KR102559405B1

KR102559405B1 - 수소 센서 및 이의 제조 방법

Info

Publication number: KR102559405B1
Application number: KR1020200172297A
Authority: KR
Inventors: 허준석; 안정호
Original assignee: 아주대학교산학협력단
Priority date: 2020-12-10
Filing date: 2020-12-10
Publication date: 2023-07-25
Also published as: KR20220082410A

Abstract

본 개시의 기술적 사상에 의한 일 양태에 따르면, 기판과, 기판 상에 형성되는 제1 및 제2 전극, 제1 및 제2 전극 사이에서 제1 및 제2 전극과 이격되어 형성되는 그래핀층, 그래핀층 상에서 서로 이격되어 형성되는 복수의 백금 구조물들, 및 그래핀층과 전기적으로 연결되는 제3 전극을 포함하는, 수소 센서가 개시된다.

Description

수소 센서 및 이의 제조 방법{HYDROGEN SENSOR AND METHOD FOR FABRICATING THEREOF}

본 개시(disclosure)의 기술적 사상은 수소 센서 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 저전력 및 소형으로 저농도의 수소 가스를 고감도로 감지할 수 있는 수소 센서 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

최근 수소는 우주 항공 분야, 수소 자동차, 및 연료 전지 등 미래 재생 에너지의 하나로 활발히 개발 및 적용되고 있으며, 이에 따라 수소 누출에 따른 폭발 등의 위험성을 차단하기 위해 소형, 경량, 저전력, 및 고감도의 수소 센서 개발이 요구되고 있다.

일반적으로 화학 반응을 통해 수소 가스를 감지하는 금속 산화물을 이용한 반도체 센서가 이용되고 있으나, 화학 반응을 위해 별도의 가열 장비가 필요하여 센서의 부피 및 무게가 크며, 검출 대상인 수소 가스 외의 다른 가스들과도 반응함에 따라 검출 대상에 대한 선택비도 낮다는 문제점이 있다.

한편, 수소 센서의 상온 동작을 위해 백금 물질을 게이트 전극으로 이용한 트랜지스터 수소 센서가 연구되고 있다. 그러나, 백금 물질로 이루어진 게이트 전극을 형성함에 있어서, 게이트 전극으로 동작하기 위해 일정 두께 이상이어야 하는 요구 조건과 수소 이온의 확산을 위해 얇은 두께를 가져야 요구 조건 등이 상충하여 양 특성을 만족시킬 수 있는 고감도의 수소 센서를 제조하기 어려운 문제가 있다.

본 개시의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는, 저전력 및 소형으로 저농도의 수소 가스를 고감도로 감지할 수 있는 수소 센서 및 이의 제조 방법을 구현하는데 있다.

본 개시의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제는 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 개시의 기술적 사상에 의한 일 양태에 따르면, 기판; 상기 기판 상에 형성되는 제1 및 제2 전극; 상기 제1 및 제2 전극 사이에서 상기 제1 및 제2 전극과 이격되어 형성되는 그래핀층; 상기 그래핀층 상에서 서로 이격되어 형성되는 복수의 백금 구조물들; 및 상기 그래핀층과 전기적으로 연결되는 제3 전극;을 포함하는, 수소 센서가 개시된다.

예시적인 실시예에 따르면, 상기 그래핀층은, 탄소 원자들이 육각형의 격자가 아닌 구조로 배열되는 복수의 불규칙 영역들을 포함할 수 있다.

예시적인 실시예에 따르면, 상기 복수의 불규칙 영역들은, 상기 그래핀층의 탄소 원자의 육각형 격자의 격자 주기보다 큰 거리를 주기로 형성될 수 있다.

예시적인 실시예에 따르면, 상기 복수의 백금 구조물들은, 상기 복수의 불규칙 영역들 상에 형성될 수 있다.

예시적인 실시예에 따르면, 상기 복수의 백금 구조물들은, 상기 그래핀층의 상면과 접할 수 있다.

예시적인 실시예에 따르면, 상기 복수의 백금 구조물들은, 1nm 내지 10nm의 두께를 가질 수 있다.

예시적인 실시예에 따르면, 상기 제3 전극은, 상기 제1 및 제2 전극 사이에 배치되지 않을 수 있다.

본 개시의 기술적 사상에 의한 다른 양태에 따르면, 기판; 상기 기판 상에 형성되는 제1 및 제2 전극; 상기 제1 및 제2 전극 사이에서 상기 제1 및 제2 전극과 이격되어 형성되고, 탄소 원자들이 육각형 격자가 아닌 구조로 배열되는 복수의 불규칙 영역들을 포함하는 그래핀층; 상기 그래핀층의 복수의 불규칙 영역들 상에서 서로 이격되어 각각 형성되는 복수의 금속 구조물들; 및 상기 그래핀층과 연결되는 제3 전극;을 포함할 수 있다.

예시적인 실시예에 따르면, 상기 복수의 금속 구조물들은, 백금을 포함할 수 있다.

예시적인 실시예에 따르면, 상기 복수의 금속 구조물들은, 1nm 내지 10nm의 두께를 가질 수 있다.

본 개시의 기술적 사상에 의한 또 다른 양태에 따르면, 기판 상의 게이트 절연층 상에 그래핀층을 형성하는 단계; 상기 그래핀층이 상기 기판 상의 소스 전극 및 드레인 전극 사이에서 상기 소스 전극 및 드레인 전극과 이격되는 게이트 영역에만 잔존하도록 상기 그래핀층을 식각하는 단계; 및 상기 그래핀층 상에 백금 물질을 증착시켜 상기 그래핀층 상에 서로 이격된 복수의 백금 구조물들을 형성하는 단계;를 포함하는, 수소 센서의 제조 방법이 개시된다.

예시적인 실시예에 따르면, 상기 그래핀층을 식각하는 단계와 상기 복수의 백금 구조물들을 형성하는 단계 사이에, 상기 그래핀층에 탄소 원자들이 육각형 격자가 아닌 구조로 배열되는 복수의 불규칙 영역들을 형성하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

예시적인 실시예에 따르면, 상기 복수의 불규칙 영역들을 형성하는 단계는, 산소 가스를 포함하는 플라즈마를 이용하여 상기 그래핀층에 상기 복수의 불규칙 영역들을 형성할 수 있다.

예시적인 실시예에 따르면, 상기 복수의 불규칙 영역들을 형성하는 단계는, 상기 그래핀층을 식각하는 단계에서 이용된 산소 가스의 제1 농도보다 낮은 제2 농도의 산소 가스를 포함하는 플라즈마를 이용할 수 있다.

예시적인 실시예에 따르면, 상기 복수의 백금 구조물들을 형성하는 단계는, 상기 복수의 불규칙 영역들 상에 상기 복수의 백금 구조물들을 형성할 수 있다.

예시적인 실시예에 따르면, 상기 복수의 백금 구조물들을 형성하는 단계는, 상기 복수의 백금 구조물들을 1nm 내지 10nm의 두께를 갖도록 형성할 수 있다.

본 개시의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따르면, 저전력 및 소형으로 저농도의 수소 가스를 고감도로 감지할 수 있는 수소 센서 및 이의 제조 방법을 구현할 수 있다.

본 개시의 기술적 사상에 의한 실시예들이 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 개시에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 본 개시의 기술적 사상에 의한 수소 센서를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 개시의 기술적 사상에 의한 수소 센서의 일 실시예를 나타내는 평면도이다.
도 3은 본 개시의 기술적 사상에 의한 수소 센서와 일반적인 수소 센서의 수소 농도에 따른 감도를 비교하는 그래프이다.
도 4a 및 도 4b는 본 개시의 기술적 사상에 의한 수소 센서의 민감도를 설명하기 위한 그래프이다.
도 5a는 본 개시의 기술적 사상에 의한 수소 센서의 다른 실시예를 나타내는 평면도이다.
도 5b는 도 5a의 M 부분을 확대한 확대도이다.
도 5c는 도 5a의 A-A 선에서 바라본 수소 센서를 나타내는 단면도이다.
도 6은 본 개시의 기술적 사상에 의한 수소 센서의 제조 방법의 일 실시예를 설명하기 위한 플로 차트이다.
도 7은 본 개시의 기술적 사상에 의한 수소 센서의 제조 방법의 일 실시예를 설명하기 위한 플로 차트이다.

본 개시의 기술적 사상에 따른 예시적인 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 개시의 기술적 사상을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것으로, 아래의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 개시의 기술적 사상의 범위가 아래의 실시예들로 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하며 당업자에게 본 개시의 기술적 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.

본 개시에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 영역, 층들, 부위 및/또는 구성 요소들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들, 부위 및/또는 구성 요소들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안 됨은 자명하다. 이들 용어는 특정 순서나 상하, 또는 우열을 의미하지 않으며, 하나의 부재, 영역, 부위, 또는 구성 요소를 다른 부재, 영역, 부위 또는 구성 요소와 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1 부재, 영역, 부위 또는 구성 요소는 본 개시의 기술적 사상의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2 부재, 영역, 부위 또는 구성 요소를 지칭할 수 있다. 예를 들면, 본 개시의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.

달리 정의되지 않는 한, 여기에 사용되는 모든 용어들은 기술 용어와 과학 용어를 포함하여 본 개시의 개념이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 공통적으로 이해하고 있는 바와 동일한 의미를 지닌다. 또한, 통상적으로 사용되는, 사전에 정의된 바와 같은 용어들은 관련되는 기술의 맥락에서 이들이 의미하는 바와 일관되는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 여기에 명시적으로 정의하지 않는 한 과도하게 형식적인 의미로 해석되어서는 아니 될 것이다.

어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정한 공정 순서는 설명되는 순서와 다르게 수행될 수도 있다. 예를 들면, 연속하여 설명되는 두 공정이 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 설명되는 순서와 반대의 순서로 수행될 수도 있다.

첨부한 도면에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 개시의 기술적 사상에 의한 실시예들은 본 개시에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니되며, 예를 들면, 제조 과정에서 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다. 도면 상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고, 이들에 대한 중복된 설명은 생략한다.

여기에서 사용된 '및/또는' 용어는 언급된 부재들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 개시의 기술적 사상에 의한 실시예들에 대해 더 상세히 설명한다.

도 1은 본 개시의 기술적 사상에 의한 수소 센서를 개략적으로 나타내는 사시도이다. 도 2는 본 개시의 기술적 사상에 의한 수소 센서의 일 실시예를 나타내는 평면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 수소 센서(100)는, 기판(101), 반도체층(103), 게이트 절연층(105), 그래핀층(107), 복수의 아일랜드형 구조물들(109), 제1 및 제2 전극(111a, 111b), 및 제3 전극(113, 이하 게이트 전극이라 칭함)을 포함할 수 있다.

본 개시의 수소 센서(100)는 기존의 게이트 전극과는 달리 채널을 형성하는 영역과 배선이 연결되는 영역이 분리되는 구조를 가지며, 각 영역에서의 기능을 향상시키는 동시에 양 영역을 유기적으로 연결하는 물질 및 구조를 가진다. 다시 말해, 채널을 형성하는 영역은, 높은 전기 전도도를 가지는 그래핀층(107) 및 수소 가스(H2)의 분해를 촉발하는 물질로 백금(Pt) 등으로 이루어진 복수의 아일랜드형 구조물들(109)이 얕게 형성되므로, 낮은 농도의 수소 가스(H2)를 높은 감도로 감지할 수 있다. 이와 동시에, 배선이 연결되는 영역은, 소정의 두께 이상의 게이트 전극(113)이 형성되므로, 안정적인 전기적 연결을 보장할 수 있는 구조를 가질 수 있다. 이하에서 각 구조를 상세히 설명하도록 한다.

기판(101)은 다양한 재질이 사용될 수 있으며, 예를 들어 반도체 기판 또는 플라스틱 기판 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

반도체층(103)은, 기판(101) 상에서 형성되며, 복수의 반도체층들로 이루어지거나 서로 다른 도전성을 갖는 복수의 영역들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 반도체층(103)은 GaN 층 및 AlGaN 층이 차례로 적층된 구조일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

반도체층(103)은, 게이트 절연층(105)을 사이에 두고 상부에 배치되는 그래핀층(107) 및 복수의 아일랜드형 구조물들(109)의 수소 반응에 의해 제1 및 제2 전극(111a, 111b) 사이에 채널을 형성하게 된다.

게이트 절연층(105)은 기판(101) 및 반도체층(103)을 가로질러 형성될 수 있으며, 전술한 반도체층(103)과 후술하는 그래핀층(107), 복수의 아일랜드형 구조물들(109)과의 절연을 위해 형성된다. 게이트 절연층(105)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

그래핀층(107)은, 게이트 절연층(105) 상에 형성되며 탄소 원자 하나부터 수 원자층 수준의 얇은 두께 범위를 가질 수 있다. 그래핀층(107)이 얇은 두께를 가짐에 따라, 그래핀 특유의 높은 전기 전도도를 가질 수 있다. 도 1에서는 그래핀층(107)이 하나의 원자층만으로 이루어진 것으로 예시되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 복수의 층으로 이루어질 수 있다.

그래핀층(107)은 TRT(Thermal Release Tape) 필름 등을 이용하여 전사될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 그래핀층(107)은 화학적 증착법(chemical vapor deposition, CVD), 에피택셜 성장(epitaxial growth)과 같은 다양한 공정들을 통해 형성될 수 있다.

복수의 아일랜드형 구조물들(109)은 수소 분해 촉매 물질, 예를 들어 백금(Pt)으로 이루어지며, 그래핀층(107) 상에 서로 이격되어 수 나노(nm)의 너비 및 두께로 형성된다. 백금은 상온에서 수소 가스(H2)를 분해하여 수소 이온(H+)을 형성하므로, 수소 센서(100)가 상온에서 동작 가능하게 한다. 구체적으로, 분해된 수소 이온(H+)은 그래핀층(107)과 게이트 절연층(105)의 계면으로 이동하여 게이트 전극(113) 측에 바이어스를 가해 문턱 전압의 변화를 발생시켜 수소 센서(100)를 구동시킬 수 있다. 한편, 복수의 아일랜드형 구조물들(109)은 서로 분리된 구조체들로써, 층 구조 또는 필름형 구조에 비해 넓은 표면적을 가져 낮은 농도의 수소 가스(H2)에 노출되더라도 고감도의 수소 검출을 가능하게 한다. 또한, 복수의 아일랜드형 구조물들(109)은 대략 1nm 내지 10nm의 얇은 두께로 형성되어 수소 이온(H+)의 짧은 확산 거리를 제공함으로써 낮은 농도의 수소 이온(H+)만으로도 문턱 전압의 변화를 야기해 고감도의 수소 감지를 가능하게 한다.

복수의 아일랜드형 구조물들(109)은 백금을 증착 물질로 하여 물리적 또는 화학적 증착법을 이용하여 그래핀층(107) 상에 형성될 수 있다. 구체적으로, 스퍼터링법(Sputtering), 열증착법(Thermal evaporation), 전자빔 증착법(E-beam evaporation), 전기 도금법, 금속 수용액을 샘플 표면에 뿌리는 형식 등이 이용될 수 있다.

이 때, 그래핀층(107) 상에서 결정핵 생성 과정을 통해 분산된 아일랜드형의 구조물 형태로 증착될 수 있다. 그래핀층(107)에 탄소 원자들이 육각형의 격자가 아닌 구조로 배열된 불규칙 영역들이 포함되는 경우, 그러한 불규칙 영역들에서 백금 물질의 결정핵 생성이 가속화될 수 있다.

구현예에 따라서, 그래핀층(107)은 복수의 불규칙 영역들을 유발시키는 공정을 통해 생성되는 복수의 불규칙 영역들을 포함할 수 있고, 이러한 복수의 불규칙 영역들 상에 각각 아일랜드형의 구조물들(109)이 형성되는 구조를 가질 수 있다. 이에 대해서는 도 5a 내지 도 5c를 참조하여 상세히 설명하도록 한다.

제1 및 제2 전극(111a, 111b)은 반도체층(103) 양 측에 각각 형성되며, 각각 드레인 전극 및 소스 전극, 또는 각각 소스 전극 및 드레인 전극이 될 수 있다. 제1 및 제2 전극(111a, 111b)은 그래핀, CNTs 또는 Ag, Au, Pt, Cu 등과 같은 금속을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

게이트 전극(113)은 제1 및 제2 전극(111a, 111b) 사이가 아닌 영역의 게이트 절연층(105) 상에 배치되어, 외부 배선과 전기적으로 연결된다. 게이트 전극(113)은 제1 및 제2 전극(111a, 111b) 사이의 채널 영역이 아닌 영역에서 소정의 두께 이상으로 형성되므로 배선과의 연결성을 높이는 동시에, 채널 영역에 형성된 얇은 두께의 그래핀층(107)과 전기적으로 안정적으로 연결되므로 수소 센서(100)의 고감도 반응에 기여할 수 있다.

게이트 전극(113)은 백금으로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 도전성 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 게이트 전극(113)은 Ag, Au, Pt, Cu 등과 같은 금속을 포함할 수 있다.

도 3은 본 개시의 기술적 사상에 의한 수소 센서(100)와 일반적인 수소 센서의 수소 농도 (H2 Concentration, ppm)에 따른 감도 (Sensitivity, S)를 비교하는 그래프이다.

도 1 내지 도 3을 함께 참조하면, 제1 및 제2 전극(111a, 111b) 사이의 게이트 영역에서, 본 개시에 따른 그래핀층(107) 및 백금으로 이루어진 복수의 아일랜드형 구조물들(109)로 구성된 구조(Pt/Gr)가 수소 검출에 이용되는 경우, 20nm 두께의 백금 게이트 전극(20nm Pt)과 10nm 두께의 백금 게이트 전극(10nm Pt)이 이용되는 일반적인 경우에 비해 수소 가스의 전체 농도 범위에 걸쳐 현저하게 감도가 높은 것을 확인할 수 있다.

구체적으로, 수소 농도(H2) 1ppm인 경우, 10nm 두께의 백금 게이트 전극(10nm Pt)이 이용되는 수소 센서가 약 1의 감도를 가지는 반면, 본 개시에 따른 수소 센서(100)는 약 10 이상의 감도를 가져 그 감도가 10배 이상 향상된다. 또한, 100ppm 이상 농도의 수소 가스에 대해서, 본 개시의 수소 센서(100)는 10nm 두께의 백금 게이트 전극(10nm Pt)을 이용하는 수소 센서에 비해 작게는 약 100배 크게는 약 100,000배 이상의 감도 향상을 나타낸다. 즉, 제1 및 제2 전극(111a, 111b) 사이의 게이트 영역에서, 일반적으로 알려진 게이트 전극의 구조를 이용하는 경우, 백금으로 이루어진 게이트 전극이 이용되더라도 게이트 전극과 게이트 절연층의 계면으로 이동할 수 있는 수소 이온이 감소하므로, 본 개시와 비교해 수소 가스의 검출 감도에 있어서 현저한 차이가 발생하는 것이 확인된다.

도 4a 및 도 4b는, 본 개시의 기술적 사상에 의한 수소 센서(100)의 민감도를 설명하기 위한 그래프이다.

도 4a 및 도 4b를 참조하면, 본 개시의 수소 센서(100)는 1ppm, 5ppm, 20ppm가량의 수 ppm 내지 수십 ppm의 수소 가스의 낮은 농도로의 노출에 대해서도, 문턱 전압 변화에 따른 수소 가스 감지가 가능하다. 또한, 수소 센서(100)는, 수소 가스가 아닌 다른 가스에 대해서는 매우 낮은 반응성을 보여 수소 가스에 대한 높은 선택비를 가진다. 즉, 수소 센서(100)가 암모니아 가스(NH3), 황화수소 가스(H2S), 일산화탄소 가스(CO) 등의 다른 가스에 약 100 ppm의 농도로 노출된 경우, 수소 가스(H2)가 약 100ppm의 농도에 노출된 경우에 비해 약 1/00 또는 그 이하의 감도를 가짐으로써, 검출 대상이 아닌 가스에 의해 오작동하는 문제가 현저히 감소한다.

도 5a는 본 개시의 기술적 사상에 의한 수소 센서의 다른 실시예를 나타내는 평면도이다. 도 5b는 도 5a의 M 부분을 확대한 확대도이다. 도 5c는 도 5a의 A-A 선에서 바라본 수소 센서를 나타내는 단면도이다.

도 5a의 수소 센서(200)는 도 2의 수소 센서(100)와 유사하나, 그래핀층(207)에 탄소 원자들이 육각형의 격자가 아닌 구조로 배열되는 복수의 불규칙 영역들의 적어도 일부가 주기적으로 배열되는 점에서 차이가 있다. 도 1 및 도 2에서와 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 의미하며, 중복되는 설명은 생략하도록 한다.

도 1, 도 5a 내지 도 5c를 참조하면, 그래핀층(207)은 탄소 원자들이 육각형의 격자로 규칙적으로 평면 배열되는 기본 구조를 가지는 동시에, 육각형의 격자 중 일부 영역의 탄소가 소실되거나 추가되는 등의 불규칙 영역(IR)을 포함할 수 있다. 이와 같은 불규칙 영역(IR)은, 그래핀층(207) 상에 백금 물질이 증착될 때 백금의 결정핵 생성을 유도하는 증착 시발점이 될 수 있다. 이에 따라, 백금으로 이루어진 복수의 아일랜드형의 구조물들(209)은 그래핀층(207)의 불규칙 영역(IR)들 상에 각각 형성될 수 있다.

일부 실시예에서, 그래핀층(207)을 형성하는 공정 또는 후속 공정에서 그래핀층(207)에 복수의 불규칙 영역(IR)들을 인위적으로 유발시킨다. 이러한 공정에 따라 제조된 그래핀층(207)은 주기적으로 배열되는 불규칙 영역(IR)들을 복수개 포함할 수 있으며, 이에 따라 수소 센서(200)는 백금으로 이루어진 아일랜드형의 구조물들(209)이 높은 밀도로 형성된 구조를 가진다. 이 때, 복수의 불규칙 영역(IR)들은, 그래핀층(207)의 탄소 원자의 육각형 격자의 격자 주기(D1)보다 큰 거리를 주기(D2)로 형성될 수 있다. 이에 따라, 그래핀층(207)의 규칙적인 구조, 즉 육각형의 격자 구조로 인해 높은 전기 전도도 등의 특성이 유지될 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니며, 복수의 불규칙 영역(IR)들은 적어도 일부만이 주기성을 갖거나, 전부가 주기적으로 배열되지 않을 수도 있다.

한편, 그래핀층(207)의 불규칙 영역(IR)들은 탄소 원자들이 육각형의 격자로 규칙적으로 평면 배열되는 구조에 어긋나는 모든 형태일 수 있다. 도 5a 내지 도 5c에서 예시한 바와 같이, 육각형의 격자 중 하나의 탄소 원자가 소실되는 형태일 수 있으나, 이에 한정되지 않으며, 육각형의 격자 구조를 갖지 않는 모든 형태를 포함할 수 있다. 예를 들어, 불규칙 영역(IR)들은 복수의 연속된 탄소 원자들이 소실되는 형태이거나, 탄소 원자가 추가되어 육각형의 격자가 평면적 또는 수직적으로 변형되는 형태를 포함할 수 있다. 또한, 탄소 원자의 배열이 회전되는 형태를 포함할 수 있다.

전술한 바와 같이, 그래핀층(207)의 두께(H207) 및 복수의 아일랜드형 구조물들(209) 각각의 두께(H209)는, 대략 수 나노 내지 수십 나노의 두께를 가질 수 있다. 그리고, 그래핀층(207)의 두께(H207) 및 복수의 아일랜드형 구조물들(209)의 두께(H209)는, 게이트 전극(113)의 두께(H113)보다 얇게 형성된다. 이에 따라, 수소 센서(200)가 낮은 농도의 수소 가스(H2)에 노출되더라도 짧은 확산 거리를 이용해 수소 이온(H+)이 내부로 확산됨으로써 높은 반응도를 나타낼 수 있다.

도 6은 본 개시의 기술적 사상에 의한 수소 센서(100)의 제조 방법의 일 실시예를 설명하기 위한 플로 차트이다. 도 6을 설명함에 있어서, 도 1 및 도 2를 함께 참조하여 설명하되, 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 의미하므로, 중복되는 설명은 생략하도록 한다.

도 1, 도 2 및 도 6을 참조하면, 먼저, 기판(101) 상에 반도체층(103), 반도체층(103) 중 채널을 형성할 영역에 게이트 절연층(105)을 형성한다. 게이트 영역의 양 측에는 각각 제1 및 제2 전극(111a, 111b)을 형성한다.

이어서, 게이트 절연층(105) 상에 그래핀층(107)을 형성한다(S101).

그래핀층(107)은 TRT(Thermal Release Tape) 필름 등을 이용하여 전사될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 그래핀층(107)은 화학적 증착법(chemical vapor deposition, CVD), 에피택셜 성장(epitaxial growth)과 같은 다양한 방법을 통해 형성될 수 있다.

그래핀층(107)이 제1 및 제2 전극(111a, 111b) 사이에서 제1 및 제2 전극(111a, 111b)과 이격되는 게이트 영역에만 잔존하도록 포토 리소그래피 공정 및 산소 가스 플라즈마 처리를 통해 그래핀층(107)을 식각한다(S103).

그래핀층(107)을 형성한 후, 제1 및 제2 전극(111a, 111b) 사이의 게이트 영역에서 그래핀층(107)의 상면만을 노출시키는 포토 레지스트층을 형성한다(S105).

노출된 그래핀층(107) 상에 백금 물질을 증착시켜 서로 이격된 아일랜드형의 복수의 구조물들(109)을 형성할 수 있다(S107). 이 때, 복수의 아일랜드형 구조물들(109)은 수 나노 이상의 두께, 예를 들어 1nm 내지 10nm의 두께로 형성될 수 있다.

복수의 아일랜드형 구조물들(109)은 백금을 증착 물질로 하는 물리적 또는 화학적 증착법을 이용하여 그래핀층(109) 상에 형성될 수 있다. 구체적으로, 스퍼터링법(Sputtering), 열증착법(Thermal evaporation), 전자빔 증착법(E-beam evaporation), 전기 도금법, 금속 수용액을 샘플 표면에 뿌리는 형식 등이 이용될 수 있다.

이 때, 백금은 그래핀층(107) 상에서 결정핵 생성 과정을 통해 분산된 아일랜드형의 구조물 형태로 증착될 수 있다. 그래핀층(107)의 형성, 그래핀층(107)의 식각 공정 등을 거치면서 탄소 원자들이 육각형의 격자가 아닌 구조로 배열된 불규칙 영역들(예를 들어, 결함 영역들)이 그래핀층(107)에 포함되는 경우, 그러한 불규칙 영역들에서 백금 물질의 결정핵 생성이 가속화될 수 있다.

이후, 포토 레지스트층을 리프트 오프하고, 게이트 전극(113)을 형성하여 수소 센서(100)를 제조할 수 있다(S109).

도 7은 본 개시의 기술적 사상에 의한 수소 센서(200)의 제조 방법의 일 실시예를 설명하기 위한 플로 차트이다. 도 7을 설명함에 있어서, 도 1, 도 5a 내지 도 5c를 함께 참조하여 설명하되, 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 의미하므로, 중복되는 설명은 생략하도록 한다.

도 7의 수소 센서(200)의 제조 방법(F200)은 도 6의 수소 센서(100)의 제조 방법(F100)과 유사하나, 그래핀층(207)의 탄소 원자들이 육각형의 격자가 아닌 구조로 배열되는 복수의 불규칙 영역들(IR)을 유발시키는 공정을 더 포함하는 점에서 차이가 있다.

도 1, 도 5a 내지 도 5c, 및 도 7을 참조하면, 기판(101), 반도체층(103), 게이트 절연층(105), 및 그래핀층(207)을 형성하고, 게이트 절연층(105) 상에만 그래핀층(207)이 잔존하도록 식각을 수행한다(S201, S203).

그래핀층(207)의 상면만을 노출시키는 포토 레지스트층을 형성하고(S205), 노출된 그래핀층(207)의 상면에 복수의 불규칙 영역들(IR)을 형성한다(S207).

예를 들어, 소정의 산소 농도를 갖는 플라즈마를 이용하여 그래핀층(207)의 상면에 대해 표면 처리를 수행할 수 있고, 이에 따라 그래핀층(207)에는 탄소 원자의 육각형의 격자 구조가 아닌 복수의 불규칙 영역들(IR)이 형성될 수 있다. 한편, 단계 S203의 그래핀층(207)의 식각 시 제1 산소 농도를 갖는 플라즈마 식각 공정이 이용된 경우, 단계 S207에서는 제1 산소 농도보다 낮은 제2 산소 농도를 갖는 플라즈마가 이용될 수 있다.

한편, 불규칙 영역들(IR)을 형성하는 공정은, 단계 S207과 같이 별도의 플라즈마 처리의 공정 수행을 통해서만 구현되는 것은 아니다. 실시예에 따라서, 불규칙 영역들(IR)은 단계 S201, S203의 그래핀층(207)의 형성, 식각 공정, 단계 S205의 포토 레지스트층의 형성 공정에서 챔버 내의 압력, 온도, 투입 물질 농도, 플라즈마 가스 농도, 전계 크기 등 적어도 하나의 조건을 조절함으로써 형성될 수도 있다.

이어서, 그래핀층(207) 상에 백금 물질(Pt)을 증착시켜 복수의 불규칙 영역들(IR) 상에 아일랜드형의 복수의 구조물들(209)을 형성할 수 있다(S209). 앞서 도 6을 참조하여 설명한 바와 같이, 그래핀층(207)에 탄소 원자들이 육각형의 격자가 아닌 구조로 배열되는 불규칙 영역들(IR)이 포함됨에 따라, 그러한 불규칙 영역(IR)에서 백금 물질(Pt)의 결정핵 생성이 가속화될 수 있다.

이후, 포토 레지스트층을 리프트 오프하고, 게이트 전극(113)을 형성하여 수소 센서(200)를 제조할 수 있다(S211).

상기한 실시예들의 설명은 본 개시의 더욱 철저한 이해를 위하여 도면을 참조로 예를 든 것들에 불과하므로, 본 개시의 기술적 사상을 한정하는 의미로 해석되어서는 안될 것이다.

또한, 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 개시의 기본적 원리를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화와 변경이 가능함은 명백하다 할 것이다.

100, 200: 수소 센서
101: 기판
103: 반도체층
105: 게이트 절연층
107, 207: 그래핀층
109, 209: 아일랜드형 구조물
111a, 111b: 제1 및 제2 전극
113: 게이트 전극
IR: 불규칙 영역
Pt: 백금
F100, F200: 수소 센서의 제조 방법

Claims

기판;
상기 기판 상에 형성되는 반도체층;
상기 반도체층 상에서 상기 기판과 상기 반도체층을 가로질러 형성되는 게이트 절연층;
상기 기판 상에 형성되는 제1 및 제2 전극;
상기 게이트 절연층 상에 형성되며, 상기 제1 및 제2 전극 사이에서 상기 제1 및 제2 전극과 이격되어 형성되는 그래핀층;
상기 그래핀층 상에서 서로 이격되어 형성되는 복수의 백금 구조물들; 및
상기 제1 및 제2 전극 사이가 아닌 영역의 상기 게이트 절연층 상에 배치되며, 상기 그래핀층과 전기적으로 연결되는 제3 전극;
을 포함하는, 수소 센서.
제1 항에 있어서,
상기 그래핀층은, 탄소 원자들이 육각형의 격자가 아닌 구조로 배열되는 복수의 불규칙 영역들을 포함하는, 수소 센서.
제2 항에 있어서,
상기 복수의 불규칙 영역들은, 상기 그래핀층의 탄소 원자의 육각형 격자의 격자 주기보다 큰 거리를 주기로 형성되는, 수소 센서.
제2 항에 있어서,
상기 복수의 백금 구조물들은, 상기 복수의 불규칙 영역들 상에 형성되는, 수소 센서.
제1 항에 있어서,
상기 복수의 백금 구조물들은, 상기 그래핀층의 상면과 접하는, 수소 센서.
제1 항에 있어서,
상기 복수의 백금 구조물들은, 1nm 내지 10nm의 두께를 갖는, 수소 센서.
삭제
기판;
상기 기판 상에 형성되는 반도체층;
상기 반도체층 상에서 상기 기판과 상기 반도체층을 가로질러 형성되는 게이트 절연층;
상기 기판 상에 형성되는 제1 및 제2 전극;
상기 게이트 절연층 상에 형성되며, 상기 제1 및 제2 전극 사이에서 상기 제1 및 제2 전극과 이격되어 배치되고, 탄소 원자들이 육각형 격자가 아닌 구조로 배열되는 복수의 불규칙 영역들을 포함하는 그래핀층;
상기 그래핀층의 복수의 불규칙 영역들 상에서 서로 이격되어 각각 형성되는 복수의 금속 구조물들; 및
상기 제1 및 제2 전극 사이가 아닌 영역의 상기 게이트 절연층 상에 배치되며, 상기 그래핀층과 전기적으로 연결되는 제3 전극;
을 포함하는, 수소 센서.
제8 항에 있어서,
상기 복수의 금속 구조물들은, 백금을 포함하는, 수소 센서.
제8 항에 있어서,
상기 복수의 불규칙 영역들은, 상기 그래핀층의 탄소 원자의 육각형 격자의 격자 주기보다 큰 거리를 주기로 형성되는, 수소 센서.
제8 항에 있어서,
상기 복수의 금속 구조물들은, 1nm 내지 10nm의 두께를 갖는, 수소 센서.
삭제
기판 상에 반도체층을 형성하는 단계;
상기 반도체층 상에 상기 기판과 상기 반도체층을 가로지르는 게이트 절연층을 형성하는 단계;
상기 게이트 절연층 상에 그래핀층을 형성하는 단계;
상기 그래핀층이 상기 기판 상의 소스 전극 및 드레인 전극 사이에서 상기 소스 전극 및 드레인 전극과 이격되는 게이트 영역에만 잔존하도록 상기 그래핀층을 식각하는 단계; 및
상기 그래핀층 상에 백금 물질을 증착시켜 상기 그래핀층 상에 서로 이격된 복수의 백금 구조물들을 형성하는 단계를 포함하고,
게이트 전극은 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극 사이가 아닌 영역의 상기 게이트 절연층 상에 형성되는, 수소 센서의 제조 방법.
제13 항에 있어서,
상기 그래핀층을 식각하는 단계와 상기 복수의 백금 구조물들을 형성하는 단계 사이에,
상기 그래핀층에 탄소 원자들이 육각형 격자가 아닌 구조로 배열되는 복수의 불규칙 영역들을 형성하는 단계;
를 더 포함하는, 수소 센서의 제조 방법.
제14 항에 있어서,
상기 복수의 불규칙 영역들을 형성하는 단계는,
산소 가스를 포함하는 플라즈마를 이용하여 상기 그래핀층에 상기 복수의 불규칙 영역들을 형성하는, 수소 센서의 제조 방법.
제15 항에 있어서,
상기 복수의 불규칙 영역들을 형성하는 단계는,
상기 그래핀층을 식각하는 단계에서 이용된 산소 가스의 제1 농도보다 낮은 제2 농도의 산소 가스를 포함하는 플라즈마를 이용하는, 수소 센서의 제조 방법.
제14 항에 있어서,
상기 복수의 백금 구조물들을 형성하는 단계는,
상기 복수의 불규칙 영역들 상에 상기 복수의 백금 구조물들을 형성하는, 수소 센서의 제조 방법.
제13 항에 있어서,
상기 복수의 백금 구조물들을 형성하는 단계는,
상기 복수의 백금 구조물들을 1nm 내지 10nm의 두께를 갖도록 형성하는, 수소 센서의 제조 방법.