KR20080110169A - 그래핀을 이용한 전하 검출장치 - Google Patents
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Abstract
그래핀을 이용한 전하검출장치를 개시한다. 개시된 전하검출장치는: 전하를 검출하기 위한 팁; 및 상기 팁 상에 형성되며, 전하검출영역과 상기 전하검출영역 양측에 형성된 배리어와, 상기 배리어의 측면에 각각 형성된 소스 영역 및 드레인 영역을 구비하는 전하검출소자;를 구비한다. 상기 전하검출소자는 일체형 구조이다.
Description
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 그래핀을 이용한 전하 검출장치(100)를 보여주는 도면이다.
도 2는 도 1의 전하 검출소자를 펼쳐서 보여주는 평면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전하검출장치의 작용을 설명하는 단면도이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 전하검출장치의 작용을 설명하는 에너지 밴드 다이어그램이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호설명*
100: 전하검출장치 110: 전하검출소자
111: 전하검출영역 112,113: 배리어(barrier: 장벽)
114: 소스 영역 115: 드레인 영역
120: 캔티레버 122: 팁(tip)
131: 소스 전극패드 132: 드레인 전극패드
140: 전류계
본 발명은 그래핀(graphene)을 이용한 전하 검출장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 그래핀과 같은 단일층 구조의 물질을 패터닝하여 나노 크기의 전하를 검출하는 장치에 관한 것이다.
종래 전하검출장치인 단전자 트랜지스터(single electron transistor: SET)는 주로 액체 헬륨 온도와 같은 저온에서 작동한다. 이러한 SET는 액체헬륨온도를 만들기 위한 고가의 부가장비를 필요로 한다.
한편, 그래핀(graphene)과 같은 단일층(single layer)은 리소그래피 기술을 적용하여 패터닝함으로써 나노스케일의 폭을 형성할 수 있다. 이러한 나노 스케일의 폭을 조정함으로써 소정 영역에서의 밴드갭을 조절할 수 있다. 이러한 소정 영역에서 밴드갭을 가지는 물질은 소정 전위의 전하에 의해 에너지 포텐셜이 변할 수 있으며 이를 이용하면 전하를 측정할 수 있게 된다.
본 발명의 목적은 그래핀과 같은 이차원 층상물질을 이용한 나노 사이즈의 전하 검출장치를 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀을 이용한 전하 검출장치는:
전하를 검출하기 위한 팁; 및
상기 팁 상에 형성되며, 전하검출영역과 상기 전하검출영역 양측에 형성된 배리어와, 상기 배리어의 측면에 각각 형성된 소스 영역 및 드레인 영역을 구비하는 전하검출소자;를 구비하며, 상기 전하검출소자는 일체형으로 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 전하검출영역은 상기 팁의 단부에 형성될 수 있다.
상기 전하검출소자의 길이 방향과 직교하는 방향에서, 상기 배리어의 폭은 5nm ~ 20nm 일 수 있다.
본 발명의 일 국면에 따르면, 그래핀, 보론 나이트라이드, 카드뮴 텔루르, 니오븀 다이셀레나이드, 몰리브덴 다이설파이드로 이루어진 그룹 중 선택된 어느 하나로 형성될 수 있으며, 단일층으로 형성된다.
본 발명의 다른 국면에 따르면, 상기 전하검출소자는 비스무스 스트론튬 칼슘 카퍼 산화물의 1/2 층으로 형성될 수 있다.
본 발명의 전하검출장치는 상기 전극 영역과 상기 드레인 영역에 연결된 전류계;를 더 구비할 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 의한 그래핀을 이용한 전하 검출장치에 대해 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 그래핀을 이용한 전하 검출장치(100)를 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 전하 검출장치(100)는 전하를 검출하는 전하검출소자(110)가 설치된 팁(122)을 구비한다. 상기 팁(122)은 스캐닝 장치에 사용되는 캔티레 버(120)의 단에 형성될 수 있다. 팁(122)은 절연성 물질로 형성될 수 있다.
도 2는 도 1의 전하 검출소자를 펼쳐서 보여주는 평면도이다.
도 1 및 도 2를 함께 참조하면, 전하 검출소자(110)는 팁(122)의 단부에 형성된 전하검출영역(111)과, 상기 전하검출영역(111)의 양측에 각각 형성된 배리어(112, 113)와, 상기 배리어(112, 113)에 이어지게 형성된 소스 영역(114) 및 드레인 영역(115)을 구비한다. 상기 소스 영역(114) 및 드레인 영역(115) 상에 각각 소스 전극패드(131) 및 드레인 전극패드(132)가 더 형성될 수 있다. 소스 전극패드(131) 및 드레인 전극패드(132)는 일반적인 전극물질, 예컨대 Ti/Al 전극으로 형성될 수 있다.
상기 전하검출영역(111), 배리어(112, 113), 소스 영역(114) 및 드레인 영역(115)은 일체형(monolithic) 구조이다.
전하 검출소자(110)는 2차원 층상구조의 물질, 예컨대 그래핀(graphene), 보론 나이트라이드(boron nitride), 카드뮴 텔루르(cadmium telluride), 니오븀 다이셀레나이드(niobium diselenide), 몰리브덴 다이설파이드(molybdenum disulfide)로 형성된 단일층(single layer)이거나, 또는 비스무스 스트론튬 칼슘 카퍼 산화물(bismuth strontium calcium copper oxide)(Bi2Sr2CaCuOx)의 1/2 층(half layer)으로 형성될 수 있다. 상기 전하 검출소자(110)는 상기 팁(122) 상에 증착된 상기 층상구조의 물질을 패터닝하여 형성될 수 있다.
상기 소스 영역(114) 및 드레인 영역(115)과, 전하검출영역(111)은 이들을 연결하는 제1방향(전하검출소자의 길이방향)에 대해서 직교하는 제2방향의 폭(w1, w2)이 대략 100nm ~ 200 nm 일 수 있으며, 금속물질의 특성을 가진다. 배리어(112, 113)는 제2방향의 폭(w3)이 대략 5nm ~ 20 nm 일 수 있으며, 반도체 특성을 가진다. 배리어(112, 113)의 에너지 갭은 폭(w3)이 좁을 수록 크다.
상기 배리어(112, 113)의 제1방향의 폭은 전하의 이동이 탄도적(ballistic) 특성을 가지는 범위, 예컨대 1 ㎛ 내에서 형성될 수 있다.
참조번호 140은 전류계로서 소스 전극패드(131) 및 드레인 전극패드(132) 사이에 연결되어서 소스 영역(112) 및 드레인 영역(113) 사이를 흐르는 전자의 흐름인 전류를 측정할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전하검출장치(100)의 작용을 설명하는 단면도이며, 도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 전하검출장치(100)의 작용을 설명하는 에너지 밴드 다이어그램이다. 도 1 및 도 2의 구성요소와 실질적으로 동일한 구성요소에는 동일한 참조번호를 사용하고 상세한 설명은 생략한다.
도 3을 참조하면, 기판(150) 상에 나노 크기의 전하들(160)이 형성되어 있으며, 전하들(160)은 절연층(152)에 의해 덮여 있다. 상기 전하(160)는 + 전하 또는 - 전하를 가질 수 있으며 그 크기도 다를 수 있다.
도 4a를 참조하면, 소스 영역(114) 및 드레인 영역(115)과 전하검출영역(111)은 그 폭이 상대적으로 커 금속물질의 특성을 가지므로 밴드갭이 거의 없다. 배리어(112, 113)는 폭(w3)에 따라서 반도체 특성을 가질 수 있으며, 따라서 소정의 밴드갭을 가지며, 전하의 이동을 방해한다. 소스 영역(114) 및 드레인 영 역(115)에 바이어스 전압(Vd)을 인가하면, 드레인 영역(115)의 전위가 소스 영역(114)의 전위보다 낮아진다. 이때, 소스 영역(114)로부터 전하검출영역(111)로 전자가 이동될 수 있으며, 또한, 전하검출영역(111)으로부터 전자가 드레인 영역(115)으로 이동된다. 이러한 전자의 이동은 전류계(도 1의 140)에 의해서 그 양이 측정될 수 있다. 이때 측정된 전류값이 레퍼런스 전류값이 될 수 있다.
도 4b를 참조하면, 팁(122)의 단부에 형성된 전하검출영역(111)을 -전하 가까이 가져가면 -전하가 게이트 역할을 한다. 따라서, 전하검출소자(110)에 음전압이 전하검출영역(111)에 인가된 것으로 되며, 전하검출영역(111)의 페르미 준위가 낮아지게 된다. 이에 따라, 전하검출영역(111)으로부터 드레인 영역(115)으로의 전자의 이동이 어려워져 그 양이 줄게 된다. - 전하의 크기에 따라서 전하검출영역(111)의 페르미 준위가 정해지며 따라서 전류계(140)로 소스 영역(114) 및 드레인 영역(115) 사이의 전류를 검출하면, 이 검출된 전류값과 레퍼런스 전류값을 비교하여 - 전하의 크기를 판달할 수 있게 된다.
도 4c를 참조하면, 전하검출영역(111)이 + 전하에 가까이 가져가면 + 전하의 작용으로 전하검출영역(111)의 페르미 준위가 올라가면서 전자가 전하검출영역(111)으로부터 드레인 영역(115)으로 흐르는 확률이 증가한다. 따라서 소스 전극패드(131) 및 드레인 전극패드(132) 사이에 설치된 전류계(140)로 소스 영역(114) 및 드레인 영역(115) 사이의 전류를 검출할 수 있으며, 이 검출된 값과 레퍼런스 전류값의 비교에 의해서 + 전하의 크기를 구별할 수 있게 된다. 따라서, 본 발명의 전하검출장치로 나노 크기의 전하의 극성과 그 크기를 검출할 수 있게 된다.
본 발명에 따른 전하검출장치는 전하검출소자의 전하검출영역이 나노 크기로 패턴되어서 나노 영역에서의 전하를 측정할 수 있다. 또한, 본 발명에 의한 전하검출소자는 상온에서도 안정된 그래핀 등의 물질을 사용하므로 상온에서 작동이 가능하다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 따라서, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
Claims (7)
- 전하를 검출하기 위한 팁; 및상기 팁 상에 형성되며, 전하검출영역과 상기 전하검출영역 양측에 형성된 배리어와, 상기 배리어의 측면에 각각 형성된 소스 영역 및 드레인 영역을 구비하는 전하검출소자;를 구비하며,상기 전하검출소자는 일체형으로 형성된 것을 특징으로 하는 그래핀을 이용한 전하 검출장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 전하검출영역은 상기 팁의 단부에 형성된 것을 특징으로 하는 전하 검출장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 전하검출소자의 길이 방향과 직교하는 방향에서, 상기 배리어의 폭은 5nm ~ 20nm 인 것을 특징으로 하는 전하 검출장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 전하검출소자는 하나의 층으로 형성된 것을 특징으로 하는 전하 검출장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 전하검출소자는, 그래핀, 보론 나이트라이드, 카드뮴 텔루르, 니오븀 다이셀레나이드, 몰리브덴 다이설파이드로 이루어진 그룹 중 선택된 어느 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 전하 검출장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 전하검출소자는 비스무스 스트론튬 칼슘 카퍼 산화물의 1/2 층으로 형성된 것을 특징으로 하는 전하 검출장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 전극 영역과 상기 드레인 영역에 연결된 전류계;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 전하 검출장치.
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9030187B2 (en) | 2012-11-05 | 2015-05-12 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Nanogap device and method of processing signal from the nanogap device |
-
2007
- 2007-06-14 KR KR1020070058576A patent/KR20080110169A/ko not_active Application Discontinuation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9030187B2 (en) | 2012-11-05 | 2015-05-12 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Nanogap device and method of processing signal from the nanogap device |
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