KR20130134539A - Semiconductor device partially doped single graphene by using palladium-hydrogen system and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 전기 전도도가 우수한 그라핀(graphene)과 이와 전자 주고받기가 용이한 팔라듐(Pd)을 소재로 간단한 리소그라피(lithography) 공정을 통해 안정성과 양산성이 우수한 반도체 소자를 제조할 수 있는 반도체 소자 제조방법 및 이 제조방법을 통해 제조된 반도체 소자에 관한 것이다.
The present invention relates to a semiconductor device capable of manufacturing a semiconductor device excellent in stability and mass productivity through a simple lithography process using graphene having excellent electrical conductivity and palladium (Pd) A manufacturing method thereof, and a semiconductor device manufactured through the manufacturing method.
일반적으로, 그라핀(Graphene)은 탄소나노튜브(CNT), 풀러린(fullerene) 등과 같은 탄소 나노 구조의 기본 형태로서, 단일 탄소층으로 이루어진 육각형 구조의 2차원 평면 구조를 가지고 있다. 이러한 그라핀은 2004년도에 콘스탄틴 노보셀로프(Konstantin Novoselov)와 안드레 가임(Andre Geim)이 스카치테이프의 접착력을 이용한 간단한 방법을 통해 흑연의 표면층을 기계적으로 박리하여 2차원 구조의 육각형 탄소화합물 그라핀을 얻어내는 데 성공하였으며, 이와 같은 그라핀에서 나타나는 전계효과(field effect) 특성을 보고한 바 있다. 그리고, 그 이후에도 그라핀을 이용하여 높은 동작 속도를 가지는 고성능의 트랜지스터를 제조하는 시도들이 많이 진행되고 있다.Generally, Graphene is a basic form of carbon nanostructure such as carbon nanotube (CNT), fullerene, etc. and has a two-dimensional planar structure of hexagonal structure composed of a single carbon layer. In 2004, Konstantin Novoselov and Andre Geim mechanically peeled the surface layer of graphite through a simple method using the adhesive force of scotch tape to form a two-dimensional hexagonal carbon compound graphene And the field effect characteristics of such graphenes have been reported. Thereafter, attempts have been made to fabricate high-performance transistors using graphene at high operating speeds thereafter.
지금까지 알려진 바와 같이, 그라핀은 2차원 형상의 탄소 나노 구조체이며, 전하이동도가 대략 15,000cm2 /Vs로 매우 크고 열전도성 또한 매우 우수한 것으로 알려져 있다. 이 때문에 그라핀은 현재 전계효과 트랜지스터에 사용되는 실리콘 물질을 대체할 차세대 물질로서 주목받고 있다. 특히, 트랜지스터의 제조시 탄소나노튜브(carbon nano tube, CNT)를 이용할 경우에는 대면적 집적화가 어려웠던 반면, 그라핀 물질을 이용하게 되면 종래의 반도체 공정 기술을 이용하여 소자를 용이하게 제조할 수 있는 이점이 있다.As it is known, graphene is a two-dimensional carbon nanostructure, and has a charge mobility of about 15,000 cm 2 / Vs and is known to have a very high thermal conductivity. Because of this, graphene is now attracting attention as a next-generation material to replace silicon materials used in field effect transistors. In particular, when a carbon nano tube (CNT) is used in the manufacture of a transistor, it is difficult to integrate a large area, but when a graphen material is used, a device can be easily manufactured using a conventional semiconductor process technology There is an advantage.
그러나, 상기와 같은 단일 탄소층을 가지는 그라핀은 많은 우수한 전기적, 기계적, 열적 특성으로 인해 차세대 신소재로서 매우 각광받고 있지만, 전기적인 성질이 매우 균일하고, 탄소 격자의 구조가 매우 평행하기 때문에 밴드 갭(band-gap)이 존재하지 않아 반도체 소자에 응용을 하기에는 많은 어려움이 따른다.However, the graphen having a single carbon layer as described above is very popular as a next-generation new material due to many excellent electrical, mechanical and thermal properties. However, since the electrical properties are very uniform and the structure of the carbon lattice is very parallel, there is no band-gap and thus it is difficult to apply the semiconductor device to the semiconductor device.
즉, 그라핀은 '0(zero)'의 밴드 갭을 가진 반금속(semimetal)으로서, 오프(Off) 전류가 매우 크고, 따라서 작동 전류의 온/오프(On/Off) 비가 매우 작은 단점을 가진다. 현재까지 알려진 반금속상 그라핀을 이용한 전계효과 트랜지스터의 온/오프 비는 최대 6 정도이다. 이와 같이 낮은 온/오프 비는 전계효과 트랜지스터 소자의 대량 집적화와 고속 구동에 문제가 된다.That is, the graphene is semimetal having a band gap of '0' and has a disadvantage in that the off current is very large, and thus the on / off ratio of the operating current is very small . The on / off ratio of the field effect transistor using semimetal graphenes known to date is about 6. This low ON / OFF ratio is a problem in mass integration of field effect transistor elements and high-speed driving.
최근에는 이러한 작동 전류의 온/오프 비를 증가시키는 시도들이 계속되고 있다. 이러한 시도들 중에 하나는 효율적인 전계 효과를 발생시키도록 적절한 밴드 갭을 가지는 반도체 상태의 그라핀을 제조하는 것이다. 중국의 란저우대(Lanzhou University)의 하오리 장(HaoLi Zhang) 등은 반도체 그라핀을 이용한 나노 리본 터널 트랜지스터 모델을 시뮬레이션하여 온/오프 비를 증가시키는 방법을 제시하였다. 또한, 레메(Lemme) 등은 그라핀의 화학적 조성을 변화시켜 온/오프 비가 매우 큰 비휘발성 전계효과 스위칭 소자를 제조하였다. 이와 같이, 밴드 갭을 가지는 그라핀 층은, 예를 들어 그라핀과 기판 사이 격자 부정합으로 나타나는 그라핀 결정구조의 대칭성을 파괴하여 구현하거나, 나노리본 형태의 패턴을 형성하여 구현하거나, 또는 그라핀의 화학조성을 변화시켜 구현한다.In recent years, attempts have been made to increase the on / off ratio of such an operating current. One of these attempts is to produce graphene in a semiconductor state with an appropriate bandgap to produce an efficient field effect. HaoLi Zhang et al. Of Lanzhou University in China have proposed a method of increasing the on / off ratio by simulating a nano-ribbon tunnel transistor model using semiconductor graphene. In addition, Lemme et al. Produced a nonvolatile field effect switching device having a very large on / off ratio by changing the chemical composition of the graphene. Thus, the graphene layer having a bandgap can be realized by, for example, disrupting the symmetry of the graphene crystal structure, which is represented by lattice mismatch between graphene and the substrate, or by forming a pattern in the form of a nanoribbon, And the like.
그러나, 이와 같은 그라핀을 수 나노(nano) 크기의 형상으로 구현하기가 용이하지 않고, 또한 우수한 품질의 그라핀을 형성하기도 용이하지 않다. 따라서, 그라핀 자체의 우수한 특성에도 불구하고 현재까지도 반도체 소자로서 집적화를 구현하지 못하고 있는 실정이다.
However, it is not easy to form such graphene in the shape of a nano-size, and it is not easy to form graphene of good quality. Therefore, in spite of excellent characteristics of graphene itself, the integration as a semiconductor device has not been realized yet.
이에, 본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 전기 전도도가 우수한 그라핀과, 상기 그라핀과 상호 간에 전자 주고받기가 용이한 팔라듐을 소재로 하여, 상기 그라핀의 일부분에 팔라듐을 덮고 수소를 주입하여 생기는 많은 잉여전자들이 그라핀 내부의 정공과 반응하여 부분 도핑될 수 있도록 함으로써, 그라핀의 내부에 전자/정공의 농도 구배를 발생시켜 P-N 다이오드(diode)와 같은 기능을 구현할 수 있는 반도체 소자를 제조할 수 있고, 간단한 리소그라피 공정을 통해 안정성과 양산성이 우수한 반도체 소자를 제조할 수 있는 제조방법 및 이 제조방법을 통해 제조된 반도세 소자를 제공함에 있다.
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in order to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a graphene excellent in electrical conductivity and palladium which is easy to electron- A large number of surplus electrons generated by injecting hydrogen by covering palladium on a portion of the substrate can be partially doped by reacting with the holes in the graphene, thereby generating a concentration gradient of electrons / holes in the graphene, A manufacturing method capable of manufacturing a semiconductor device capable of realizing the same function and capable of manufacturing a semiconductor device having excellent stability and mass productivity through a simple lithography process and a semiconductor device manufactured through the manufacturing method.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 반도체 소자는, 홈이 형성된 기판과; 상기 홈 내부에 형성되며 외부로부터 전압이 인가되는 게이트 전극과; 상기 게이트 전극과 접촉을 이루며 상기 홈 내부에 형성되는 유전체층과; 상기 유전체층의 상부면과 접촉되며 상기 홈 부분에 걸쳐지도록 상기 기판의 상부면에 형성되는 그라핀층과; 상기 그라핀층의 일부분에 증착되며 외부로부터 투입되는 수소와 반응하여 전자를 방출시키는 팔라듐층과; 상기 그라핀층의 양단과 각각 연결되도록 상기 기판 위에 적층되는 소스 전극과 드레인 전극;을 포함하는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device comprising: a substrate having grooves; A gate electrode formed in the groove and to which a voltage is applied from the outside; A dielectric layer in contact with the gate electrode and formed in the groove; A graphene layer formed on an upper surface of the substrate so as to contact the upper surface of the dielectric layer and over the groove portion; A palladium layer deposited on a part of the graphene layer and reacting with hydrogen introduced from the outside to emit electrons; And a source electrode and a drain electrode stacked on the substrate so as to be connected to both ends of the graphene layer, respectively.
이때, 상기 기판 위의 홈은 2개가 구비되어 서로 일정 간격을 이루며 이격 형성되는 한편, 상기 팔라듐층은 상기 2개의 홈 중 어느 일측 홈의 상부에 위치된 그라핀층 영역상에 증착 형성될 수 있다.At this time, two grooves are formed on the substrate and spaced apart from each other at a predetermined interval, and the palladium layer may be deposited on the graphene layer region located on one of the two grooves.
이와 다른 형태로서, 상기 기판 위의 홈은 3개가 구비되어 서로 일정 간격을 이루며 이격 형성되는 한편, 상기 팔라듐층은 상기 3개의 홈 중 중앙부 홈의 상부에 위치된 그라핀층 영역상에 증착 형성될 수 있다.Alternatively, three grooves may be formed on the substrate, spaced apart from each other by a predetermined distance, and the palladium layer may be deposited on the graphene layer region located above the central groove of the three grooves. have.
또는, 상기 기판 위의 홈은 3개가 구비되어 서로 일정 간격을 이루며 이격 형성되는 한편, 상기 팔라듐층은 상기 3개의 홈 중 양쪽 2개의 홈의 상부에 위치된 그라핀층 영역상에 각각 증착 형성될 수도 있다.Alternatively, three grooves may be formed on the substrate and spaced apart from each other by a predetermined distance, while the palladium layer may be formed on the graphene layer region located above the two grooves of the three grooves have.
그리고, 상기 팔라듐층과 반응하는 수소의 농도는 0~200ppm 범위 내의 수소 농도를 갖도록 가스 환경이 조성될 수 있다.The gas environment may be established such that the concentration of hydrogen reacting with the palladium layer has a hydrogen concentration in the range of 0 to 200 ppm.
이때, 상기 반도체 소자는 50ppm 이상의 수소 농도 환경에 노출된 상태에서 동작되도록 하는 것이 바람직하다.At this time, it is preferable that the semiconductor device is operated in a state exposed to a hydrogen concentration environment of 50 ppm or more.
그리고, 팔라듐층으로 수소를 강제 주입하여 동작시킬 경우, 상기 팔라듐층으로의 수소 투입은 질량유량계(MFC; Mass Flow Controller)를 통해 이루어지도록 하는 것이 바람직하다.When hydrogen is forcedly injected into the palladium layer and operated, it is preferable that hydrogen is injected into the palladium layer through a mass flow controller (MFC).
한편, 본 발명에 채용가능한 기판으로서, 실리콘 산화막이 형성된 실리콘 기판이 채용될 수 있다.On the other hand, as the substrate that can be employed in the present invention, a silicon substrate having a silicon oxide film formed thereon can be employed.
아울러, 상기 기판 위에 형성되는 소스, 드레인, 게이트 전극은 금(Au) 재질로 적용될 수 있다.In addition, the source, drain, and gate electrodes formed on the substrate may be formed of gold (Au).
한편, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체 소자 제조방법은, (a)기판에 홈을 형성한 후 상기 홈 내부에 게이트 전극과 유전체를 순차적으로 적층하는 단계와; (b)상기 유전체의 상부면과 접촉되도록 기판 위에 그라핀을 도포하는 단계와; (c)상기 도포된 그라핀을 리소그라피 공정을 이용하여 원하는 모양으로 패터닝하는 단계와; (d)상기 패터닝된 그라핀의 일부분에 팔라듐이 코팅될 수 있도록 기판 위에 포토레지스트를 도포한 후 리소그라피 공정을 통해 패터닝하는 단계와; (e)상기 패터닝된 포토레지스트 위에 팔라듐을 증착하여 그라핀의 일부분에 팔라듐을 코팅하는 단계와; (f)상기 그라핀의 일부분에 코팅된 팔라듐을 제외한 모든 포토레지스트와 팔라듐을 제거하는 단계; 및 (g)상기 그라핀의 양쪽에 연결되도록 소스 전극과 드레인 전극을 형성하는 단계;를 포함하여 구성될 수 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of fabricating a semiconductor device, including: (a) sequentially forming a gate electrode and a dielectric in a groove in a substrate; (b) applying graphene on the substrate to be in contact with the top surface of the dielectric; (c) patterning the applied graphene into a desired shape using a lithography process; (d) applying a photoresist on the substrate so that palladium can be coated on a part of the patterned graphene, and then patterning the photoresist through a lithography process; (e) depositing palladium on the patterned photoresist to coat palladium on a portion of the graphene; (f) removing all photoresist and palladium except palladium coated on a portion of the graphene; And (g) forming a source electrode and a drain electrode to be connected to both sides of the graphene.
이때, 상기 (b)단계의 전 단계로서, 상기 유전체의 상부면과 기판의 상부면을 폴리싱(polishing) 공정을 통해 평평하게 가공하는 단계를 더 포함하여 구성될 수 있다.At this time, as a step before the step (b), the upper surface of the dielectric and the upper surface of the substrate may be flattened by a polishing process.
그리고, 상기 (b)단계에서 상기 그라핀의 도포는 화학기상증착(CVD) 방법을 통해 수행될 수 있다.In the step (b), the application of the graphene may be performed by a chemical vapor deposition (CVD) method.
또는, 상기 (b)단계에서 상기 그라핀의 도포는 그라핀 옥사이드(graphene oxide)를 스핀 코팅(spin coating)하여 이루어질 수도 있다.Alternatively, in the step (b), the graphene may be applied by spin coating a graphene oxide.
이와 함께, 상기 (f)단계의 포토레지스트 및 팔라듐 제거는 리프트 오프(Lift-off) 공정을 통해 수행될 수 있다.In addition, the removal of the photoresist and the palladium in the step (f) may be performed through a lift-off process.
한편, 상술한 본 발명의 반도체 소자 제조방법을 적용하여 우수한 안정성과 성능을 가지는 가스센서의 제조 또한 가능하다.
On the other hand, it is also possible to manufacture a gas sensor having excellent stability and performance by applying the above-described method for manufacturing a semiconductor device of the present invention.
상기한 구성을 갖는 본 발명에 의하면, 전기 전도도가 우수한 그라핀의 일부분에 전자 주고받기가 용이한 팔라듐을 코팅하고, 팔라듐에 수소를 주입하여 생성되는 많은 잉여전자들이 그라핀의 정공과 반응하여 그라핀에 부분 도핑될 수 있도록 함으로써, 그라핀 내부에 전자/정공의 농도 구배를 발생시켜 P-N 다이오드와 같은 기능이 부여된 반도체 소자를 제조할 수 있고, 간단한 리소그라피 공정을 통해 안정성과 양산성이 우수한 반도체 소자를 제조할 수 있는 장점이 있다.
According to the present invention having the above-described structure, a part of graphene having excellent electrical conductivity is coated with palladium which is easy to electron donate, and a large amount of surplus electrons generated by injecting hydrogen into palladium reacts with holes of the graphene, It is possible to manufacture a semiconductor element having the function of a PN diode by producing a concentration gradient of electrons / holes in the graphene, and by using a simple lithography process, a semiconductor having excellent stability and mass productivity There is an advantage that a device can be manufactured.
도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 P-N 타입 반도체 소자를 도시한 단면도.
도 2는 도 1에 도시한 P-N 타입 반도체 소자를 제조하는 과정을 순차적으로 보여주는 제조 공정도.
도 3 내지 도 6은 그라핀의 일부분에 도포된 팔라듐과 수소와의 반응에 의해 그라핀 내에 전자/정공의 농도 구배가 형성되어 P-N 타입의 반도체 소자를 형성하는 과정을 순차적으로 보여주는 개념도.
도 7은 단일 그라핀 내의 전자/정공 농도 차에 의한 저항 변화를 측정한 그래프.
도 8은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 P-N-P 타입 반도체 소자를 도시한 단면도.1 is a cross-sectional view illustrating a PN type semiconductor device according to an embodiment of the present invention;
FIG. 2 is a manufacturing process diagram sequentially showing a process of manufacturing the PN type semiconductor device shown in FIG. 1; FIG.
FIGS. 3 to 6 are conceptual diagrams sequentially illustrating a process of forming a PN type semiconductor device by forming a concentration gradient of electrons / holes in the graphene by reaction of palladium and hydrogen applied to a part of the graphene.
7 is a graph showing a change in resistance due to a difference in electron / hole concentration in a single graphene.
8 is a cross-sectional view illustrating a PNP-type semiconductor device according to another embodiment of the present invention.
이하, 본 발명의 일실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 P-N 접합 반도체 소자를 도시한 단면도이다.1 is a cross-sectional view illustrating a P-N junction semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명에 의한 반도체 소자(100)는 홈(104a)(104b)이 형성된 실리콘 기판(102)과, 상기 홈(104a)(104b)의 내부에 형성되며 전압이 인가되는 게이트 전극(110a)(110b)과, 상기 게이트 전극(110a)(110b)의 상부면과 접촉되도록 상기 홈(104a)(104b) 내부에 형성되는 유전체층(120a)(120b)과, 상기 유전체층(120a)(120b)의 상부면과 접촉을 이루며 상기 실리콘 기판(102)의 상부면에 패터닝되는 그라핀층(130)과, 상기 그라핀층(130)의 일부분에 증착되는 팔라듐층(140)과, 상기 그라핀층(130)의 양단과 각각 연결되도록 상기 실리콘 기판(102) 위에 패터닝되는 소스 전극(150) 및 드레인 전극(160)을 포함하여 구성된다.1, a
상기 실리콘 기판(102)은 실리콘 산화막(SiO2)이 적층된 기판으로서, 그 중앙 부분에는 상부면으로부터 일정 폭과 깊이를 가지며 함몰된 2개의 홈(104a)(104b)이 형성된다. The
이때, 상기 실리콘 기판(102)에 형성되는 2개의 홈(104a)(104b)은 서로 일정한 간격을 이루며 형성되는데, 상기 각 홈(104a)(104b)의 내부에는 외부로부터 전압이 공급되는 게이트 전극(110a)(110b)이 형성된다. At this time, two
여기서, 상기 실리콘 기판(102)에 홈(104a)(104b)의 형성시, 먼저 리소그라피(rithography) 방법을 이용하여 실리콘 기판(102)에 게이트 전극(110a)(110b) 모양을 패터닝한 다음에 상기 패터닝된 부분을 드라이 에칭(dry etching)으로 식각하여 게이트 전극의 형성을 위한 홈(104a)(104b)을 형성하게 된다. 이와 같은 리소그라피 공정을 통해 형성된 홈(104a)(104b)의 내부에는 게이트 전극(110a)(110b)과 유전체층(120a)(120b)을 순차적으로 적층하여 형성하게 된다.Here, when the
그리고, 상기와 같이 실리콘 기판(102)의 홈(104a)(104b) 내부에 게이트 전극(110a)(110b)과 유전체층(120a)(120b)을 적층 형성한 후에는, 상기 유전체층(120a)(120b)의 상부면과 실리콘 기판(102)의 상부면이 서로 평평한 수평면을 유지할 수 있도록 별도의 폴리싱(polishing) 공정을 통해 표면을 고르게 연마한다.After the
상기 게이트 전극(110a)(110b)은 외부로부터 전압이 인가되는 전극으로서, Pt, Au, Pd, Ag, Ni, Cr 또는 전도성 금속 등의 다양한 금속 물질을 사용하여 구성할 수 있는데, 본 실시 예에서는 금(Au)으로 게이트 전극(110a)(110b)을 구성하였다.The
상기 그라핀층(130)은 2차원 평면형태의 결합구조를 갖는 그라핀(graphene) 물질이 박막 형태로 증착된 층(layer)으로서, 상기 그라핀층(130)은 실리콘 기판(102)에 형성된 2개의 홈(104a)(104b) 영역이 모두 덮여질 수 있도록 일정한 면적을 가지며 기판 위에 증착된다. 이렇게 실리콘 기판(102) 위에 증착된 그라핀층(130)의 하부면은 홈(104a)(104b) 내부에 형성된 유전체층(120a)(120b)의 상부면과 서로 접촉된 상태로 유지된다.The
이때, 상기 실리콘 기판(102) 위에 그라핀층(130) 형성시 화학기상증착(CVD) 방법을 이용하거나, 또는 수용액 상태의 그라핀 옥사이드(graphene oxide)를 실리콘 기판(102) 위에 스핀코팅(spin coating)하여 형성할 수 있다.When a
이와 같이 그라핀은 2차원 평면 형태의 구조적 특성을 가지기 때문에 실리콘 기판(102) 위의 전면에 박막 형태로 증착할 수 있고, 이러한 그라핀의 특성을 이용하여 실리콘 기판(102) 위의 원하는 위치에 그라핀을 박막 형태로 증착한 후, 증착된 그라핀을 필요한 형태로 패터닝하여 그라핀 도선을 구현할 수 있다. Since the graphenes have a two-dimensional planar structure, the graphenes can be deposited on the entire surface of the
상기 팔라듐층(140)은 수소(H2)와의 전자 주고받기가 용이한 금속물질인 팔라듐(Pd)이 증착된 층으로서, 이러한 팔라듐층(140)은 실리콘 기판(102)에 형성된 2개의 홈(104a)(104b) 중에서 일측 홈(104a)의 상부에 위치한 그라핀층(130)의 영역에 증착된다. The
이와 같이 그라핀층(130)의 일부분에 증착된 팔라듐에 수소가 투입될 경우, 상기 팔라듐은 수소와 반응하여 잉여전자를 방출시키고, 이렇게 방출된 잉여전자가 점차 증가됨에 따라 팔라듐이 증착된 그라핀 영역은 정공 수가 많은 P형 반도체 특성을 잃고 전자 수가 많은 N형 반도체 특성으로 변하여 전자/정공의 농도 구배를 형성하게 됨으로써 P형 반도체와 N형 반도체가 상호 접합된 P-N 접합 다이오드(diode)와 같은 특성을 가지게 된다When hydrogen is added to the palladium deposited on a part of the
상기 소스 전극(150)과 드레인 전극(160)은 상기 그라핀층(130)의 양단부와 부분적으로 접촉되어 서로 전기적으로 연결되도록 상기 실리콘 기판(102) 위에 패터닝된다.The
이러한 소스 전극(150)과 드레인 전극(160)은 전술된 게이트 전극(110a)(110b)과 같이 Pt, Au, Pd, Ag, Ni, Cr 또는 전도성 금속 등의 다양한 금속 물질을 사용하여 구성할 수 있는데, 본 실시 예에서는 금(Au)으로 소스 전극(150)과 드레인 전극(160)을 구성하였다.The
상기한 바와 같이, 본 발명은 그라핀과 전자 주고받기가 용이한 팔라듐 물질은 그라핀의 일부분에 코팅하고 상기 팔라듐에 수소를 반응시켜 발생하는 많은 잉여전자들이 그라핀 표면에 분포된 정공과 지속적으로 반응하여 도핑될 수 있도록 함으로써 그라핀층(130) 내부에 전자/정공의 농도 구배를 발생시켜 P-N 접합형 반도체 소자를 구현할 수 있다. 이때, 상기 반도체 소자(100)의 게이트 전극(110a)(110b)을 통해 P형 그라핀 부분(P)과 N형 그라핀 부분(N)에 순방향 또는 역방향 전압을 인가함에 따라 정류작용 또는 스위칭 작용을 할 수 있는 P-N 다이오드의 특성을 부여할 수 있다.As described above, according to the present invention, a palladium material that is easy to electronically exchange with graphene is coated on a part of graphene, and many surplus electrons generated by reacting the palladium with hydrogen react with holes distributed on the surface of the graphene So that a concentration gradient of electrons / holes is generated in the
한편, 도 2는 도 1에 도시된 본 발명의 반도체 소자를 제조하는 과정을 순차적으로 보여주는 제조 공정도이다.Meanwhile, FIG. 2 is a manufacturing process diagram sequentially illustrating a process of manufacturing the semiconductor device of the present invention shown in FIG. 1.
도 2에 도시한 바와 같이, 먼저, 리소그라피(rithography) 공정을 통해 실리콘 기판(102)에 게이트 전극 모양을 패터닝한 후 상기 패터닝된 부분을 드라이 에칭(dry etching)으로 식각하여 게이트 전극의 형성을 위한 홈(104a)(104b)을 형성하고, 상기 형성된 홈(104a)(104b)의 내부에 게이트 전극(110a)(110b)과 유전체층(120a)(120b)을 순차적으로 적층하여 형성한다.(a)As shown in FIG. 2, first, a gate electrode pattern is patterned on a
이때, 상기와 같이 실리콘 기판(102)의 홈(104a)(104b) 내부에 게이트 전극(110a)(110b)과 유전체층(120a)(120b)을 적층 형성한 후에, 유전체층(120a)(120b)의 상부면과 실리콘 기판(102)의 상부면이 서로 평평한 수평면을 유지할 수 있도록 별도의 폴리싱(polishing) 공정을 통해 표면을 고르게 연마하는 것이 바람직하다.The
그리고, 상기 실리콘 기판(102)의 홈(104a)(104b)에 게이트 전극(110a)(110b)과 유전체층(120a)(120b)이 형성된 다음에는, 상기 유전체층(120a)(120b)의 상부면과 접촉되도록 상기 실리콘 기판(102) 위에 그라핀을 도포하여 박막 형태의 그라핀층(130)을 형성한다.(b)After the
이때, 상기 그라핀층(130)의 형성은 화학기상증착(CVD) 방법을 이용하여 기판(102) 위에 증착하거나, 또는 수용액 상태의 그라핀 옥사이드(graphene oxide)를 스핀코팅(spin coating) 공정을 이용하여 실리콘 기판(102) 위에 도포함으로써 형성할 수 있다.The
이렇게 실리콘 기판(102) 위에 그라핀층(130)이 형성되면, 다음으로, 실리콘 기판(102) 위에 증착된 그라핀층(130)을 리소그라피 공정을 이용하여 (c)와 같이 게이트 전극(110a)(110b)이 형성된 2개의 홈(104a)(104b) 부분을 완전히 덮도록 패터닝한다.After the formation of the
그런 다음에, 상기 그라핀층(130)의 일부분 영역에 팔라듐이 코팅될 수 있도록 실리콘 기판(102) 위에 포토레지스트를 도포한 후 리소그라피 공정을 통해 (d)와 같은 형태로 패터닝한다.Then, photoresist is coated on the
다음으로, 상기 실리콘 기판(102) 위에 도포된 포토레지스트층(132) 위에 팔라듐(Pd)을 증착하여 (e)와 같이 포토레지스트층(132) 사이의 패터닝된 공간부로 팔라듐이 주입되어 그라핀층(130)의 상부 일측에 코팅될 수 있도록 한다.Next, palladium (Pd) is deposited on the
그런 다음, 리프트 오프(Lift-off) 공정을 통해 그라핀층(130) 위에 코팅된 팔라듐(140)을 제외한 모든 팔라듐과 모든 포토레지스트를 제거한다.(f)Then all palladium and all photoresists except the
최종적으로, 상기 팔라듐(140)이 코팅된 그라핀층(130)의 양쪽 단부에 소스 전극(150)과 드레인 전극(160)을 패터닝하여 전기적으로 연결하게 되면, 팔라듐이 부분적으로 코팅된 그라핀 소자로 이루어진 P-N 반도체 소자가 완성된다.(g)Finally, when the
한편, 도 3 내지 도 6은 상술한 본 발명의 제조 공정을 통해 제조된 반도체 소자에 있어서, 그라핀에 부분적으로 코팅된 팔라듐에 수소가 주입될 경우 팔라듐과 수소의 화학적 반응에 의해 그라핀 내에 전자/정공의 농도 구배가 발생되어 P형 그라핀과 N형 그라핀으로 변화되는 과정을 순차적으로 보여주는 개념도이다.3 to 6 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention. In FIGS. 3 to 6, when hydrogen is implanted into palladium partially coated on graphene, / Hole concentration gradients are generated to change into P-type graphenes and N-type graphenes.
먼저, 본 발명의 반도체 소자에 있어, 도 3과 같이 그라핀층(130) 상부에 코팅된 팔라듐층(140)에 수소(H2)가 투입될 경우, H2 + Pd -> PdHx + e- 와 같은 화학 반응을 통해 팔라듐(Pd)는 PdHx 로 변하면서 잉여전자(e-)를 방출시키게 된다. 이렇게 방출된 잉여전자(e-)는 팔라듐층(140) 내부에 머무르지 못하고 그라핀층(130)과 팔라듐층(140)의 표면으로 이동하게 되는데, 이렇게 그라핀층(130) 및 팔라듐층(140) 표면으로 이동한 잉여전자(e-)는 도 4에서 보는 바와 같이 정공(h+)이 많이 분포된 그라핀층(130)의 표면과 반응하기 시작하고, 상기 그라핀층(130)에 전자(e-)가 유입되기 시작하면서 전자(e-)와 정공(h+)의 결합에 의해 재활성화(regeneration) 반응이 일어나게 된다. 이와 같이 팔라듐층(140)으로부터 지속적으로 그라핀층(130) 내부에 전자(e-)가 유입됨에 따라 도 5에서 보는 바와 같이 그라핀층(130)의 일부분(왼쪽 부분)은 정공(h+)의 수보다 전자(e-)의 수가 많은 형태로 변화되고, 이러한 현상이 일정 시간 지속됨에 따라 그라핀층(130)의 일부분(왼쪽 부분)은 도 6에서 보는 것과 같이 전자(e-)가 많이 분포된 N형 반도체 특성을 갖는 그라핀 영역으로 변화되고, 그라핀층(130)의 나머지 부분(오른쪽 부분)은 정공(h+)이 많이 분포된 P형 반도체 특성을 갖는 그라핀 영역으로 변화되어, P형 반도체와 N형 반도체가 접합된 P-N 반도체 다이오드(diode) 소자를 구현할 수 있다. 이렇게 생성된 P-N 접합 반도체 소자는 게이트 전극(110a)(110b)에 순방향 또는 역방향의 전압을 인가함에 따라 일반적인 P-N 다이오드(diode)와 같이 정류작용 또는 스위칭 작용을 할 수 있는 반도체 소자로 구현될 수 있다.As shown in FIG. 3, when hydrogen (H 2 ) is introduced into the
이와 같은 본 발명의 P-N 접합형 반도체 소자에 있어서, 팔라듐층(140)과 반응하게 되는 적합한 수소 농도는 0~200ppm 범위 내에 형성되도록 하는 것이 바람직하다. 특히, 본 발명의 반도체 소자는 50ppm 이상의 수소 환경에 노출된 상태에서 동작되는 것이 보다 바람직한데, 예를 들어, 50ppm 이상의 수소 농도 환경으로 조성된 챔버 내에 본 발명의 반도체 소자를 넣어 저농도의 수소 환경 조건에서 반도체 소자의 기능을 구현할 수 있다. In the P-N junction semiconductor device of the present invention, it is preferable that a suitable hydrogen concentration to be reacted with the
그리고, 상기 팔라듐이 수소와 반응할 수 있도록 별도의 투입수단을 이용하여 팔라듐층(140)에 수소를 투입할 경우에는 질량유량계(MFC; Mass Flow Controller)를 통해 팔라듐층(140)으로 수소를 주입하여 반도체 소자를 동작시킬 수 있다.When hydrogen is introduced into the
도 7은 본 발명의 반도체 소자에 있어, 단일 그라핀층 내부의 전자/정공 농도 차에 따른 저항 변화를 측정한 그래프를 보여주는 것으로서, 도 7의 그래프에서 볼 수 있듯이, 본 발명의 반도체 소자는 50ppm의 저농도 수소 환경에서도 그라핀층(130) 내부의 전자/정공의 농도 구배가 발생됨을 확인할 수 있었다.7 is a graph showing a resistance change according to a difference in electron / hole concentration in a single graphene layer of the semiconductor device of the present invention. As shown in the graph of FIG. 7, It was confirmed that a concentration gradient of electrons / holes was generated in the
한편, 도 8은 전술된 본 발명의 P-N 반도체 소자의 원리를 응용하여 구성한 P-N-P형 트랜지스터 소자를 나타낸 것이다.On the other hand, FIG. 8 shows a P-N-P type transistor device constructed by applying the principle of the P-N semiconductor device of the present invention described above.
도 8에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 P-N-P형 트랜지스터 반도체 소자는 실리콘 기판(102)상에 서로 일정 간격으로 이격된 3개의 홈(104a)(104b)(104c)을 형성하고, 상기 3개의 홈(104a)(104b)(104c)에 각각 게이트 전극(110a)(110b)(110c)과 유전체층(120a)(120b)(120c)를 형성한 후에, 상기 유전체층(120a)(120b)(120c)의 상부면과 접촉되도록 상기 3개의 홈(104a)(104b)(104c)에 동시에 걸쳐지게 그라핀층(130)을 형성하고, 상기 3개의 홈(104a)(104b)(104c) 중 가운데 홈(104b) 부분에 위치한 그라핀층(130) 영역상에 팔라듐층(140)을 증착하여 P-N-P형 트랜지스터 소자를 제조할 수 있다.8, the PNP transistor semiconductor device according to the present invention includes three
상술한 바와 같이, 본 발명은 전기 전도도가 우수한 그라핀(graphene)과 상기 그라핀과 상호 간에 전자 주고받기가 용이한 팔라듐(Pd)을 소재로 하여, 상기 그라핀의 일부분에 팔라듐을 덮고 수소를 주입하여 발생하는 많은 잉여전자들이 그라핀의 정공과 반응하여 부분 도핑될 수 있도록 함으로써, 그라핀 내부에 전자/정공의 농도 구배를 발생시켜 온/오프(On/Off) 디바이스 및 다양한 논리회로의 구성이 가능한 P-N 다이오드를 제조할 수 있고, 간단한 리소그라피(lithography) 공정을 이용하여 안정성과 양산성이 우수한 반도체 소자를 제조할 수 있는 장점이 있다.As described above, the present invention provides a method of manufacturing a semiconductor device, which comprises a graphene having excellent electrical conductivity and palladium (Pd) which is easy to electronically exchange with the graphene, and a part of the graphene is coated with palladium Many surplus electrons generated by implantation react with the holes of the graphenes and can be partially doped, thereby generating electron / hole concentration gradients in the graphene, thereby forming on / off devices and various logic circuits And a semiconductor device having excellent stability and mass productivity can be manufactured by using a simple lithography process.
그리고, 본 발명의 반도체 소자에 적용되는 그라핀 자체가 2차원 평면 형태의 물질로 이루어져 있기 때문에 실리콘 기판(102) 위의 전면에 증착할 수 있는 장점이 있고, 이러한 장점으로 인해 실리콘 기판(102) 위의 원하는 위치에 박막의 그라핀을 증착한 후 원하는 형태로 패터닝하여 그라핀 도선을 배선할 수 있고, 상기 배선된 그라핀 도선의 필요한 부분에 팔라듐(Pd)을 리소그라피 방법을 이용하여 증착하여 그라핀 도선상에 여러 개의 P-N 다이오드를 배치하여 그라핀 도선 회로를 구현할 수 있는 장점이 있다. Since the graphene itself applied to the semiconductor device of the present invention is formed of a two-dimensional planar material, there is an advantage that it can be deposited on the entire surface of the
아울러, 상기한 구성을 갖는 본 발명의 반도체 소자는 가스(수소)의 농도를 측정할 수 있는 가스 센서로도 활용할 수 있는 바, 가스 환경에 본 발명의 반도체 소자를 노출하여 전압 펄스 공급시 팔라듐이 코팅된 부분과 코팅되지 않은 부분의 그라핀의 전도도 변화율을 측정하여 가스의 농도를 측정할 수 있기 때문에 안정적인 센서로의 응용이 가능한 장점이 있다.In addition, the semiconductor device of the present invention having the above-described structure can be used as a gas sensor capable of measuring the concentration of gas (hydrogen). When the semiconductor device of the present invention is exposed to a gas environment, The concentration of the gas can be measured by measuring the rate of change of the conductivity of the graphene in the coated portion and the uncoated portion, which is advantageous in application to a stable sensor.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이같은 특정 실시 예에만 한정되지 않으며, 해당분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 특허청구범위 내에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is clearly understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be construed as limited to the embodiments set forth herein. Will be possible.
100 : 반도체 소자 102 : 실리콘 기판
104a,104b : 홈 110a,110b : 게이트 전극
120a,120b : 유전체층 130 : 그라핀층
140 : 팔라듐층 150 : 소스 전극
160 : 드레인 전극100: semiconductor element 102: silicon substrate
104a, 104b:
120a, 120b: dielectric layer 130: graphene layer
140: palladium layer 150: source electrode
160: drain electrode
Claims (15)
상기 홈 내부에 형성되며 외부로부터 전압이 인가되는 게이트 전극;
상기 게이트 전극과 접촉을 이루며 상기 홈 내부에 형성되는 유전체층;
상기 유전체층의 상부면과 접촉되며 상기 홈 부분에 걸쳐지도록 상기 기판의 상부면에 형성되는 그라핀층;
상기 그라핀층의 일부분에 증착되며 외부로부터 투입되는 수소와 반응하여 전자를 방출시키는 팔라듐층;
상기 그라핀층의 양단과 각각 연결되도록 상기 기판 위에 적층되는 소스 전극과 드레인 전극;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자
A groove-formed substrate;
A gate electrode formed in the groove and having a voltage applied from the outside;
A dielectric layer in contact with the gate electrode and formed in the groove;
A graphene layer formed on an upper surface of the substrate to contact the upper surface of the dielectric layer and to cover the groove portion;
A palladium layer deposited on a portion of the graphene layer and reacting with hydrogen introduced from the outside to emit electrons;
A source electrode and a drain electrode stacked on the substrate so as to be connected to both ends of the graphene layer;
And a semiconductor element
[2] The method of claim 1, wherein the grooves are formed with two spaced apart spaces, and the palladium layer is deposited on the graphene layer region located on one of the two grooves, Semiconductor device.
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the grooves are formed in three spaced apart spaces, and the palladium layer is deposited and formed on a graphene layer region located above the central groove of the three grooves. device
[3] The method of claim 1, wherein the grooves are three spaced apart from each other at a predetermined interval, and the palladium layer is deposited and formed on the graphene layer region located above the two grooves of the three grooves, A semiconductor element
The semiconductor device of claim 1, wherein a concentration of hydrogen reacting with the palladium layer is in a range of 0 to 200 ppm.
The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device is operated in a state exposed to a hydrogen concentration environment of 50 ppm or more.
The method according to claim 1, wherein hydrogen is supplied to the palladium layer through a mass flow controller (MFC).
The semiconductor device according to claim 1, wherein the substrate is a silicon substrate having a silicon oxide film formed thereon
The semiconductor device according to claim 1, wherein the source, drain, and gate electrodes are made of gold (Au).
(b) 상기 유전체의 상부면과 접촉되도록 기판 위에 그라핀을 도포하는 단계;
(c) 상기 도포된 그라핀을 리소그라피 공정을 이용하여 원하는 모양으로 패터닝하는 단계;
(d) 상기 패터닝된 그라핀의 일부분에 팔라듐이 코팅될 수 있도록 기판 위에 포토레지스트를 도포한 후 리소그라피 공정을 통해 패터닝하는 단계;
(e) 상기 패터닝된 포토레지스트 위에 팔라듐을 증착하여 그라핀의 일부분에 팔라듐을 코팅하는 단계;
(f) 상기 그라핀의 일부분에 코팅된 팔라듐을 제외한 모든 포토레지스트와 팔라듐을 제거하는 단계;
(g) 상기 그라핀의 양쪽에 연결되도록 소스 전극과 드레인 전극을 형성하는 단계;
를 포함하는 특징으로 하는 반도체 소자 제조방법.
(a) sequentially forming a gate electrode and a dielectric in the groove after forming a groove in the substrate;
(b) applying graphene on the substrate to be in contact with the top surface of the dielectric;
(c) patterning the applied graphene into a desired shape using a lithography process;
(d) applying a photoresist on the substrate so that palladium can be coated on a part of the patterned graphene, and patterning the photoresist through a lithography process;
(e) depositing palladium on the patterned photoresist to coat palladium on a portion of the graphene;
(f) removing all photoresist and palladium except palladium coated on a portion of the graphene;
(g) forming a source electrode and a drain electrode to be connected to both sides of the graphene;
Wherein the semiconductor device is a semiconductor device.
The manufacturing method of a semiconductor device according to claim 10, further comprising a step of polishing the upper surface of the dielectric and the upper surface of the substrate through a polishing process as a step before the step (b) Way.
[10] The method of claim 10, wherein the application of the graphene is performed by a chemical vapor deposition (CVD) method in the step (b).
The method of claim 10, wherein the application of the graphene in step (b) is performed through a spin coating process of graphene oxide.
11. The method of claim 10, wherein the step (f) is performed through a lift-off process.
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