WO2021149870A1 - Two-dimensional structure sensor using fluorinated graphene - Google Patents

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WO2021149870A1
WO2021149870A1 PCT/KR2020/004710 KR2020004710W WO2021149870A1 WO 2021149870 A1 WO2021149870 A1 WO 2021149870A1 KR 2020004710 W KR2020004710 W KR 2020004710W WO 2021149870 A1 WO2021149870 A1 WO 2021149870A1
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transistor
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fluorine
channel region
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PCT/KR2020/004710
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송광섭
조승민
김기수
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금오공과대학교 산학협력단
(주)엠씨케이테크
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Publication date
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    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/414—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof  ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/12—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
    • H01L29/16—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed including, apart from doping materials or other impurities, only elements of Group IV of the Periodic System
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    • H01L29/1606—Graphene

Definitions

  • the proposed technology relates to a two-dimensional structure sensor using fluorine-treated graphene, and more particularly, an invention related to a two-dimensional structure sensor using an ion detection transistor and a fluorine-treated graphene reference electrode.
  • an ion sensitive field-effect transistor using a field-effect transistor requires a reference electrode for setting a reference potential in the solution in order to operate as a sensor in the ion solution.
  • the Ag/AgCl electrode which is generally used as a reference electrode, is fragile and expensive because it contains a bar-shaped glass material, and the sensor with the Ag/AgCl electrode is formed in a three-dimensional structure, making it impossible to manufacture micro-sized electrodes. do.
  • a sensor having a two-dimensional structure in which a reference electrode and a transistor are located on the same plane has been manufactured.
  • the printed Ag/AgCl electrode is unstable and has many limitations in terms of reliability.
  • this method requires a QRE (quasi-reference metal eletrode) electrode using a metal material, and the metal electrode has a disadvantage in that stability, which is an essential requirement as a reference electrode, is insufficient due to oxidation/reduction reaction in an ionic solution.
  • QRE quadsi-reference metal eletrode
  • polymer membranes are used on the surface of the gate channel for the reference field effect transistor to operate.
  • the polymer membrane is vulnerable to cations (Na + , K + , Ca 2+ , etc.) in the ionic solution, which reduces sensor reliability. there is a problem.
  • the present invention was invented to solve the above problems, and has a two-dimensional structure using an ion detection transistor and a fluorine-treated graphene reference electrode, and an object of the present invention is to provide a micro-sized high-sensitivity sensor.
  • a transistor comprising: a transistor including a substrate, a source region and a drain region formed to be spaced apart from each other in the substrate and having polarities opposite to that of the substrate, and a channel region disposed between the source region and the drain region; and
  • a reference electrode disposed on the same plane as the transistor
  • the reference electrode is characterized in that the graphene (graphene) to which a fluorine atom is bonded.
  • the reference electrode is disposed above or below the channel region, and is spaced apart from the surface of the channel region by a predetermined distance.
  • Transistors are characterized in that they are arranged in parallel.
  • a channel region is disposed between the source region of one transistor and the drain region of the other transistor to be connected to each other.
  • a reference electrode disposed on the same plane as the transistor
  • the reference electrode is characterized in that the graphene (graphene) to which a fluorine atom is bonded.
  • a source region formed in the substrate and having a polarity opposite to that of the substrate;
  • a first drain region having a polarity opposite to that of the substrate and spaced apart from one side of the source electrode by a predetermined distance
  • a second drain region having a polarity opposite to that of the substrate and spaced apart from the other side of the source electrode by a predetermined distance
  • the second drain region includes a drain electrode of the second channel region
  • the second channel region is characterized in that it is formed as a reference electrode.
  • the first drain region includes a drain electrode of the first channel region
  • the first channel region is characterized in that it is formed as a sensing electrode for ion detection.
  • a first channel region, a source region, and a second channel region are sequentially disposed and connected between the second drain region of one transistor and the first drain region of the other transistor.
  • the ion detection transistor and the fluorine-treated graphene reference electrode are arranged on the same plane to provide a sensor having a two-dimensional structure.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram of a first embodiment of a two-dimensional structure sensor using fluorine-treated graphene according to the present invention.
  • Fig. 2 is a schematic view of Fig. 1;
  • FIG. 3 is a conceptual diagram when the parallel arrangement of FIG. 1 ;
  • FIG. 4 is a conceptual diagram of a second embodiment of a two-dimensional structure sensor using fluorine-treated graphene according to the present invention.
  • Fig. 5 is a schematic view of Fig. 4;
  • FIG. 6 is a conceptual diagram when the parallel arrangement of FIG. 4 is performed
  • the present invention relates to a two-dimensional structure sensor using fluorine-treated graphene, and more particularly, to a two-dimensional structure sensor using an ion detection transistor and a fluorine-treated graphene reference electrode.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram of a first embodiment of a two-dimensional structure sensor using fluorine-treated graphene according to the present invention
  • FIG. 2 is a schematic diagram of FIG. 1 .
  • the two-dimensional structure sensor of the first embodiment of the present invention comprises a transistor (2) and a reference electrode (14) disposed on the same plane as the transistor (2).
  • the transistor 2 is formed in a substrate 4, spaced apart from each other in the substrate 4, and has a polarity opposite to that of the substrate 4, a source region 6 and a drain region 8, and the source region 6 and a channel region 10 disposed between the drain regions 8 .
  • a source electrode and a drain electrode are respectively connected to the source region 6 and the drain region 8 .
  • a gold electrode having gold (Au) deposited thereon is formed on the upper surfaces of the source region 6 and the drain region 8 .
  • the gold electrode is for forming an ohmic contact when a voltage is applied to the source region 6 and the drain region 8 or an electric wire necessary for measuring a current is contacted.
  • the channel region 10 is formed as a sensing electrode for ion detection.
  • Graphene to which fluorine atoms are bonded is applied as the reference electrode 14 .
  • the reference electrode 14 is disposed above or below the channel region 10 , and is spaced apart from the surface of the channel region 10 by a predetermined distance.
  • the control ability of the reference electrode 14 is excellent, and the detection sensitivity of the channel region 10 is increased.
  • the reference electrode 14 and the channel region 10 should be located as close as possible without contacting each other.
  • the gold electrode on which gold (Au) is deposited is formed on the outer surface of the reference electrode 14 .
  • the gold electrode formed on the reference electrode 14 is for forming an ohmic contact when a voltage is applied to the graphene electrode to which the fluorine atom is bonded.
  • a passivation layer 12 for protecting the gold electrode from an ion solution is formed on upper surfaces of the source region 6 and the drain region 8 , and on the outer surface of the reference electrode 14 .
  • the protective film 12 is formed of an epoxy resin or a similar polymer material.
  • the passivation layer 12 when the reference electrode 14 is positioned above the channel region 10 , the passivation layer 12 includes an upper surface of the source region 6 and an upper surface of the drain region 8 . It is formed on the entire upper surface of (2).
  • the passivation layer 12 When the reference electrode 14 is positioned below the channel region 10 , the passivation layer 12 includes a lower surface of the source region 6 and a lower surface of the drain region 85 . ) is formed on the entire lower surface.
  • the upper surface or lower surface of the reference electrode 14 is located on the same plane as the upper surface or lower surface of the source region 6 and the drain region 8, and the source region 6 and the drain region ( It does not protrude upward or downward compared to the upper or lower surface of 8).
  • FIG. 3 is a conceptual diagram illustrating the parallel arrangement of FIG. 1 .
  • the transistors 2 configured as described above may be arranged in parallel when manufacturing a multi-ion detection sensor.
  • a channel region 10 is disposed between the source region of one transistor 2 and the drain region 8 of the other transistor 2 .
  • (2) and the other transistor (2) are connected to each other.
  • the reference electrode 14 can be expanded.
  • FIG. 4 is a conceptual diagram of a second embodiment of a two-dimensional structure sensor using fluorine-treated graphene according to the present invention
  • FIG. 5 is a schematic diagram of FIG. 4 .
  • the two-dimensional structure sensor of the second embodiment of the present invention includes a transistor 16 having two drain regions 22 and 24 and one common source region 20, and is disposed on the same plane as the transistor 16. and a reference electrode 14 .
  • the transistor 16 is formed in a substrate 18 , a source region 20 having a polarity opposite to that of the substrate 18 , and a source region 20 having a polarity opposite to that of the substrate 18 . ), a first drain region 22 formed to be spaced apart from one side by a predetermined distance, and a second drain region 24 having a polarity opposite to that of the substrate 18 and spaced apart from the other side of the source region 20 by a predetermined distance. , a first channel region 26 disposed between the source region 20 and the first drain region 22 , and a second channel region disposed between the source region 20 and the second drain region 24 . It comprises a region 28 .
  • a source electrode and a drain electrode are respectively connected to the source region 20 , the first drain region 22 , and the second drain region 24 .
  • the first drain region 22 includes a drain electrode of the first channel region 26 .
  • the first channel region 26 is formed as a sensing electrode for ion detection.
  • the second drain region 24 includes a drain electrode of the second channel region 28 .
  • the second channel region 28 is formed of the reference electrode 14 .
  • the source region 20 becomes a common source region 20 of the first drain region 22 and the second drain region 24 , and the sensing electrode and the The reference electrode 14 is operated.
  • Graphene to which fluorine atoms are bonded is applied as the reference electrode 14 .
  • FIG. 6 is a conceptual diagram illustrating the parallel arrangement of FIG. 4 .
  • the transistors 16 configured as described above may be arranged in parallel when manufacturing a multi-ion detection sensor.
  • the transistors 16 When the transistors 16 are arranged in parallel, between the second drain region 24 of one transistor 16 and the first drain region 22 of the other transistor 16, the first channel region ( 26), the source region 20 and the second channel region 28 are sequentially arranged to connect the one transistor 16 and the other transistor 16 to each other.
  • the reference electrode 14 can be expanded.
  • the transistors 2 and 16 applied to the two-dimensional structure sensor of the first embodiment and the two-dimensional structure sensor of the second embodiment may be formed of various materials, preferably silicon, indium tin oxide (ITO), It may be any one of CNT (Carbon Nano Tube), graphene, conductive polymer film, carbon nanowire, and indium oxide.
  • ITO indium tin oxide
  • CNT Carbon Nano Tube
  • the present invention configured as described above has a three-dimensional structure by arranging the transistors 2 and 16 and the reference electrode 14 on the same plane so that the transistors 2 and 16 and the reference electrode 14 are integrated. Instead of realizing a sensor with a two-dimensional structure,

Abstract

Proposed is a technology relating to a two-dimensional structure sensor using fluorinated graphene and, more specifically, an invention relating to a two-dimensional structure sensor using an ion sensitive field-effect transistor and a fluorinated graphene reference electrode.

Description

불소 처리 그래핀을 이용한 2차원 구조 센서2D Structure Sensor Using Fluorinated Graphene
제안기술은 불소 처리 그래핀을 이용한 2차원 구조 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이온 검출 트랜지스터와 불소 처리 그래핀 기준 전극을 이용한 2차원 구조 센서에 관한 발명이다.The proposed technology relates to a two-dimensional structure sensor using fluorine-treated graphene, and more particularly, an invention related to a two-dimensional structure sensor using an ion detection transistor and a fluorine-treated graphene reference electrode.
일반적으로, 전계효과 트랜지스터를 이용한 이온 검출 센서(ion sensitive field-effect transistor)는 이온 용액 속에서 센서로 동작하기 위해 용액 속 기준 전위를 설정하는 기준 전극(reference electrode)이 필요하다.In general, an ion sensitive field-effect transistor using a field-effect transistor requires a reference electrode for setting a reference potential in the solution in order to operate as a sensor in the ion solution.
일반적으로 기준 전극으로 사용되는 Ag/AgCl 전극은 막대 형태의 유리 재질을 포함하고 있기 때문에 깨지기 쉽고 고가이며, Ag/AgCl 전극을 포함한 구조의 센서는 3차원 구조로 형성되어 마이크로 크기의 전극 제조가 불가능하다.The Ag/AgCl electrode, which is generally used as a reference electrode, is fragile and expensive because it contains a bar-shaped glass material, and the sensor with the Ag/AgCl electrode is formed in a three-dimensional structure, making it impossible to manufacture micro-sized electrodes. do.
이러한 문제를 해결하기 위해 기준 전극과 트랜지스터가 동일 평면상에 위치하는 2차원 구조의 센서가 제작되고 있다.In order to solve this problem, a sensor having a two-dimensional structure in which a reference electrode and a transistor are located on the same plane has been manufactured.
2차원 구조의 센서를 제작하기 위해 기준 전극으로 사용되는 Ag/AgCl 전극을 액상으로 만들어 센서와 동일 평면에 인쇄하는 방법이 개발되고 있다.In order to fabricate a two-dimensional sensor, a method of printing an Ag/AgCl electrode used as a reference electrode in a liquid phase is being developed on the same plane as the sensor.
그러나 인쇄된 Ag/AgCl 전극은 불안정하여 신뢰성면에서 많은 제한을 받고 있다.However, the printed Ag/AgCl electrode is unstable and has many limitations in terms of reliability.
2차원 구조의 센서를 만들기 위한 또 다른 방법으로는 기준 전계 효과 트랜지스터(reference field-effect transistor, REFET)를 검출 트랜지스터와 동일 평면에 배치하는 방법이 제시되고 있다. As another method for making a sensor having a two-dimensional structure, a method in which a reference field-effect transistor (REFET) is disposed on the same plane as the detection transistor has been proposed.
그러나 이러한 방법은 금속 재질을 이용한 QRE(quasi-reference metal eletrode) 전극이 필요하고, 금속 전극은 이온 용액 속에서 산화/환원 반응으로 인해 기준 전극으로써 필수적 요건인 안정성이 미흡한 단점이 있다.However, this method requires a QRE (quasi-reference metal eletrode) electrode using a metal material, and the metal electrode has a disadvantage in that stability, which is an essential requirement as a reference electrode, is insufficient due to oxidation/reduction reaction in an ionic solution.
또한, 기준 전계 효과 트랜지스터가 동작하기 위해 게이트 채널 표면에는 고분자 막(polymer membranes)이 사용되는데, 고분자 막은 이온 용액 속 양이온(Na+, K+, Ca2+ 등)에 취약하여 센서 신뢰성이 저하되는 문제가 있다.In addition, polymer membranes are used on the surface of the gate channel for the reference field effect transistor to operate. The polymer membrane is vulnerable to cations (Na + , K + , Ca 2+ , etc.) in the ionic solution, which reduces sensor reliability. there is a problem.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 발명된 것으로서, 이온 검출 트랜지스터와 불소 처리 그래핀 기준 전극을 이용하여 2차원 구조이며, 마이크로 크기의 고감도 센서를 제공하는데 목적이 있다.The present invention was invented to solve the above problems, and has a two-dimensional structure using an ion detection transistor and a fluorine-treated graphene reference electrode, and an object of the present invention is to provide a micro-sized high-sensitivity sensor.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 불소 처리 그래핀을 이용한 2차원 구조 센서에 있어서,In the two-dimensional structure sensor using the fluorine-treated graphene of the present invention for achieving the above object,
기판과, 기판 내에 서로 이격되어 형성되고 기판과 반대 극성을 갖는 소스 영역 및 드레인 영역과, 소스 영역 및 드레인 영역 사이에 배치되는 채널 영역을 포함하는 트랜지스터; 및A transistor comprising: a transistor including a substrate, a source region and a drain region formed to be spaced apart from each other in the substrate and having polarities opposite to that of the substrate, and a channel region disposed between the source region and the drain region; and
트랜지스터와 동일 평면상에 배치되는 기준 전극(reference electrode)을 포함하며,a reference electrode disposed on the same plane as the transistor;
기준 전극은 불소 원자가 결합 된 그래핀(graphene)인 것을 특징으로 한다.The reference electrode is characterized in that the graphene (graphene) to which a fluorine atom is bonded.
기준 전극은 채널 영역의 상측 또는 하측에 배치되며, 채널 영역의 표면으로부터 일정 간격 이격되어 위치하는 것을 특징으로 한다.The reference electrode is disposed above or below the channel region, and is spaced apart from the surface of the channel region by a predetermined distance.
트랜지스터는 병렬 배치되는 것을 특징으로 한다.Transistors are characterized in that they are arranged in parallel.
트랜지스터가 병렬 배치되는 경우,When transistors are placed in parallel,
어느 하나의 트랜지스터의 소스 영역과 다른 하나의 트랜지스터의 드레인 영역 사이에는 채널 영역이 배치되어 서로 연결되는 것을 특징으로 한다.A channel region is disposed between the source region of one transistor and the drain region of the other transistor to be connected to each other.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 불소 처리 그래핀을 이용한 2차원 구조 센서에 있어서,In the two-dimensional structure sensor using the fluorine-treated graphene of the present invention for achieving the above object,
두 개의 드레인 영역과 하나의 공통 소스 영역을 갖는 트랜지스터; 및a transistor having two drain regions and one common source region; and
트랜지스터와 동일 평면상에 배치되는 기준 전극(reference electrode)을 포함하며,a reference electrode disposed on the same plane as the transistor;
기준 전극은 불소 원자가 결합 된 그래핀(graphene)인 것을 특징으로 한다.The reference electrode is characterized in that the graphene (graphene) to which a fluorine atom is bonded.
트랜지스터는,the transistor,
기판;Board;
기판 내에 형성되며, 기판과 반대 극성을 갖는 소스 영역;a source region formed in the substrate and having a polarity opposite to that of the substrate;
기판과 반대 극성을 가지며, 소스 전극의 일측으로부터 일정 간격 이격되어 형성되는 제1드레인 영역;a first drain region having a polarity opposite to that of the substrate and spaced apart from one side of the source electrode by a predetermined distance;
기판과 반대 극성을 가지며, 소스 전극의 타측으로부터 일정 간격 이격되어 형성되는 제2드레인 영역;a second drain region having a polarity opposite to that of the substrate and spaced apart from the other side of the source electrode by a predetermined distance;
소스 영역과 상기 제1드레인 영역 사이에 배치되는 제1채널 영역; 및a first channel region disposed between the source region and the first drain region; and
소스 영역과 제2드레인 영역 사이에 배치되는 제2채널 영역;을 포함하는 것을 특징으로 한다.and a second channel region disposed between the source region and the second drain region.
제2드레인 영역은 제2채널 영역의 드레인 전극을 포함하며,The second drain region includes a drain electrode of the second channel region,
제2채널 영역은 기준 전극으로 형성되는 것을 특징으로 한다.The second channel region is characterized in that it is formed as a reference electrode.
제1드레인 영역은 제1채널 영역의 드레인 전극을 포함하며,The first drain region includes a drain electrode of the first channel region,
제1채널 영역은 이온 검출을 위한 센싱 전극으로 형성되는 것을 특징으로 한다.The first channel region is characterized in that it is formed as a sensing electrode for ion detection.
트랜지스터가 병렬 배치되는 경우,When transistors are placed in parallel,
어느 하나의 트랜지스터의 제2드레인 영역과 다른 하나의 트랜지스터의 제1드레인 영역 사이에는 제1채널 영역, 소스 영역 및 제2채널 영역이 차례로 배치되어 연결되는 것을 특징으로 한다.A first channel region, a source region, and a second channel region are sequentially disposed and connected between the second drain region of one transistor and the first drain region of the other transistor.
본 발명에 따르면, 이온 검출 트랜지스터와 불소 처리 그래핀 기준 전극을 동일 평면에 배치하여 2차원 구조의 센서를 제공할 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, the ion detection transistor and the fluorine-treated graphene reference electrode are arranged on the same plane to provide a sensor having a two-dimensional structure.
또한, 불소 처리 그래핀 기준 전극을 이용함으로써 화학적/물리적 안정성이 보다 우수한 고감도 센서를 제작할 수 있는 효과가 있다.In addition, by using the fluorine-treated graphene reference electrode, there is an effect that a high-sensitivity sensor with better chemical/physical stability can be manufactured.
도 1은 본 발명에 따른 불소 처리 그래핀을 이용한 2차원 구조 센서의 제1실시예의 개념도.1 is a conceptual diagram of a first embodiment of a two-dimensional structure sensor using fluorine-treated graphene according to the present invention.
도 2는 도 1의 개략도.Fig. 2 is a schematic view of Fig. 1;
도 3은 도 1의 병렬 배열 시 개념도.3 is a conceptual diagram when the parallel arrangement of FIG. 1 ;
도 4는 본 발명에 따른 불소 처리 그래핀을 이용한 2차원 구조 센서의 제2실시예의 개념도. 4 is a conceptual diagram of a second embodiment of a two-dimensional structure sensor using fluorine-treated graphene according to the present invention.
도 5는 도 4의 개략도.Fig. 5 is a schematic view of Fig. 4;
도 6은 도 4의 병렬 배열 시 개념도.FIG. 6 is a conceptual diagram when the parallel arrangement of FIG. 4 is performed;
상술한 본 발명의 특징 및 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 출원에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시 예들을 설명하기 위한 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.The features and effects of the present invention described above will become more apparent through the following detailed description in relation to the accompanying drawings, and accordingly, those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can easily implement the technical idea of the present invention. will be able Since the present invention can have various changes and can have various forms, specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to a specific disclosed form, it should be understood to include all modifications, equivalents and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. The terms used in the present application are only for describing specific embodiments, and are not intended to limit the present invention.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다. Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명은 불소 처리 그래핀을 이용한 2차원 구조 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이온 검출 트랜지스터와 불소 처리 그래핀 기준 전극을 이용한 2차원 구조 센서에 관한 발명이다.The present invention relates to a two-dimensional structure sensor using fluorine-treated graphene, and more particularly, to a two-dimensional structure sensor using an ion detection transistor and a fluorine-treated graphene reference electrode.
도 1에는 본 발명에 따른 불소 처리 그래핀을 이용한 2차원 구조 센서의 제1실시예의 개념도가 도시되어 있고, 도 2에는 도 1의 개략도가 도시되어 있다.1 is a conceptual diagram of a first embodiment of a two-dimensional structure sensor using fluorine-treated graphene according to the present invention, and FIG. 2 is a schematic diagram of FIG. 1 .
본 발명의 제1실시예의 2차원 구조 센서는 트랜지스터(2)와, 상기 트랜지스터(2)와 동일 평면상에 배치되는 기준 전극(reference electrode)(14)을 포함하여 구성된다.The two-dimensional structure sensor of the first embodiment of the present invention comprises a transistor (2) and a reference electrode (14) disposed on the same plane as the transistor (2).
상기 트랜지스터(2)는 기판(4), 상기 기판(4) 내에 서로 이격되어 형성되고 상기 기판(4)과 반대 극성을 갖는 소스 영역(6) 및 드레인 영역(8), 상기 소스 영역(6) 및 드레인 영역(8) 사이에 배치되는 채널 영역(10)을 포함하여 구성된다.The transistor 2 is formed in a substrate 4, spaced apart from each other in the substrate 4, and has a polarity opposite to that of the substrate 4, a source region 6 and a drain region 8, and the source region 6 and a channel region 10 disposed between the drain regions 8 .
상기 소스 영역(6)과 상기 드레인 영역(8)에는 각각 소스 전극 및 드레인 전극이 연결된다.A source electrode and a drain electrode are respectively connected to the source region 6 and the drain region 8 .
상기 소스 영역(6)과 상기 드레인 영역(8)의 상면에는 금(Au)을 증착시킨 금 전극이 형성된다. 상기 금 전극은 상기 소스 영역(6) 및 드레인 영역(8)에 전압 인가 또는 전류를 측정하기 위해 필요한 전선의 접촉 시 오믹(Ohmic) 접촉을 형성하기 위한 것이다.A gold electrode having gold (Au) deposited thereon is formed on the upper surfaces of the source region 6 and the drain region 8 . The gold electrode is for forming an ohmic contact when a voltage is applied to the source region 6 and the drain region 8 or an electric wire necessary for measuring a current is contacted.
상기 채널 영역(10)은 이온 검출을 위한 센싱 전극으로 형성된다.The channel region 10 is formed as a sensing electrode for ion detection.
상기 기준 전극(14)으로는 불소 원자가 결합 된 그래핀(graphene)이 적용된다.Graphene to which fluorine atoms are bonded is applied as the reference electrode 14 .
상기 기준 전극(14)은 상기 채널 영역(10)의 상측 또는 하측에 배치되는 것으로, 상기 채널 영역(10)의 표면으로부터 일정 간격 이격되어 위치하게 된다.The reference electrode 14 is disposed above or below the channel region 10 , and is spaced apart from the surface of the channel region 10 by a predetermined distance.
상기 기준 전극(14)과 상기 채널 영역(10)이 서로 근접하게 위치할수록 상기 기준 전극(14)의 제어 능력이 우수하며, 상기 채널 영역(10)의 검출 감도가 증가하게 된다.As the reference electrode 14 and the channel region 10 are positioned closer to each other, the control ability of the reference electrode 14 is excellent, and the detection sensitivity of the channel region 10 is increased.
그러나, 상기 기준 전극(14)과 상기 채널 영역(10)이 서로 접촉되어 위치하는 경우, 단락이 발생되어 정상적인 센서로 작동하지 않게 된다.However, when the reference electrode 14 and the channel region 10 are positioned in contact with each other, a short circuit occurs and the sensor does not function normally.
따라서, 상기 기준 전극(14)과 상기 채널 영역(10)은 서로 접촉되지 않으면서 가능한 근접하게 위치해야 한다.Therefore, the reference electrode 14 and the channel region 10 should be located as close as possible without contacting each other.
상기 기준 전극(14)의 외측면에는 금(Au)을 증착시킨 상기 금 전극이 형성된다. 상기 기준 전극(14)에 형성되는 상기 금 전극은 불소 원자가 결합 된 그래핀 전극에 전압 인가 시 오믹(Ohmic) 접촉을 형성하기 위한 것이다.The gold electrode on which gold (Au) is deposited is formed on the outer surface of the reference electrode 14 . The gold electrode formed on the reference electrode 14 is for forming an ohmic contact when a voltage is applied to the graphene electrode to which the fluorine atom is bonded.
상기 소스 영역(6)과 상기 드레인 영역(8)의 상면 및 상기 기준 전극(14)의 외측면에는 이온 용액으로부터 상기 금 전극을 보호하기 위한 보호막(passivation)(12)이 형성된다.A passivation layer 12 for protecting the gold electrode from an ion solution is formed on upper surfaces of the source region 6 and the drain region 8 , and on the outer surface of the reference electrode 14 .
상기 보호막(12)은 에폭시 수지(epoxy resin) 또는 유사 고분자 재질로 형성된다.The protective film 12 is formed of an epoxy resin or a similar polymer material.
즉, 상기 기준 전극(14)이 상기 채널 영역(10)의 상측에 위치하는 경우, 상기 보호막(12)은 상기 소스 영역(6)의 상면과 상기 드레인 영역(8)의 상면을 포함하는 상기 트랜지스터(2)의 상면 전체에 형성된다.That is, when the reference electrode 14 is positioned above the channel region 10 , the passivation layer 12 includes an upper surface of the source region 6 and an upper surface of the drain region 8 . It is formed on the entire upper surface of (2).
상기 기준 전극(14)이 상기 채널 영역(10)의 하측에 위치하는 경우, 상기 보호막(12)은 상기 소스 영역(6)의 하면과 상기 드레인 영역(85)의 하면을 포함하는 상기 트랜지스터(2)의 하면 전체에 형성된다. When the reference electrode 14 is positioned below the channel region 10 , the passivation layer 12 includes a lower surface of the source region 6 and a lower surface of the drain region 85 . ) is formed on the entire lower surface.
이때, 상기 기준 전극(14)의 상면 또는 하면은 상기 소스 영역(6) 및 상기 드레인 영역(8)의 상면 또는 하면과 동일한 평면상에 위치하는 것으로, 상기 소스 영역(6) 및 상기 드레인 영역(8)의 상면 또는 하면과 비교하여 상측 또는 하측으로 돌출되지 않는다.In this case, the upper surface or lower surface of the reference electrode 14 is located on the same plane as the upper surface or lower surface of the source region 6 and the drain region 8, and the source region 6 and the drain region ( It does not protrude upward or downward compared to the upper or lower surface of 8).
도 3에는 도 1의 병렬 배열 시 개념도가 도시되어 있다.3 is a conceptual diagram illustrating the parallel arrangement of FIG. 1 .
상기와 같이 구성되는 상기 트랜지스터(2)는 다중 이온 검출 센서의 제작 시 병렬로 배치될 수 있다.The transistors 2 configured as described above may be arranged in parallel when manufacturing a multi-ion detection sensor.
상기 트랜지스터(2)가 병렬 배치되는 경우, 어느 하나의 트랜지스터(2)의 소스 영역과 다른 하나의 트랜지스터(2)의 드레인 영역(8) 사이에는 채널 영역(10)이 배치되어 상기 어느 하나의 트랜지스터(2)와 상기 다른 하나의 트랜지스터(2)를 서로 연결시키게 된다.When the transistors 2 are arranged in parallel, a channel region 10 is disposed between the source region of one transistor 2 and the drain region 8 of the other transistor 2 . (2) and the other transistor (2) are connected to each other.
상기와 같이 상기 트랜지스터(2)가 병렬 배치되는 경우, 상기 기준 전극(14)의 확장이 가능하다.As described above, when the transistors 2 are arranged in parallel, the reference electrode 14 can be expanded.
도 4에는 본 발명에 따른 불소 처리 그래핀을 이용한 2차원 구조 센서의 제2실시예의 개념도가 도시되어 있고, 도 5에는 도 4의 개략도가 도시되어 있다.4 is a conceptual diagram of a second embodiment of a two-dimensional structure sensor using fluorine-treated graphene according to the present invention, and FIG. 5 is a schematic diagram of FIG. 4 .
본 발명의 제2실시예의 2차원 구조 센서는 두 개의 드레인 영역(22, 24)과 하나의 공통 소스 영역(20)을 갖는 트랜지스터(16)와, 상기 트랜지스터(16)와 동일 평면상에 배치되는 기준 전극(reference electrode)(14)을 포함하여 구성된다.The two-dimensional structure sensor of the second embodiment of the present invention includes a transistor 16 having two drain regions 22 and 24 and one common source region 20, and is disposed on the same plane as the transistor 16. and a reference electrode 14 .
상기 트랜지스터(16)는 기판(18), 상기 기판(18) 내에 형성되며 상기 기판(18)과 반대 극성을 갖는 소스 영역(20), 상기 기판(18)과 반대 극성을 가지며 상기 소스 영역(20)의 일측으로부터 일정 간격 이격되어 형성되는 제1드레인 영역(22), 상기 기판(18)과 반대 극성을 가지며 상기 소스 영역(20)의 타측으로부터 일정 간격 이격되어 형성되는 제2드레인 영역(24), 상기 소스 영역(20)과 상기 제1드레인 영역(22) 사이에 배치되는 제1채녈 영역(26), 상기 소스 영역(20)과 상기 제2드레인 영역(24) 사이에 배치되는 제2채녈 영역(28)을 포함하여 구성된다.The transistor 16 is formed in a substrate 18 , a source region 20 having a polarity opposite to that of the substrate 18 , and a source region 20 having a polarity opposite to that of the substrate 18 . ), a first drain region 22 formed to be spaced apart from one side by a predetermined distance, and a second drain region 24 having a polarity opposite to that of the substrate 18 and spaced apart from the other side of the source region 20 by a predetermined distance. , a first channel region 26 disposed between the source region 20 and the first drain region 22 , and a second channel region disposed between the source region 20 and the second drain region 24 . It comprises a region 28 .
상기 소스 영역(20), 상기 제1드레인 영역(22) 및 상기 제2드레인 영역(24)에는 각각 소스 전극 및 드레인 전극이 연결된다.A source electrode and a drain electrode are respectively connected to the source region 20 , the first drain region 22 , and the second drain region 24 .
상기 제1드레인 영역(22)은 상기 제1채널 영역(26)의 드레인 전극을 포함한다. 상기 제1채널 영역(26)은 이온 검출을 위한 센싱 전극으로 형성된다.The first drain region 22 includes a drain electrode of the first channel region 26 . The first channel region 26 is formed as a sensing electrode for ion detection.
상기 제2드레인 영역(24)은 상기 제2채널 영역(28)의 드레인 전극을 포함한다. 상기 제2채널 영역(28)은 상기 기준 전극(14)으로 형성된다.The second drain region 24 includes a drain electrode of the second channel region 28 . The second channel region 28 is formed of the reference electrode 14 .
즉, 상기 소스 영역(20)은 상기 제1드레인 영역(22)과 상기 제2드레인 영역(24)의 공통 소스 영역(20)이 되며, 상기 소스 영역(20)을 중심으로 상기 센싱 전극과 상기 기준 전극(14)이 동작하게 된다.That is, the source region 20 becomes a common source region 20 of the first drain region 22 and the second drain region 24 , and the sensing electrode and the The reference electrode 14 is operated.
상기 기준 전극(14)으로는 불소 원자가 결합된 그래핀(graphene)이 적용된다.Graphene to which fluorine atoms are bonded is applied as the reference electrode 14 .
도 6에는 도 4의 병렬 배열 시 개념도가 도시되어 있다.6 is a conceptual diagram illustrating the parallel arrangement of FIG. 4 .
상기와 같이 구성되는 상기 트랜지스터(16)는 다중 이온 검출 센서의 제작 시 병렬로 배치될 수 있다.The transistors 16 configured as described above may be arranged in parallel when manufacturing a multi-ion detection sensor.
상기 트랜지스터(16)가 병렬 배치되는 경우, 어느 하나의 트랜지스터(16)의 제2드레인 영역(24)과 다른 하나의 트랜지스터(16)의 제1드레인 영역(22) 사이에는 상기 제1채널 영역(26), 상기 소스 영역(20) 및 상기 제2채널 영역(28)이 차례로 배치되어 상기 어느 하나의 트랜지스터(16)와 상기 다른 하나의 트랜지스터(16)를 서로 연결시키게 된다.When the transistors 16 are arranged in parallel, between the second drain region 24 of one transistor 16 and the first drain region 22 of the other transistor 16, the first channel region ( 26), the source region 20 and the second channel region 28 are sequentially arranged to connect the one transistor 16 and the other transistor 16 to each other.
상기와 같이 상기 트랜지스터(16)가 병렬 배치되는 경우, 상기 기준 전극(14)의 확장이 가능하다.As described above, when the transistors 16 are arranged in parallel, the reference electrode 14 can be expanded.
상기 제1실시예의 2차원 구조 센서 및 상기 제2실시예의 2차원 구조 센서에 적용되는 상기 트랜지스터(2, 16)는 다양한 재질로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 실리콘, ITO(Indium Tin Oxide), CNT(Carbon Nano Tube), 그래핀(graphene), 전도성 고분자막, 카본 나노 와이어, 인듐 산화물 중 어느 하나일 수 있다.The transistors 2 and 16 applied to the two-dimensional structure sensor of the first embodiment and the two-dimensional structure sensor of the second embodiment may be formed of various materials, preferably silicon, indium tin oxide (ITO), It may be any one of CNT (Carbon Nano Tube), graphene, conductive polymer film, carbon nanowire, and indium oxide.
상기와 같이 구성되는 본 발명은 상기 트랜지스터(2, 16)와 상기 기준 전극(14)을 동일 평면에 배치하여 상기 트랜지스터(2, 16)와 상기 기준 전극(14)이 일체화되도록 구성함으로써 3차원 구조가 아닌 2차원 구조의 센서를 구현하게 된다.The present invention configured as described above has a three-dimensional structure by arranging the transistors 2 and 16 and the reference electrode 14 on the same plane so that the transistors 2 and 16 and the reference electrode 14 are integrated. Instead of realizing a sensor with a two-dimensional structure,
이에 따라, 화학적/물리적 안정성이 보다 우수한 초소형 고감도 센서를 제공할 수 있다.Accordingly, it is possible to provide an ultra-small and high-sensitivity sensor having better chemical/physical stability.
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술 될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.In the detailed description of the present invention described above, although it has been described with reference to preferred embodiments of the present invention, those skilled in the art or those having ordinary knowledge in the technical field will be described later in the claims of the present invention And it will be understood that the present invention can be variously modified and changed without departing from the technical scope.

Claims (9)

  1. 기판과, 상기 기판 내에 서로 이격되어 형성되고 상기 기판과 반대 극성을 갖는 소스 영역 및 드레인 영역과, 상기 소스 영역 및 드레인 영역 사이에 배치되는 채널 영역을 포함하는 트랜지스터; 및a transistor including a substrate, a source region and a drain region formed to be spaced apart from each other in the substrate and having polarities opposite to those of the substrate, and a channel region disposed between the source region and the drain region; and
    상기 트랜지스터와 동일 평면상에 배치되는 기준 전극(reference electrode)을 포함하며,a reference electrode disposed on the same plane as the transistor;
    상기 기준 전극은 불소 원자가 결합 된 그래핀(graphene)인 것The reference electrode is graphene to which fluorine atoms are bonded.
    을 특징으로 하는 불소 처리 그래핀을 이용한 2차원 구조 센서.A two-dimensional structure sensor using fluorine-treated graphene, characterized in that.
  2. 제1항에 있어서,According to claim 1,
    상기 기준 전극은 상기 채널 영역의 상측 또는 하측에 배치되며, 상기 채널 영역의 표면으로부터 일정 간격 이격되어 위치하는 것을 특징으로 하는 불소 처리 그래핀을 이용한 2차원 구조 센서.The reference electrode is disposed above or below the channel region, and a two-dimensional structure sensor using fluorine-treated graphene, characterized in that it is spaced apart from the surface of the channel region by a predetermined interval.
  3. 제1항에 있어서,According to claim 1,
    상기 트랜지스터는 병렬 배치되는 것을 특징으로 하는 불소 처리 그래핀을 이용한 2차원 구조 센서.The two-dimensional structure sensor using fluorine-treated graphene, characterized in that the transistors are arranged in parallel.
  4. 제3항에 있어서,4. The method of claim 3,
    상기 트랜지스터가 병렬 배치되는 경우,When the transistors are arranged in parallel,
    어느 하나의 트랜지스터의 소스 영역과 다른 하나의 트랜지스터의 드레인 영역 사이에는 채널 영역이 배치되어 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 불소 처리 그래핀을 이용한 2차원 구조 센서.A two-dimensional structure sensor using fluorine-treated graphene, characterized in that a channel region is disposed between the source region of one transistor and the drain region of the other transistor to be connected to each other.
  5. 두 개의 드레인 영역과 하나의 공통 소스 영역을 갖는 트랜지스터; 및a transistor having two drain regions and one common source region; and
    상기 트랜지스터와 동일 평면상에 배치되는 기준 전극(reference electrode)을 포함하며,a reference electrode disposed on the same plane as the transistor;
    상기 기준 전극은 불소 원자가 결합 된 그래핀(graphene)인 것The reference electrode is graphene to which fluorine atoms are bonded.
    을 특징으로 하는 불소 처리 그래핀을 이용한 2차원 구조 센서.A two-dimensional structure sensor using fluorine-treated graphene, characterized in that.
  6. 제5항에 있어서,6. The method of claim 5,
    상기 트랜지스터는,The transistor is
    기판;Board;
    상기 기판 내에 형성되며, 상기 기판과 반대 극성을 갖는 소스 영역;a source region formed in the substrate and having a polarity opposite to that of the substrate;
    상기 기판과 반대 극성을 가지며, 상기 소스 전극의 일측으로부터 일정 간격 이격되어 형성되는 제1드레인 영역;a first drain region having a polarity opposite to that of the substrate and spaced apart from one side of the source electrode by a predetermined distance;
    상기 기판과 반대 극성을 가지며, 상기 소스 전극의 타측으로부터 일정 간격 이격되어 형성되는 제2드레인 영역;a second drain region having a polarity opposite to that of the substrate and spaced apart from the other side of the source electrode by a predetermined distance;
    상기 소스 영역과 상기 제1드레인 영역 사이에 배치되는 제1채널 영역; 및a first channel region disposed between the source region and the first drain region; and
    상기 소스 영역과 상기 제2드레인 영역 사이에 배치되는 제2채널 영역;을 포함하는 것a second channel region disposed between the source region and the second drain region;
    을 특징으로 하는 불소 처리 그래핀을 이용한 2차원 구조 센서.A two-dimensional structure sensor using fluorine-treated graphene, characterized in that.
  7. 제6항에 있어서,7. The method of claim 6,
    상기 제2드레인 영역은 상기 제2채널 영역의 드레인 전극을 포함하며,the second drain region includes a drain electrode of the second channel region;
    상기 제2채널 영역은 상기 기준 전극으로 형성되는 것을 특징으로 하는 불소 처리 그래핀을 이용한 2차원 구조 센서.The second channel region is a two-dimensional structure sensor using fluorine-treated graphene, characterized in that formed as the reference electrode.
  8. 제6항에 있어서,7. The method of claim 6,
    상기 제1드레인 영역은 상기 제1채널 영역의 드레인 전극을 포함하며,The first drain region includes a drain electrode of the first channel region,
    상기 제1채널 영역은 이온 검출을 위한 센싱 전극으로 형성되는 것을 특징으로 하는 불소 처리 그래핀을 이용한 2차원 구조 센서.The two-dimensional structure sensor using fluorine-treated graphene, characterized in that the first channel region is formed as a sensing electrode for ion detection.
  9. 제6항에 있어서,7. The method of claim 6,
    상기 트랜지스터가 병렬 배치되는 경우,When the transistors are arranged in parallel,
    어느 하나의 트랜지스터의 제2드레인 영역과 다른 하나의 트랜지스터의 제1드레인 영역 사이에는 상기 제1채널 영역, 상기 소스 영역 및 상기 제2채널 영역이 차례로 배치되어 연결되는 것을 특징으로 하는 불소 처리 그래핀을 이용한 2차원 구조 센서.Fluorine-treated graphene, characterized in that the first channel region, the source region, and the second channel region are sequentially disposed and connected between the second drain region of one transistor and the first drain region of the other transistor 2D structure sensor using
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