KR20150110590A - 트랜지스터 어레이 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
트랜지스터 어레이는, 베이스(100) 및 베이스(100)를 공용하는 복수 개의 트랜지스터 유닛(200)을 포함한다. 트랜지스터 유닛 (200)은, 베이스 (100) 상에 위치하는 하부 전극 (201) 및 하부 전극 인출선; 하부 전극 (201) 상의 압전 재료로 구성된 압전체(202); 및 압전체(202) 상의 상부 전극 (203); 을 포함한다. 트랜지스터 어레이의 제조 방법에 있어서, 트랜지스터 어레이의 트랜지스터 유닛(200)은 2단자 장치로서, 트랜지스터 유닛 (200)의 상부 전극 (203)과 하부 전극 (201) 사이에 압전 특성을 가지는 압전체(202)를 형성하는데, 트랜지스터 유닛(200)에 작용하는 외력에 의해 트랜지스터 어레이의 트랜지스터 유닛(200)의 캐리어 수송 과정을 효과적으로 제어 또는 트리거링한다.
Description
본 발명은 반도체 장치에 관한 것으로, 특히 압력 검출에 의한 촬상에 응용되는 트랜지스터 어레이 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
센서, 에너지 수집 및 인간-기계 간 통신 등 분야에 있어서, 투명한 연성(soft) 베이스 상에 미세 기능성 유닛을 대규모적으로 집적하는 기술은 아주 중요한 의의가 있다. 현재 연성 전자학을 기반으로 하는 압력 센서 분야의 연구 과제 중의 하나로는, 마이크로-나노 압력 센서의 성능에 대한 베이스 재료의 절곡 변형 영향을 될수록 감소시키는 것이다. 기존의 압력 검출 기술은 대부분 평면형 전계효과 트랜지스터를 사용한다. 이러한 기술은 이미 성숙되었으나, 전계효과 트랜지스터 유닛이 3단 구조이므로 비교적 복잡한 집적 공정이 필요하다. 또한, 이러한 기술을 기반으로 하는 트랜지스터 어레이로 구성된 압력 센서에는 외부 환경과 직접 교호적으로 작용할 수 있는 메커니즘이 부족하다.
또한, 평면형 전계효과 트랜지스터를 사용하는 기존의 연성 압력 센서는 집적 밀도가 매개 유닛의 사이즈의 영향을 받는데, 제조 될 수 있는 유닛 사이즈의 통상적인 수량급은 수백 ㎛로서 이는 압력 센서의 집적 밀도와 공간 분해능에 큰 영향을 가져온다.
본 발명은 전기적 성능이 직접 외부의 기계적 작용에 의해 제어되는 트랜지스터 어레이를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상술한 목적을 실현하기 위하여 본 발명에서는 베이스 및 상기 베이스를 공용하는 복수 개의 트랜지스터 유닛을 포함하는 트랜지스터 어레이를 제공한다. 상기 트랜지스터 유닛은,
상기 베이스 상에 위치하는 하부 전극과 하부 전극 인출선;
상기 하부 전극 상에 위치하며 압전 재료로 구성된 압전체; 및
상기 압전체 상의 상부 전극; 을 포함한다.
바람직하게, 상기 트랜지스터 유닛의 압전체는 배향 분극을 가진다.
바람직하게, 상기 트랜지스터 유닛의 압전체의 상기 배향 분극은 대체로 상기 베이스에 수직된다.
바람직하게, 상기 트랜지스터 어레이에 있어서, 매개 상기 트랜지스터 유닛의 압전체의 상기 분극 방향은 대체로 동일하다.
바람직하게, 상기 트랜지스터 어레이에 있어서, 트랜지스터 유닛 사이에는 연성 절연 충진층이 더 포함되는데, 상기 연성 절연 충진층의 상면은 적어도 상기 트랜지스터 유닛의 상부 전극을 노출시킨다.
바람직하게, 상기 트랜지스터 유닛은, 상기 상부 전극을 상기 트랜지스터 어레이 밖으로 인출하기 위한 상부 전극 인출선을 더 포함한다.
바람직하게, 상기 트랜지스터 어레이는, 상기 연성 절연 충진층 상에 위치하며 상기 트랜지스터 유닛의, 상기 연성 절연 충진층의 상면에 노출된 부분을 봉지하도록 형성된 봉지층을 더 포함한다.
바람직하게, 상기 트랜지스터 유닛의 압전체는 ZnO, GaN, CdS, InN, InGaN, CdTe, CdSe, 또는 ZnSn03, 또는 티탄산 지르콘산 연의 나노 와이어, 나노 로드, 또는 박막, 또는 PVDF 나노 섬유로 구성된다.
바람직하게, 상기 압전체는 나노 와이어, 나노 로드, 또는 나노 섬유로 구성되고, 상기 압전체의 축선 방향은 대체로 하부 전극 또는 베이스 표면에 수직된다.
바람직하게, 상기 트랜지스터 유닛의 횡단면의 면적은 25㎛2 또는 그 이하이다.
바람직하게, 상기 트랜지스터 유닛 사이의 거리는 수 ㎛ 내지 수 ㎜이다.
바람직하게, 상기 트랜지스터 유닛은 축선이 대체로 베이스에 수직되는 윈기둥, 4각 기둥, 6각 기둥, 또는 불규칙적인 기둥 형상이다.
바람직하게, 매개 상기 트랜지스터 유닛의 압전체는 동일한 압전 재료로 구성된다.
바람직하게, 트랜지스터 어레이는 복수 개의 동일한 상기 트랜지스터 유닛을 포함한다.
바람직하게, 상기 베이스는 연성(soft) 또는 경성(hard) 베이스이다.
바람직하게, 상기 트랜지스터 유닛의 상부 전극 및/또는 하부 전극은, 도전성 산화물, 그래핀, 또는 은-나노 와이어 코팅층 중의 하나로 구성되거나, 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 구리(Cu), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 셀레늄(Se), 또는 이들의 합금 중의 하나로 구성된다.
또한, 본 발명에서는 트랜지스터 어레이 제조 방법을 제공한다. 상기 방법은,
베이스를 준비하는 단계;
상기 베이스 상에 복수 개의 하부 전극을 포함하는 하부 전극 어레이 및 하부 전극 인출선을 형성하는 단계;
상기 하부 전극 상에 압전체를 형성하는 단계에 있어서, 복수 개의 상기 압전체는 압전체 어레이를 구성하는 단계; 및
상기 압전체 상에 상부 전극을 형성하는 단계에 있어서, 복수 개의 상기 상부 전극은 상부 전극 어레이를 구성하는 단계; 를 포함한다.
바람직하게, 상기 하부 전극 상에 압전체를 형성하는 상기 단계 이후에, 상기 압전체 사이에 연성 절연 충진층을 형성하는 단계를 더 포함하는데, 상기 압전체의 상부는 상기 연성 절연 충진층 밖으로 노출된다.
바람직하게, 상기 압전체 상에 상부 전극을 형성하는 상기 단계는, 상기 압전체와 상기 연성 절연 충진층 상에 상기 상부 전극과 상부 전극 인출선을 형성하는 단계를 더 포함하는데, 상기 상부 전극은 상기 압전체 상에 형성되고, 상부 전극 인출선과 상기 상부 전극은 전기적으로 연결된다.
기존의 기술에 비하여, 본 발명의 이점은 아래와 같다.
본 발명에서 제공하는 트랜지스터 어레이는, 베이스 및 상기 베이스를 공용하는 복수 개의 트랜지스터 유닛을 포함하고, 상기 트랜지스터 유닛은, 상기 베이스 상에 위치하는 하부 전극 및 하부 전극 인출선; 상기 하부 전극 상에 위치하며 압전 재료로 구성된 압전체; 상기 압전체 상의 상부 전극; 을 포함한다. 전계효과 트랜지스터를 사용하는 기존의 압전 검출에 의한 트랜지스터 어레이와 달리, 본 발명의 트랜지스터 어레이의 트랜지스터 유닛은 2단자 장치로서, 트랜지스터 유닛의 상부 전극과 하부 전극 사이의 전송 특성은, 전계효과 트랜지스터의 게이트 전압에 의해 제어되는 것이 아니라, 외부에서 가하는 외력에 의해 제어된다. 트랜지스터 어레이에 외력을 가하거나 또는 압력구동을 진행하여 트랜지스터 유닛을 변형 시킬 때, 압전 재료로 구성된 압전체에도 상응하는 변형이 발생하며, 나아가서 압전체 내부에도 일단(하단)이 “+”, 타단(상단)이 “-”인 압전 전기장이 발생되게 된다. 발생된 압전 전기장은, 트랜지스터 유닛 중의 하부 전극(소스 전극), 또는 상부 전극 (드레인 전극) 부근의 압전체와 전극 재료 사이의 계면 장벽(interface barrier)을 효과적으로 제어할 수 있어, 전계효과 트랜지스터의 게이트 전극에 인가된 게이트 전압과 유사한 작용을 할 수 있다. 트랜지스터 유닛에 가하는 외력에 의해 일어나는 변형을 통하여 장치 중의 캐리어 수송 과정을 효과적으로 제어 또는 트리거링 할 수 있다. 부동한 트랜지스터 유닛에 가하는 외력이 부동할 때, 압전체를 변형시키는 정도도 부동하며, 나아가서는 해당되는 트랜지스터 유닛의 전송 특성도 부동하게 된다. 부동한 트랜지스터 유닛의 전송 특성 변화를 기록함으로써 외력의 강도 및 외력의 공간 분포를 기록할 수 있다.
트랜지스터 어레이의 압전체 내부로 하여금 압전 전위를 발생하도록 하는 기계적 구동은, 공기 또는 물의 흐름, 엔진의 회전 작동, 인체 운동, 근육 신축, 호흡, 심장 박동, 또는 혈액 유동 등으로 인하여 발생되는 기계적 진동 신호일 수 있다. 따라서, 본 발명의 트랜지스터 어레이는 압력 감지 장치로서 광범위하게 응용될 수 있다.
본 발명의 트랜지스터 어레이의 트랜지스터 유닛은 그 구조가 간단하고 단독적으로 액세스될 수 있다. 또한 트랜지스터 유닛의 사이즈가 25㎛2 또는 그 이하에 달할 수 있고, 트랜지스터 유닛간의 거리가 50㎛ 또는 그 이하 일 수 있다. 따라서 압력 감지 촬상 장치로서, 그 공간 분해능이 기존의 전계효과 트랜지스터 어레이의 분해능에 비해 현저하게 높다. 또한, 트랜지스터 유닛의 압전체는 압전 나노 와이어, 나노 로드, 박막, 또는 나노 섬유로 구성되어 압력에 대한 반응이 민감한 바, 트랜지스터 유닛의 압력 분해능은 1kPa 또는 그 이하 일 수 있다.
첨부 도면에 도시된 예를 통하여, 본 발명의 상술한 목적, 특징 및 이점들은 더욱 선명하게 될 것이다. 첨부 도면에 있어서, 동일한 부호는 동일한 부분을 나타낸다. 도면에서는 실제 사이즈에 따라 엄격하게 등비례로 축소하여 나타내지는 않았는 바, 본 발명의 취지를 나타내려는데 그 목적이 있다.
도 1은 트랜지스터 어레이의 실시예 1의 평면도이다.
도 2는 트랜지스터 어레이의 실시예 1의 단면 구조도이다.
도 3 및 도 4는 트랜지스터 어레이의 실시예 2의 구조도이다.
도 5는 트랜지스터 어레이의 제조 방법의 흐름도이다.
도 6 내지 도 10은 트랜지스터 어레이의 제조 과정을 나타내는 도면이다.
도 1은 트랜지스터 어레이의 실시예 1의 평면도이다.
도 2는 트랜지스터 어레이의 실시예 1의 단면 구조도이다.
도 3 및 도 4는 트랜지스터 어레이의 실시예 2의 구조도이다.
도 5는 트랜지스터 어레이의 제조 방법의 흐름도이다.
도 6 내지 도 10은 트랜지스터 어레이의 제조 과정을 나타내는 도면이다.
아래 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 더욱 상세하고 전면적으로 설명하기로 한다. 물론 여기서 설명하는 실시예는 본 발명의 일부 실시예일 뿐, 본 발명의 모든 실시예를 나타내는 것은 아니다. 통상의 기술자가 본 발명의 실시예를 통하여 용이하게 얻을 수 있는 기타 모든 실시예들은 모두 본 발명의 보호 범위에 속한다.
또한, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명에 대해 상세하게 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예를 상세히 설명함에 있어서, 상기 첨부 도면들은 설명의 편의를 위한 예시적인 예일 뿐, 본 발명의 보호 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.
기존의 압력 검출 기술은 대부분 평면형 전계효과 트랜지스터를 사용하는데, 전계효과 트랜지스터 유닛의 3단 구조로 인하여, 비교적 복잡한 집적 공정을 필요할 뿐 만 아니라, 이러한 기술을 기반으로 하는 트랜지스터 어레이의 압력 센서에는 외부 환경과 직접 작용할 수 있는 메커니즘이 부족한 실정이다. 또한, 기존의 평면형 전계효과 트랜지스터를 사용하는 연성 압력 센서는 그 집적 밀도가 매개 유닛의 사이즈의 영향을 받고 있다. 제조 될 수 있는 유닛 사이즈의 통상적인 수량급은 수백 μm로서 이는 압력 센서의 집적 밀도와 공간 분해능에 큰 영향을 가져온다. 종래기술에 존재하는 문제점들을 극복하기 위하여, 본 발명에서는 트랜지스터 어레이를 제공한다. 상기 트랜지스터 어레이는 동일한 베이스를 공용하는 복수 개의 독립적으로 동작가능한 트랜지스터 유닛으로 구성되며, 상기 트랜지스터 유닛은 금속, 압전체 및 금속의 구조이다. 본 발명은 수직으로 성장하거나 설치된 압전체(나노 압전 재료)를 이용하여 3차원 대규모 압전 전기학(piezotronics) 트랜지스터 어레이를 제조한다. 또한, 압전체가 외력을 받아 발생하는 압전 전위를 이용하여, 압전 전기학 트랜지스터의 캐리어 수송을 효과적으로 제어하여, 압전 전위를 게이트 전극 전압으로 사용하여 트랜지스터의 온(ON) 상태를 제어한다. 이로써 외력 또는 압력으로 구동 및 제어를 진행하는 전자 디바이스, 나노-마이크로 전기 기기 및 센서를 실현하는 새로운 방법을 실현한다.
이하, 본 발명의 기술 방안이 더욱 명확해지도록, 첨부 도면과 결합하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
실시예 1
본 실시예의 트랜지스터 어레이 구조는 도 1 및 도 2를 참조할 수 있다. 도 1은 트랜지스터 어레이의 평면도이고, 도 2는 트랜지스터 어레이의 단면 구조도이다. 본 실시예의 트랜지스터 어레이는, 베이스(100); 및 베이스(100)를 공용하는 복수 개(m×n개, m 및 n은 1 이상의 자연수)의 트랜지스터 유닛(200)을 포함한다. 트랜지스터 유닛은, 베이스(100) 상에 위치하는 하부 전극(201)과 하부 전극 인출선(미도시); 하부 전극(201) 상의 압전체(202); 및 압전체(202) 상의 상부 전극(203)을 포함한다. 압전체(202)는 압전 재료로 구성되는데, ZnO, GaN, CdS, InN, InGaN, CdTe, CdSe 또는 ZnSn03, 또는 티탄산 지르콘산 연(PZT) 등 재료의 나노 와이어, 나노 로드 또는 박막, 또는 PVDF(poly(vinylidene fluoride)) 나노 섬유로부터 선택될 수 있다. 매개 트랜지스터 유닛의 압전체 재료가 동일한 것이 바람직하다. 다시 말하면, 트랜지스터 어레이에 있어서, 모든 트랜지스터 유닛의 압전체가 동일한 압전 재료로 구성되는 것이 바람직하다. 압전체는, 압전 특성을 가지는 나노 와이어, 나노 로드 또는 나노 섬유인 것이 바람직하고, 압전체와 하부 전극 또는 베이스의 배향은, 압전체의 축선 방향이 대체로 하부 전극 또는 베이스에 수직되는 것이 바람직하다.
트랜지스터 유닛의 압전체는 배향 분극을 가지는 것이 바람직하다. 성장 방법을 통하여 단결정 재료를 얻거나 증착 방법을 통하여 다결정 재료를 얻을 수 있다. 기존의 재료 제조 방법을 통해 배향 분극이 일치한 재료를 얻을 수 있다. 예를 들면, 기상 증착법 또는 액상 증착법을 통해 얻은 c축 배향된 ZnO 나노 와이어을 압전체로 사용할 수 있다. c축이 ZnO의 분극 방향이므로, 트랜지스터 어레이가 외력을 받거나 변형되었을 때 트랜지스터 유닛의 압전체 ZnO에도 상응한 변형이 발생되며, 나아가서 ZnO 내부에도 c축 방향을 따라 일단이 “+”이고 타단이 “-”인 압전 전기장이 발생된다.
본 발명의 트랜지스터 어레이에 있어서, 트랜지스터 유닛의 압전체는 배향 분극을 가지며, 상기 압전체 재료의 배향 분극이 대체로 베이스 표면에 수직되는 것이 바람직하다. 예를 들면, 트랜지스터 어레이에 있어서, 트랜지스터 유닛의 압전체는 c축 배향 분극된 ZnO 나노 와이어이며, ZnO 나노 와이어의 c축은 베이스에 수직된다. 더욱 바람직하게, 트랜지스터 어레이에 있어서, 매개 트랜지스터 유닛의 압전체의 분극 방향은 대체로 동일한 바, 이러한 구조로 인하여 매개 트랜지스터 유닛의 압전체의 분극 방향이 동일하거나 근접하게 된다. 그러므로 매개 트랜지스터 유닛의 재료가 동일하다면, 외력을 받거나 변형되었을 때 이에 대한 응답 능력이 근접하여 매개 트랜지스터 유닛의 성능도 대체로 동일하게 된다.
본 실시예에 있어서, 베이스(100)는, 연성 또는 경성 베이스일 수 있으며, 폴리이미드(polyimide) 또는 폴리 에틸렌 테레프탈레이트(PET) 등 연성 재료를 사용할 수도 있고, 실리콘 또는 세라믹 등과 같은 비연성(경성) 재료를 사용할 수도 있다.
트랜지스터 유닛(200)의 하부 전극(201)과 하부 전극 인출선은 도전성 산화물, 그래핀, 또는 은-나노 와이어 코팅층 중의 하나로 구성되거나, 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 구리(Cu), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 셀레늄(Se) 또는 이들의 합금 중의 하나로 구성될 수 있다. 하부 전극 인출선의 재료는 하부 전극의 재료와 동일한 것일 수 있다. 하부 전극 인출선은, 하부 전극을 트랜지스터 어레이 장치 밖으로 인출하여 하부 전극에 외부 회로, 예를 들면 트랜지스터 유닛의 동작 전원, 측정 설비 등을 연결하기 위한 것이다. 상부 전극(203)도 도전성 산화물, 그래핀, 또는 은-나노 와이어 코팅층 중의 하나, 또는 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 구리(Cu), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 셀레늄(Se), 또는 이들의 합금 중의 하나로 구성될 수 있다. 상부 전극(203)과 하부 전극(201)은 동일한 재료로 구성될 수도 있고 부동한 재료로 구성될 수도 있는 바, 특별히 한정하지 않는다. 실제 응용에 있어서, 전기 통로를 인출하는 통상의 방법으로 하부 전극과 상부 전극을 트랜지스터 어레이 밖으로 인출하여, 매개 트랜지스터 유닛의 상부 전극과 하부 전극 사이에 외부 회로를 연결한다.
도 1에 도시된 트랜지스터 어레이에 있어서, 트랜지스터 유닛(200)의 형상은 도면에 도시된 축선이 베이스 표면에 수직되는 4각 기둥에 한정되지 않는 바, 축선이 베이스 표면에 대체로 수직되는 윈기둥 또는 6각 기둥 등일 수도 있고 불규칙적인 기둥형상일 수도 있다. 트랜지스터 어레이에 있어서, 트랜지스터 유닛의 횡단면의 면적은 25㎛2 또는 그 이하일 수 있으며, 트랜지스터 유닛 사이의 거리는 50㎛ 또는 그 이하일 수 있다.
트랜지스터 어레이에 있어서, 매개 트랜지스터 유닛의 사이즈, 형상 및 재료가 동일한 것이 바람직하다.
전계효과 트랜지스터는 소스 전극, 드레인 전극 및 게이트 전극을 포함하며, 게이트 전극에 인가되는 게이트 전압에 의해 소스 전극과 드레인 전극 사이의 채널의 폭을 제어한다. 3차원 수직 나노 와이어에 의한 압전 트랜지스터 어레이 구조에서는 링형 게이트 전극을 구성하여야 하는데, 제조 기술 측면에서 볼 때 이러한 구조는 그 제조 난이도가 비교적 높다.
기존의 압전 트랜지스터 어레이와는 달리, 본 발명의 트랜지스터 어레이의 트랜지스터 유닛은 2단자 장치로서, 상부 전극과 하부 전극 사이의 전송 특성에 대한 제어는, 게이트 전압으로터 외부에서 가하는 외력으로 바뀐다. 다시 말하면, 외부에서 가하는 외력으로 기존 트랜지스터의 제3단에 가하는 게이트 전압을 대체한다. 트랜지스터 어레이에 외력을 가하거나 압력으로 구동하여 트랜지스터 유닛이 변형되었을 때, 압전 재료로 구성된 압전체에도 이와 상응하는 변형이 일어나며, 나아가서 압전체 내부에도 일단이 “+”이고 타단이 “-”인 압전 전기장이 발생된다. 압전체 내부에 압전 전위를 발생시키는 기계적 구동은 공기 또는 물의 흐름, 엔진의 작동 회전, 인체 운동, 근육 신축, 호흡, 심장 박동, 또는 혈액 유동 등으로 인하여 발생된 기계적 진동 신호일 수 있다. 발생된 압전 전기장은 트랜지스터 유닛의 하부 전극(소스 전극) 또는 상부 전극(드레인 전극) 부근의 압전체와 전극 재료 사이의 계면 장벽을 효과적으로 제어하여, 전계효과 트랜지스터에서 게이트 전극에 인가되는 게이트 전압과 유사한 작용을 일으킬 수 있다. 또한, 트랜지스터 유닛에 가하는 외력을 통하여 장치 중의 캐리어 수송 과정을 효과적으로 제어 또는 트리거링할 수 있다. 부동한 트랜지스터 유닛에 가하는 외력이 부동할 때, 압전체의 변형 정도도 부동하며, 나아가서 대응되는 트랜지스터 유닛의 전송 특성도 부동하게 되는 바, 부동한 트랜지스터 유닛의 전송 특성에 대한 기록을 통하여 외력의 강도와 공간 분포를 기록할 수 있다.
본 실시예에서는 2단 구조를 가지는 트랜지스터 유닛을 사용하여 트랜지스터 어레이를 형성하는데, 트랜지스터 유닛은 베이스에 수직되는 압전 전기학 트랜지스터이다. 이러한 구조는 기계적 압력과 전자 기기 사이의 직접적인 교호작용을 실현할 수 있을 뿐만 아니라, 3차원 수직 압전 트랜지스터 어레이의 구조를 통해 전통적인 3차원 수직 나노 와이어 트랜지스터에서 실현하기 어려운 링형 게이트 전극의 제조를 회피하였다.
트랜지스터 유닛마다 독립적인 상부 전극과 하부 전극을 가지므로, 외부 인터페이스 회로를 통하여 매개 트랜지스터 유닛에 대해 독립적인 어드레싱을 진행할 수 있다. 본 실시예의 트랜지스터 어레이에 있어서, 트랜지스터 유닛의, 베이스 표면에 평행되는 방향에서의 단면 면적은 25㎛2 또는 그 이하일 수 있고, 트랜지스터 유닛 사이의 거리는 50㎛ 또는 그 이하일 수 있다. 또한, 압력 감지 장치로서 그 공간 분해능도 기존의 전계효과 트랜지스터 어레이의 분해능보다 훨씬 높다. 또한, 트랜지스터 유닛의 압전체는 압전 나노 와이어, 나노 로드, 박막 또는 나노 섬유를 사용하는데, 압력에 대한 응답성이 높고, 트랜지스터 유닛의 압력 분해능은 1kPa 또는 그 이하에 달할 수 있다.
실시예 2
도 3을 참조하면, 본 실시예와 실시예 1의 차이점은, 트랜지스터 유닛(200) 사이에 연성 절연 충진층(300)을 충진한 것이다. 연성 절연 충진층(300)의 충진 높이는 트랜지스터 유닛의 압전체(202)보다 조금 낮을 수 있는데, 도 3에 도시된 바와 같이, 연성 절연 충진층(300)의 상면은 적어도 트랜지스터 유닛(200)의 상부 전극(203)을 노출시킨다. 본 실시예에서 트랜지스터 어레이의 기타 부분은 실시예 1과 동일하므로 설명을 생략하기로 한다.
연성 절연 충진층의 구성 재료는 폴리디메틸실록산(PDMS), SU-8 에폭시 수지 또는 기타 연성 절연 재료일 수 있다. 연성 절연 충진층은 트랜지스터 어레이의 기계적 강도를 보강하고 전반장치의 수명을 연장할 수 있다.
또한, 트랜지스터 어레이의 기계적 구조를 보호하기 위하여, 본 실시예의 트랜지스터 어레이는, 트랜지스터 어레이의 상부 전극을 봉지하도록 형성된 봉지층을 더 포함할 수 있다. 도 4를 참조하면, 트랜지스터 유닛의 상부 전극에 전기적으로 연결되는 상부 전극 인출선(즉 전기 통로, 미도시)을 인출한 다음, 트랜지스터 어레이의 상부를 봉지층(400)으로 봉지한다. 봉지층(400)은 연성 절연 충진층(300) 상에 위치하고, 트랜지스터 유닛의 연성 절연 충진층(300) 상면으로 노출된 부분이 봉지층(400)에 의해 봉지된다. 여기서, 트랜지스터 유닛의 연성 절연 충진층 상면으로 노출되는 부분은, 적어도 트랜지스터 유닛의 상부 전극(203)과 상부 전극 인출선(미도시) 및 연성 절연 충진층에 피복되지 않은 트랜지스터 유닛의 압전체 상부를 포함한다. 이로써, 트랜지스터 어레이에 있어서, 트랜지스터 유닛 전부가 연성 절연 충진층(300)과 봉지층(400)에 의해 봉지된다. 봉지층(400)의 재료는 폴리디메틸실록산(PDMS) 등 자주 사용되는 반도체 봉지 재료일 수 있다. 봉지층은 트랜지스터 어레이의 기계적 강도를 보강할 수 있을 뿐만 아니라 트랜지스터 어레이가 외부 환경의 습도 등 요소의 영향을 받지 않도록 보호한다.
본 실시예에 있어서, 상부 전극 인출선도 도전성 산화물, 그래핀 또는 은-나노 와이어 코팅층 중의 하나, 또는 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 구리(Cu), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 셀레늄(Se) 또는 이들의 합금 중의 하나로 구성될 수 있다. 상부 전극(203)과 상부 전극 인출선의 재료는 동일할 수도 있고, 부동할 수도 있는 바, 특별히 한정하지 않는다. 매개 트랜지스터 유닛의 상부 전극 인출선과 하부 전극 인출선은 그 트랜지스터 유닛의 외부 회로를 연결하기 위한 것이다.
본 발명의 트랜지스터 어레이에 있어서, 트랜지스터 유닛의 상부 전극, 상부 전극 인출선, 하부 전극 또는 하부 전극 인출선을 구성하는 도전성 산화물은 ITO, AZO, GZO, IGZO 등 도전성 산화물 재료일 수 있다.
실시예 3
본 실시예에서는 트랜지스터 어레이 제조 방법을 제공한다. 도 5는 트랜지스터 어레이 제조 방법의 흐름도이다. 상기 방법은,
단계 (S10), 베이스를 준비하는 단계;
단계 (S20), 상기 베이스 상에서 복수 개의 하부 전극을 포함하는 하부 전극 어레이 및 매개 하부 전극의 인출선을 형성하는 단계;
단계 (S30), 상기 하부 전극 상에 압전체를 형성하는 단계에 있어서, 복수 개의 상기 압전체는 압전체 어레이를 구성하는 단계; 및
단계 (S40), 상기 압전체 상에 상부 전극을 형성하는 단계에 있어서, 복수 개의 상기 상부 전극은 상부 전극 어레이를 구성하는 단계; 를 포함한다.
이하, 첨부 도면을 참조하면서 트랜지스터 어레이의 제조 과정을 구체적으로 설명하기로 한다. 상기 제조 과정은 아래와 같은 단계를 포함한다.
우선, 베이스를 제공한다. 베이스의 재료는 폴리이미드(polyimide) 또는 폴리 에틸렌 테레프탈레이트(PET) 등 연성 재료일 수도 있고, 실리콘, 세라믹 등 비연성 재료일 수도 있다.
베이스 상에 복수 개의 하부 전극을 포함하는 하부 전극 어레이 및 매개 하부 전극의 인출선을 제조한다. 도 6을 참조하면, 베이스(10) 상에 반도체 가공 공정인 포토 리소그래피 및 금속 증착 기술을 이용하여, 베이스 재료 상에서 설계 패턴에 따라 하부 전극 어레이(20) 및 매개 하부 전극의 인출선(미도시)을 선택적으로 증착한다. 하부 전극 어레이에 있어서, 매개 하부 전극의 사이즈, 형상 및 하부 전극 사이의 거리는 트랜지스터 어레이의 설계 요구에 의해 결정된다. 하부 전극 인출선의 배선 방식은 집적 회로의 배선 방식을 사용할 수 있는 바, 특별히 한정하지는 않는다. 하부 전극 인출선은, 트랜지스터 유닛의 하부 전극을 트랜지스터 어레이와 전기적으로 연결시킬 뿐만 아니라, 기타 구동장치 또는 측정설비 등 외부 회로에도 전기적으로 연결시킨다.
하부 전극 상에 압전체를 형성하는데, 복수 개의 상기 압전체는 압전체 어레이를 형성한다. 도 7을 참조하면, 우선, 반도체 가공 공정인 포토 리소그래피 및 박막 증착 기술을 통하여, 상술한 바와 같이 형성된 하부 전극(20) 상에 설계 패턴에 따라 압전체의 시드 결정을 선택적으로 증착한다. 예를 들면, 압전체가 ZnO 나노 와이어일 때, 시드 결정도 ZnO를 선택한다. 그 다음, 기상 증착법 또는 액상 증착법을 이용하여, 시드 결정층이 증착된 하부 전극(20) 상에 수직 방향에 따라 동일한 배향 분극을 가지는 압전 재료를 성장시켜, 압전체(30)를 형성하는데, 복수 개의 압전체(30)는 압전체 어레이를 형성한다. 예를 들면, 통상적인 수열합성법을 사용하여 하부 전극(20)의 ZnO 시드 결정층 상에 c축 배향된 ZnO 나노 와이어 압전체를 성장시킨다. 압전체의 직경은 수백 ㎚ 내지 수 ㎛이고, 길이는 수백 ㎚ 내지 수십 ㎛이다. 압전체마다 하나 또는 복수 개의 나노 와이어 또는 나노 로드를 포함할 수 있다.
하부 전극(20) 상에 압전체(30)를 형성하는 단계에서, 미세 가공 기술을 사용하여 미리 제조된 나노 재료를 하부 전극 상에 배치할 수도 있다.
트랜지스터 어레이의 기계적 강도를 향상시키고 장치의 수명을 연장시키기 위하여, 하부 전극 상에 압전체를 형성하는 단계 이후, 압전체 사이에서 상기 압전체의 상부가 노출되도록 연성 절연 충진층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 구체적으로 도 8을 참조하면, 반도체 가공 공정인 스핀코팅 기술을 이용하여 상술한 바와 같이 형성된 장치에 적절한 두께를 가지는 충진 재료를 균일하게 코팅할 수 있다. 충진 재료의 두께는 적어도 하부 전극(20)과 압전체(30)가 충진 재료에 의해 덮일 수 있는 정도여야 한다. 충진 재료는, 예를 들면 폴리디메틸실록산(PDMS) 또는 SU-8 에폭시 수지 등과 같은 연성 절연 충진 재료가 바람직하다. 충진 재료에 대해 가열 또는 노광 등과 같은 처리를 진행하여 그 기계적 강도가 요구 범위에 도달하도록 한다. 다음, 플라즈마 드라이 에칭 기술을 이용하여 충진 재료 상부를 적절한 두께만큼 균일하게 제거하여, 상술한 바와 같이 형성된 압전체(30)의 상부를 합당한 높이로 노출시키고, 나머지 충진 재료는 연성 절연 충진층(40)을 형성한다.
압전체 상에 상부 전극을 형성하며, 복수 개의 상기 상부 전극은 상부 전극 어레이를 형성한다. 여기서, 상부 전극을 형성할 때 상부 전극을 트랜지스터 어레이 밖으로 인출하기 위한 상부 전극 인출선을 동시에 형성할 수 있다. 도 9를 참조하면, 반도체 가공 공정인 포토 리소그래피 및 금속 증착 기술을 이용하여, 상술한 바와 같이 형성된 압전체 어레이 상부와 절연 연성 충진층 상에 설계 패턴에 따라 상부 전극(50) 및 상부 전극 인출선(미도시)을 선택적으로 증착시켜, 상부 전극(50)이 압전체 상에 위치하도록 한다. 또한, 상부 전극 인출선이 상기 연성 절연 충진층 상에 형성되도록 한다. 상부 전극과 압전 재료가 형성하는 압전체의 상부는 전기적 접촉 영역을 구성한다. 복수 개의 상부 전극(50)은 상부 전극 어레이를 형성한다. 이로써 트랜지스터 어레이의 제조가 완료된다.
상부 전극 인출선을 형성하는 단계는, 상부 전극을 제조하는 단계 후에 단독으로 진행될 수도 있다.
트랜지스터 어레이의 기계적 강도를 향상시키기 위하여, 상기 트랜지스터 어레이 장치의 표면에 폴리디메틸실록산(PDMS) 등 봉지층(60)을 피복하여, 트랜지스터 유닛의, 연성 절연 충진층 상면으로 노출된 부분을 봉지하여, 도 10에 도시된 바와 같이, 트랜지스터 유닛의 상부 전극(50), 상부 전극 인출선 및 압전체(30)의 연성 절연 충진층(40) 밖으로 노출된 부분을 봉지층(60) 내에 봉지한다.
상술한 바와 같이 형성된 트랜지스터 어레이의 트랜지스터 유닛의 상부 전극 인출선과 하부 전극의 인출선 사이에 전원을 인가한다. 멀티 채널을 가지는 전기 측정 시스템을 통하여 트랜지스터 어레이 장치 내의 매개 트랜지스터 유닛의 전기적 특성을 검출할 수 있다. 외부 환경의 기계적 신호(예를 들면, 공기 또는 물의 흐름, 엔진의 작동 회전, 인체 운동, 근육 신축, 호흡, 심장 박동 또는 혈액 유동 등으로 인하여 발생되는 기계적 진동 신호)가 트랜지스터 어레이 장치에 작용할 때, 기계적 변형으로 인한 압전 전위가 발생하므로, 기계적 외력을 받은 매개 트랜지스터 유닛의 압전체는 그 전기적 특성이 변화하게 된다. 멀티 채널을 가지는 전기 측정 시스템은 이 변화를 기록한다. 그리고 수집된 전기적 파리미터 값과 그에 대응되는 트랜지스터 유닛을 매칭시키고, Matlab 등과 같은 소프트웨어의 처리를 통하여 그 결과를 그림으로 나타내여, 외부 환경의 기계적 신호(예를 들면 외력)에 대한 감지 및 촬상 정보를 얻을 수 있다.
상술한 설명은 단지 본 발명의 비교적 바람직한 실시예일 뿐, 본 발명을 한정하려는 것은 아니다. 통상의 기술자들은 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 범위 내에서 상기에 개시된 방법과 기술 내용을 이용하여 여러 가지 변형 및 수정을 가하거나 본 발명을 기타 균등한 실시예로 수정할 수 있다. 따라서 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 모든 기술 방안, 본 발명의 기술적 사상에 의하여 진행한 모든 형식적인 간단한 수정, 균등한 변형 등은 모두 본 발명이 보호하고자 하는 범위 내에 포함된다.
Claims (19)
- 베이스 및 상기 베이스를 공용하는 복수 개의 트랜지스터 유닛을 포함하며,
상기 트랜지스터 유닛은,
상기 베이스 상에 위치하는 하부 전극과 하부 전극 인출선;
상기 하부 전극 상에 압전 재료로 구성된 압전체; 및
상기 압전체 상의 상부 전극; 을 포함하는
것을 특징으로 하는 트랜지스터 어레이. - 제1항에 있어서,
상기 트랜지스터 유닛의 압전체는 배향 분극을 가지는
것을 특징으로 하는 트랜지스터 어레이. - 제2항에 있어서,
상기 트랜지스터 유닛의 압전체의 상기 배향 분극은 대체로 상기 베이스에 수직되는
것을 특징으로 하는 트랜지스터 어레이. - 제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 트랜지스터 어레이에 있어서, 매개 상기 트랜지스터 유닛의 압전체의 상기 분극 방향은 대체로 동일한
것을 특징으로 하는 트랜지스터 어레이. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 트랜지스터 어레이의 트랜지스터 유닛 사이에는 연성 절연 충진층이 더 포함되는데, 상기 연성 절연 충진층의 상면은 적어도 상기 트랜지스터 유닛의 상부 전극을 노출시키는
것을 특징으로 하는 트랜지스터 어레이. - 제5항에 있어서, 상기 트랜지스터 유닛은, 상기 상부 전극을 상기 트랜지스터 어레이 밖으로 인출하기 위한 상부 전극 인출선을 더 포함하는
것을 특징으로 하는 트랜지스터 어레이. - 제6항에 있어서,
상기 트랜지스터 어레이는 봉지층을 더 포함하는데,
상기 봉지층은, 상기 연성 절연 충진층 상에 위치하고, 상기 트랜지스터 유닛의, 상기 연성 절연 충진층 상면에 노출된 부분을 봉지하는
것을 특징으로 하는 트랜지스터 어레이. - 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 트랜지스터 유닛의 압전체는 ZnO, GaN, CdS, InN, InGaN, CdTe, CdSe 또는 ZnSn03, 또는 티탄산 지르콘산 연의 나노 와이어, 나노 로드, 또는 박막, 또는 PVDF 나노 섬유로 구성된
것을 특징으로 하는 트랜지스터 어레이. - 제8항에 있어서,
상기 압전체는 나노 와이어, 나노 로드 또는 나노 섬유로 구성되고, 상기 압전체의 축선 방향은 대체로 하부 전극 또는 베이스 표면에 수직되는
것을 특징으로 하는 트랜지스터 어레이. - 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 트랜지스터 유닛의 횡단면의 면적은 25㎛2 또는 그 이하인
것을 특징으로 하는 트랜지스터 어레이. - 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 트랜지스터 유닛 사이의 거리는 수 ㎛ 내지 수 ㎜ 인
것을 특징으로 하는 트랜지스터 어레이. - 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 트랜지스터 유닛은 축선이 대체로 베이스에 수직되는 윈기둥, 4각 기둥, 6각 기둥 또는 불규칙적인 기둥 형상인
것을 특징으로 하는 트랜지스터 어레이. - 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
매개 상기 트랜지스터 유닛의 압전체는 동일한 압전 재료로 구성된
것을 특징으로 하는 트랜지스터 어레이. - 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
복수 개의 동일한 상기 트랜지스터 유닛을 포함하는
것을 특징으로 하는 트랜지스터 어레이. - 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 베이스는 연성 또는 경성 베이스인
것을 특징으로 하는 트랜지스터 어레이. - 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 트랜지스터 유닛의 상부 전극 및/또는 하부 전극은, 도전성 산화물, 그래핀, 또는 은-나노 와이어 코팅층 중의 하나로 구성되거나, 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 구리(Cu), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 셀레늄(Se) 또는 이들의 합금 중의 하나로 구성된
것을 특징으로 하는 트랜지스터 어레이. - 베이스를 준비하는 단계;
상기 베이스 상에 복수 개의 하부 전극을 포함하는 하부 전극 어레이 및 하부 전극 인출선을 형성하는 단계;
상기 하부 전극 상에 압전체를 형성하는 단계에 있어서, 복수 개의 상기 압전체는 압전체 어레이를 구성하는 단계; 및
상기 압전체 상에 상부 전극을 형성하는 단계에 있어서, 복수 개의 상기 상부 전극은 상부 전극 어레이를 구성하는 단계; 를 포함하는
것을 특징으로 하는 트랜지스터 어레이 제조 방법. - 제17항에 있어서,
상기 하부 전극 상에 압전체를 형성하는 단계 이후에,
상기 압전체 사이에 상기 압전체의 상부를 노출시키도록 연성 절연 충진층을 형성하는 단계를 더 포함하는
것을 특징으로 하는 트랜지스터 어레이 제조 방법. - 제18항에 있어서,
상기 압전체 상에 상부 전극을 형성하는 상기 단계는,
상기 압전체와 상기 연성 절연 충진층 상에 상기 상부 전극과 상부 전극 인출선을 형성하는 단계를 더 포함하는데, 여기서 상기 상부 전극은 상기 압전체 상에 형성되고, 상부 전극 인출선과 상기 상부 전극은 전기적으로 연결되는
것을 특징으로 하는 트랜지스터 어레이 제조 방법.
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