KR102559405B1 - Hydrogen sensor and method for fabricating thereof - Google Patents

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KR102559405B1 KR1020200172297A KR20200172297A KR102559405B1 KR 102559405 B1 KR102559405 B1 KR 102559405B1 KR 1020200172297 A KR1020200172297 A KR 1020200172297A KR 20200172297 A KR20200172297 A KR 20200172297A KR 102559405 B1 KR102559405 B1 KR 102559405B1
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허준석
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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.According to one aspect of the technical concept of the present disclosure, a hydrogen sensor including a substrate, first and second electrodes formed on the substrate, a graphene layer formed to be spaced apart from the first and second electrodes between the first and second electrodes, a plurality of platinum structures formed spaced apart from each other on the graphene layer, and a third electrode electrically connected to the graphene layer.

Description

수소 센서 및 이의 제조 방법{HYDROGEN SENSOR AND METHOD FOR FABRICATING THEREOF}Hydrogen sensor and manufacturing method 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.The technical idea of the present disclosure relates to a hydrogen sensor and a manufacturing method thereof, and more particularly, to a hydrogen sensor capable of detecting low concentration hydrogen gas with low power and small size with high sensitivity and a manufacturing method thereof.

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. Recently, hydrogen has been actively developed and applied as one of future renewable energies such as aerospace, hydrogen vehicles, and fuel cells. Accordingly, in order to block the risk of explosion due to hydrogen leakage, there is a need to develop a small, lightweight, low-power, and highly sensitive hydrogen sensor.

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. In general, a semiconductor sensor using a metal oxide that detects hydrogen gas through a chemical reaction is used, but a separate heating equipment is required for the chemical reaction, so the sensor has a large volume and weight, and other gases other than the hydrogen gas to be detected. As it reacts with other gases, the selectivity for the detection target is also low.

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.Meanwhile, a transistor hydrogen sensor using a platinum material as a gate electrode is being studied for normal temperature operation of the hydrogen sensor. However, in forming a gate electrode made of a platinum material, there is a conflict between the requirement that the gate electrode must have a certain thickness to operate as a gate electrode and the requirement to have a thin thickness for diffusion of hydrogen ions, so that it is difficult to manufacture a highly sensitive hydrogen sensor capable of satisfying both characteristics.

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.A technical problem to be achieved by the technical spirit of the present disclosure is to implement a hydrogen sensor capable of sensing low-concentration hydrogen gas with high sensitivity with low power and small size, and a manufacturing method thereof.

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.The technical problem to be achieved by the technical idea of the present disclosure is not limited to the above-mentioned problem, and another problem not mentioned above will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.

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.In order to achieve the above object, according to an aspect according to the technical idea of the present disclosure, the substrate; first and second electrodes formed on the substrate; a graphene layer formed between the first and second electrodes and spaced apart from the first and second electrodes; a plurality of platinum structures formed spaced apart from each other on the graphene layer; And a third electrode electrically connected to the graphene layer; including, a hydrogen sensor is disclosed.

예시적인 실시예에 따르면, 상기 그래핀층은, 탄소 원자들이 육각형의 격자가 아닌 구조로 배열되는 복수의 불규칙 영역들을 포함할 수 있다.According to an exemplary embodiment, the graphene layer may include a plurality of irregular regions in which carbon atoms are arranged in a structure other than a hexagonal lattice.

예시적인 실시예에 따르면, 상기 복수의 불규칙 영역들은, 상기 그래핀층의 탄소 원자의 육각형 격자의 격자 주기보다 큰 거리를 주기로 형성될 수 있다.According to an exemplary embodiment, the plurality of irregular regions may be formed with a period greater than a lattice period of a hexagonal lattice of carbon atoms of the graphene layer.

예시적인 실시예에 따르면, 상기 복수의 백금 구조물들은, 상기 복수의 불규칙 영역들 상에 형성될 수 있다.According to an exemplary embodiment, the plurality of platinum structures may be formed on the plurality of irregular regions.

예시적인 실시예에 따르면, 상기 복수의 백금 구조물들은, 상기 그래핀층의 상면과 접할 수 있다.According to an exemplary embodiment, the plurality of platinum structures may contact the upper surface of the graphene layer.

예시적인 실시예에 따르면, 상기 복수의 백금 구조물들은, 1nm 내지 10nm의 두께를 가질 수 있다.According to an exemplary embodiment, the plurality of platinum structures may have a thickness of 1 nm to 10 nm.

예시적인 실시예에 따르면, 상기 제3 전극은, 상기 제1 및 제2 전극 사이에 배치되지 않을 수 있다.According to an exemplary embodiment, the third electrode may not be disposed between the first and second electrodes.

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.According to another aspect according to the technical spirit of the present disclosure, a substrate; first and second electrodes formed on the substrate; a graphene layer formed between the first and second electrodes and spaced apart from the first and second electrodes and including a plurality of irregular regions in which carbon atoms are arranged in a structure other than a hexagonal lattice; a plurality of metal structures respectively formed on the plurality of irregular regions of the graphene layer and spaced apart from each other; and a third electrode connected to the graphene layer.

예시적인 실시예에 따르면, 상기 복수의 금속 구조물들은, 백금을 포함할 수 있다.According to an exemplary embodiment, the plurality of metal structures may include platinum.

예시적인 실시예에 따르면, 상기 복수의 불규칙 영역들은, 상기 그래핀층의 탄소 원자의 육각형 격자의 격자 주기보다 큰 거리를 주기로 형성될 수 있다.According to an exemplary embodiment, the plurality of irregular regions may be formed with a period greater than a lattice period of a hexagonal lattice of carbon atoms of the graphene layer.

예시적인 실시예에 따르면, 상기 복수의 금속 구조물들은, 1nm 내지 10nm의 두께를 가질 수 있다.According to an exemplary embodiment, the plurality of metal structures may have a thickness of 1 nm to 10 nm.

예시적인 실시예에 따르면, 상기 제3 전극은, 상기 제1 및 제2 전극 사이에 배치되지 않을 수 있다.According to an exemplary embodiment, the third electrode may not be disposed between the first and second electrodes.

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.According to another aspect according to the technical spirit of the present disclosure, forming a graphene layer on a gate insulating layer on a substrate; etching the graphene layer such that the graphene layer remains only in a gate region spaced apart from the source and drain electrodes between the source and drain electrodes on the substrate; and forming a plurality of platinum structures spaced apart from each other on the graphene layer by depositing a platinum material on the graphene layer.

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.According to an exemplary embodiment, between the step of etching the graphene layer and the step of forming the plurality of platinum structures, forming a plurality of irregular regions in the graphene layer in which carbon atoms are arranged in a structure other than a hexagonal lattice; may further include.

예시적인 실시예에 따르면, 상기 복수의 불규칙 영역들을 형성하는 단계는, 산소 가스를 포함하는 플라즈마를 이용하여 상기 그래핀층에 상기 복수의 불규칙 영역들을 형성할 수 있다.According to an exemplary embodiment, the forming of the plurality of irregular regions may include forming the plurality of irregular regions in the graphene layer using plasma containing oxygen gas.

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. According to an exemplary embodiment, the forming of the plurality of irregular regions may use plasma containing an oxygen gas having a second concentration lower than the first concentration of the oxygen gas used in the etching of the graphene layer.

예시적인 실시예에 따르면, 상기 복수의 백금 구조물들을 형성하는 단계는, 상기 복수의 불규칙 영역들 상에 상기 복수의 백금 구조물들을 형성할 수 있다. According to an exemplary embodiment, the forming of the plurality of platinum structures may include forming the plurality of platinum structures on the plurality of irregular regions.

예시적인 실시예에 따르면, 상기 복수의 백금 구조물들을 형성하는 단계는, 상기 복수의 백금 구조물들을 1nm 내지 10nm의 두께를 갖도록 형성할 수 있다. According to an exemplary embodiment, the forming of the plurality of platinum structures may include forming the plurality of platinum structures to have a thickness of 1 nm to 10 nm.

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.According to embodiments according to the technical concept of the present disclosure, a hydrogen sensor capable of detecting low-concentration hydrogen gas with high sensitivity and a method for manufacturing the same can be implemented with low power and small size.

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.The effects obtainable by the embodiments according to the technical idea of the present disclosure are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned above will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.

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.
A brief description of each figure is provided in order to more fully understand the figures cited in this disclosure.
1 is a perspective view schematically illustrating a hydrogen sensor according to a technical concept of the present disclosure.
2 is a plan view illustrating an embodiment of a hydrogen sensor according to the technical concept of the present disclosure.
3 is a graph comparing sensitivity according to hydrogen concentration between a hydrogen sensor according to the technical concept of the present disclosure and a general hydrogen sensor.
4A and 4B are graphs for explaining the sensitivity of the hydrogen sensor according to the technical concept of the present disclosure.
5A is a plan view illustrating another embodiment of a hydrogen sensor according to the technical concept of the present disclosure.
FIG. 5B is an enlarged view of portion M of FIG. 5A.
FIG. 5C is a cross-sectional view of the hydrogen sensor viewed along line AA of FIG. 5A.
6 is a flow chart for explaining an embodiment of a method for manufacturing a hydrogen sensor according to the technical concept of the present disclosure.
7 is a flow chart for explaining an embodiment of a method for manufacturing a hydrogen sensor according to the technical idea of the present disclosure.

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.Exemplary embodiments according to the technical idea of the present disclosure are provided to more completely explain the technical idea of the present disclosure to those skilled in the art, and the following embodiments can be modified into various other forms, and the scope of the technical idea of the present disclosure is not limited to the following examples. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the spirit of the disclosure to those skilled in the art.

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.In the present disclosure, terms such as first and second are used to describe various members, regions, layers, regions, and/or components, but these members, parts, regions, layers, regions, and/or components are not limited by these terms. These terms do not imply any particular order, top or bottom, or superiority or inferiority, and are used only to distinguish one member, region, region, or component from another member, region, region, or component. Accordingly, a first member, region, region, or component to be described in detail below may refer to a second member, region, region, or component without departing from the teachings of the technical concept of the present disclosure. For example, a first element may be termed a second element, and similarly, the second element may be termed a first element, without departing from the scope of the present disclosure.

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.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical terms and scientific terms, have the same meaning as commonly understood by those of ordinary skill in the art to which the concepts of the present disclosure belong. In addition, commonly used terms as defined in a dictionary should be interpreted as having a meaning consistent with what they mean in the context of the related technology, and should not be interpreted in an excessively formal meaning unless explicitly defined herein.

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.When an embodiment is otherwise implementable, a specific process sequence may be performed differently from the described sequence. For example, two processes described in succession may be performed substantially simultaneously, or may be performed in an order reverse to the order described.

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.In the accompanying drawings, variations of the shapes shown may be expected, eg depending on manufacturing techniques and/or tolerances. Therefore, embodiments according to the technical spirit of the present disclosure should not be construed as being limited to the specific shape of the region shown in the present disclosure, and should include, for example, changes in shape caused during manufacturing. The same reference numerals are used for the same components in the drawings, and duplicate descriptions thereof are omitted.

여기에서 사용된 '및/또는' 용어는 언급된 부재들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.The term 'and/or' as used herein includes each and every combination of one or more of the recited elements.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 개시의 기술적 사상에 의한 실시예들에 대해 더 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments according to the technical idea of the present disclosure will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

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.1 is a perspective view schematically illustrating a hydrogen sensor according to a technical concept of the present disclosure. 2 is a plan view illustrating an embodiment of a hydrogen sensor according to the technical concept of the present disclosure.

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. 1 and 2, the hydrogen sensor 100 may include a substrate 101, a semiconductor layer 103, a gate insulating layer 105, a graphene layer 107, a plurality of island-like structures 109, first and second electrodes 111a and 111b, and a third electrode 113 (hereinafter referred to as a gate electrode).

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.Unlike conventional gate electrodes, the hydrogen sensor 100 of the present disclosure has a structure in which a region forming a channel and a region connected to wires are separated, and a material and structure that organically connects both regions while improving functions in each region. In other words, in the region where the channel is formed, the graphene layer 107 having high electrical conductivity and a plurality of island-like structures 109 made of platinum (Pt) as a material that triggers the decomposition of the hydrogen gas (H2) are shallowly formed. Therefore, low concentration hydrogen gas (H2) can be sensed with high sensitivity. At the same time, since the gate electrode 113 having a predetermined thickness or more is formed in the region where the wires are connected, a structure capable of ensuring stable electrical connection may be obtained. Hereinafter, each structure will be described in detail.

기판(101)은 다양한 재질이 사용될 수 있으며, 예를 들어 반도체 기판 또는 플라스틱 기판 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The substrate 101 may be made of various materials, and may be, for example, a semiconductor substrate or a plastic substrate, but is not limited thereto.

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. The semiconductor layer 103 is formed on the substrate 101 and may include a plurality of semiconductor layers or a plurality of regions having different conductivity. For example, the semiconductor layer 103 may have a structure in which a GaN layer and an AlGaN layer are sequentially stacked, but is not limited thereto.

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.In the semiconductor layer 103, a channel is formed between the first and second electrodes 111a and 111b by a hydrogen reaction between the graphene layer 107 and the plurality of island-like structures 109 disposed thereon with the gate insulating layer 105 interposed therebetween.

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. The gate insulating layer 105 may be formed across the substrate 101 and the semiconductor layer 103, and is formed to insulate the semiconductor layer 103 described above, the graphene layer 107 described later, and the plurality of island-like structures 109. The gate insulating layer 105 may include silicon oxide, silicon nitride, or the like, but is not limited thereto.

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.The graphene layer 107 is formed on the gate insulating layer 105 and may have a thin thickness ranging from one carbon atom to several atomic layers. As the graphene layer 107 has a small thickness, it may have high electrical conductivity unique to graphene. In FIG. 1, the graphene layer 107 is illustrated as being made of only one atomic layer, but is not limited thereto and may be made of a plurality of layers.

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.The graphene layer 107 may be transferred using a thermal release tape (TRT) film or the like, but is not limited thereto. The graphene layer 107 may be formed through various processes such as chemical vapor deposition (CVD) and epitaxial growth.

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. The plurality of island-like structures 109 are made of a hydrogen decomposition catalyst material, for example, platinum (Pt), and are spaced apart from each other on the graphene layer 107 to have a width and a thickness of several nanometers (nm). Since platinum decomposes hydrogen gas (H2) at room temperature to form hydrogen ions (H+), the hydrogen sensor 100 can operate at room temperature. Specifically, the decomposed hydrogen ions (H+) move to the interface between the graphene layer 107 and the gate insulating layer 105 and apply a bias to the gate electrode 113 to generate a change in threshold voltage, thereby driving the hydrogen sensor 100. On the other hand, the plurality of island-type structures 109 are separate structures, and have a larger surface area than a layer structure or a film-type structure, enabling highly sensitive hydrogen detection even when exposed to a low concentration of hydrogen gas (H2). In addition, the plurality of island-like structures 109 are formed to a thin thickness of about 1 nm to 10 nm to provide a short diffusion distance of hydrogen ions (H+), so that even a low concentration of hydrogen ions (H+) causes a change in threshold voltage, enabling highly sensitive hydrogen sensing.

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. The plurality of island-like structures 109 may be formed on the graphene layer 107 using platinum as a deposition material and using a physical or chemical vapor deposition method. Specifically, sputtering, thermal evaporation, E-beam evaporation, electroplating, and spraying a metal aqueous solution on the sample surface may be used.

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. At this time, it may be deposited in the form of an island-like structure dispersed through a crystal nucleation process on the graphene layer 107 . When the graphene layer 107 includes irregular regions in which carbon atoms are arranged in a non-hexagonal lattice structure, crystal nucleation of the platinum material may be accelerated in the irregular regions.

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. Depending on the embodiment, the graphene layer 107 may include a plurality of irregular regions generated through a process of inducing a plurality of irregular regions, and island-like structures 109 may be formed on each of the plurality of irregular regions. It may have a structure. This will be described in detail with reference to FIGS. 5A to 5C.

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.The first and second electrodes 111a and 111b are formed on both sides of the semiconductor layer 103, respectively, and may be a drain electrode and a source electrode, respectively, or a source electrode and a drain electrode, respectively. The first and second electrodes 111a and 111b may include graphene, CNTs, or a metal such as Ag, Au, Pt, or Cu, but are not limited thereto.

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. The gate electrode 113 is disposed on the gate insulating layer 105 in a region other than between the first and second electrodes 111a and 111b and is electrically connected to an external wire. Since the gate electrode 113 is formed to a predetermined thickness or more in a region other than the channel region between the first and second electrodes 111a and 111b, connectivity with wiring is increased and at the same time, it is electrically and stably connected to the graphene layer 107 having a thin thickness formed in the channel region. Therefore, it can contribute to the high sensitivity response of the hydrogen sensor 100.

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.The gate electrode 113 may be made of platinum, but is not limited thereto, and may include various conductive materials. For example, the gate electrode 113 may include a metal such as Ag, Au, Pt, or Cu.

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.3 is a graph comparing sensitivity (S) according to hydrogen concentration (H2 concentration, ppm) of the hydrogen sensor 100 according to the technical concept of the present disclosure and a general hydrogen sensor.

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. 1 to 3 together, in the gate region between the first and second electrodes 111a and 111b, when a structure (Pt/Gr) composed of a graphene layer 107 according to the present disclosure and a plurality of island-like structures 109 made of platinum is used for hydrogen detection, a 20 nm thick platinum gate electrode (20 nm Pt) and a 10 nm thick platinum gate electrode (10 nm Pt) are used in a general case It can be seen that the sensitivity is remarkably high over the entire concentration range of hydrogen gas.

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.Specifically, when the hydrogen concentration (H2) is 1 ppm, a hydrogen sensor using a 10 nm thick platinum gate electrode (10 nm Pt) has a sensitivity of about 1, whereas the hydrogen sensor 100 according to the present disclosure has a sensitivity of about 10 or more, and the sensitivity is improved by 10 times or more. In addition, for a hydrogen gas with a concentration of 100 ppm or more, the hydrogen sensor 100 of the present disclosure shows a sensitivity improvement of at least about 100 times and at least about 100,000 times as compared to a hydrogen sensor using a 10 nm thick platinum gate electrode (10 nm Pt). That is, in the case of using a generally known gate electrode structure in the gate region between the first and second electrodes 111a and 111b, even if a gate electrode made of platinum is used, since hydrogen ions that can move to the interface between the gate electrode and the gate insulating layer are reduced, it is confirmed that a significant difference occurs in the detection sensitivity of hydrogen gas compared to the present disclosure.

도 4a 및 도 4b는, 본 개시의 기술적 사상에 의한 수소 센서(100)의 민감도를 설명하기 위한 그래프이다. 4A and 4B are graphs for explaining the sensitivity of the hydrogen sensor 100 according to the technical concept of the present disclosure.

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.Referring to FIGS. 4A and 4B , the hydrogen sensor 100 of the present disclosure is capable of detecting hydrogen gas according to a change in threshold voltage even when exposed to a low concentration of hydrogen gas of several ppm to several tens of ppm of about 1 ppm, 5 ppm, and 20 ppm. In addition, the hydrogen sensor 100 shows a very low reactivity to gases other than hydrogen gas and has a high selectivity to hydrogen gas. That is, when the hydrogen sensor 100 is exposed to other gases such as ammonia gas (NH3), hydrogen sulfide gas (HS), and carbon monoxide (CO) at a concentration of about 100 ppm, the hydrogen gas (H2) has a sensitivity of about 1/00 or less compared to the case where it is exposed to a concentration of about 100 ppm, so that the problem of malfunction due to a gas that is not a detection target is significantly reduced.

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.5A is a plan view illustrating another embodiment of a hydrogen sensor according to the technical concept of the present disclosure. FIG. 5B is an enlarged view of portion M of FIG. 5A. FIG. 5C is a cross-sectional view of the hydrogen sensor viewed along the line A-A of FIG. 5A.

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.The hydrogen sensor 200 of FIG. 5A is similar to the hydrogen sensor 100 of FIG. 2, but at least a portion of a plurality of irregular regions in which carbon atoms are arranged in a structure other than a hexagonal lattice in the graphene layer 207. It is different in that it is arranged periodically. The same reference numerals as in FIGS. 1 and 2 mean the same members, and duplicate descriptions are omitted.

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. Referring to FIGS. 1 and 5A to 5C, the graphene layer 207 has a basic structure in which carbon atoms are regularly planarly arranged in a hexagonal lattice, and at the same time, carbon in some areas of the hexagonal lattice is lost or added. It may include an irregular region (IR). Such an irregular region IR may be a deposition starting point for inducing crystal nucleation of platinum when a platinum material is deposited on the graphene layer 207 . Accordingly, a plurality of island-like structures 209 made of platinum may be respectively formed on the irregular regions IR of the graphene layer 207 .

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.In some embodiments, a plurality of irregular regions (IR) are artificially induced in the graphene layer 207 in a process of forming the graphene layer 207 or a subsequent process. The graphene layer 207 manufactured according to this process may include a plurality of periodically arranged irregular regions (IR), and accordingly, the hydrogen sensor 200 has a structure in which island-shaped structures 209 made of platinum are formed at a high density. In this case, the plurality of irregular regions IR may be formed with a period D2 greater than the lattice period D1 of the hexagonal lattice of carbon atoms of the graphene layer 207 . Accordingly, characteristics such as high electrical conductivity may be maintained due to the regular structure of the graphene layer 207, that is, the hexagonal lattice structure. However, it is not limited thereto, and at least some of the plurality of irregular regions IR may have periodicity, or all of the plurality of irregular regions IR may not be periodically arranged.

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. Meanwhile, the irregular regions IR of the graphene layer 207 may have any shape that does not conform to a structure in which carbon atoms are regularly arranged in a plane in a hexagonal lattice. As illustrated in FIGS. 5A to 5C , it may be a form in which one carbon atom in a hexagonal lattice is lost, but is not limited thereto, and may include any form not having a hexagonal lattice structure. For example, the irregular regions IR may include a form in which a plurality of consecutive carbon atoms are lost or a form in which a hexagonal lattice is deformed planarly or vertically by adding carbon atoms. In addition, it may include a form in which the arrangement of carbon atoms is rotated.

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.As described above, the thickness H207 of the graphene layer 207 and the thickness H209 of each of the plurality of island-like structures 209 may have a thickness of approximately several nanometers to several tens of nanometers. Also, the thickness H207 of the graphene layer 207 and the thickness H209 of the plurality of island-like structures 209 are smaller than the thickness H113 of the gate electrode 113 . Accordingly, even when the hydrogen sensor 200 is exposed to a low concentration of hydrogen gas (H2), hydrogen ions (H+) may diffuse into the inside using a short diffusion distance, thereby exhibiting high reactivity.

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.6 is a flowchart for explaining an embodiment of a method of manufacturing the hydrogen sensor 100 according to the technical idea of the present disclosure. In the description of FIG. 6, but described with reference to FIGS. 1 and 2 together, since the same reference numerals denote the same members, overlapping descriptions will be omitted.

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. Referring to FIGS. 1 , 2 and 6 , first, a semiconductor layer 103 on a substrate 101 and a gate insulating layer 105 are formed in a region where a channel is to be formed among the semiconductor layer 103 . First and second electrodes 111a and 111b are formed on both sides of the gate region, respectively.

이어서, 게이트 절연층(105) 상에 그래핀층(107)을 형성한다(S101). Subsequently, a graphene layer 107 is formed on the gate insulating layer 105 (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. The graphene layer 107 may be transferred using a thermal release tape (TRT) film or the like, but is not limited thereto. The graphene layer 107 may be formed through various methods such as chemical vapor deposition (CVD) and epitaxial growth.

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). The graphene layer 107 is etched through a photolithography process and an oxygen gas plasma treatment so that the graphene layer 107 remains only in the gate region spaced apart from the first and second electrodes 111a and 111b between the first and second electrodes 111a and 111b (S103).

그래핀층(107)을 형성한 후, 제1 및 제2 전극(111a, 111b) 사이의 게이트 영역에서 그래핀층(107)의 상면만을 노출시키는 포토 레지스트층을 형성한다(S105).After forming the graphene layer 107, a photoresist layer exposing only the upper surface of the graphene layer 107 is formed in the gate region between the first and second electrodes 111a and 111b (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. A plurality of island-shaped structures 109 spaced apart from each other may be formed by depositing a platinum material on the exposed graphene layer 107 (S107). In this case, the plurality of island-like structures 109 may be formed to a thickness of several nanometers or more, for example, 1 nm to 10 nm.

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. The plurality of island-like structures 109 may be formed on the graphene layer 109 using a physical or chemical vapor deposition method using platinum as a deposition material. Specifically, sputtering, thermal evaporation, E-beam evaporation, electroplating, and spraying a metal aqueous solution on the sample surface may be used.

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. In this case, platinum may be deposited on the graphene layer 107 in the form of an island-like structure dispersed through a crystal nucleation process. Irregular regions (eg, defect regions) in which carbon atoms are arranged in a structure other than a hexagonal lattice are included in the graphene layer 107 through the formation of the graphene layer 107 and the etching process of the graphene layer 107. If the graphene layer 107 includes irregular regions, crystal nucleation of the platinum material may be accelerated.

이후, 포토 레지스트층을 리프트 오프하고, 게이트 전극(113)을 형성하여 수소 센서(100)를 제조할 수 있다(S109).Subsequently, the hydrogen sensor 100 may be manufactured by lifting off the photoresist layer and forming the gate electrode 113 (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.7 is a flowchart for explaining an embodiment of a method of manufacturing a hydrogen sensor 200 according to the technical concept of the present disclosure. In the description of FIG. 7, it will be described with reference to FIGS. 1 and 5A to 5C, but since the same reference numerals denote the same members, overlapping descriptions will be omitted.

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. The manufacturing method (F200) of the hydrogen sensor 200 of FIG. 7 is similar to the manufacturing method (F100) of the hydrogen sensor 100 of FIG.

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). Referring to FIGS. 1, 5A to 5C, and 7 , a substrate 101, a semiconductor layer 103, a gate insulating layer 105, and a graphene layer 207 are formed, and the graphene layer 207 is only on the gate insulating layer 105. Etching is performed so that the layer 207 remains (S201, S203).

그래핀층(207)의 상면만을 노출시키는 포토 레지스트층을 형성하고(S205), 노출된 그래핀층(207)의 상면에 복수의 불규칙 영역들(IR)을 형성한다(S207).A photoresist layer exposing only the upper surface of the graphene layer 207 is formed (S205), and a plurality of irregular regions IR are formed on the exposed upper surface of the graphene layer 207 (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.For example, surface treatment may be performed on the upper surface of the graphene layer 207 using plasma having a predetermined oxygen concentration, and accordingly, a plurality of irregular regions IR may be formed in the graphene layer 207 instead of a hexagonal lattice structure of carbon atoms. Meanwhile, when a plasma etching process having a first oxygen concentration is used in etching the graphene layer 207 in step S203, a plasma having a second oxygen concentration lower than the first oxygen concentration may be used in step S207.

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. Meanwhile, the process of forming the irregular regions IR is not implemented only by performing a separate plasma treatment process as in step S207. Depending on the embodiment, the irregular regions IR may be formed by adjusting at least one condition, such as pressure, temperature, input material concentration in the chamber, plasma gas concentration, electric field size, etc., in the forming of the graphene layer 207 in steps S201 and S203, the etching process, and the photoresist layer forming process in step S205.

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.Subsequently, a plurality of island-shaped structures 209 may be formed on the plurality of irregular regions IR by depositing a platinum material (Pt) on the graphene layer 207 (S209). As described above with reference to FIG. 6 , as the graphene layer 207 includes irregular regions IR in which carbon atoms are arranged in a non-hexagonal lattice structure, crystal nucleation of the platinum material Pt may be accelerated in the irregular regions IR.

이후, 포토 레지스트층을 리프트 오프하고, 게이트 전극(113)을 형성하여 수소 센서(200)를 제조할 수 있다(S211).Thereafter, the hydrogen sensor 200 may be manufactured by lifting off the photoresist layer and forming the gate electrode 113 (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. Since the description of the above embodiments is only examples with reference to the drawings for a more thorough understanding of the present disclosure, it should not be construed as limiting the technical spirit of the present disclosure.

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.In addition, it will be clear to those skilled in the art that various changes and modifications are possible within a range that does not deviate from the basic principles of the present disclosure.

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
100, 200: hydrogen sensor
101: substrate
103: semiconductor layer
105: gate insulating layer
107, 207: graphene layer
109, 209: island type structure
111a, 111b: first and second electrodes
113: gate electrode
IR: Irregular area
PT: Platinum
F100, F200: Manufacturing method of hydrogen sensor

Claims (18)

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.
Board;
a semiconductor layer formed on the substrate;
a gate insulating layer formed on the semiconductor layer across the substrate and the semiconductor layer;
first and second electrodes formed on the substrate;
a graphene layer formed on the gate insulating layer and spaced apart from the first and second electrodes between the first and second electrodes;
a plurality of platinum structures formed spaced apart from each other on the graphene layer; and
a third electrode disposed on the gate insulating layer in a region not between the first and second electrodes and electrically connected to the graphene layer;
Including, hydrogen sensor.
제1 항에 있어서,
상기 그래핀층은, 탄소 원자들이 육각형의 격자가 아닌 구조로 배열되는 복수의 불규칙 영역들을 포함하는, 수소 센서.
According to claim 1,
The graphene layer includes a plurality of irregular regions in which carbon atoms are arranged in a non-hexagonal lattice structure.
제2 항에 있어서,
상기 복수의 불규칙 영역들은, 상기 그래핀층의 탄소 원자의 육각형 격자의 격자 주기보다 큰 거리를 주기로 형성되는, 수소 센서.
According to claim 2,
The plurality of irregular regions are formed with a period greater than a lattice period of a hexagonal lattice of carbon atoms of the graphene layer.
제2 항에 있어서,
상기 복수의 백금 구조물들은, 상기 복수의 불규칙 영역들 상에 형성되는, 수소 센서.
According to claim 2,
The plurality of platinum structures are formed on the plurality of irregular regions.
제1 항에 있어서,
상기 복수의 백금 구조물들은, 상기 그래핀층의 상면과 접하는, 수소 센서.
According to claim 1,
The plurality of platinum structures are in contact with the upper surface of the graphene layer, the hydrogen sensor.
제1 항에 있어서,
상기 복수의 백금 구조물들은, 1nm 내지 10nm의 두께를 갖는, 수소 센서.
According to claim 1,
Wherein the plurality of platinum structures have a thickness of 1 nm to 10 nm.
삭제delete 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.
Board;
a semiconductor layer formed on the substrate;
a gate insulating layer formed on the semiconductor layer across the substrate and the semiconductor layer;
first and second electrodes formed on the substrate;
a graphene layer formed on the gate insulating layer, disposed between the first and second electrodes and spaced apart from the first and second electrodes, and including a plurality of irregular regions in which carbon atoms are arranged in a structure other than a hexagonal lattice;
a plurality of metal structures respectively formed on the plurality of irregular regions of the graphene layer and spaced apart from each other; and
a third electrode disposed on the gate insulating layer in a region not between the first and second electrodes and electrically connected to the graphene layer;
Including, hydrogen sensor.
제8 항에 있어서,
상기 복수의 금속 구조물들은, 백금을 포함하는, 수소 센서.
According to claim 8,
The plurality of metal structures include platinum, hydrogen sensor.
제8 항에 있어서,
상기 복수의 불규칙 영역들은, 상기 그래핀층의 탄소 원자의 육각형 격자의 격자 주기보다 큰 거리를 주기로 형성되는, 수소 센서.
According to claim 8,
The plurality of irregular regions are formed with a period greater than a lattice period of a hexagonal lattice of carbon atoms of the graphene layer.
제8 항에 있어서,
상기 복수의 금속 구조물들은, 1nm 내지 10nm의 두께를 갖는, 수소 센서.
According to claim 8,
Wherein the plurality of metal structures have a thickness of 1 nm to 10 nm.
삭제delete 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.
forming a semiconductor layer on a substrate;
forming a gate insulating layer on the semiconductor layer crossing the substrate and the semiconductor layer;
forming a graphene layer on the gate insulating layer;
etching the graphene layer such that the graphene layer remains only in a gate region spaced apart from the source and drain electrodes between the source and drain electrodes on the substrate; and
Depositing a platinum material on the graphene layer to form a plurality of platinum structures spaced apart from each other on the graphene layer;
A method of manufacturing a hydrogen sensor, wherein a gate electrode is formed on the gate insulating layer in a region other than between the source electrode and the drain electrode.
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.
According to claim 13,
Between the step of etching the graphene layer and the step of forming the plurality of platinum structures,
forming a plurality of irregular regions in the graphene layer in which carbon atoms are arranged in a structure other than a hexagonal lattice;
Further comprising a method for manufacturing a hydrogen sensor.
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.
According to claim 14,
Forming the plurality of irregular regions,
Forming the plurality of irregular regions in the graphene layer using plasma containing oxygen gas, a method of manufacturing a hydrogen sensor.
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.
According to claim 15,
Forming the plurality of irregular regions,
A method of manufacturing a hydrogen sensor using plasma containing an oxygen gas having a second concentration lower than the first concentration of the oxygen gas used in the step of etching the graphene layer.
제14 항에 있어서,
상기 복수의 백금 구조물들을 형성하는 단계는,
상기 복수의 불규칙 영역들 상에 상기 복수의 백금 구조물들을 형성하는, 수소 센서의 제조 방법.
According to claim 14,
Forming the plurality of platinum structures,
Forming the plurality of platinum structures on the plurality of irregular regions.
제13 항에 있어서,
상기 복수의 백금 구조물들을 형성하는 단계는,
상기 복수의 백금 구조물들을 1nm 내지 10nm의 두께를 갖도록 형성하는, 수소 센서의 제조 방법.
According to claim 13,
Forming the plurality of platinum structures,
Forming the plurality of platinum structures to have a thickness of 1 nm to 10 nm, a method of manufacturing a hydrogen sensor.
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