그래핀 위의 촉매 금속 구조 게이트를 이용한 AlGaN/GaN MIS HEMT 기반 가스 센서

Abstract

본 논문에서는 Pd/graphene과 Pt/graphene Gate AlGaN/GaN High electron mobility transistor(HEMT)를 이용한 높은 감도와 빠른 recovery를 지닌 가스 센서를 제작 및 측정하였다. 촉매 금속을 게이트로 사용한 HEMT 센서는 산화/환원성 가스에 대한 촉매 반응을 통해 양전하/음전하 이온이 게이트에 모여 dipole을 형성해 밑의 반도체 영역의 field에 capacitively 영향을 주어 전류가 증가/감소하게 된다. 가스의 반응성을 높이기 위한 방법은 여러 가지가 있는데 가장 주된 것은 가스와 반응하는 면적을 높이기 위해 나노 파티클, 나노 필름 등 높은 surface to volume ratio를 가지는 구조를 사용하는 것이다. 하지만 촉매 금속 게이트 HEMT를 제작함에 있어서 한계는 게이트로 동작하기에 적당한 전도성을 갖기 위해 일정 두께의 필름 형성이 요구되고, 이는 가스의 반응성을 높이기 위한 표면적 증가에 제한이 있는 점이다. 또한 수소와 달리 이산화질소의 경우 분해되어 생성된 산소 이온이 금속을 통과할 수 없어 금속의 grain 바운더리나, porous 구조에서의 금속 표면을 통해 diffusion하는데, 촉매 금속 필름 게이트의 경우 이러한 바운더리를 통해 금속 면의 바닥에 도달하여 2DEG의 전하밀도에 영향을 줄 수가 없어 가스 반응성이 떨어지는 결과를 만든다. 이를 해결하기 위한 방법으로 본 연구에서는 그래핀을 이용하였다. 그래핀은 높은 전도성을 가지며 원자 한층의 두께로 높은 표면적을 가지는 특성이 있다. 그래핀을 게이트로 사용하면 위에 가스 검지 물질의 구조의 제한이 사라져 촉매 금속 나노 파티클이나 나노 아일랜드를 올려 높은 금속 표면적을 통해 이산화질소에 대한 반응성을 높일 수 있다. 본 연구에서는 그래핀 위에 e-beam evaporator를 이용한 촉매 금속 나노 아일랜드를 올려 높은 반응성의 Pt/graphene, Pd/graphene Gate의 MIS HEMT를 제작하였다. 또한 환원성 가스인 이산화질소 가스 센서의 경우 촉매 금속을 사용한 경우, recovery(%) 특성이 좋지 않은 특성 있었다. 이는 이산화질소의 분해는 상온에서 일어나지만 분해된 산소의 이온이 180도 이상의 고온에서 탈착되는 특성으로 인한 결과이다. 이를 해결하기 위해 연구들에서는 200도 이상의 높은 동작 온도를 요구했는데, 본 연구에서는 그래핀을 사용함으로 빛으로 생성되는 전자 홀 페어로 인해 촉매 반응으로 형성된 산소 이온과 홀이 결합하여 밖으로 빠져나가 짧은 recovery 시간을 가지는 특성을 실험적으로 확인하였다.