KR100943707B1

KR100943707B1 - 나노 구조물을 포함하는 3차원 나노 소자

Info

Publication number: KR100943707B1
Application number: KR1020070100350A
Authority: KR
Inventors: 유한영; 김병훈; 김안순; 백인복; 아칠성; 양종헌; 박찬우; 안창근
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2007-10-05
Filing date: 2007-10-05
Publication date: 2010-02-23
Anticipated expiration: 2027-10-05
Also published as: EP2193098A1; WO2009044983A1; US20110193052A1; US8263964B2; JP2011501702A; KR20090035209A; EP2193098A4; CN101821195A; EP2193098B1

Abstract

본 발명은 3차원 나노 구조물을 이용한 3차원 나노 소자에 관한 것으로, 본 3차원 나노 소자는 기판 상부에 부양된 진동부와 상기 진동부의 길이 방향의 양단부를 지지하는 지지부를 구비하는 하나이상의 나노 구조물; 상기 나노 구조물의 지지부를 지지하기 위해 상기 기판 상에 형성되는 지지대; 상기 나노 구조물의 진동부 하부에 상기 나노 구조물과 교차되도록 형성되어 상기 나노 구조물을 제어하는 하나이상의 제어부; 및 상기 진동부 상에 형성되어 외부에서 유입 및 흡착되는 물질을 감지하는 감지부를 포함한다.

이에 따라, 일반적인 평면 구조에서 나노 소자와 기판 사이에 발생하는 불순물 형성을 줄일 수 있으며, 평면 구조에서 발생하지 않는 기계적 떨림 현상을 형성 시킬 수 있다. 특히, 3차원 나노구조물을 형성함으로써 기계적 전기적 특성을 가지게 하여 나노 전기적 기계특성(nanomechanical system; nems)으로부터 새로운 형태의 나노 구조물을 포함한 3차원 나노 소자를 제공할 수 있을 뿐만 아니라 평면 구조에서 형성하기 어려웠던 단전자 소자, 스핀 소자, 단전자 소자와 전계효과 트랜지스터와의 결합 등을 용이하게 형성할 수 있다.

3차원 나노 구조물, 진동부, 질량 분석 소자, 전자 소자

Description

나노 구조물을 포함하는 3차원 나노 소자{THREE DIMENSIONAL NANO DEVICES INCLUDING NANO STRUCTURE}

본 발명은 3차원 나노 소자에 관한 것으로, 특히, 그 구조가 3차원으로 형성되어 있어서 소자의 형성 및 특성이 기존의 2차원 평면 형태의 나노 소자에 비해 다양한 분야에서 다양한 형태로 응용할 수 있는 3차원 나노 구조물을 포함하는 3차원 나노 소자에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 평면 구조에서 가지는 소자의 응용 가능성 한계를 극복하고 일반적으로 전기적 신호 감지에 따른 잡음 효과를 광학적 신호 검출을 통하여 현저히 줄여 주는 효과를 이용하여, 전기적 효과를 추가함으로써 감지 신호의 신호 강도 및 민감도를 최대한으로 제공 할 수 있는 3차원 나노 소자에 관한 것이다.

정보 통신 기술이 발달하면서 전송 가능한 정보의 량이 기학 급수적으로 증가하고 있으며, 이를 처리하기 위한 반도체 소자의 집적도 또한 지속적으로 향상되고 있다.

그러나 일반적으로 반도체 소자는 그 집적도가 소자를 구체화 시키는 장비에 의존하는 경우가 많고, 소자를 최소화시키는 작업 역시 장비가 가지는 특성에 따라 달라진다는 단점이 있다. 또한, 이렇게 제작된 소자를 새로운 형태의 구동 장치, 즉 센서 또는 기타 바이오 물질 감지 장치 등에 사용하기에는 그 한계가 많은 것이 사실이다.

따라서 본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 기존의 평면 구조 소자에서 제작하기 힘들었던 새로운 형태의 삼차원 나노 소자를 제공하는 것이다. 또한, 본 발명은 이차원 평면구조에서 제시하는 나노 소자의 전기적 특성을 향상시키고, 전기적 소자 및 광학적 소자가 서로 상보될 수 있는 삼차원 나노 소자를 제작하는데 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 전기적 소자에서 트랜지스터와 같은 능동적 구동소자의 동작뿐만 아니라, 센서로도 같이 사용될 수 있는 삼차원 나노 소자를 제공하는데 있다. 본 발명의 또 다른 목적은 기계적으로 진동하는 양자적 진동, 및 양자 소자 적인 특성을 제공하는 삼차원 나노 소자를 제공하는데 있다.

전술한 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 본 3차원 나노 소자는 기판 상부에 공중 부양된 선형태의 진동부와 상기 진동부의 길이 방향의 적어도 양단부를 지지하는 지지부를 구비하는 하나이상의 나노 구조물; 상기 나노 구조물의 지지부를 지지하기 위해 상기 기판 상에 형성되는 지지대; 상기 기판 상부 또는 하부 또는 상하부 양측에 형성되어 상기 나노 구조물을 제어하는 하나이상의 제어부; 및 상기 진동부 상에 형성되어 외부에서 유입 및 흡착되는 물질을 감지하는 감지부를 포함한다.

바람직하게, 상기 기판 하부에 형성된 외부 진동부를 더 포함한다. 상기 제어부는 상기 나노 구조물의 진동부 상부 및 하부 중 적어도 하나에 상기 나노 구조물과 교차되도록 형성되어 상기 진동부의 진동을 유발하는 압전 물질 또는 금, 백금 등과 같은 다양한 금속 물질을 포함한다. 또한, 상기 제어부는 상기 기판 상부의 상기 진동부 하부에 상기 나노 구조물과 교차되도록 형성되어 상기 진동부의 진동을 유발하는 하나이상의 전극을 포함한다.

상기 진동부의 폭은 수 나노미터 내지 1마이크로미터 범위이고, 상기 진동부의 높이는 수 나노미터 내지 1마이크로미터 범위이며, 상기 진동부의 길이는 100나노미터 내지 100마이크로미터 범위이다. 상기 진동부 및 상기 기판은 Si, Ge, Sn, Se, Te, B, C, P, B-C, B-P(BP6), B-Si, Si-C, Si-Ge, Si-Sn 및 Ge-Sn, SiC, BN/BP/BAs, AlN/AlP/AlAs/AlSb, GaN/GaP/GaAs/GaSb, InN/InP/InAs/InSb, BN/BP/BAs, AlN/AlP/AlAs/AlSb, GaN/GaP/GaAs/GaSb, InN/InP/InAs/InSb, ZnO/ZnS/ZnSe/ZnTe, CdS/CdSe/CdTe, HgS/HgSe/HgTe, BeS/BeSe/BeTe/MgS/MgSe, GeS, GeSe, GeTe, SnS, SnSe, SnTe, PbO, PbS, PbSe, PbTe, CuF, CuCl, CuBr, CuI, AgF, AgCl, AgBr, AgI, BeSiN₂, CaCN₂ZnGeP_2,CdSnAs₂, ZnSnSb₂, CuGeP₃, CuSi₂P₃, (Cu, Ag)(Al, Ga, In, Ti, Fe)(S, Se, Te)₂, SiO₂, Si₃N₄, Ge₃N₄, Al₂O₃, (Al, Ga, In)₂(S, Se, Te)₃, 및 Al₂CO 중 하나의 재료를 이용하거나 상기 재료 중 적어도 2개 이상을 조합한 조합물 중 하나의 재료를 이용한다.

상기 진동부의 길이가 같거나 다른 나노 구조물이 복수 개 설치되거나 상기 진동부의 길이 중 일부는 같고 일부는 다른 나노 구조물이 복수 개 설치된다. 상기 진동부는 상기 진동부의 길이에 따른 기본 진동수 및 비선형 진동수를 이용한다. 상기 감지부는 상기 기본 진동수의 최대 진폭 영역에 형성되며, 상기 최대 진폭 영역에는 물질의 흡착을 위한 프로브가 형성된다. 상기 프로브는 금속 또는 실리콘 또는 산화물로 이루어진다. 상기 프로브 상에는 유기물 프로브가 더 형성된다. 상기 유기물 프로브는 유입되는 물질과 화학적으로 결합하는 형태의 구성물로, 티올(thiol)그룹, 아민 및 실란 그룹을 포함하는 그룹, 및 이들과 결합하는 DNA, PNA 및 항체와 같은 생체 물질을 포함한다.

상기 기판의 둘레를 따라 형성된 측면부와, 상기 측면부의 일영역에 형성된 유체 유입구, 상기 측면부의 다른 일영역에 형성된 유체 유출구 및 상기 측면부의 상부에 형성되는 상면부를 포함한다. 상기 나노 구조물의 진동부 영역으로 레이저 광원을 제공하는 레이저와, 상기 레이저로부터 제공된 상기 레이저 광원을 수광하는 레이저 감지부를 더 포함한다.

또한 본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 본 3차원 나노 소자는 기판 상부에 부양된 진동부와 상기 진동부의 길이 방향의 양단부를 지지하는 지지부를 구비하는 하나이상의 나노 구조물; 상기 나노 구조물의 지지부를 지지하기 위해 상기 기판 상에 형성되는 지지대; 상기 나노 구조물의 진동부 하부에 상기 나노 구조물과 교차되도록 형성되는 하나 이상의 전극; 및 상기 진동부 상에 형성되어 외부에서 유입 및 흡착되는 물질을 감지하는 감지부를 포함한다.

바람직하게, 상기 전극은 소스 전극과 드레인 전극을 포함하며, 상기 소스 전극과 상기 드레인 전극 사이에는 갭이 형성된다. 상기 소스 전극과 드레인 전극 사이에 형성된 갭 상부 영역의 상기 나노 구조물에는 양자점이 형성된다. 상기 소스 전극과 드레인 전극 사이에 형성된 갭 상부 영역의 상기 나노 구조물에는 양자점이 형성되어 있으며, 상기 소스 전극과 상기 드레인 전극이 자성물질이다. 상기 기판 상부에 다수 개의 게이트가 형성되어 있다.

이상, 전술에 따르면, 본 발명은 삼차원 구조물을 형성함으로써 질량분석기 및 전자소자 등과 같은 삼차원 나노 소자를 용이하게 제작할 수 있다. 삼차원 구조물을 이용하여 제작된 나노 소자는 진동부에서의 감지도가 높기 때문에 미세한 질량(예를 들면, 생체분자 등과 같은 분자의 질량)을 측정하는 센서로 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 게이트 전극을 용이하게 형성하여 다양한 형태의 삼차원 전자 소자를 제공할 수 있다.

본 발명은 3차원 구조를 가지는 나노 소자로서 먼저 그 구성은 크게 소자를 지탱해주는 기판과 삼차원 나노 구조물로 구성되어있다. 그 구성의 가장 기본적인 형태는 기판과 작동하는 소자 간에 격리되는 유전체 물질이 놓여져 있는 것을 그 특징으로 한다. 이러한 구조는 각기 그 사용하고자 하는 목적에 따라서 약간의 구조상의 변화가 있을 수 있지만 전체적인 구조는 기본적인 구조, 즉 기판을 2차원 평면으로 하고 나노 구조물이 삼차원적으로 부양되어 있는 형태를 바탕으로 한다. 이러한 변화된 구조는 그 실시 예를 통하여 설명하기로 한다.

《실시 예 1: 질량분석기 및 센서》

도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 나노 구조물을 포함하는 질량분석기의 부분 사시도이고, 도 2a는 기판 하부에 외부 진동자가 구비된 질량분석기의 측단면을 나타내는 도면이고, 도 2b는 기판 하부에 외부 진동자가 구비되지 않은 질량분석기의 측단면을 나타내는 도면이다.

도 1, 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 나노 구조물을 포함하는 질량 분석기(100)는 기판(220), 기판(220) 상에 형성되는 절연막(130), 기판(220) 상에 부양되도록 설치되는 나노 구조물(110), 기판(220) 상에 마련되어 상기 나노 구조물(110)의 길이방향 양단부를 지지하는 지지대(120), 나노 구조물(110) 상에 마련 되어 질량분석기(100)에 유입되는 물질을 흡착하여 흡착된 물질(210)의 질량, 전기장 및 자기장 등의 변화를 감지하는 감지부(150), 및 절연막(130) 상에 마련되어 감지부(150)를 제어하는 제어부(140)를 포함한다.

나노 구조물(110)은 기판 상의 절연막(130)으로부터 부양된(3차원 공중 부양된) 선형태의 진동부(111)와 진동부(111)의 양단부에 형성된 지지부(112)를 포함한다. 감지부(150)는 나노 구조물(110)을 구성하는 진동부(111)에 설치되며, 상기 진동부(111)의 진동 폭이 최대가 되는 위치에 마련되는 것이 가장 바람직하다. 나노 구조물(110)을 구성하는 진동부(111)는 외부 진동에 의해 진동하며, 진동부(111)의 폭은 W, 높이는 t, 길이는 l로 표시한다. 진동부(111)의 폭(W) 및 높이(t)는 나노미터 내지 1 마이크로미터 범위로 형성할 수 있으며, 길이(l)는 100나노미터 내지 100마이크로미터 범위로 형성할 수 있다.

나노 구조물(110)은 Si, Ge, Sn, Se, Te, B, C, P, B-C, B-P(BP6), B-Si, Si-C, Si-Ge, Si-Sn 및 Ge-Sn, SiC, BN/BP/BAs, AlN/AlP/AlAs/AlSb, GaN/GaP/GaAs/GaSb, InN/InP/InAs/InSb, BN/BP/BAs, AlN/AlP/AlAs/AlSb, GaN/GaP/GaAs/GaSb, InN/InP/InAs/InSb, ZnO/ZnS/ZnSe/ZnTe, CdS/CdSe/CdTe, HgS/HgSe/HgTe, BeS/BeSe/BeTe/MgS/MgSe, GeS, GeSe, GeTe, SnS, SnSe, SnTe, PbO, PbS, PbSe, PbTe, CuF, CuCl, CuBr, CuI, AgF, AgCl, AgBr, AgI, BeSiN₂, CaCN₂ZnGeP₂ _,CdSnAs₂, ZnSnSb₂, CuGeP₃, CuSi₂P₃, (Cu, Ag)(Al, Ga, In, Ti, Fe)(S, Se, Te)₂, SiO₂, Si₃N₄, Ge₃N₄, Al₂O₃, (Al, Ga, In)₂(S, Se, Te)₃, 및 Al₂CO 등과 같 은 하나의 재료와, 이들 재료 중 적어도 2개 이상이 적절히 조합된 조합물 중 선택된 어느 하나의 재료로 형성한다. 나노 구조물(110)의 진동부(111)를 진동하기 위해서는 진동부(111)의 상부 및 하부에 진동부(111)를 진동할 수 있는 압전 물질 또는 다양한 금속 물질 등을 증착 또는 스퍼터링한다. 이때 상부 및 하부에 형성된 압전 소자에 전압을 가하면, 진동부(111)의 상부 및 하부에 형성된 압전 물질이 늘어나는 길이에 따라서 진동부(111)가 아래위로 진동하여 진동부 및 진동자 역할을 하게 된다. 또한, 상기 진동부(111)는 압전 물질에 의해서 뿐만 아니라 제어부(140)에 의해서도 진동이 유발된다. 구체적으로, 제어부(140)에 교류 전압을 인가하여 교류 전기장이 제어부(140) 주위에 가해지면, 감지부 및 진동부(111) 내부에 존재하는 전하들이 전기장이 놓여지는 방향으로 이동하여 제어부(140)에 있는 극이 다른 전하들과 서로 인력의 관계에 놓이게 된다. 또한 제어부(140)에 인가되는 교류의 극이 반대로 바뀌어 서로 간의 인력이 약해지면, 진동부(111)는 원래 위치로 돌아가려고 하는 힘에 의해 복귀한다. 따라서, 이러한 교류 진동이 반복되면 진동부(111)는 계속해서 진동하게 된다. 이때, 걸어주는 전기장의 주기와 나노구조물 자체의 기계적 고유 진동수가 일치하면 공진이 일어나게 되어 진폭이 최대가 되는 진동자가 되는 것이다. 결과적으로, 제어부(140)는 전극, 즉, 전극을 통해 인가되는 전압을 이용하여 진동부(111)의 진동을 유발한다.

도 2a에 개시된 바와 같이, 질량 분석기(100)는 기판(220) 하부에 외부 진동부(230)를 더 포함할 수 있다. 기판(220) 하부에 외부 진동부(230)가 마련되는 경 우에는 외부 진동부(230)를 이용하여 기판 전체를 진동시킬 수 있다. 외부 진동부(230)는 PZT, Quartz 등과 같은 압전 물질을 이용하여 형성할 수 있다. 도 2b에 개시된 바와 같이, 외부 진동부(230)가 마련되어 있지 않은 경우에는 진동부(111)의 상부 및 하부에 형성된 압전소자 등을 이용하여 진동을 유발한다. 또한, 도 2a에 개시된 바와 같이, 외부 진동부(230)가 더 마련되어 있는 경우에는 진동부(111) 상부 및 하부에 형성되는 압전소자 등을 이용하여 진동부(111)의 진동을 유발하거나 외부 진동부(230)를 이용하여 기판(220) 전체의 진동을 유발하여 진동부(111)의 진동을 유발할 수 있다. 또한 전술한 모든 경우에 대하여 제어부(140)를 이용하여 추가적인 진동을 유발할 수 있다.

전술한 구조의 질량 분석기는 다음과 같은 원리에 의해 질량 분석기의 역할을 수행할 수 있다. 질량 분석기(100)는 나노 구조물(110)의 진동부(111)의 하부 및 상부에 PZT와 같은 진동을 유발하는 물질이 증착되어 있기 때문에, 이들의 진동에 의해서 진동부(111)를 떨게 하여 질량의 변화를 감지할 수 있다. 물론, 도 2a 및 도 2b에 개시된 바와 같이, 제어부(140), 진동부(111)의 상하부의 압전 물질, 그리고, 외부 진동부(230)에 의해 진동부(111)의 진동을 유발할 수 있으며, 이들의 다양한 상호 조합에 의해 여러 모드의 진동을 유발할 수 있다. 도 2a 및 도 2b에 개시된 질량 분석기를 구성하는 나노 구조물(110) 진동부(111)의 고유 진동수는 진동부(111)의 길이(l), 폭(W), 높이(t) 및 나노 구조물(110)이 가지는 밀도 및 영률(Young's modulus)에 의해 결정된다.

즉, 나노 구조물(110)의 고유 진동수는

…식 (1) 이다.

여기서 ε은 영률을 의미하고, ρ는 밀도를 의미하며, t는 높이를 l은 길이를 의미한다. 일반적으로, 질량의 변화는 주파수의 변화와 밀접한 관련을 가지며, 즉,

…식 (2)로 표시될 수 있다. 여기서

로 표시된다. 다시 말해, 본 실시 예에 개시된 질량 분석기는 질량의 변화가 주파수의 변화와 밀접한 관련이 있음(식 (2))을 이용하여 부양된 나노 구조물(110)을 이용하여 질량을 분석할 수 있다.

식 (1)에 나타난 바와 같이, 진동수의 크기는 진동부(111) 길이의 제곱에 비례하여 증가하므로, 나노 구조물 진동부(111)의 길이(l)가 길어짐에 따라 진동수의 크기가 커짐을 알 수 있으며, 만약 진동부(111)의 길이가 마이크로미터일 경우에는 대략 MHz 크기의 고유 진동수가 있다는 것을 알 수 있다. 진동부(111)의 고유 진동수가 수 MHz인 경우에는, 질량 분석기는 아토 그램(ag=10^-18g)이상의 감지도를 가지게 된다. 따라서 본실시 예에 따른 질량분석기(100)는 이러한 진동수 변화에 따른 질량의 측정으로부터 DNA 한 개를 측정할 수 있는 감지도를 가지게 됨을 의미하며, 이를 통하여 DNA, 단백질을 비롯한 바이오 물질 및 가스와 같은 그 질량이 미 세한 물질을 감지할 수 있는 소자로 응용이 가능한 것이다.

도 3 내지 도 5는 각각 본 발명의 제1 실시 예에 따른 질량분석기를 이용하여 질량의 변화를 감지하기 위한 진동부의 진동 모드를 나타내는 도면이다. 도 3 내지 도 5에 개시된 진동모드는 공중 부양된 진동부(111)의 기본적인 진동 모드를 나타내는 것으로, 진동부(111)의 일영역에 마련된 감지부(150)에 물질(210)이 흡착되어진 상태에서 진동부(111)가 진동한다. 일반적으로 진동부(111)는 양단부가 고정되어 있는 줄의 진동과 같은 형태로 진동을 한다. 물론, 진동부(111)는, 도 3 내지 도 5에 개시된 진동 모드와는 달리, 더 복잡하고 다양한 고차원 적인 진동 모드 또는 비선형적인 진동 모드로 진동시킬 수 있다.

본 실시 예에서 감지부(150)에 물질이 흡착되면, 즉, 감지부(150)를 통해 진동부(111)의 질량의 변화가 감지되면, 진동부(111)의 진동 모드가 변화한다. 즉, 진동하는 진동부(111)의 고유진동수가 변화한다. 진동부(111)의 최대 진동폭, 즉, 도 3에 개시된 진동 모드(310a, 310b)의 최대 진동 폭 부분(210)이 감지도를 최대로 할 수 있는 지점이다. 즉, 감지부(150)의 최대 진동폭 부분에 사용자가 원하는 물질을 올리기 위해 전극을 형성하거나 특정 물질과 반응을 일으키는 반응 영역(화학적 표면 처리 또는 특이적 반응 물질 등을 설치)을 형성하면, 전극 또는 반응 영역과의 반응을 통해 감지도를 최대로 할 수 있다. 즉, 물질의 질량이 변화하는 부분이 진동폭이 최대가 되는 지점에서 변화하게 될 때 주파수 및 Q-factor값의 변화가 최대로 된다. 이것은 주위의 잡음 없이 주파수의 변화 및 Q-factor의 변화를 감지하기 위해서는 주파수 및 Q-factor의 값이 아주 커야 하기 때문이다. 또한 정확한 질량을 분석하기 위해서는 진동폭이 최대인 지점에서 그 변화를 읽는 것이 가장 나은 방법이다. 즉, 진동폭이 낮은 부분에 흡착되는 물질이 있다 하더라도 이것은 전체 진동폭에 많은 영향을 주지 않기 때문에 그만큼 질량의 변화를 주파수 변화로 감지하기 어렵게 된다.

예를 들어, 감지부(150)가 백금으로 이루어져 있을 때, 외부에서 수소를 유입시키게 되면 수소와의 흡착성이 좋은 백금의 표면에 수소가 흡착된다. 이로 인해, 진동부(111)의 주기는 수소가 흡착되었을 때와 흡착되지 않았을 때 각각 다른 진동수와 Q-팩터(factor) 값을 가지게 된다. 즉, 본 실시 예에서는 감지부(150)에 흡착되는 수소의 양을 이용하여 센서로도 이용할 수 있다.

또 다른 일례로, 감지부(150)가 금으로 이루어졌을 때, DNA와 티올(Thiol) 물질이 결합된 물질을 유입시키게 되면, 티올이 금과 결합하여 외가닥 DNA 프로브(single strand DNA probe)가 형성된다. 이때, 질량은 전술한 방법에 의해 측정되며, 만약, 외부로부터 형성된 외가닥 DNA와 결합하는 타겟 DNA가 유입되어 서로 상보결합을 이루게 되면 그 질량 또한 변하게 된다. 이러한 원리를 이용하여, 전술한 질량분석기는 바이오 물질의 감지기로 사용이 가능할 뿐만 아니라, 단백질의 항원-항체 상호 결합을 이용하여 바이오센서로도 활용할 수 있다.

전술한 예들과 같이, 최대 감지도를 갖는 디바이스를 제조하기 위해서는, 도3 내지 도 5에 개시된 바와 같이, 물질(210)이 흡착되는 감지부(150)를 진동부(111)가 최대 진폭을 일으키는 위치에 형성하는 것이 바람직하며, 또한, 측정하 고자 하는 물질과 반응을 일으킬 수 있는 물질을 이용하여 감지부(150)를 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 도 3 내지 도 5에 개시된 바와 같이, 진동부(111)는 다양한 진동모드(310a, 310b, 410a, 410b, 510a, 510b)를 이용할 수 있다. 한편, 반응 물질(210)을 감지부(150)에 부착시키는 방법으로는 증착 또는 스퍼터링, 전기 화학적 흡착, 단순한 화학적 반응 등의 다양한 흡착 방법이 이용된다.

도 6a는 본 발명에 따른 다수의 나노 구조물과 레이저 감지부를 포함하는 다른 실시 예에 따른 3차원 센서에 대한 개략도이고, 도 6b는 도 6a에 개시된 3차원 센서를 촬영한 주사전자현미경(SEM) 사진의 일영역이다.

도 6a 및 도 6b에 개시된 다수의 나노 구조물을 포함하는 3차원 센서(600)는 레이저(610)로부터 출력된 레이저 광원(630)을 감지하는 레이저 감지부(620)를 이용하여 물질의 감지도를 측정할 수 있다. 이러한 3차원 센서(600)는 기판(220), 기판(220) 상에 형성된 절연막(130), 절연막(130) 상에 평행하게 배치된 다수의 전극(141), 전극(141)과 교차하도록 매트릭스 형태로 형성되며 기판(220)으로부터 공중 부양된 다수의 나노 구조물(110), 각각의 나노 구조물(110) 상에 형성되는 하나이상의 감지부(150), 나노 구조물(110)의 변화를 측정하기 위해 레이저 광원(630)을 제공하는 레이저(610), 및 레이저(610)로부터 나노 구조물(110)로 입사된 레이저 광원(630)을 감지하는 레이저 감지부(620)를 포함한다. 상기 3차원 센서는 레이저(610)로부터 진동부로 제공된 레이저 광원이 반사되어 레이저 감지부(620)에서 감지된 광량의 변화로부터 질량을 분석한다. 따라서 3차원 센서는 광량의 변화를 주파수 변화 및 이에 따른 위상차 변화, Q-factor의 변화를 통해 감지한다. 즉, 감지부(150)에 질량을 가진 물질이 흡착될 때 공진 주파수는 변화하게 되며, 이때 레이저 광원을 감지하는 감지부(620)에 들어오는 광량 또한 변화하게 된다. 구체적으로, 입사된 레이저 광원의 주파수를 스캔(scan)하였을 때, 주파수가 공진하는 주파수와 같을 경우 가장 큰 값의 광전류를 흐름과 동시에 위상의 차이가 가장 크게 난다. 이러한 결과로부터 공진이 일어나는 주파수를 알 수 있으며, 또한 이 공진 주파수가 질량을 가진 물질이 흡착되지 않았을 때 공진 주파수와 어느 정도 차이가 나느냐에 따라서 질량의 변화를 감지할 수 있다. 다시 말해, 이러한 질량의 변화는 위상의 변화 및 Q-factor의 변화로도 감지할 수 있다.

보다 구체적으로, 나노 구조물(110)은 기판으로부터 부양된(3차원 공중 부양된) 선형태의 진동부(111)와 진동부(111)의 양단부에 형성된 지지부(112)를 포함한다. 감지부(150)는 나노 구조물(110)을 구성하는 진동부(111)에 하나이상 설치 가능하다. 나노 구조물(110)을 구성하는 진동부(111)는 외부 진동에 의해 진동하며, 진동부(111)의 폭은 W, 높이는 t, 길이는 l로 표시한다. 진동부(111)의 폭 및 높이는 나노미터 내지 1 마이크로미터 범위로 형성할 수 있으며, 길이는 100나노미터 내지 100마이크로미터 범위로 형성할 수 있다.

나노 구조물(110)은 Si, Ge, Sn, Se, Te, B, C, P, B-C, B-P(BP6), B-Si, Si-C, Si-Ge, Si-Sn 및 Ge-Sn, SiC, BN/BP/BAs, AlN/AlP/AlAs/AlSb, GaN/GaP/GaAs/GaSb, InN/InP/InAs/InSb, BN/BP/BAs, AlN/AlP/AlAs/AlSb, GaN/GaP/GaAs/GaSb, InN/InP/InAs/InSb, ZnO/ZnS/ZnSe/ZnTe, CdS/CdSe/CdTe, HgS/HgSe/HgTe, BeS/BeSe/BeTe/MgS/MgSe, GeS, GeSe, GeTe, SnS, SnSe, SnTe, PbO, PbS, PbSe, PbTe, CuF, CuCl, CuBr, CuI, AgF, AgCl, AgBr, AgI, BeSiN₂, CaCN₂ZnGeP₂ _,CdSnAs₂, ZnSnSb₂, CuGeP₃, CuSi₂P₃, (Cu, Ag)(Al, Ga, In, Ti, Fe)(S, Se, Te)₂, SiO₂, Si₃N₄, Ge₃N₄, Al₂O₃, (Al, Ga, In)₂(S, Se, Te)₃, 및 Al₂CO 단독 재료와, 이들 재료 중 적어도 2개 이상이 적절히 조합된 조합물 중 선택된 어느 하나의 재료로 형성한다.

전술한 구조를 갖는 3차원 센서는 다음과 같은 제작 공정을 통해 제작 가능하다. 도 6b에는 SOI(Silicon On Insulator)기판 구조가 개시되어 있다. 기판(미도시) 상에는 실리콘 산화물로 형성된 절연막(130)이 형성되어 있으며, 절연막(130) 상에 형성된 지지대(120) 역시 실리콘 산화물을 이용하여 형성한다. 이들은 기판 상에 형성된 최상부 실리콘을 원하는 형태로 만든 후 식각 공정을 통하여 실리콘으로 형성된 공중 부양된 진동부(111)와 진동부(111)의 양단부에 형성되는 지지부(112)를 포함하는 나노 구조물(110)을 형성하고, 그 하부에 형성된 실리콘 산화물을 습식 식각을 통하여 제거하게 되면 나노 구조물(110)의 지지부(112)와 같은 구조의 지지대(120)를 형성할 수 있다. 상기 공정을 거친 다음에는, 부양된 나노 구조물(111)에 원하는 화학물질 또는 생화학 물질을 접합하기 위한 감지부(150)를 형성한다. 다음, 실리콘 절연막(130)이 형성된 기판 상에 금속과 같은 물질을 증착하여 감지부(150)와 함께 진동부(111)의 진동을 유발하는 전극(141)을 형성한다. 이러한 제작 공정을 통해, 본 실시 예에 개시된 3차원 센서를 형성할 수 있다.

전술한 제작공정을 통해 제작된 전술한 3차원 센서(600)는 레이저(610)로부터 나온 빛이 진동부(111)(보다 구체적으로는, 진동부(111)에 마련된 감지부(150))에 반사되어 레이저 감지부(620)로 이송되어, 진동부(111)의 공진에 의해서 발생하는 레이저 광원(630)의 세기 변화에 따라서 나타나는 레이저 감지부(620) 신호의 증폭 정도에 따라서 그 공진을 감지하게 되는 것이다. 만약, 유체를 둘러싸는 마이크로캡슐 등과 같은 물질 내에 감지하고자 하는 물질이 수용되어 있는 경우에는 전극(141)을 이용한 전기영동에 의해서 물질의 감지도를 높일 수 있다. 즉, 전극(141)에 전기장을 교류나 직류를 흘려주면 유체 속에 포함된 감지하고자 하는 물질이 전기장에 의해 감지부(150) 측으로 끌려오게 되어 감지부(150) 근처에서의 밀도가 높아지게 된다. 이러한 원리를 이용하면, 유체 속에 포함된 물질의 감지도를 올릴 수 있다.

도 7은 진동부의 길이가 각각 다른 다수의 나노 구조물을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 7을 참조하면, 본 실시 예는 절연막(130)이 형성된 기판, 기판 상에 형성된 복수의 전극(141), 기판 상에 나노 구조물(710, 720, 730, 740, 750)을 지지하기 위해 형성된 지지대(120), 지지대(120)에 지지되어 부양된 나노 구조물(710, 720, 730, 740, 750), 및 각각의 나노 구조물(710, 720, 730, 740, 750)에 형성된 감지부(150)를 포함한다. 본 실시 예에서의 나노 구조물(710, 720, 730, 740, 750)은 각각 진동부(711, 721, 731, 741, 751)와 지지부(712, 722, 732, 742, 752)을 포함하는 구조로, 진동수를 각기 다르게 나타나게 하기 위하여 진동부(711, 721, 731, 741, 751)의 길이를 다르게 형성한다. 이처럼 진동부(711, 721, 731, 741, 751)의 길이를 각기 다르게 하는 경우에는 진동부의 고유의 진동수가 각각 다르다.

이처럼 각기 다른 진동수는 주파수가 변화하면서 고유진동수를 찾게 될 때 여러 부분에서 공진이 일어나는 것으로부터 여러 형태의 질량 분석기 및 센서로 활용이 가능하다. 또한, 이러한 구조의 진동부를 갖는 경우에는 각기 다른 물질의 프로브를 사용하여 각기 다른 부분에 다른 형태의 센서를 부착함으로써 센서 어레이 등을 형성할 수 있다.

도 8a는 본 발명에 따른 나노 구조물을 이용한 분자 센서의 개략도이고, 도 8b는 도 8a의 A영역을 확대한 도면이다. 도 8a를 참조하면, 본 발명에 따른 나노 구조물을 이용한 분자 센서는 기판 상에 형성된 제어부(140)와, 제어부(140) 상에 부양된 나노 구조물(110)을 포함한다. 나노 구조물(110)은 선 형태의 진동부(111)와 진동부(111)의 양 단부에서 진동부(111)를 지지하는 지지부(112)를 포함한다. 나노 구조물(110)의 지지부(112) 하부에는 나노 구조물(110)을 지지하는 지지대(120)가 마련되어 있다. 도 8b를 참조하면, 진동부(111)에는 진동 폭이 가장 큰 부분에 유입되는 물질을 감지하기 위한 감지부(150)가 형성되어 있으며, 감지부(150) 상에는 유입 물질이 흡착되도록 마련된 적어도 하나의 프로브(810a)가 마련된다. 프로브(810a) 상에는 외부 유체와 같이 측정하고자 하는 물질(810b)이 흡 착된다. 전술한 구조의 나노 구조물(110)은 프로브(810a)에 흡착된 물질(810b)의 질량 변화를 통해 센서로 활용될 수 있다. 감지부(150)는 금, 백금, 은 등을 포함하는 금속 또는 실리콘 또는 실리콘 산화물, 아연산화, 알루미늄 산화물, 티타늄 산화물을 포함하는 산화물 또는 산화물이 아닌 그들의 결정체로 이루어진다. 여기서, 결정체란 실리콘 결정체, 티타늄 등의 산화물이 아니 결정체 또는 산화물이라하더라도 비정질이 아닌 결정들로 이루어진 부분을 말한다. 또한, 프로브(810a) 상에는 유기물 프로브(미도시)를 형성할 수 있다. 상기 프로브(810a) 상에 형성되는 유기물 프로브는 티올(thiol) 그룹과 아민 및 실란 그룹 및 이들과 결합하여 이루는 DNA, 및 항체를 포함할 수 있는 것으로, 프로브 상에 흡착되는 물질과 화학적으로 결합할 수 있다.

도 9는 각각 다른 길이의 진동부를 갖는 복수의 나노 구조물이 배열 상태도이고, 도 10은 도 9의 복수의 나노 구조물을 이용하여 바이오 물질을 포함한 센서, 화학 센서 및 가스 센서로 활용할 때의 장치 구조도이고, 도 11은 도 10의 B 영역을 확대한 도면이다. 도 10에 도시된 장치는 전체적으로 내부의 물질이 외부와 차단되는 구조를 나타내는 도면으로, 장치의 하부에서 장치를 지탱하고 밀폐시켜주는 바닥면(1010), 바닥면(1010) 상에 형성되어 센서로 작동하는 복수의 나노 구조물(110), 나노 구조물(110)을 지지하는 지지대(120), 바닥면(1010)의 외곽 둘레 방향을 따라 형성된 측면부(1020), 측면부(1020) 상에 형성되어 상부를 막아주는 상부면(1030), 측면부(1020)의 일영역에 형성되는 유체 유입구(1060), 측면부(1020)의 다른 일영역에 형성되는 유체 유출구(1070)를 포함한다. 상부면(1030)의 상부에는 레이저 광원을 나노 구조물(110)로 제공하는 레이저(1040)와, 나노 구조물(110)에서 반사된 레이저 광원을 감지하는 레이저 감지부(1050)가 설치되어 있다. 상기 레이저(1040)는 반도체 레이저이다.

도 10의 B 영역을 확대한 도 11을 참조하면, 센서 작동부로 사용하는 나노 구조물(110)은 복수개가 형성되며 각각 다른 길이의 진동부(111)를 가지며, 각 진동부(111)에는 장치의 내부로 유입되는 유체를 감지하는 감지부(1130)가 마련되어 있다. 각 진동부에 마련된 감지부(1130)는 다양한 형태 및 다양한 개수로 형성된다. 도 10에 개시된 유체가 유체 유입구(1060)로 유입되어 나노 구조물(110)의 진동부(111)에 마련된 감지부(1130)와 만나게 될 때, 레이저 광원(1110)에 의해서 진동부(111)의 고유 진동수를 측정하고 감지하고자 하는 물질(1120)이 감지부(1130)에서 반응할 때, 이때 변화되는 고유진동수를 측정하게 된다. 즉, 각기 다른 고유 진동수를 가지는 진동부(111)에 각기 최대 진동 폭을 가지는 위치에 형성된 감지부(1130)에 물질(1120)이 흡착되어 진동수가 변화되면, 레이저 광원(1110)을 이용하여 고유진동수 및 Q값의 변화를 얻을 수 있으며, 이를 통해 물질의 질량 등을 검출할 수 있다.

《실시 예 2: 3차원 전자 소자》

본 실시 예 2에서는 3차원 전자 소자를 구체적으로 설명한다. 3차원 전자 소자란 전자 소자의 구성이 3차원적 공간을 형성하고 3차원적 구조 설계를 갖도록 제작된 전자 소자를 나타낸다. 이것은 기존에 제시된 전계효과트랜지스터, 단전자(Single Electron Transistor) 트랜지스터, 분자 트랜지스터를 포함하는 분자 소자 및 유기 전자 소자를 효과적으로 제작하여 그들의 특성을 향상시킨 소자를 나타낸다.

본 실시 예 2에서 추구하는 3차원 전자소자의 구조는 실시 예 1에서 제시한 구조들과 같이 공중에 떠있는 나노 구조물과, 나노 구조물과 인접한 영역에 형성되어 전기적으로 연결되는 소스 및 드레인 또는 나노 구조물의 하부에 놓인 전극을 소스 및 드레인으로 형성하거나 단전자 트랜지스터 형성 시에 채널로 흘러가는 전하의 양을 게이트를 이용하여 제어를 하고 또 다른 게이트 전극을 이용하여 단전자트랜지스터에서 가지는 에너지 준위를 조절해주는 방법 또는 이러한 단전자 트랜지스터를 추가적인 공정을 통하여 형성한 전계효과 트랜지스터와 접합하여 단전자 트랜지스터-전계효과트랜지스터 접합을 형성하는 것을 제시한다.

도 12는 본 실시 예에 따른 나노 구조물을 이용하여 형성된 단전자 트랜지스터를 나타낸다. 도 12를 참조하면, 본 실시 예에 따른 단전자 트랜지스터는 기판 상에 형성되며 갭(1230)을 사이에 두고 형성된 소스 전극(1210) 및 드레인 전극(1220)과, 소스 및 드레인 전극(1210, 1220) 상에 공중 부양되어 게이트 전극 역할을 수행하는 나노 구조물(1250)을 포함한다. 단전자 트랜지스터는 공중 부양된 나노 구조물(1250)의 일영역, 구체적으로, 소스 및 드레인 전극(1210, 1220) 사이에 형성된 갭(1230) 및 소스-드레인 전극(1210, 1220)과 양자점(1240) 사이의 갭 및 이들의 상부에 형성된 양자점(1240)을 포함한다. 본 실시 예에서 소스 및 드레인 전극(1210, 1220) 상에 형성된 나노 구조물(1250)은 게이트 전극 역할을 수행한다.

전술한 구성으로 이루어진 단전자 트랜지스터는, 양자점(1240)이 게이트 전극 역할을 수행하는 나노 구조물(1250) 상에 배치되어 있을 때, 게이트 전극 즉, 나노 구조물(1250)을 이용하여 양자점(1240) 내의 에너지 준위의 위치를 조절한다. 나노 구조물(1250)을 이용하여 양자점(1240) 내의 에너지 준위의 위치를 조절함으로써, 소스 전극(1210)으로부터 유입되는 전하의 양을 바꿔주고 이로 인한 트랜지스터 현상을 만들어 낼 수 있다. 전술한 구성이 가장 단순한 단전자 트랜지스터의 일례를 나타낸다. 본 실시 예에서 사용되는 터널링 장벽(소스 전극과 드레인 전극 사이의 갭(1230))은 일반적인 진공 또는 공기를 이용한 터널링 장벽이다. 즉, 소스 전극(1210)과 양자점(1240) 사이에는 이들을 전기적으로 연결하는 도선이 없고 단지 공기 중의 저항을 터널링 장벽, 즉, 퍼텐셜로 인식하여 터널링하는 것이다.

도 13은 실시 예 2에 따른 다른 형태의 3차원 전자 소자를 나타내는 것으로, 도 12에 개시된 3차원 전자소자인 단전자 트랜지스터 보다 능동적으로 동작을 수행할 수 있는 소자를 나타낸다. 구체적으로, 도 12에 개시된 단전자 트랜지스터는 양자점(1240)과 나노 구조물(1250) 간에는 일반적인 자연 산화막 정도를 이용하여 동작하는 개념이지만, 도 13에서는 게이트 전극 역할을 수행하는 나노 구조물(1250) 상에 절연막(1320)을 더 형성하여 소자를 제작한 것이다.

도 13을 참조하면, 본 실시 예에서의 3차원 전자소자는 기판 상에 갭(1230)을 사이에 두고 형성된 소스 전극(1210) 및 드레인 전극(1220)과, 기판 상에 공중 부양된 나노 구조물(1250)과, 나노 구조물(1250) 양단부 하부에 형성되어 나노 구조물(1250)을 지지하는 지지대(1310)와, 외부 회로와의 연결을 위해 나노 구조물(1250)의 양단부 상에 형성되는 한 쌍의 전극(1340)을 포함한다. 또한, 본 3차원 전자 소자는 나노 구조물(1250)을 둘러싸는 절연막(1320)과, 공중 부양된 나노 구조물(1250)의 진동부 영역에 형성된 양자점(1240)를 더 포함한다. 일례로 공중에 뜬 나노 구조물(1250)이 실리콘이라고 가정했을 때, 열처리를 통해 산화막 형성이 가능하다.

이와 같은 방법을 이용하여 게이트 역할을 수행하는 나노 구조물(1250)을 제작하면, 나노 구조물(1250)의 둘레에 절연막(1320)이 있는 형태가 되므로, 본 실시 예에 개시된 3차원 전자 소자를 외부 회로와 연결하기 위해서는 나노 구조물(1250)을 둘러싸고 있는 절연막(1320) 상부에 전극(1340)을 더 형성한다.

도 13의 구조는 도 12에서 개시한 단전자 트랜지스터의 동작뿐만 아니라, 스핀 소자에서도 충분히 활용 가능하다. 예를 들어, 소스 및 드레인 전극(1210, 1220)과 양자점(1240)이 자성을 가진 물질이라고 가정하였을 때, 양자점(1240)에 놓인 자성물질의 스핀은 게이트 전극 역할을 수행하는 나노 구조물(1250)을 이용하여 그들의 스핀 형태를 바꾸어 줄 수 있다. 즉, 나노 구조물(1250)에 교류 및 직류 전류를 흘려주면, 양자점(1240)에 놓인 자성 물질은 나노 구조물(1250)에 흘려주는 전류에 의해 발생되는 자기장에 의해 스핀 방향이 움직이게 되며, 이것은 소 스 전극(1210)으로부터 들어오는 전자의 자성과 서로 맞물리게 된다. 이로 인해 스핀 방향이 같을 경우에는 전도도의 값이 늘어나고, 스핀 방향이 다를 경우에는 전도도 값이 줄어들게 되는 스핀 소자로의 활용이 가능하다.

도 14a는 실시 예 2에 따른 다른 형태의 3차원 전자 소자를 나타내는 것으로, 도 12 및 도 13에서 제시한 공기 및 진공을 터널링 퍼텐셜로 인식하지 않고 분자 및 유기물 증착을 이용하는 것을 도시하고 있다. 도 14a를 참조하면, 소스 전극(1210), 드레인 전극(1220), 소스 전극(1210) 및 드레인 전극(1220) 사이에 형성된 갭(1230), 그 상부에 부양된 형태로 형성된 게이트 전극 역할을 수행하며 게이트 절연막(1320)으로 둘러싸인 나노 구조물(1250)을 포함한다. 나노 구조물(1250)은 절연막(1320)으로 둘러싸여 있으며, 절연막(1320)으로 둘러싸인 나노 구조물(1250)의 일영역에는 양자점(1240)이 형성되어 있다. 소스 전극(1210) 및 드레인 전극(1220) 사이에 형성된 갭(1230)의 상부와 양자점(1240) 사이에는 분자 및 유기물을 이용하여 형성된 유기물 절연막(1410)이 형성되어 있으며, 유기물 절연막(1410)은 증착 및 자기조립, 스핀 코팅 등의 방법을 통해 형성가능하다.

일반적으로 유전상수는 진공에서 보다 유기물 또는 다른 기타 무기물에서 값이 크기 때문에, 도 14a에 개시된 바와 같이, 양자점(1240)과 갭(1230) 사이에 유기물 또는 분자 게이트 절연막(1410)을 형성하면 게이트 효과를 높일 수 있다.

도 14b는 실시 예 2에 따른 다른 형태의 3차원 전자 소자를 나타내는 것으 로, 소스 전극(1210) 및 드레인 전극(1220) 사이에 형성된 갭(1230)의 적어도 일영역에 분자 및 유기물 또는 나노점 물질(1420)들을 부착하여 트랜지스터를 구동하는 형식을 보여준다. 즉, 도 14b에 따르면, 소스 전극(1210)을 통해 드레인 전극(1220)으로 전달되는 전하가 갭(1230)의 일영역에 마련된 분자 및 유기물 또는 나노점 물질(1420)을 통과함으로써 이들 분자 및 유기물 또는 나노점 물질(1420)의 에너지 준위와 만나게 될 때 이들의 에너지 준위를 나노구조물(1250)을 통하여 조절하여 트랜지스터 동작을 일으킬 수 있다. 즉, 전하가 통과하는 부분은 분자 및 유기물 또는 나노점 물질(1420)이며 이들의 전하량을 제어하는 부분은 나노구조물(1250)이다. 이때, 상부 양자점(1240)은 전기장의 크기를 키워 주어 효과적으로 에너지 준위를 제어하기 위하여 제거될 수 있으며 상부 양자점(1240)이 놓여진 상태에서도 에너지 준위를 제어할 수 있다. 이때 게이트 전극 역할을 수행하는 나노 구조물(1250) 상에 형성된 게이트 절연막(1320)은 무기물 절연막 또는 유기물 절연막 또는 공기 또는 진공이 모두 쓰여 질 수 있다.

도 15 및 도 16은 본 발명에 따른 나노 구조물을 포함하는 단전자 트랜지스터, 스핀소자 전계 효과 트랜지스터를 나타내는 도면으로, 도 15는 무기물을 이용하여 단전자 스핀소자 전계효과 트랜지스터 분자 소자의 절연막을 형성하는 것을 나타내고 있으며, 도 16은 단전자 트랜지스터, 스핀 소자, 전계 효과 트랜지스터 분자소자의 절연막으로 공기 및 진공을 이용하는 경우를 개시하고 있다.

도 15를 참조하면, 본 단전자 트랜지스터, 스핀소자, 전계 효과 트랜지스터 는 절연막(1320)으로 둘러싸여 있으며 게이트 전극 역할을 수행하는 나노 구조물(1250), 기판 상에 형성된 절연막(1510), 나노 구조물 하부에 나노 구조물과 동일한 형태로 형성된 게이트절연층(1520) 및 게이트절연층(1520)과 교차 형성된 소스/드레인 전극(1210, 1220)을 포함하는 구조로, 도 13에 개시된 구성요소를 포함하고 있으므로, 게이트절연층(1520)에 대한 설명을 제외하고 도 13의 설명을 참조한다. 도 15에 개시된 게이트절연층(1520)은 무기물을 이용하는 것으로, 기판 상에 형성된 절연막(1510)과 동일한 절연물질 또는 다른 물질을 이용할 수도 있다. 특히, 게이트 절연층(1520)은 기판 시료를 제작할 때 사전에 형성한 절연물질을 이용할 수 있다. 도 16 역시 도 13에 개시된 구성요소를 포함하고 있으므로, 게이트절연층(1610) 이외의 다른 구성요소에 대한 설명은 도 13을 참조한다. 도 16에서는 공기 및 진공 상태를 게이트절연층(1610)으로 사용한다.

도 17a는 공기 또는 진공 상태를 절연층으로 사용하는 전계효과 트랜지스터의 다른 실시 예를 나타내며, 도 17b는 도 17a에서 C영역을 확대한 도면이다. 도 17a 및 도 17b에는 도 16에 개시된 공기 또는 진공 상태를 게이트 절연층으로 사용하는 전계효과 트랜지스터에서 소스 전극(1720)과 드레인 전극(1730)과 교차하도록 형성된 게이트(1740)가 개시되어 있다. 게이트(1740)는 게이트 전극 역할을 수행하는 나노 구조물을 형성할 때 제조할 수 있으며, 다시 말해, 게이트(1740)의 높이를 공중 부양된 나노 구조물의 높이로 형성한다면, 나노 구조물을 둘러싸는 절연막(1750)에 의해 전기적인 단락 없이 트랜지스터를 구동할 수 있다. 이와 같은 구 조를 통해, 전도가 일어나는 트랜지스터 채널의 둘레를 모두 제어할 수 있는 게이트가 형성될 수 있다.

도 18은 스핀소자 전계효과 트랜지스터 분자 소자의 절연막을 무기물로 형성한 전계효과 트랜지스터의 실시 예를 나타내는 도면이다. 도 18을 참조하면, 본 실시 예에 따른 전계 효과 트랜지스터는 공중 부양된 나노 구조물의 하부에서 나노 구조물과 동일한 형태로 나노 구조물을 지지하는 게이트 절연막(1810)을 포함한다. 이와 같은 구조는 3차원 나노 구조물을 포함하는 전자 소자 구조에서의 약점이라 볼 수 있는 상부 채널이 중력과 장력의 불균형에 의해서 아래로 휘어지는 것을 막아주며, 이로 인한 electronic state의 변화를 방지할 수 있다.

도 19는 다수의 게이트를 포함하는 전기장을 이용한 단전자 트랜지스터를 나타내는 도면이고, 도 20은 도 19에 개시된 트랜지스터의 회로도를 나타내는 도면이다. 도 19에 개시된 게이트 전극(1910, 1920, 1930, 1940, 1950)을 이용하여 게이트 절연막에 둘러싸인 나노 구조물로 이루어진 소스-드레인 채널(1330)내의 전자 흐름을 제어할 수 있다. 예를 들어, 채널(1330)이 P-type의 채널이라고 가정했을 때, 게이트 전극(1910, 1930, 1950)에 양의 전압을 걸어주면 세 가지 전압에 의해 전류가 흐르지 않는다. 이 때 게이트 전극(1920, 1940) 아래 놓인 채널 부분은 양쪽이 고립되어있는 두 개의 양자점 역할을 하게 된다. 전술한 구조에 의해, 두 개의 양자점을 가진 단전자 트랜지스터가 형성될 수 있다. 또한 다수개의 게이트 전극을 형성하면, 형성된 게이트 전극의 개수만큼 많은 단전자 트랜지스터를 형성할 수 있다. 뿐만 아니라 다수의 전극 각각을 반도체 물질로 형성하는 경우에는 그들을 하나의 전계효과 트랜지스터 드레인 역할로 볼 수 있다. 이것은 전계효과 트랜지스터를 통해 단전자 트랜지스터를 만들어 줄 수 있음을 나타내는 것이다. 또한 반대로 단전자 트랜지스터 드레인 또는 소스 부분에 전계효과 트랜지스터를 형성함으로써 복합적인 형태의 소자를 제작할 수 있다. 도 20을 참조하면, 각각의 게이트(1910, 1920, 1930, 1940, 1950)와 채널(1330)사이에는 하나의 축전지(C1, C2, C3, C4, C5)가 마련되어 있으며, 채널의 양단부에는 전원과 접지가 각각 연결되어 있음을 알 수 있고 이들의 축전 전하량을 조절함으로써 전계효과 및 단전자 트랜지스터의 구동을 변화시킬 수 있다.

이상, 바람직한 실시 예에 따라 본 발명을 상세하게 기술하였으나, 상기한 실시 예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아니므로 본 발명은 상기 실시 예에 한정되지 않는다. 또한, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 나노 구조물을 포함하는 질량분석기의 부분 사시도이다.

도 2a는 기판 하부에 외부 진동자가 구비된 질량분석기의 측단면을 나타내는 도면이다.

도 2b는 기판 하부에 외부 진동자가 구비되지 않은 질량분석기의 측단면을 나타내는 도면이다.

도 3 내지 도 5는 각각 본 발명의 제1 실시 예에 따른 질량분석기를 이용하여 질량의 변화를 감지하기 위한 진동부의 진동 모드를 나타내는 도면이다.

도 6a는 본 발명에 따른 다수의 나노 구조물과 레이저 감지부를 포함하는 제2 실시 예에 따른 3차원 센서에 대한 개략도이고, 도 6b는 도 6a에 개시된 3차원 센서를 촬영한 주사전자현미경(SEM) 사진의 일영역이다.

도 7은 진동부의 길이가 각각 다른 다수의 나노 구조물을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 8a는 본 발명에 따른 나노 구조물을 이용한 분자 센서의 개략도이고, 도 8b는 도 8a의 A영역을 확대한 도면이다.

도 9는 각각 다른 길이의 진동부를 갖는 복수의 나노 구조물이 배열 상태도이다.

도 10은 도 9의 복수의 나노 구조물을 이용하여 가스 센서로 활용할 때의 장치 구조도이다.

도 11은 도 10의 B 영역을 확대한 도면이다.

도 12는 본 실시 예에 따른 나노 구조물을 이용하여 형성된 단전자 트랜지스터를 나타낸다.

도 13은 실시 예 2에 따른 다른 형태의 3차원 전자 소자를 나타내는 것으로, 도 12에 개시된 3차원 전자소자인 단원자 트랜지스터 보다 능동적으로 동작을 수행할 수 있는 소자를 나타낸다.

도 14a는 실시 예 2에 따른 다른 형태의 3차원 전자 소자를 나타내는 것으로, 도 12 및 도 13에서 제시한 공기 및 진공을 터널링 퍼텐셜로 인식하지 않고 분자 및 유기물 증착을 이용하는 것을 나타낸다.

도 14b는 실시 예 2에 따른 다른 형태의 3차원 전자 소자를 나타내는 것으로, 소스 전극 및 드레인 전극 사이에 형성된 갭의 적어도 일영역에 분자 및 유기물 또는 나노점 물질들을 부착하여 트랜지스터를 구동하는 형식을 보여준다.

도 15 및 도 16은 본 발명에 따른 나노 구조물을 포함하는 단전자 스핀소자 전계 효과 트랜지스터를 나타내는 도면이다.

도 17a는 공기 또는 진공 상태를 절연층으로 사용하는 전계효과 트랜지스터의 다른 실시 예를 나타내며, 도 17b는 도 17a에서 C영역을 확대한 도면이다.

도 18은 스핀소자 전계효과 트랜지스터 분자 소자의 절연막을 무기물로 형성한 전계효과 트랜지스터의 실시 예 나타내는 도면이다.

도 19는 다수의 게이트를 포함하는 전기장을 이용한 단전자 트랜지스터를 나타내는 도면이고, 도 20은 도 19에 개시된 트랜지스터의 회로도를 나타내는 도면이 다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

110: 나노 구조물 111:진동부

112: 지지부 120: 나노 구조물의 지지대

130: 절연막 140: 제어부

150: 감지부 210: 흡착 물질

220: 기판 230: 외부 진동부(PZT)

310a, 310b: 진폭 변위 410a, 410b: 진폭 변위

510a, 510b: 진폭 변위 610: 레이저

620: 레이저 감지부 630: 레이저 광원

710, 720, 730, 740, 750: 각각 다른 길이의 진동부를 갖는 나노 구조물

810a: 프로브 810b: 바이오 물질 프로브

1010: 바닥면 1020: 측면부

1030: 상부면 1040: 레이저

1050: 레이저 감지부 1060: 유체 유입구

1070: 유체 유출구 1110: 레이저 광원

1120: 흡착 물질 1130: 감지부

1210: 소스 전극 1220: 드레인 전극

1230: 갭 1240: 양자점(나노점_

1250: 나노 구조물(상부게이트) 1310: 지지대

1320: 게이트 절연막 1330: 소스-드레인 채널

1340: 전극 1410: 유기물 또는 분자 게이트 절연막

1420: 유기물 또는 금속 나노입자 또는 유기물 채널

1510: 절연막 1520: 게이트절연층

1610: 게이트 절연 물질이 공기 또는 진공 형태

1910, 1920, 1930, 1940, 1950: 게이트

Claims

기판 상부에 부양된 진동부와 상기 진동부의 길이 방향의 양단부를 지지하는 지지부를 구비하는 하나이상의 나노 구조물;

상기 나노 구조물의 지지부를 지지하기 위해 상기 기판 상에 형성되는 지지대;

상기 기판 상부 또는 하부 또는 상하부 양측에 형성되어 상기 나노 구조물을 제어하는 하나이상의 제어부; 및

상기 진동부 상에 형성되어 외부에서 유입되는 물질을 감지하는 감지부

를 포함하는 3차원 나노 소자.
제1항에 있어서,

상기 기판 하부에 형성되는 외부 진동부를 더 포함하는 3차원 나노 소자.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 제어부는 상기 나노 구조물의 진동부 상부 및 하부 중 적어도 하나에 상기 나노 구조물과 교차되도록 형성되어 상기 진동부의 진동을 유발하는 압전 물질 또는 금속 물질을 포함하는 3차원 나노 소자.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 제어부는 상기 기판 상부의 상기 진동부 하부에 상기 나노 구조물과 교차되도록 형성되어 상기 진동부의 진동을 유발하는 하나이상의 전극을 포함하는 3차원 나노 소자.
제1항에 있어서,

상기 진동부의 폭은 수 나노미터 내지 1마이크로미터 범위이고, 상기 진동부의 높이는 수 나노미터 내지 1마이크로미터 범위이며, 상기 진동부의 길이는 100나노미터 내지 100마이크로미터 범위인 3차원 나노 소자.
제1항에 있어서,

상기 진동부 및 상기 기판은 Si, Ge, Sn, Se, Te, B, C, P, B-C, B-P(BP6), B-Si, Si-C, Si-Ge, Si-Sn 및 Ge-Sn, SiC, BN/BP/BAs, AlN/AlP/AlAs/AlSb, GaN/GaP/GaAs/GaSb, InN/InP/InAs/InSb, BN/BP/BAs, AlN/AlP/AlAs/AlSb, GaN/GaP/GaAs/GaSb, InN/InP/InAs/InSb, ZnO/ZnS/ZnSe/ZnTe, CdS/CdSe/CdTe, HgS/HgSe/HgTe, BeS/BeSe/BeTe/MgS/MgSe, GeS, GeSe, GeTe, SnS, SnSe, SnTe, PbO, PbS, PbSe, PbTe, CuF, CuCl, CuBr, CuI, AgF, AgCl, AgBr, AgI, BeSiN₂, CaCN₂ZnGeP_2,CdSnAs₂, ZnSnSb₂, CuGeP₃, CuSi₂P₃, (Cu, Ag)(Al, Ga, In, Ti, Fe)(S, Se, Te)₂, SiO₂, Si₃N₄, Ge₃N₄, Al₂O₃, (Al, Ga, In)₂(S, Se, Te)₃, 및 Al₂CO 중 하나의 재료를 이용하거나 상기 재료 중 적어도 2개 이상을 조합한 조합물 중 하나의 재료를 이용하는 3차원 나노 소자.
제1항에 있어서,

상기 진동부의 길이가 같거나 다른 나노 구조물이 복수 개 설치되거나 상기 진동부의 길이 중 일부는 같고 일부는 다른 나노 구조물이 복수 개 설치되는 3차원 나노 소자.
제7항에 있어서,

상기 진동부는 상기 진동부의 길이에 따른 기본 진동수 및 비선형 진동수를 이용하는 3차원 나노 소자.
제8항에 있어서,

상기 감지부는 상기 기본 진동수의 최대 진폭 영역에 형성되며, 상기 최대 진폭 영역에는 물질의 흡착을 위한 프로브가 형성되는 3차원 나노 소자.
제9항에 있어서,

상기 감지부는 금속 또는 실리콘 또는 산화물로 이루어진 3차원 나노 소자.
제10항에 있어서,

상기 감지부 상에는 유기물 프로브가 더 형성되는 3차원 나노 소자.
제11항에 있어서,

상기 유기물 프로브는 티올(thiol)그룹, 아민 및 실란 그룹을 포함하는 그룹, 및 이들과 결합하는 DNA 및 항체를 포함하는 바이오 물질을 포함하며, 유입되는 물질과 화학적으로 결합하는 3차원 나노 소자.
제1항에 있어서,

상기 기판의 둘레를 따라 형성된 측면부와, 상기 측면부의 일영역에 형성된 유체 유입구, 상기 측면부의 다른 일영역에 형성된 유체 유출구 및 상기 측면부의 상부에 형성되는 상면부를 포함하는 3차원 나노 소자.
제13항에 있어서,

상기 나노 구조물의 진동부 영역으로 레이저 광원을 제공하는 레이저와, 상기 레이저로부터 제공된 상기 레이저 광원을 수광하는 레이저 감지부를 더 포함하는 3차원 나노 소자.
기판 상부에 부양된 진동부와 상기 진동부의 길이 방향의 양단부를 지지하는 지지부를 구비하는 하나이상의 나노 구조물;

상기 나노 구조물의 지지부를 지지하기 위해 상기 기판 상에 형성되는 지지대;

상기 나노 구조물의 진동부 하부에 상기 나노 구조물과 교차되도록 형성되는 하나 이상의 전극; 및

상기 진동부 상에 형성되어 외부에서 유입 및 흡착되는 물질을 감지하는 감지부

를 포함하는 3차원 나노 소자.
제15항에 있어서,

상기 나노 구조물은 게이트 전극 역할을 수행하는 3차원 나노 소자.
제16항에 있어서,

상기 전극은 소스 전극과 드레인 전극을 포함하며, 상기 소스 전극과 상기 드레인 전극 사이에는 갭이 형성되는 3차원 나노 소자.
제17항에 있어서,

상기 소스 전극과 드레인 전극 사이에 형성된 갭 상부 영역의 상기 나노 구조물에는 양자점이 형성되어 있는 3차원 나노 소자.
제17항에 있어서,

상기 소스 전극과 드레인 전극 사이에 형성된 갭 상부 영역의 상기 나노 구조물에는 양자점이 형성되어 있으며, 상기 소스 전극과 상기 드레인 전극이 자성물질인 3차원 나노 소자.
제17항에 있어서,

상기 기판 상부에 다수 개의 게이트가 형성되어 있는 3차원 나노 소자.