KR20130134538A - Ultra-sensitive graphene sensor for controlling efficiency, and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 가스센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 반응감도의 튜닝(tuning)이 가능하고 빠른 회복성(fast-recovery)과 재개 가능성(renewability)을 갖는 성능조절이 가능한 초 고감도 그라핀 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a gas sensor, and more particularly, to an ultra-high sensitivity graphene sensor capable of tuning performance and capable of adjusting performance having fast recovery and resumability. It relates to a manufacturing method.
공기 중의 유해 물질을 실시간으로 검출하는 기술은 생활 환경, 노동 환경을 쾌적하게 유지하기 위해 매우 중요하다. 인간의 감각 기관으로는 위험 가스의 농도를 정량하거나 종류를 거의 판별할 수 없기 때문에 이에 대응하기 위해 물질의 물리적, 화학적 성질을 이용한 가스센서가 개발되어 가스의 누설감지, 농도의 측정 기록, 경보 등에 사용되고 있다.The technology of detecting harmful substances in the air in real time is very important to keep the living environment and working environment comfortable. Since human sensory organs cannot quantify the concentration of dangerous gases or hardly determine the type of gases, gas sensors using physical and chemical properties of substances have been developed to cope with these problems. It is used.
또한, 최근 새집 증후군, 환경 보존 등 주거 환경이 사회 문제로 부각되면서 가스센서에 요구되는 성능과 기능도 고도화되고 있다. 이러한 사회적 욕구를 충족시키기 위해서는 기존의 가스센서 재료를 대체할 수 있는 감도, 응답 속도, 안정성 등이 우수한 특성을 가진 재료를 개발하는 것이 필수적이다.In addition, as the housing environment, such as sick house syndrome and environmental preservation, has recently emerged as a social problem, the performance and functions required for the gas sensor have been advanced. In order to meet these social needs, it is essential to develop a material having excellent characteristics such as sensitivity, response speed, and stability that can replace the existing gas sensor material.
현재 가스 센서는 종래의 세라믹 소결이나 후막 형태의 구조에서 점차적으로 반도체 공정 기술의 적용에 의한 미세전자기계시스템(Micro Electro Mechanical System; MEMS) 형태의 마이크로 가스 센서로 진화하고 있다. 이러한 미세전자기계시스템 형태를 갖는 마이크로 가스 센서의 일 예는 한국 공개특허 제2009-0064693호에서도 개시된 바 있다.Currently, the gas sensor is gradually evolving from a conventional ceramic sintering or thick film structure to a micro gas sensor in the form of a micro electro mechanical system (MEMS) by applying semiconductor process technology. An example of a micro gas sensor having such a microelectromechanical system form has been disclosed in Korean Patent Laid-Open Publication No. 2009-0064693.
한편, 현재 가스 센서에서 가장 널리 사용되고 있는 측정방법은 센서의 가스 감응막에 특정한 가스 입자가 흡착되었을 때 그 흡착된 표면에서 재료의 전기적 특성이 변화하는 것을 측정하는 것이다. 이러한 가스 센서의 가스 감응막으로 많이 사용되는 물질로는 SnO2와 같은 금속산화물 반도체, 고체 전해질 물질, 다양한 유기물질, 그리고 카본 블랙(carbon black)과 유기물의 복합체 등이 있다.On the other hand, the most widely used measurement method in the current gas sensor is to measure the change in the electrical properties of the material on the surface of the adsorption when a particular gas particles are adsorbed to the gas sensitive film of the sensor. Materials that are frequently used as gas sensitive films of such gas sensors include metal oxide semiconductors such as SnO 2 , solid electrolyte materials, various organic materials, and composites of carbon black and organic materials.
그런데, 이와 같은 물질로 이루어진 가스센서의 경우 여러 문제점이 있다. 예를 들어, 금속산화물 반도체나 고체 전해질을 사용하는 경우에는 200 내지 600℃ 혹은 그 이상의 온도로 가열을 하여야 센서의 동작이 정상적으로 이루어지고, 유기물질의 경우에는 전기전도도가 낮으며, 카본 블랙과 유기물의 복합체는 감도가 낮은 문제점이 있다. 특히, 금속 산화물을 사용하는 가스 감응막은 고온으로 가열되어 동작될 때 그 측정값의 변화가 더욱 현저하기 때문에, 빠르고 정확한 가스 농도의 측정을 위해서는 정확한 온도 조절이 필수적이다. However, the gas sensor made of such a material has a number of problems. For example, in the case of using a metal oxide semiconductor or a solid electrolyte, the sensor should be heated to a temperature of 200 to 600 ° C. or higher to operate the sensor normally, and in the case of organic materials, the electrical conductivity is low, and carbon black and organic materials are used. The complex has a problem of low sensitivity. In particular, since a gas sensitive film using a metal oxide is more remarkably changed in its measured value when heated to a high temperature, accurate temperature control is essential for fast and accurate gas concentration measurement.
한편, 가스 센서를 이용한 측정시 가스 감응막에 흡착되어 있는 기존의 가스종이나 수분들을 고온으로 가열하여 강제적으로 제거함으로써 가스 감응막을 초기 상태로 복구(recovery)시키는 과정이 요구된다. 이와 같이 가스 센서에 있어 초기상태로의 빠른 복구는 빠른 반응성, 재생 가능성과 더불어 매우 중요한 인자로 여겨지고 있다.Meanwhile, a process of recovering the gas sensitive film to an initial state by forcibly removing the existing gas species or moisture adsorbed to the gas sensitive film at a high temperature during measurement using the gas sensor is required. As such, the rapid recovery to the initial state of the gas sensor is considered to be a very important factor along with quick reactivity and reproducibility.
그러나, 이러한 종래의 가스 센서는 상온에서의 열에너지보다 탈착에 필요한 에너지가 더 크기 때문에 가스입자의 탈착이 쉽지 않고, 이 때문에 센서를 초기 상태로 회복시키는데 오랜 시간이 걸리는 문제점이 있었다. 이러한 문제를 해결하기 위해 가스 감응막에 자외선을 조사하거나 히터를 사용하여 회복 특성을 향상시키기 위한 시도가 있었지만 자외선 광원이나 히터를 가스센서에 집적하는데 많은 어려움이 있었다. 아울러 종래의 가스 센서는 가스 감응막으로 사용되는 물질이 정해진 정공 수를 가지고 있기 때문에 그 물질의 정공 수에 해당되는 양만큼의 가스 분자와 반응할 수밖에 없다. 이 때문에 가스 센서의 반응감도 튜닝(tuning)이 실질적으로 불가능했던 단점이 있었다.
However, such a conventional gas sensor is not easy to desorb the gas particles because the energy required for desorption is greater than the thermal energy at room temperature, there is a problem that takes a long time to restore the sensor to the initial state. In order to solve this problem, there have been attempts to improve the recovery characteristics by irradiating ultraviolet rays to the gas sensitive film or using a heater, but there are many difficulties in integrating an ultraviolet light source or a heater into the gas sensor. In addition, in the conventional gas sensor, since the material used as the gas sensitive film has a predetermined number of holes, the gas sensor has no choice but to react with the amount of gas molecules corresponding to the number of holes of the material. For this reason, there was a disadvantage that the tuning of the sensitivity of the gas sensor was practically impossible.
이에, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 가스 입자가 흡착되는 가스 감응막을 우수한 감도 특성과 효율성을 갖는 그라핀(graphene) 물질로 구성하고 이러한 그라핀으로 구성된 가스 감응막 표면에 외부 포텐셜(potential)을 인가하여 그라핀 표면의 전하량을 조절해줌으로써, 센서의 반응감도의 튜닝이 가능하고 빠른 회복성과 재개 가능성을 갖는 초 고감도 그라핀 센서 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
Accordingly, the present invention has been made to solve the above problems, an object of the present invention is to configure the gas-sensitive film to which the gas particles are adsorbed composed of graphene (graphene) material having excellent sensitivity characteristics and efficiency and composed of such graphene By applying an external potential on the surface of the gas sensitive film to adjust the amount of charge on the graphene surface, it is possible to tune the response sensitivity of the sensor, and to provide an ultra-high sensitivity graphene sensor having a rapid recovery and resumability and a method of manufacturing the same. Is in.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 성능조절이 가능한 초 고감도 그라핀 센서는, 홈이 형성된 기판; 상기 홈 내부에 형성된 유전체층; 상기 유전체층과 부분적으로 맞닿으며 상기 홈의 좌,우측에 위치한 기판의 상부면에 걸쳐지도록 형성된 그라핀층; 상기 기판 위에 적층되어 상기 그라핀층의 양단과 각각 연결되는 소스 전극과 드레인 전극; 상기 홈 내부에 상기 유전체층과 접촉을 이루며 형성되고, 외부로부터 전압이 인가되는 게이트 전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.Ultra high sensitivity graphene sensor capable of performance control according to the present invention for achieving the above object, the groove formed substrate; A dielectric layer formed in the groove; A graphene layer partially in contact with the dielectric layer and covering the upper surface of the substrate on left and right sides of the groove; A source electrode and a drain electrode stacked on the substrate and connected to both ends of the graphene layer, respectively; It is formed in contact with the dielectric layer in the groove, characterized in that it comprises a gate electrode to which a voltage is applied from the outside.
여기서, 상기 게이트 전극에 (+) 또는 (-) 극성의 전압을 선택적으로 인가하는 것을 통해 센서의 반응감도를 조절할 수 있다.Here, the response sensitivity of the sensor may be controlled by selectively applying a voltage having a positive or negative polarity to the gate electrode.
이때, 상기 그라핀층은 화학기상증착(CVD)을 통해 기판 위에 증착될 수 있다.In this case, the graphene layer may be deposited on the substrate through chemical vapor deposition (CVD).
또는, 상기 그라핀층은 그라핀 옥사이드(graphene oxide)를 스핀 코팅(spin coating)하여 기판 위에 증착될 수 있다.Alternatively, the graphene layer may be deposited on a substrate by spin coating graphene oxide.
그리고. 상기 기판의 재질은 실리콘 산화막이 형성된 실리콘 기판이 적용될 수 있다.And. The material of the substrate may be a silicon substrate on which a silicon oxide film is formed.
아울러, 상기 소스, 드레인, 게이트 전극은 전기 전도도가 우수한 금(Au)으로 구성할 수 있다.In addition, the source, drain and gate electrodes may be made of gold (Au) having excellent electrical conductivity.
한편, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 성능조절이 가능한 초 고감도 그라핀 센서 제조방법은, (a)기판에 홈을 형성한 후, 홈 내부에 게이트 전극과 유전체를 순차적으로 적층하는 단계와; (b)상기 유전체의 상부면과 접촉되도록 기판의 상부면에 그라핀을 증착한 후 리소그라피 공정을 통해 원하는 모양으로 패터닝하는 단계; 및 (c)상기 패터닝된 그라핀의 양단과 연결되도록 기판의 상부면에 소스 전극과 드레인 전극을 형성하는 단계;를 포함하여 구성될 수 있다.On the other hand, the ultra-high sensitivity graphene sensor manufacturing method capable of adjusting the performance according to the present invention for achieving the above object, (a) after forming a groove on the substrate, the step of sequentially stacking the gate electrode and the dielectric inside the groove Wow; (b) depositing graphene on the upper surface of the substrate to be in contact with the upper surface of the dielectric and patterning the graphene into a desired shape through a lithography process; And (c) forming a source electrode and a drain electrode on an upper surface of the substrate to be connected to both ends of the patterned graphene.
이때, 상기 (b)단계에서 상기 그라핀의 증착은 화학기상증착(CVD) 공정을 통해 이루어질 수 있다.At this time, the deposition of the graphene in the step (b) may be made through a chemical vapor deposition (CVD) process.
그리고, 상기 (b)단계에서 상기 그라핀의 증착은 그라핀 옥사이드(graphene oxide)를 스핀 코팅(spin coating)하여 이루어질 수 있다.In the step (b), the graphene may be deposited by spin coating graphene oxide.
이와 함께, 상기 (c)단계에서 상기 소스 전극과 드레인 전극은 리소그라피 공정을 통해 형성될 수 있다.In addition, in the step (c), the source electrode and the drain electrode may be formed through a lithography process.
또는, 상기 (c)단계에서 상기 소스 전극과 드레인 전극은 리프트-오프(Lift-Off) 공정을 통해 형성될 수도 있다.Alternatively, in step (c), the source electrode and the drain electrode may be formed through a lift-off process.
한편, 상기한 목적을 달성하기 위한 또 다른 형태의 초 고감도 그라핀 센서 제조방법은, (a)기판에 홈을 형성한 후, 홈 내부에 게이트 전극과 유전체를 순차적으로 적층하는 단계와; (b)상기 홈의 좌,우측에 위치한 기판의 상부면에 소스 전극과 드레인 전극을 형성하는 단계; 및 (c)상기 소스 전극과 드레인 전극 사이에 위치한 기판의 상부면에 그라핀 나노입자를 유전영동법(Dielectrophoresis)을 이용하여 증착하는 단계;를 포함하여 구성될 수 있다.On the other hand, another form of ultra-high sensitivity graphene sensor manufacturing method for achieving the above object comprises the steps of: (a) forming a groove in the substrate, and subsequently stacking the gate electrode and the dielectric in the groove; (b) forming a source electrode and a drain electrode on upper surfaces of the substrate located at left and right sides of the groove; And (c) depositing graphene nanoparticles on the upper surface of the substrate positioned between the source electrode and the drain electrode by using dielectrophoresis.
또한, 본 발명을 통해 구현 가능한 또 하나의 반도체 소자의 형태로서, 전술된 구성을 갖는 본 발명의 초 고감도 그라핀 센서를 인쇄회로기판(PCB) 상에 회로 구성하여 반도체 칩 패키지를 구현할 수도 있다.
In addition, as another semiconductor device that can be implemented through the present invention, the semiconductor chip package may be implemented by configuring the ultra-high sensitivity graphene sensor of the present invention having the above-described configuration on a printed circuit board (PCB).
상기한 구성을 갖는 본 발명은 가스 입자가 흡착되는 센서의 감응막을 우수한 감도 특성을 갖는 그라핀 물질로 구성하고 이러한 그라핀으로 구성된 가스 감응막 표면에 게이트 전극을 통해 (+) 또는 (-)극성의 외부 포텐셜(potential)을 인가하여 그라핀 표면의 전하량을 조절해줌으로써, 필요에 따라 센서의 반응감도를 적절하게 튜닝할 수 있고, 센서의 사용 후에도 가스 감응막을 초기 상태로 빠르게 복구시킬 수 있어서 가스 센서의 성능향상을 도모할 수 있다.
The present invention having the above-described configuration comprises a graphene material having excellent sensitivity characteristics of the sensor sensitive film to which gas particles are adsorbed, and has a (+) or (-) polarity through a gate electrode on the surface of the gas sensitive film composed of such graphene. By controlling the amount of charge on the surface of the graphene by applying the external potential of, the sensitivity of the sensor can be properly tuned if necessary, and the gas sensitive film can be quickly restored to its initial state even after the use of the sensor. The performance of the sensor can be improved.
도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 초 고감도 그라핀 센서의 구조를 도시한 사시도.
도 2는 도 1의 단면도.
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 그라핀 센서 제조공정을 예시한 공정도.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 그라핀 센서 제조공정을 예시한 공정도.
도 5는 본 발명의 그라핀 센서에서 게이트 전극에 전압이 인가되지 않은 경우 그라핀 표면에 정공이 분포된 상태를 보여주는 예시도.
도 6은 도 5와 같은 상태의 그라핀 센서가 가스 환경에 노출된 경우 그라핀 표면에 분포된 정공에 가스 분자가 반응하는 모습을 보여주는 예시도.
도 7은 본 발명의 그라핀 센서에서 게이트 전극에 (+)극성의 전압이 인가된 경우 그라핀 표면에 정공이 분포된 상태를 보여주는 예시도.
도 8은 도 7과 같은 상태의 그라핀 센서가 가스 환경에 노출된 경우 그라핀 표면에 분포된 정공에 가스 분자가 반응하는 모습을 보여주는 예시도.
도 9는 본 발명의 그라핀 센서에서 게이트 전극에 (-)극성의 전압이 인가된 경우 그라핀 표면에 정공이 분포된 상태를 보여주는 예시도.
도 10은 도 9와 같은 상태의 그라핀 센서가 가스 환경에 노출된 경우 그라핀 표면에 분포된 정공에 가스 분자가 반응하는 모습을 보여주는 예시도.
도 11은 도 1 및 도 2에 도시된 본 발명의 그라핀 센서가 인쇄회로기판에 회로구성되어 반도체 칩 형태로 제작된 모습을 보여주는 예시도.1 is a perspective view showing the structure of an ultra-high sensitivity graphene sensor according to an embodiment of the present invention.
2 is a sectional view of Fig. 1;
Figure 3 is a process diagram illustrating a graphene sensor manufacturing process according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is a process diagram illustrating a graphene sensor manufacturing process according to another embodiment of the present invention.
5 is an exemplary view showing a state in which holes are distributed on the graphene surface when a voltage is not applied to the gate electrode in the graphene sensor of the present invention.
FIG. 6 is an exemplary view illustrating gas molecules reacting to holes distributed on a graphene surface when the graphene sensor in the state shown in FIG. 5 is exposed to a gaseous environment.
7 is an exemplary view showing a state in which holes are distributed on the graphene surface when a positive voltage is applied to the gate electrode in the graphene sensor of the present invention.
FIG. 8 is an exemplary view illustrating gas molecules reacting to holes distributed on a graphene surface when the graphene sensor in the state shown in FIG. 7 is exposed to a gaseous environment.
9 is an exemplary view showing a state in which holes are distributed on the graphene surface when a negative voltage is applied to the gate electrode in the graphene sensor of the present invention.
FIG. 10 is an exemplary view illustrating gas molecules reacting to holes distributed on a graphene surface when the graphene sensor in the state shown in FIG. 9 is exposed to a gaseous environment.
FIG. 11 is an exemplary view showing a graphene sensor of the present invention shown in FIGS. 1 and 2 configured in a printed circuit board and manufactured in the form of a semiconductor chip.
본 발명은 차세대 소자로 각광받고 있는 그라핀(Graphene)의 우수한 전기적 특성을 이용하여 높은 반응감도와 효율성을 갖는 그라핀 가스센서를 제조할 수 있는 그라핀 센서 제조방법을 제공한다. 또한, 게이트 전극에 외부 포텐셜 에너지를 걸어줌에 따라 센서의 반응감도를 원하는 대로 조절할 수 있는 센서의 성능조절이 가능한 그라핀 센서를 제공한다.The present invention provides a graphene sensor manufacturing method that can produce a graphene gas sensor having a high response sensitivity and efficiency by using the excellent electrical properties of graphene (Graphene), which has been spotlighted as the next generation device. In addition, by providing an external potential energy to the gate electrode provides a graphene sensor capable of adjusting the performance of the sensor that can adjust the response sensitivity of the sensor as desired.
일반적으로 그라핀(graphene)은 2차원 형상을 가지는 탄소 단일 원소 물질로서 기존의 탄소나노튜브 센서가 가지는 장점을 모두 가지면서 다양한 형상구현이 용이하고 센서구조 설계에 따라 가스와의 접촉면적을 증가시킬 수 있는 장점을 갖는다.In general, graphene is a carbon single element material having a two-dimensional shape, which has all the advantages of conventional carbon nanotube sensors, and is easily implemented in various shapes, and increases the contact area with gas according to the design of the sensor structure. Has the advantage.
또한, 그라핀은 균일한 단원자 구조의 균일한 면을 가지고 있기 때문에 열 잡음(Thermal Noise)이 적어 기존의 탄소나노튜브보다 높은 감도를 가질 수 있고, 센서 소자 제작에 어려움이 따르는 탄소나노튜브 센서에 비해서 저렴한 비용으로 대량생산이 가능한 이점이 있고 간단한 공정을 이용하여 센서를 제작할 수 있는 장점을 갖는다.In addition, graphene has a uniform surface of uniform monoatomic structure, so the thermal noise is less, so it can have higher sensitivity than conventional carbon nanotubes, and carbon nanotube sensors have difficulty in manufacturing sensor elements. Compared to this, there is an advantage that mass production can be performed at low cost, and a sensor can be manufactured using a simple process.
본 발명은 상기와 같이 기존의 탄소나노튜브보다 우수한 장점들을 갖는 그라핀 소재를 가스센서의 가스 감응막으로 채용하여 센서의 반응감도를 높일 수 있고, 게이트 전극에 다양한 극성과 크기의 전압을 인가하여 센서의 반응감도를 자유롭게 조절할 수 있으며, 저비용으로 대량생산이 가능하고, 높은 재현성, 신뢰성을 가지는 그라핀 가스센서를 제공한다. The present invention employs a graphene material having advantages over the conventional carbon nanotubes as a gas sensitive film of the gas sensor as described above to increase the response sensitivity of the sensor, by applying voltages of various polarities and sizes to the gate electrode It provides graphene gas sensor that can freely adjust sensor's response sensitivity, mass production at low cost, and high reproducibility and reliability.
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 그라핀 센서의 구조를 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 단면도이다.1 is a perspective view showing the structure of a graphene sensor according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is a cross-sectional view of FIG.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 그라핀 센서(100)는 홈(104)이 형성된 실리콘 기판(102)과, 상기 홈(104)의 내부에 형성되며 전압이 인가되는 게이트 전극(140)과, 상기 게이트 전극(140)과 접촉되도록 상기 홈(104) 내부에 형성되는 유전체층(150)과, 상기 유전체층(150)의 상부면과 접촉을 이루며 상기 실리콘 기판(102)의 상부면에 패터닝되는 그라핀층(130)과, 상기 그라핀층(130)의 양단과 각각 연결되도록 상기 실리콘 기판(102) 위에 패터닝되는 소스 전극(110) 및 드레인 전극(120)을 포함하여 구성된다.1 and 2, the
상기 실리콘 기판(102)은 실리콘 산화막(SiO2)이 적층된 기판으로서, 그 중앙 부분에는 상부면으로부터 일정 폭과 깊이를 가지며 함몰된 홈(104)이 형성되고, 상기 홈(104)의 내부에는 외부로부터 전압이 공급되는 게이트 전극(140)과, 유전체층(150)이 형성된다. The
즉, 실리콘 기판(102)에 리소그라피(rithography) 공정을 통해 먼저 게이트 전극(140) 모양을 패터닝한 다음, 상기 패터닝된 부분을 드라이 에칭(dry etching)으로 식각하여 게이트 전극 형성을 위한 홈(104)을 형성한다. 그리고, 이렇게 형성된 홈(104) 내부에 게이트 전극(140)과 유전체층(150)을 순차적으로 적층하여 형성하게 된다.That is, first, the shape of the
이때, 실리콘 기판(102)의 홈(104) 내부에 게이트 전극(140)과 유전체층(150)이 형성된 다음에 유전체층(150)의 상부면과 실리콘 기판(102)의 상부면이 서로 평평한 수평면을 유지할 수 있도록 폴리싱(polishing) 공정을 통해 표면을 고르게 연마할 수 있다.At this time, the
상기 게이트 전극(140)은 실리콘 기판(102)과 연결되어 외부로부터 전압이 인가되는 전극으로서, 실리콘 기판(102)의 홈(104) 부분에 형성된 유전체(150)와 부분적으로 맞닿으며 형성된다. 이때, 상기 게이트 전극(140)은 Pt, Au, Pd, Ag, Ni, Cr 등의 전도성 금속 물질로 구성할 수 있는데, 바람직하게는 금(Au)으로 구성할 수 있다.The
상기 그라핀층(130)은 2차원 평면형태의 결합구조를 갖는 그라핀(graphene) 물질이 박막 형태로 증착된 층(layer)으로서, 홈(104)의 상부 영역이 부분적으로 덮여질 수 있도록 홈(104)의 좌,우측에 위치한 실리콘 기판(102) 위에 일정한 면적을 가지며 증착된다. 이렇게 실리콘 기판(102) 위에 증착된 그라핀층(130)의 하부면은 홈(104) 내부에 형성된 유전체층(150)의 상부면과 서로 접촉된 상태로 유지된다.The
이때, 상기 실리콘 기판(102) 위에 그라핀층(130)의 증착시 화학기상증착(CVD)법을 이용하거나, 또는 수용액 상태의 그라핀 옥사이드(graphene oxide)를 실리콘 기판(102) 위에 스핀코팅(spin coating)하여 형성할 수 있다. 이와 같이 그라핀은 2차원 평면 형태의 구조적 특성을 갖기 때문에 실리콘 기판(102) 위의 전면에 박막 형태로 증착이 가능하다. In this case, the deposition of the
이와 같은 그라핀층(130)은 센서의 가스 감응막으로서 작용하게 되는데, 상기 그라핀층(130)을 구성하는 그라핀은 2차원 형상의 균일한 단원자 구조의 균일한 면을 가지고 있고, 열 잡음이 적어 기존의 탄소나노튜브보다 높은 감도를 가질수 있을 뿐 아니라, 다양한 형상구현이 용이하기 때문에 가스 센서의 구조 설계에 따라 가스와의 접촉면적을 증가시키도록 구현할 수 있다. 또한, 상기한 그라핀 물질이 가지는 구조적 특성에 의해 가스 환경에 노출시 가스와의 접촉면적을 최대화시킬 수 있고 가스센서의 반응감도와 효율을 높일 수 있다.The
상기 소스 전극(110)과 드레인 전극(120)은 상기 그라핀층(130)의 양단부와 부분적으로 접촉되어 서로 전기적으로 연결되도록 상기 실리콘 기판(102) 위에 증착되어 패터닝된다.The
이러한 소스 전극(110)과 드레인 전극(120)은 전술된 게이트 전극(140)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(110)과 드레인 전극(120)을 구성하였다.The
이와 같이 구성된 본 발명의 그라핀 센서(100)는 게이트 전극(140)을 통해 (+) 또는 (-) 극성의 전압을 공급하여 그라핀층(130) 표면의 전하의 양을 조절해 줌으로써 상기 그라핀층(130) 표면의 전하와 반응하는 가스 분자 수의 조절을 통해 센서의 반응감도를 튜닝(tuning)할 수 있다. 또한, 게이트 전극(140)을 통해 (+) 극성의 전압을 인가할 경우 그라핀층(130)의 표면에 분포되는 정공(P)의 수를 줄일 수 있기 때문에 게이트 전극(140)을 통해 인가되는 전압의 세기를 변화시켜 그라핀층(130) 표면에 분포된 정공(P)을 감소시키는 것을 통해 센서의 회복 시간(recovery time)을 단축시킬 수 있다.The
한편, 도 3은 상기한 구성을 갖는 본 발명의 그라핀 센서(100)를 제조하기 위한 제조공정의 일 예를 보여주는 것이다.On the other hand, Figure 3 shows an example of a manufacturing process for manufacturing the
도 3의 공정도에서 보는 바와 같이, 먼저, 실리콘 산화막이 형성된 실리콘 기판(102)의 중앙부 영역에 홈(104)을 형성한 후 상기 홈(104) 내부에 게이트 전극(140)과 유전체(150)를 순차적으로 적층한다.(a)As shown in the process diagram of FIG. 3, first, the
그런 다음, 그라핀(graphene)(130)을 유전체(150)의 상부면과 접촉되도록 실리콘 기판(102)의 상부면에 증착한 후 리소그라피 공정을 통해 원하는 모양으로 패터닝한다.(b)Then,
이때, 상기 그라핀(130)의 증착은 화학기상증착(CVD) 공정을 이용하거나 또는 그라핀 옥사이드(graphene oxide)의 스핀 코팅(spin coating) 공정을 이용하여 수행될 수 있다.In this case, the deposition of the
이와 같이 실리콘 기판(102) 위에 그라핀(130)이 패터닝된 후에는, 상기 그라핀(130)의 양단과 연결되도록 전도성 금속(금)을 실리콘 기판(102)의 상부면에 증착한 후 리소그라피 공정 및 리프트-오프(Lift-Off) 공정을 통해 패터닝하여 소스 전극(110)과 드레인 전극(120)을 형성하여 최종적인 그라핀 센서 디바이스를 제조한다(c)After the
한편, 도 4는 전술된 도 3의 그라핀 센서 제조공정과 다른 방식인 유전영동법(Dielectrophoresis)을 이용한 그라핀 센서 제조방법을 보여주는 것이다.Meanwhile, FIG. 4 illustrates a graphene sensor manufacturing method using Dielectrophoresis, which is different from the graphene sensor manufacturing process of FIG. 3 described above.
도 4에서 보는 바와 같이, 먼저, 실리콘 산화막이 형성된 실리콘 기판(102)의 중앙부 영역에 홈(104)을 형성한 후 상기 홈(104) 내부에 게이트 전극(140)과 유전체(150)를 순차적으로 적층한다.(a)As shown in FIG. 4, first, the
그런 다음, 실리콘 기판(102)의 상부면에 전도성 금속(금)을 증착한 후 리소그라피 공정 및 리프트-오프(Lift-Off) 공정을 통해 패터닝하여 홈(104)의 좌,우측에 소스 전극(110)과 드레인 전극(120)을 형성한다.(b)Then, the conductive metal (gold) is deposited on the upper surface of the
다음으로, 상기 소스 전극(110)과 드레인 전극(120) 사이에 위치한 실리콘 기판(102)의 상부면에 그라핀 나노입자를 유전영동법(Dielectrophoresis)을 이용하여 증착하여 최종적인 그라핀 센서 디바이스를 제조한다.(c)Next, graphene nanoparticles are deposited on the upper surface of the
한편, 도 5 및 도 6은 상술한 본 발명의 제조공정을 통해 제작된 그라핀 센서 동작을 설명하는 것으로서, 그라핀 센서(100)의 게이트 전극(140)에 전압이 인가되지 않은 경우 그라핀 표면에 분포된 정공(P)과 가스 입자(G)가 반응되는 모습을 보여주는 것이다. On the other hand, Figures 5 and 6 illustrate the operation of the graphene sensor manufactured by the above-described manufacturing process of the present invention, the graphene surface when the voltage is not applied to the
먼저, 도 5와 같이, 그라핀 센서(100)의 게이트 전극(140)에 전압이 인가되지 않은 경우(Vg=0)에는 그라핀(130) 물질 자체가 갖는 물성으로 인해 그라핀(130)의 표면에는 정해진 일정한 수의 정공(양전하;P)이 분포하게 된다. First, as shown in FIG. 5, when no voltage is applied to the
이와 같이 게이트 전극(140)에 전압이 인가되지 않은 상태에서 그라핀 센서(100)가 가스 환경에 노출될 경우에는, 도 6에서 보는 것과 같이, 그라핀(130) 표면에 분포된 정해진 정공(P) 수만큼의 가스 분자(G)가 반응하게 되어 그라핀 센서의 센싱 동작이 이루어지게 된다. As such, when the
이와 같은 경우는 그라핀(130) 표면에 분포되는 정공(P)의 수가 항상 일정하기 때문에 센서의 반응감도가 일정한 상태로 정해져서 센서의 성능은 다소 우수하지 못할 수 있다.In this case, since the number of holes P distributed on the surface of
도 7 및 도 8은 그라핀 센서(100)의 게이트 전극(140)에 (+) 극성의 전압이 인가된 경우 그라핀 표면에 분포된 정공(P)과 가스 분자(G)가 반응되는 모습을 보여주고 있다. 7 and 8 illustrate the reaction of holes P and gas molecules G distributed on the graphene surface when a voltage having a positive polarity is applied to the
그라핀 센서(100)의 게이트 전극(140)에 (+) 극성의 전압을 걸어주게 되면, 도 7에서 보는 것과 같이 그라핀(130) 표면의 정공(P) 수는 전압이 인가되지 않은 경우(도 5의 경우)에 비하여 정공(P)의 수가 적어지게 되는데, 이러한 상태에서 그라핀 센서(100)가 가스 환경에 노출될 경우에는, 도 8에서 보는 것과 같이, 그라핀(130) 표면에 분포된 비교적 적은 수의 정공(P)과 적은 수의 가스 분자(G)가 서로 반응하게 된다. When the voltage of the positive polarity is applied to the
이와 같은 경우는 그라핀(130) 표면에 분포된 상대적으로 적은 수의 정공(P)에 가스 분자(G)가 반응하기 때문에 센서의 반응감도(sensitivity)가 낮게 된다. 따라서, 이렇게 낮은 반응감도를 갖는 그라핀 센서는 측정 대상의 가스 농도가 매우 높을 경우 저감도의 센서로 구현하여 고농도의 가스의 측정에 용이하게 적용될 수 있다.In this case, since gas molecules G react with a relatively small number of holes P distributed on the surface of
한편, 도 9 및 도 10은 그라핀 센서(100)의 게이트 전극(140)에 (-) 극성의 전압이 인가된 경우 그라핀 표면에 분포된 정공(P)과 가스 분자(G)가 반응하는 모습을 보여주고 있다.Meanwhile, FIGS. 9 and 10 illustrate that when a positive polarity voltage is applied to the
그라핀 센서(100)의 게이트 전극(140)에 (-) 극성의 전압을 걸어주게 되면,도 9에서와 같이, p-type을 갖는 그라핀(130) 표면의 정공(P)의 수는 전압이 인가되지 않은 경우(도 5의 경우)에 비하여 정공(P)의 수가 더 많아지게 되는데, 이러한 상태에서 그라핀 센서(100)가 가스 환경에 노출될 경우에는, 도 10과 같이, 그라핀(130) 표면에 분포된 많은 수의 정공(P)과 많은 수의 가스 분자(G)가 서로 반응하게 된다. 이와 같은 경우는 그라핀(130) 표면에 분포된 상대적으로 많은 수의 정공(P)에 가스 분자(G)가 반응하기 때문에 센서의 반응감도(sensitivity)가 높아진다. When the voltage of the negative polarity is applied to the
이와 같이, 그라핀 센서(100)의 게이트 전극(140)에 인가되는 전압의 극성 및 크기를 달리함에 따라 그라핀(130) 표면에 분포된 정공(P)의 수가 변화되고, 이러한 정공(P)과 반응하게 되는 가스 입자(G)의 수가 달라지는 현상을 이용하여 필요에 따라 센서의 반응감도를 적정 수준의 감도로 튜닝(tuning)할 수 있다.As such, as the polarity and magnitude of the voltage applied to the
한편, 도 11은 전술된 도 1 및 도 2의 그라핀 센서를 인쇄회로기판(PCB)에 회로구성 하여 반도체 칩(300)으로 제작된 모습을 보여주는 실물사진 및 시뮬레이션도다.Meanwhile, FIG. 11 is a real picture and a simulation diagram showing a state in which the graphene sensor of FIGS. 1 and 2 described above are fabricated on a printed circuit board (PCB) and manufactured as a
도 11에서 보는 것과 같이, 실리콘 기판(SiO2/Si substrate) 위에 소스 전극(110), 드레인 전극(120), 게이트 전극(미도시), 및 그라핀(graphene)이 증착된 본 발명의 그라핀 센서(100)를 인쇄회로기판(PCB; 200) 위에 설치하여 회로 구성하되, 상기 소스 전극(110) 및 드레인 전극(120)을 인쇄회로기판(200)의 좌,우측에 형성된 금속 패드(Gold pad)에 와이어(wire)를 통해 연결함으로써, 그라핀 센서가 장착된 반도체 칩을 구현할 수 있다. 이렇게 제작된 반도체 칩은 도 11의 우측 그림과 같이 가스측정 실험장치에서 가스가 흐르는 석영 튜브(Quartz tube) 내부에 설치하여 가스 측정 실험에 용이하게 사용할 수 있다.As shown in FIG. 11, the graphene of the present invention in which a
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 : 그라핀 센서 102 : 실리콘 기판
104 : 홈 110 : 소스 전극
120 : 드레인 전극 130 : 그라핀
140 : 게이트 전극 150 : 유전체
200 : 인쇄회로기판 300 : 반도체 칩100
104: groove 110: source electrode
120
140: gate electrode 150: dielectric
200: printed circuit board 300: semiconductor chip
Claims (15)
상기 홈 내부에 형성된 유전체층;
상기 유전체층과 부분적으로 맞닿으며 상기 홈의 좌,우측에 위치한 기판의 상부면에 걸쳐지도록 형성된 그라핀층;
상기 기판 위에 적층되어 상기 그라핀층의 양단과 각각 연결되는 소스 전극과 드레인 전극;
상기 홈 내부에 상기 유전체층과 접촉을 이루며 형성되고, 외부로부터 전압이 인가되는 게이트 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 성능조절이 가능한 초 고감도 그라핀 센서
A groove-formed substrate;
A dielectric layer formed in the groove;
A graphene layer partially in contact with the dielectric layer and covering the upper surface of the substrate on left and right sides of the groove;
A source electrode and a drain electrode stacked on the substrate and connected to both ends of the graphene layer, respectively;
Ultra high sensitivity graphene sensor capable of performance control is formed in the groove in contact with the dielectric layer, characterized in that it comprises a gate electrode to which a voltage is applied from the outside.
The ultra-high sensitivity graphene sensor with adjustable performance according to claim 1, wherein a voltage having a positive or negative polarity is applied to the gate electrode.
The ultra-high sensitivity graphene sensor with performance control according to claim 1, wherein the graphene layer is deposited on the substrate through chemical vapor deposition (CVD).
The ultra-high sensitivity graphene sensor capable of controlling performance according to claim 1, wherein the graphene layer is deposited on a substrate by spin coating a graphene oxide.
The ultra-high sensitivity graphene sensor with adjustable performance according to claim 1, wherein the substrate is a silicon substrate on which a silicon oxide film is formed.
The ultra-sensitivity graphene sensor with performance control according to claim 1, wherein the source, drain, and gate electrodes are made of gold (Au).
(b) 상기 유전체의 상부면과 접촉되도록 기판의 상부면에 그라핀을 증착한 후 리소그라피 공정을 통해 원하는 모양으로 패터닝하는 단계; 및
(c) 상기 패터닝된 그라핀의 양단과 연결되도록 기판의 상부면에 소스 전극과 드레인 전극을 형성하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 성능조절이 가능한 초 고감도 그라핀 센서 제조방법.
(a) forming a groove in the substrate, and then sequentially stacking a gate electrode and a dielectric in the groove;
(b) depositing graphene on the upper surface of the substrate to be in contact with the upper surface of the dielectric and patterning the graphene into a desired shape through a lithography process; And
(c) forming a source electrode and a drain electrode on an upper surface of the substrate to be connected to both ends of the patterned graphene;
Ultra-high sensitivity graphene sensor manufacturing method that can control the performance, characterized in that it comprises a.
8. The method of claim 7, wherein the deposition of the graphene in the step (b) is performed through a chemical vapor deposition (CVD) process. 9.
The method of claim 7, wherein the deposition of the graphene in the step (b) is performed by spin coating graphene oxide. 9.
The method of claim 7, wherein the source electrode and the drain electrode are formed by a lithography process in the step (c).
The method of claim 7, wherein in the step (c), the source electrode and the drain electrode are formed through a lift-off process.
(b) 상기 홈의 좌,우측에 위치한 기판의 상부면에 소스 전극과 드레인 전극을 형성하는 단계; 및
(c) 상기 소스 전극과 드레인 전극 사이에 위치한 기판의 상부면에 그라핀 나노입자를 유전영동법(Dielectrophoresis)을 이용하여 증착하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 성능조절이 가능한 초 고감도 그라핀 센서 제조방법.
(a) forming a groove in the substrate, and then sequentially stacking a gate electrode and a dielectric in the groove;
(b) forming a source electrode and a drain electrode on upper surfaces of the substrate located at left and right sides of the groove; And
(c) depositing graphene nanoparticles using Dielectrophoresis on the upper surface of the substrate positioned between the source electrode and the drain electrode;
Ultra-high sensitivity graphene sensor manufacturing method that can control the performance, characterized in that it comprises a.
The method of claim 12, wherein the source electrode and the drain electrode are formed through a lithography process in step (a).
The method of claim 12, wherein the source electrode and the drain electrode are formed by a lift-off process in the step (a).
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| KR (1) | KR20130134538A (en) |
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2012
- 2012-05-31 KR KR1020120058123A patent/KR20130134538A/en not_active Application Discontinuation
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