Pt/graphene/SiO2 다중 게이트 구조의 AlGaN/GaN HEMT 기반 고감도 수소센서

Abstract

본 논문에서는 Pt/graphene/SiO2 다중 게이트 구조의 High Electron Mobility Transistor(HEMT)를 이용하여 낮은 수소농도 검출 및 높은 감도를 갖는 수소 센서를 제작 및 분석하였다. 기존의 트랜지스터 기반 수소센서에서는 Pt를 게이트 물질로 이용하였으며, Pt는 상온에서 수소 분자를 수소 이온으로 분해하는 촉매역할과 게이트 전극의 역할을 하였다. Pt에 의해 분해된 수소 이온은 Pt를 확산하여 Pt/반도체 계면으로 이동하며, Pt/반도체 계면에서 수소 이온은 게이트에 양의 바이어스를 가하는 역할을 하여 문턱전압의 변화를 발생시킨다. 수소 이온은 Pt 내부를 확산해야 하기 때문에 Pt의 두께가 얇을수록 확산할 수 있는 수소 이온의 양이 증가하지만, Pt를 게이트 전극으로 이용하는 경우 매우 얇은 Pt층은 연속적인 필름 형태로 증착되지 않아 게이트 전극으로 이용하기 어렵다는 문제가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 논문에서는 Pt/graphene/SiO2 다중 게이트 구조를 이용하였다. 1nm 두께의 Pt는 수소 이온의 짧은 확산거리를 제공하여 많은 수소 이온이 Pt내부를 확산할 수 있으며, 탄소원자 하나 두께인 graphene은 얇은 두께로 인해 가스에 의한 반응을 크게 감쇠시키지 않으며, graphene의 높은 전도도를 이용해 게이트 전극으로 이용하였다. 또한, SiO2는 많은 수소 이온의 trapping site를 제공함과 동시에, graphene과 AlGaN의 낮은 에너지 장벽으로 인한 게이트 누설전류를 감소시키는 역할을 한다. 본 논문에서는 Pt/graphene/SiO2 다중 게이트 HEMT 소자를 이용하여 1ppm~40,000ppm(0.0001%~4%)농도의 수소에 대한 반응성을 확인하였으며, 기존에 제시되었던 다양한 수소센서에 비해 낮은 수소농도 검출이 가능하며 높은 감도를 갖는 것을 확인하였다.