉서블 그래핀 스위칭 소자(100)를 개괄적으로 보여주는 단면도다.
도 1을 참조하면, 기판(110) 상에 복수의 반도체 나노와이어(120)가 배치된다. 반도체 나노와이어(120)의 일측 상에는 그래핀층(130)이 배치된다. 그래핀층(130)에서 반도체 나노와이어(120)와 마주보게 제1전극(141)이 배치되며, 반도체 나노와이어(120)에서 그래핀층(130)과 이격되게 제2전극(142)이 배치된다. 제2전극(142)은 반도체 나노와이어(120) 및 그래핀층(130)을 사이에 두고 제1전극(141)과 마주보게 배치된다.
기판(110) 상에서 그래핀층(130)과 반도체 나노와이어(120)를 덮도록 게이트 절연층(150)이 형성되며, 절연층 상에는 게이트 전극(160)이 배치된다. 게이트 전극(160)은 그래핀층(130)을 사이에 두고 반도체 나노와이어(120)와 마주보게 배치된다.
기판(110)은 플렉서블한 기판(110)이다. 기판(110)은 유연한 물질인 폴리머로 이루어질 수 있다. 예컨대, 기판(110)은 폴리에틸렌나프탈레이트 (Polyethylenenaphthalate: PEN), 폴리에틸렌테레프탈레이트 (Polyethyleneterephthalate: PET), 폴리카보네이트 (Polycarbonate), 폴리비닐알콜 (Polyvinylalcohol), 폴리아크릴레이트 (Polyacrylate), 폴리이미드 (Polyimide), 폴리노르보넨 (Polynorbornene) 및 폴리에테르설폰 (Polyethersulfone: PES) 등으로 이루어질 수 있다.
그래핀층(130)은 화학기상증착(chemical vapor deposition: CVD)으로 제조된 그래핀을 기판(110) 상에 전사한 후 그래핀을 패터닝하여 형성할 수 있다. 그래핀층(130)은 1층 내지 4층의 그래핀으로 이루어질 수 있다. 그래핀층(130)은 캐리어가 이동되는 통로이며, 밴드갭이 제로일 수 있다.
복수의 반도체 나노와이어(120)는 실리콘, 게르마늄, 실리콘-게르마늄, III-V족 반도체, II-VI족 반도체, 유기물 반도체 등으로 형성될 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 반도체 나노와이어(120)의 배치를 보여주는 평면도이며, 편의상 게이트 절연층(150) 및 게이트 전극(160)을 생략하였다.
도 2를 참조하면, 복수의 반도체 나노와이어(120)가 네트워트 형태로 배치되어 있다. 복수의 반도체 나노와이어(120)를 물에 혼합하여 혼합물을 만든 후, 상기 혼합물을 기판(110) 상의 일정 영역에 분산시킨 다음, 상기 용액을 건조시켜서 기판(110) 상에 반도체 나노와이어(120)를 형성할 수 있다. 복수의 반도체 나노와이어(120)는 그래핀층(130)과 제2전극(142)에 접촉되게 배치된다.
도 3은 다른 실시예에 따른 반도체 나노와이어(120)의 배치를 보여주는 평면도이며, 편의상 게이트 절연층(150) 및 게이트 전극(160)을 생략하였다.
도 3을 참조하면, 복수의 반도체 나노와이어(120)는 서로 평행하게 배치되며, 복수의 반도체 나노와이어(120)의 일단들은 그래핀층(130)에 접촉되게 배치되며, 복수의 반도체 나노와이어(120)의 타단들은 제2전극(142)과 접촉되게 배치된다. 복수의 반도체 나노와이어(120)는 반도체층을 다른 기판 상에서 에칭하여 복수의 반도체 나노와이어(120)를 만든 다음, 기판(110) 상 나란하게 전사하여 형성될 수 있다.
제1전극(141)과 제2전극(142)은 각각 소스 전극 및 드레인 전극 중 서로 다른 하나일 수 있다. 예컨대, 제1전극(141)은 소스 전극이며 제2전극(142)는 드레인 전극일 수 있다. 제1전극(141) 및 제2전극(142)과 게이트 전극(160)은 금속 또는 폴리 실리콘으로 형성될 수 있다.
게이트 절연층(150)은 실리콘 옥사이드, 실리콘 나이트라이드 또는 Poly(methyl methacrylate (PMMA), poly(2-hydroxyethyl methacrylate (PHEMA)와 같은 폴리머로 형성될 수 있다.
제2전극(142)과 그래핀층(130)에 의해 노출되는 반도체 나노와이어(120)의 길이(D)는 캐리어의 터널링이 가능한 길이로 형성될 수 있으며, 길이(D)는 대략 1nm ~ 30nm 으로 형성될 수 있다. 반도체 나노와이어(120)는 n형 불순물 또는 p형 불순물 중 어느 하나로 도핑된다. 반도체 나노와이어(120)는 도 1~도 3에서 보듯이 그 일부가 그래핀층(130)을 사이에 두고 게이트 전극(160)과 마주보도록 배치된다. 반도체 나노와이어(120)는 그래핀층(130)과 제2전극(142) 사이에서 쇼트키 배리어로 작용할 수 있다. 게이트 전압에 의해 쇼트키 배리어가 조절될 수 있다. 따라서, 반도체 나노와이어(120)는 게이트 전압에 의해 쇼트키 배리어가 조절될 수 있다. 따라서, 반도체 나노와이어(120)는 튜너블 배리어이며, 반도체 배리어로도 칭한다.
튜너블 배리어를 구비한 그래핀 스위칭 소자(100)는 반도체 나노와이어(120)의 극성에 따라서 n형 트랜지스터 또는 p형 트랜지스터인 유니폴라 트랜지스터일 수 있다. 즉, 반도체 나노와이어(120)가 n형 불순물로 도핑된 경우, 그래핀 스위칭 소자(100)는 n형 트랜지스터가 되며, 반도체 나노와이어(120)가 p형 불순물로 도핑된 경우, 그래핀 스위칭 소자(100)는 p형 트랜지스터이 된다.
도 4a 내지 도 4b는 도 1의 그래핀 스위칭 소자(100)의 작용을 설명하는 에너지 밴드 다이어그램이다.
도 4a 및 도 4b는 n형 그래핀 스위칭 소자의 작용을 설명하는 도면이다. 도 4a는 게이트 전압을 인가하기 전의 상태이며, 도 4b는 게이트 전압을 인가한 상태를 도시한 도면이다.
도 4a를 참조하면, 게이트 전극(160)에 게이트 전압이 인가되지 않은 상태에서, 반도체 나노와이어(120)의 양측에 각각 그래핀층(130)과 제2전극(142)이 각각의 일함수에 상응하여 에너지 밴드 구조가 형성된다. 그래핀 스위칭 소자는 n형 반도체 나노와이어(120)를 포함하므로, 메인 캐리어는 전자가 된다. 제2전극(142) 및 그래핀층(130) 사이의 반도체 나노와이어(120)는 이들 사이의 에너지 장벽이 된다. 실시예에서는 반도체 나노와이어(120)를 반도체 배리어로도 칭한다. 그래핀층(130)과 반도체 나노와이어(120) 사이의 에너지 갭(Eg)에 의해 캐리어의 이동이 제한된다. 도 4a 및 도 4b에서, EF는 그래핀층(130)의 페르미 에너지 준위를 가리킨다.
도 4b를 참조하면, 제2전극(142) 및 제1전극(141)에 소정의 전압을 인가한 상태에서, 게이트 전극(160)에 소정의 포지티브 게이트 전압(+Vg)을 인가하면, 반도체 나노와이어(120)의 에너지 갭(Eg)이 점선으로 도시된 것처럼 낮아진다. 따라서, 그래핀층(130)으로부터 전자가 용이하게 제2전극(142)으로 이동한다. 이는 게이트 전압에 의해 그래핀 스위칭 소자(100)에 전류가 흐르는 것을 의미하며, 따라서, 그래핀 스위칭 소자(100)는 전계효과 트랜지스터의 역할을 한다. 그래핀층(130)은 캐리어 통로가 되며, 전통적인 전계효과 트랜지스터의 채널과는 구별된다.
한편, 에너지 갭(Eg)의 감소로, 반도체 나노와이어(120)의 터널링 효과에 의해 전자는 반도체 나노와이어(120)를 통과하여 이동될 수도 있다.
게이트 전압이 증가함에 따라서 반도체 나노와이어(120)의 에너지 갭(Eg)은 더 낮아진다. 따라서, 반도체 나노와이어(120)의 에너지 갭(Eg)은 조절가능하다.
도 5는 실시예에 따른 n형 그래핀 스위칭 소자의 I-V 곡선이다.
도 5를 참조하면, 소스-드레인 전압이 포지티브일 때, 게이트 전압이 증가함에 따라 에너지 갭이 감소하면서 드레인 전류가 화살표 A 방향으로 증가한다.
한편, 도 4a 및 도 4b에서, n형 반도체 나노와이어(120)를 포함한 그래핀 스위칭 소자(100)의 제2전극(142)에 네거티브 전압을 인가하면, 전자가 에너지 장벽 없이 잘 흐르지만, 포지티브 전압을 인가하면 에너지 장벽으로 인해 전류가 잘 흐르지 않는다. 따라서, 그래핀 스위칭 소자(100)는 다이오드 작용을 한다. 이때에도 게이트 전압으로 에너지 장벽의 크기가 조절된다. 한편, 게이트 전압의 증가에 따라 전류는 화살표 B 방향으로 증가하므로, 다이오드 특성이 조절될 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 p형 그래핀 스위칭 소자의 작용을 설명하는 도면이다. 도 6a는 게이트 전압을 인가하기 전의 상태이며, 도 6b는 게이트 전압을 인가한 상태를 도시한 도면이다.
도 6a를 참조하면, 게이트 전극(160)에 게이트 전압이 인가되지 않은 상태에서, 반도체 나노와이어(120)의 양측에 각각 그래핀층(130)과 제2전극(142)이 각각의 일함수에 상응하여 에너지 밴드 구조가 형성된다. 그래핀 스위칭 소자는 p형 반도체 나노와이어(120)를 포함하므로, 메인 캐리어는 정공이 된다. 제2전극(142) 및 그래핀층(130) 사이의 반도체 나노와이어(120)는 이들 사이의 에너지 장벽이 된다. 그래핀층(130)과 반도체 나노와이어(120) 사이의 에너지 갭(Eg)에 의해 캐리어의 이동이 제한된다. 도 6a 및 도 6b에서, EF는 그래핀층(130)의 페르미 에너지 준위를 가리킨다.
도 6b를 참조하면, 제2전극(142) 및 제1전극(141)에 소정의 전압을 인가한 상태에서, 게이트 전극(160)에 소정의 게이트 네거티브 전압(-Vg)을 인가하면, 반도체 나노와이어(120)의 에너지 갭(Eg)이 점선으로 도시된 것처럼 작아진다. 따라서, 그래핀층(130)으로부터 정공이 용이하게 제2전극(142)으로 이동한다. 이는 게이트 전압에 의해 그래핀 스위칭 소자(100)에 전류가 흐르는 것을 의미하며, 따라서, 그래핀 스위칭 소자(100)는 전계효과 트랜지스터의 역할을 한다.
한편, 에너지 갭(Eg)의 감소로, 반도체 나노와이어(120)의 터널링 효과에 의해 정공은 반도체 나노와이어(120)를 통과하여 이동할 수도 있다.
게이트 전압이 증가함에 따라서 반도체 나노와이어(120)의 에너지 갭(Eg)은 더 낮아진다. 따라서, 반도체 나노와이어(120)의 에너지 갭(Eg)은 조절가능하다.
도 7는 실시예에 따른 p형 그래핀 스위칭 소자의 I-V 곡선이다.
도 7을 참조하면, 소스-드레인 전압이 네거티브일 때, 네거티브 게이트 전압의 크기가 증가함에 따라 에너지 갭이 감소하면서 드레인 전류가 화살표 C 방향으로 증가한다.
한편, 도 6a 및 도 6b에서, p형 반도체 나노와이어(120)를 포함한 그래핀 스위칭 소자(100)의 제2전극(142)에 포지티브 전압을 인가하면, 정공이 에너지 장벽 없이 잘 흐르지만, 네거티브 전압을 인가하면 에너지 장벽으로 인해 정공이 잘 흐르지 않는다. 따라서, 그래핀 스위칭 소자(100)는 다이오드 작용을 한다. 이때에도 네거티브 게이트 전압의 크기 증가로 에너지 갭의 크기가 낮게 조절되므로, 전류는 화살표 D 방향으로 증가한다. 따라서, 게이트 전압에 따라서 다이오드 특성이 조절될 수 있다.
일 실시예에 따른 플렉서블 그래핀 스위칭 소자는 반도체 나노와이어를 쇼트키 배리어로 이용하므로, 고이동도 전자소자이면서 고 온/오프 비를 갖는 전계효과 트랜지스터의 구현이 가능하며, 또한 플렉서블 전자소자의 구현이 용이하게 한다.
이상에서 첨부된 도면을 참조하여 설명된 본 발명의 실시예들은 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
100: 플렉서블 그래핀 스위칭 소자 110: 기판
120: 반도체 나노와이어 130: 그래핀층
141: 제1전극 142: 제2전극
150: 게이트 절연층 160: 게이트 전극
D: 이격 길이

Claims (13)

  1. 기판 상의 그래핀층;
    상기 기판 상에서 적어도 하나가 상기 그래핀층의 일단과 연결된 복수의 반도체 나노와이어;
    상기 그래핀층의 타단과 연결된 제1전극;
    상기 기판 상에서 상기 제1전극과 마주보게 배치되어 상기 복수의 반도체 나노와이어와 연결된 제2전극;
    상기 기판 상에서 상기 그래핀층을 덮는 게이트 절연층; 및
    상기 게이트 절연층 상의 게이트 전극;을 구비하며,
    상기 게이트 전극과 상기 반도체 나노와이어는 상기 그래핀층을 사이에 두고 마주보는 그래핀 스위칭 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체 나노와이어는 n형 또는 p형으로 도핑된 그래핀 스위칭 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 나노와이어는 실리콘, 게르마늄, 실리콘-게르마늄, III-V족 반도체, II-VI족 반도체, 유기물 반도체를 포함하는 그래핀 스위칭 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 그래핀층은 상기 제2전극과 이격된 그래핀 스위칭 소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 그래핀층과 상기 제2전극 사이의 이격 길이는 1nm ~ 30nm인 그래핀 스위칭 소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 게이트 절연층은 폴리머로 이루어진 그래핀 스위칭 소자.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 스위칭 소자는 상기 복수의 반도체 나노와이어의 불순물의 극성과 동일한 극성의 유니폴라 트랜지스터인 그래핀 스위칭 소자.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체 나노와이어는 상기 그래핀층과 상기 제1전극 사이에 에너지 갭을 형성하고, 상기 게이트 전극에 인가되는 게이트 전압에 따라 상기 에너지 갭이 변하는 그래핀 스위칭 소자.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 그래핀층은 1층 내지 4층의 그래핀으로 이루어진 그래핀 스위칭 소자.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 플라스틱으로 이루어진 그래핀 스위칭 소자.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 반도체 나노와이어는 네트워크 형태로 분산된 그래핀 스위칭 소자.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 반도체 나노와이어는 서로 평행하게 배치된 그래핀 스위칭 소자.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 그래핀 스위칭 소자는 플렉서블한 그래핀 스위칭 소자.

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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101824800B1 (ko) 2016-05-09 2018-02-01 성균관대학교산학협력단 정전기 효과를 이용한 그래핀 터치 감지 센서 및 이의 제조 방법
CN108054209B (zh) * 2017-12-14 2020-08-11 北京华碳科技有限责任公司 场效应晶体管、制造场效应晶体管的方法及电子器件

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009530643A (ja) 2006-03-17 2009-08-27 ザ・ガバメント・オブ・ジ・ユナイテッド・ステイツ・オブ・アメリカ・レプリゼンテッド・バイ・ザ・セクレタリー・ディパートメント・オブ・ヘルス・アンド・ヒューマン・サービシーズ カーボン・ナノチューブ・トランジスタを用いる生物プローブ材料を有するセンサーを結合したマイクロアレイ用の装置
JP2011159820A (ja) 2010-02-01 2011-08-18 Nec Corp トランジスタ及びその製造方法

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090321364A1 (en) 2007-04-20 2009-12-31 Cambrios Technologies Corporation Systems and methods for filtering nanowires
KR101013124B1 (ko) 2008-12-30 2011-02-14 주식회사 세아 이앤티 터보압축기 누설 방지 구조.
KR101154347B1 (ko) 2009-08-24 2012-06-13 한양대학교 산학협력단 그래핀 박막과 나노 입자를 이용한 광검출기 및 그 제조 방법
KR20110057989A (ko) 2009-11-25 2011-06-01 삼성전자주식회사 그래핀과 나노구조체의 복합 구조체 및 그 제조방법
KR101198301B1 (ko) 2010-01-08 2012-11-07 서울대학교산학협력단 금속 나노입자를 이용하고 환원된 그래핀 산화물에 기반한 양쪽극 기억소자 및 이의 제조방법
KR101139577B1 (ko) 2010-01-19 2012-04-27 한양대학교 산학협력단 다양한 종류의 나노입자를 함유한 적층형 유기-무기 하이브리드 태양전지 및 그 제조방법
JP5810103B2 (ja) * 2010-03-04 2015-11-11 ユニバーシティ オブ フロリダ リサーチ ファンデーション インコーポレーティッド 電気的浸透性ソース層を含む半導体デバイス及びこれの製造方法
KR101173115B1 (ko) * 2011-01-26 2012-08-14 고려대학교 산학협력단 탄소 나노 물질을 이용한 반도체 소자, 및 그 제조 방법
KR20120100630A (ko) * 2011-03-04 2012-09-12 삼성전자주식회사 반도체소자와 그 제조방법 및 반도체소자를 포함하는 전자장치
KR101401233B1 (ko) 2011-03-22 2014-05-29 성균관대학교산학협력단 티타니아 나노시트와 그라핀을 이용한 유기 태양전지
US20120318324A1 (en) 2011-06-15 2012-12-20 Arizona Board of Regents, a body Corporate of the State of Arizona, Acting for and on Behalf of Ariz Laterally Arranged Multiple-Bandgap Solar Cells
US8461571B2 (en) 2011-06-29 2013-06-11 Nokia Corporation Method and apparatus for converting photon energy to electrical energy
US8835285B2 (en) 2011-08-22 2014-09-16 Flux Photon Corporation Methods to fabricate vertically oriented anatase nanowire arrays on transparent conductive substrates and applications thereof
US8878157B2 (en) 2011-10-20 2014-11-04 University Of Kansas Semiconductor-graphene hybrids formed using solution growth
US8569121B2 (en) 2011-11-01 2013-10-29 International Business Machines Corporation Graphene and nanotube/nanowire transistor with a self-aligned gate structure on transparent substrates and method of making same

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009530643A (ja) 2006-03-17 2009-08-27 ザ・ガバメント・オブ・ジ・ユナイテッド・ステイツ・オブ・アメリカ・レプリゼンテッド・バイ・ザ・セクレタリー・ディパートメント・オブ・ヘルス・アンド・ヒューマン・サービシーズ カーボン・ナノチューブ・トランジスタを用いる生物プローブ材料を有するセンサーを結合したマイクロアレイ用の装置
JP2011159820A (ja) 2010-02-01 2011-08-18 Nec Corp トランジスタ及びその製造方法

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