KR101424867B1 - 금속 나노네트워크층을 포함하는 가스 센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 금속 나노네트워크층을 포함하는 가스 센서에 관한 것으로, 기판, 상기 기판 상에 형성된 반도체층, 상기 반도체층 상의 일부에 형성되어, 검출 대상 가스와 반응함으로써 상기 반도체층의 전하량을 변화시키는 금속 나노네트워크층, 상기 금속 나노네트워크층이 형성된 부분을 제외한 상기 반도체층 상의 나머지 부분 상에 상기 금속 나노네트워크층과 이격되어 형성되는 제1 전극 및 상기 금속 나노네트워크층의 일부와 접촉되도록 상기 금속 나노네트워크층 상에 형성되는 제2 전극을 포함하는 가스 센서를 제공한다. 본 발명의 가스 센서는 금속 나노네트워크층을 가스 감응체로 이용하고 있어, 가스 센서가 검출 대상 가스와 접촉하는 면적이 넓은 장점이 있다. 따라서, 본 발명의 가스 센서는 동시에 보다 많은 양의 가스와 반응할 수 있게 되고, 전기전도도의 변화가 커져서 결과적으로 향상된 가스 센싱 감도를 나타낸다.
Description
본 발명은 가스 센서에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 금속 나노네트워크층을 포함하는 가스 센서에 관한 것이다.
우리의 생활환경에는 대단히 많은 종류의 위험한 가스가 존재하고 있어 최근 일반가정, 업소, 공사장에서의 가스사고, 석유콤비나트, 탄광, 화학플랜트 등에서의 폭발사고 및 오염 공해 등이 잇따르고 있다. 인간의 감각기관으로는 위험 가스의 농도를 정량하거나 종류를 거의 판별할 수 없다. 이에 대응하기 위해 물질의 물리적, 화학적 성질을 이용한 가스센서가 개발되어 가스누출 경보기, 화재 경보기, 알코올 검출기, 엔진 연소가스 검지기 등에 널리 사용되고 있다.
일반적으로 반도체 가스 센서는 센서의 표면에 흡착되는 가스에 의한 전기전도도 변화를 측정하여 가스를 검출한다. 즉, 가스에 의해 반도체 가스 센서의 표면에서 전하량의 변화가 유발되며, 이로 인해 전기전도도가 증가 또는 감소하게 된다. 증가 또는 감소되는 전기전도도를 전기적으로 측정하여 가스의 존부 및 농도를 측정할 수 있는 것이다. 이러한 반도체 가스 센서는 감지할 수 있는 가스의 종류가 다양하고, 센서 제작 및 검출 회로의 구성이 용이하다는 특징을 가지고 있어 그 활용 범위가 점차 확대되고 있다.
상기와 같은 장점에도 불구하고, 상기와 같은 반도체 가스 센서의 센싱 감도를 향상시키기 위한 연구는 여전히 계속되고 있다.
본 발명의 목적은 센싱 감도가 향상된 가스 센서를 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면은 기판, 상기 기판 상에 형성된 반도체층, 상기 반도체층 상의 일부에 형성되어, 검출 대상 가스와 반응함으로써 상기 반도체층의 전하량을 변화시키는 금속 나노네트워크층, 상기 금속 나노네트워크층이 형성된 부분을 제외한 상기 반도체층 상의 나머지 부분 상에 상기 금속 나노네트워크층과 이격되어 형성되는 제1 전극 및 상기 금속 나노네트워크층의 일부와 접촉되도록 상기 금속 나노네트워크층 상에 형성되는 제2 전극을 포함하는 가스 센서를 제공한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 다른 측면은 기판, 상기 기판 상에 형성된 반도체층, 상기 반도체층 상의 일부에 서로 이격되어 형성된 제1 전극 및 제2 전극 및 상기 반도체층 상에 형성되고, 상기 제1 전극 및 제2 전극 사이에서 상기 제1 전극 및 제2 전극과 이격배치되어, 검출 대상 가스와 반응함으로써 상기 반도체층의 전하량을 변화시키는 금속 나노네트워크층을 포함하는 가스 센서를 제공한다.
본 발명의 가스 센서는 금속 나노네트워크층을 가스 감응체로 이용하고 있어, 가스 센서가 검출 대상 가스와 접촉하는 면적이 넓은 장점이 있다. 따라서, 본 발명의 가스 센서는 동시에 보다 많은 양의 가스와 반응할 수 있게 되고, 전기전도도의 변화가 커져서 결과적으로 향상된 가스 센싱 감도를 나타낸다.
다만, 본 발명의 효과는 상기에서 언급한 효과로 제한되지 아니하며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 하기의 기재로부터 당업자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 센서의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 센서에 금속박막층과 오믹컨택층이 추가적으로 포함된 가스 센서의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 가스 센서의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 가스 센서에 금속박막층과 오믹컨택층이 추가적으로 포함된 가스 센서의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실험예 <1-1>에서 제조한 쇼트키 다이오드 타입의 가스 센서 소자의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실험예 <1-1>에서 제조한 가스 센서의 금속 나노네트워크층을 TEM으로 촬영한 사진이다.
도 7은 쇼트키 다이오드 타입의 가스 센서 소자에서 금속 나노네트워크층의 유무에 따른 전류의 변화를 나타낸 그래프로서, (a)는 금속 나노네트워크층이 포함된 가스 센서의 전류량 변화를 나타낸 것이고, (b)는 금속 나노네트워크층이 포함되지 않은 가스 센서의 전류량 변화를 나타낸 것이며, (c)는 두 가스 센서에서의 전류 변화량을 %로 비교한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실험예 <2-1>에서 제조한 금속반도체 전계효과 트랜지스터 타입의 가스 센서 소자의 단면도이다.
도 9는 금속반도체 전계효과 트랜지스터 타입의 가스 센서 소자에서 금속 나노네트워크층의 유무에 따른 전류의 변화량을 비교한 그래프로서, (a)는 금속 나노네트워크층이 포함된 가스 센서의 전류량 변화를 나타낸 것이고, (b)는 금속 나노네트워크층이 포함되지 않은 가스 센서의 전류량 변화를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 센서에 금속박막층과 오믹컨택층이 추가적으로 포함된 가스 센서의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 가스 센서의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 가스 센서에 금속박막층과 오믹컨택층이 추가적으로 포함된 가스 센서의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실험예 <1-1>에서 제조한 쇼트키 다이오드 타입의 가스 센서 소자의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실험예 <1-1>에서 제조한 가스 센서의 금속 나노네트워크층을 TEM으로 촬영한 사진이다.
도 7은 쇼트키 다이오드 타입의 가스 센서 소자에서 금속 나노네트워크층의 유무에 따른 전류의 변화를 나타낸 그래프로서, (a)는 금속 나노네트워크층이 포함된 가스 센서의 전류량 변화를 나타낸 것이고, (b)는 금속 나노네트워크층이 포함되지 않은 가스 센서의 전류량 변화를 나타낸 것이며, (c)는 두 가스 센서에서의 전류 변화량을 %로 비교한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실험예 <2-1>에서 제조한 금속반도체 전계효과 트랜지스터 타입의 가스 센서 소자의 단면도이다.
도 9는 금속반도체 전계효과 트랜지스터 타입의 가스 센서 소자에서 금속 나노네트워크층의 유무에 따른 전류의 변화량을 비교한 그래프로서, (a)는 금속 나노네트워크층이 포함된 가스 센서의 전류량 변화를 나타낸 것이고, (b)는 금속 나노네트워크층이 포함되지 않은 가스 센서의 전류량 변화를 나타낸 것이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 본 명세서에서 설명되는 실시예들에 한정되지 아니하고, 다른 균등물 또는 대체물을 포함하는 다른 형태로 구체화될 수도 있다.
본 명세서에서 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 층이 개재될 수도 있다. 또한, 본 명세서에서 위쪽, 상(부), 상면 등의 방향적인 표현은 아래쪽, 하(부), 하면 등의 의미로 이해될 수 있다. 즉, 공간적인 방향의 표현은 상대적인 방향으로 이해되어야 하며, 절대적인 방향을 의미하는 것처럼 한정적으로 이해되어서는 안 된다.
본 명세서에서 "제1", "제2", 또는 "제3"는 구성요소들에 어떠한 한정을 가하려는 것은 아니며, 다만 구성요소들을 구별하기 위한 용어로서 이해되어야 할 것이다.
또한, 본 명세서에서 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하여 위하여 과장된 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타내며, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
제1 실시예 - 쇼트키 다이오드 타입의 가스 센서
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 센서의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 가스 센서는 기판(10), 반도체층(20), 금속 나노네트워크층(30), 제1 전극(40) 및 제2 전극(50)을 포함한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 기판(10)에 상기 반도체층(20)이 적층되고, 상기 반도체층(20) 상에 금속 나노네트워크층(30)과 제1 전극(40)이 서로 이격되어 형성되며, 상기 금속 나노네트워크층(30) 상의 일부에 제2 전극(50)이 형성된다. 상기 금속 나노네트워크층(30)은 상기 반도체층(20) 상에서 쇼트키 장벽(Schottky barrier)을 형성한다. 따라서, 상기 반도체층(20)과 상기 금속 나노네트워크층(30)은 쇼트키 다이오드를 형성한다. 상기 제1 전극(40) 및 제2 전극(50)을 통해 상기 쇼트키 다이오드에 소정 크기 이상의 바이어스가 인가되면, 상기 반도체층(20)에 전류가 흐를 수 있게 된다. 상기 쇼트키 다이오드에 검출 대상 가스가 노출되면, 상기 쇼트키 다이오드를 구성하는 금속 나노네트워크층(30)이 검출 대상 가스 분자와 반응을 일으켜 상기 반도체층(20)의 표면 전하량을 변화시킨다. 상기와 같은 반도체층(20)의 표면 전하량 변화에 의해 상기 쇼트키 다이오드에 흐르는 전류량이 변하게 되고, 상기 전류량의 변화를 측정함으로써 검출 대상 가스를 센싱(sensing)할 수 있다.
상기 기판(10)은 가스 센서의 지지체가 되는 것으로, 종래의 반도체 공정이 이루어지는 다양한 상용의 웨이퍼일 수 있다. 특히, 상기 기판(10)은 실리콘 기판 등과 같은 반도체 기판 또는 SOI 기판, 사파이어 기판 또는 금속 산화물 기판 등과 같은 절연 기판일 수 있다.
상기 반도체층(20)은 상기 제1 전극(40) 및 제2 전극(50)을 통해 외부에서 인가되는 소정 크기 이상의 바이어스에 의해 전도성 채널이 형성되는 층으로서, 상기 반도체층(20)은 단층 또는 복층으로 구성될 수 있다.
상기 반도체층(20)이 단층으로 형성되는 경우, 상기 반도체층(20)은 Si, Ge과 같은 순물질 반도체 또는 GaN, AlGaN, InGaN, ZnO 등과 같은 Ⅲ-Ⅴ족 또는 Ⅱ-Ⅵ족 계열의 화합물 반도체 중 어느 하나 또는 둘 이상으로 구성될 수 있다.
상기 반도체층(20)이 복층으로 형성되는 경우, 상기 반도체층(20)은 제1 반도체층(21) 및 제2 반도체층(23)이 순차적층되어 구성될 수 있다. 상기 제1 반도체층(21)과 제2 반도체층(23)은 Ⅲ-Ⅴ족 또는 Ⅱ-Ⅵ족 계열의 화합물 반도체일 수 있다. 더욱 바람직하게는, 상기 제1 반도체층(21)과 제2 반도체층(23)은 AlN, GaN, GaAs, ZnO 등과 같은 이원소화합물 반도체 또는 AlGaN, InGaN, ZnMgO, ZnCdO 등과 같은 삼원소화합물 반도체 중 어느 하나 또는 둘 이상으로 구성될 수 있고, 상기 제1 반도체층(21)과 제2 반도체층(23)은 밴드갭이 서로 다른 물질로 구성된다. 특히, 상기 제2 반도체층(23)은 상기 제1 반도체층(21)에 비하여 밴드갭이 더 큰 물질로 구성되는 것이 바람직하고, 일 예로서, 상기 제1 반도체층(21)은 GaN, 상기 제2 반도체층은 AlGaN으로 구성될 수 있다. 상기와 같이 서로 다른 밴드갭을 갖는 제1 및 제2 반도체층(21, 23)이 이종접합되어 반도체층(20)을 형성하는 경우, 상기 제1 및 제2 반도체층(21, 23) 사이의 밴드갭 불연속성(bandgap discontinuity)에 의해 상대적으로 큰 밴드갭을 갖는 제2 반도체층으로부터 제1 반도체층으로 자유 전자가 확산된다. 상기와 같이 확산된 자유 전자는 상기 제1 및 제2 반도체층(21, 23)의 계면에 축적되어 2차원 전자가스(2 Dimensional Electron Gas, 2DEG)를 형성한다. 상기 2차원 전자가스는 전도성 채널로서 역할을 수행함으로써 전자의 이동속도나 전력밀도 등 쇼트키 다이오드의 소자 특성을 향상시킨다. 따라서, 상기 금속 나노네트워크층(30)과 검출 대상 가스 분자의 반응에 의해 전류량이 보다 민감하게 변하게 되고, 결과적으로 검출 대상 가스의 센싱 감도가 향상된다.
상기 금속 나노네트워크층(30)은 상기 반도체층(20)과 쇼트키 접합되어 쇼트키 다이오드를 형성함과 동시에, 검출 대상 가스와 반응을 일으켜 상기 반도체층(20)의 표면 전하에 형향을 줌으로써 상기 반도체층(20)을 통해 흐르는 전류량을 변화시키는 층이다. 따라서, 상기 금속 나노네트워크층(30)은 검출 대상 가스와 반응을 일으킬 수 있는 금속으로 구성되는 것이 바람직하다. 특히, 상기 금속 나노네트워크층(30)은 Pt, Pd, Au, Ag, Ti, Ni, Rh, Cr, Al, Cu, Sn, Mo, Ru, In 등의 촉매 금속, 더욱 바람직하게는 Pt, Pd, Au, Ag으로 구성될 수 있다. 상기 금속 나노네트워크층(30)을 구성하는 촉매 금속의 종류는 검출 대상 가스의 종류에 따라 당업자가 적절히 선택할 수 있고, 복수 개의 가스를 센싱하기 위해 두 종류 이상의 촉매 금속으로 구성될 수도 있다. 일 예로서 검출 대상 가스의 종류가 수소인 경우 상기 금속 나노네트워크층(30)은 Pt로 구성될 수 있고, 검출 대상 가스의 종류가 CH4인 경우 상기 금속 나노네트워크층(30)은 Ru로 구성될 수 있으며, 검출 대상 가스의 종류가 CO인 경우 상기 금속 나노네트워크층(30)은 Au로 구성될 수 있다.
상기 금속 나노네트워크층(30)은 상기 반도체층(20) 상에서 나노와이어 또는 나노로드들이 집합체를 이루어 서로 불규칙적으로 연결된 네트워크 구조로 형성된다. 상기와 같이 네트워크 형태로 형성된 촉매 금속은 종래 박막형의 촉매 금속에 비하여 검출 대상 가스와 접촉하는 표면적이 더 넓어지게 된다. 따라서, 상기 촉매 금속이 더욱 많은 양의 검출 대상 가스와 반응할 수 있게 되고, 결과적으로 검출 대상 가스의 센싱 감도가 향상된다. 상기 촉매 금속은 공지된 다양한 방법에 따라 나노와이어 네트워크 형태로 형성될 수 있고, 그 형성 방법은 촉매 금속의 종류에 따라 당업자가 적절하게 선택할 수 있다. 일 예로서, 상기 촉매 금속이 Pt인 경우, 상기 금속 나노네트워크층(30)은 Song 등(Nano Letters 2007; 7(12); 3650-3655) 문헌에 공지된 방법으로 제조한 Pt 나노네트워크 용액을 상기 반도체층(20) 상에 스핀 코팅함으로써 형성될 수 있다.
상기 제1 전극(40) 및 제2 전극(50)은 상기 쇼트키 다이오드에 바이어스를 인가하기 위한 전극이다. 상기 제1 전극(40)은 상기 반도체층(20) 상의 일부에서 상기 금속 나노네트워크층(30)과 서로 이격되어 형성된다. 또한, 상기 제2 전극(50)은 상기 금속 나노네트워크층(30)의 상부면이 검출 대상 가스 분자와 접촉할 수 있도록 상기 금속 나노네트워크층(30)의 상부면 일부와 접촉되도록 상기 금속 나노네트워크층(30) 상에 형성된다. 상기 제1 전극(40) 및 제2 전극(50)은 Pt, Pd, Ag, Au, Ni, Ti, Cr, Al, Cu, Sn, Mo, Ru 및 In으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 합금으로 구성될 수 있다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 센서에 금속박막층과 오믹컨택층이 추가적으로 포함된 가스 센서의 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 센서는 금속박막층(60) 또는 오믹컨택층(70)을 더 포함할 수 있다.
상기 금속박막층(60)은 상기 반도체층(20)과 상기 금속 나노네트워크층(30) 사이에 개재되고, 상기 반도체층(20) 상에서 상기 제1 전극(40)과 이격되어 형성된다. 상기 금속박막층(60)이 추가적으로 포함되는 경우, 상기 금촉박막층(60)이 상기 반도체층(20)과 쇼트키 접합되어 쇼트키 다이오드를 형성하고, 상기 금속 나노네트워크층(30)은 검출 대상 가스 분자와의 반응을 촉매하는 역할을 한다.
상기 금속박막층(60)은 상기 금속 나노네트워크층(30)과 같이 Pt, Pd, Au, Ag, Ti, Cr, Al, Cu, Sn, Mo, Ru, In 등의 촉매 금속으로 형성될 수 있다. 상기 금속박막층(60)이 상기와 같은 촉매 금속으로 구성되는 경우, 상기 금속박막층(60)은 쇼트키 다이오드를 형성하는 역할과, 검출 대상 가스와 반응을 일으켜 상기 반도체층(20)을 통해 흐르는 전류량을 변화시키는 역할을 동시에 수행하게 된다. 특히, 상기 금속 나노네트워크층(30)과 상기 금속박막층(60)이 모두 검출 대상 가스와 반응을 일으킬 수 있게 되기 때문에 검출 대상 가스가 반응을 일으킬 수 있는 촉매 금속이 검출 대상 가스와 접촉하는 표면적은 더욱 넓어지게 되어 검출 대상 가스의 센싱 감도 또한 더욱 향상된다. 따라서, 상기 금속박막층(60)를 구성하는 금속의 종류는 검출 대상 가스의 종류에 따라 적절히 선택되어야 하고, 특히 상기 금속 나노네트워크층(30)을 구성하는 촉매 금속과 동종의 촉매 금속으로 구성될 수도 있다.
상기 오믹컨택층(70)은 상기 반도체층(20)과 상기 제1 전극(40) 간의 접촉에 의하여 발생할 수 있는 쇼트키 장벽을 완화시키기 위한 층이다. 따라서, 상기 오믹컨택층(70)은 상기 반도체층(20)과 상기 제1 전극(40) 사이에 개재되고, 상기 반도체층(20) 상에서 상기 금속 나노네트워크층(30) 및 상기 금속박막층(60)과 이격되어 형성되는 것이 바람직하다.
제2 실시예 - 금속반도체 전계효과 트랜지스터 타입의 가스 센서
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 가스 센서의 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 가스 센서는 기판(10), 반도체층(20), 금속 나노네트워크층(30), 제1 전극(40) 및 제2 전극(50)을 포함한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 기판(10)에 상기 반도체층(20)이 적층되고, 상기 반도체층(20) 상에 제1 전극(40)과 제2 전극(50)이 서로 이격되어 대향배치되며, 상기 제1 전극(40)과 제2 전극(50)의 사이에서 상기 두 전극(40, 50)과 서로 이격되도록 금속 나노네트워크층(30)이 형성된다. 상기 금속 나노네트워크층(30)은 상기 반도체층(20) 상에서 쇼트키 장벽(Schottky barrier)을 형성하도록 접합되고, 일종의 게이트 전극으로 작용한다. 따라서, 상기 반도체층(20) 및 상기 금속 나노네트워크층(30)은 상기 반도체층(20) 상에서 대향배치된 상기 제1 전극(40) 및 제2 전극(50)과 함께 금속반도체 전계효과 트랜지스터를 형성한다. 상기 제1 전극(40) 및 제2 전극(50)을 통해 상기 금속반도체 전계효과 트랜지스터에 소정 크기 이상의 바이어스가 인가된 상태에서, 검출 대상 가스에 상기 금속반도체 전계효과 트랜지스터가 노출되면 전류가 유도된다. 즉, 게이트 전극으로서 역할을 수행하는 상기 금속 나노네트워크층(30)이 상기 검출 대상 가스 분자와 일으키는 반응에 의해 상기 반도체층(20)의 표면 전하량이 변화한다. 상기와 같은 반도체층(20)의 표면 전하량 변화에 의하여 상기 반도체층(20)에 전도성 채널의 전류량 변화가 일어난다. 상기 전류량의 변화를 측정함으로써 검출 대상 가스를 센싱(sensing)할 수 있다.
상기 기판(10) 및 반도체층(20)에 관한 설명은 상기 실시예 1의 도 1에 관한 설명에서 설명된 바와 동일하므로, 상기 실시예 1에서의 설명을 원용한다.
상기 제1 전극(40) 및 제2 전극(50)은 상기 금속반도체 전계효과 트랜지스터에 바이어스를 인가하기 위해 소스(source) 또는 드레인(drain)으로서 역할을 하는 전극이다. 상기 제1 전극(40)과 제2 전극(50)은 인가되는 바이어스의 방향에 따라 각각 소스(source) 또는 드레인(drain)으로서의 역할이 결정되고, 상기 반도체층(20) 상의 일부에서 서로 이격되어 형성된다. 상기 제1 전극(40) 및 제2 전극(50)은 Pt, Pd, Ag, Au, Ni, Ti, Cr, Al, Cu, Sn, Mo, Ru 및 In으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 합금으로 구성될 수 있다.
상기 금속 나노네트워크층(30)은 상기 반도체층(20)과 쇼트키 접합되어 금속반도체 전계효과 트랜지스터의 게이트 전극을 형성함과 동시에, 검출 대상 가스와 반응을 일으켜 상기 반도체층(20)의 전도성 채널에 표면 전햐량 변화에 따른 전류량의 변화를 유도하는 층이다. 따라서, 상기 금속 나노네트워크층(30)은 상기 제1 전극(40) 및 제2 전극(50) 사이에서 상기 제1 전극(40) 및 제2 전극(50)과 이격배치되고, 검출 대상 가스와 반응을 일으킬 수 있는 촉매 금속으로 구성되는 것이 바람직하다.
상기 촉매 금속은 상기 반도체층(20) 상에서 나노와이어 또는 나노로드들이 집합체를 이루어 서로 불규칙적으로 연결된 네트워크 구조로 형성된다. 상기와 같이 네트워크 형태로 형성된 촉매 금속은 종래 박막형의 촉매 금속에 비하여 검출 대상 가스와 접촉하는 표면적이 더 넓어지게 된다. 따라서, 상기 촉매 금속이 더욱 많은 양의 검출 대상 가스와 반응할 수 있게 되고, 결과적으로 검출 대상 가스의 센싱 감도가 향상된다.
이외에, 상기 금속 나노네트워크층(30)의 조성, 형태 및 형성 방법에 관해서는 상기 실시예 1의 도 1에 관한 설명에서 설명된 바와 동일하므로, 상기 실시예 1에서의 설명을 원용한다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 가스 센서에 금속박막층과 오믹컨택층이 추가적으로 포함된 가스 센서의 단면도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 가스 센서는 금속박막층(60) 또는 오믹컨택층(70)을 더 포함할 수 있다.
상기 금속박막층(60)은 상기 반도체층(20)과 상기 금속 나노네트워크층(30) 사이에 개재되고, 상기 반도체층(20) 상에서 상기 제1 전극(40) 및 제2 전극(50)과 이격되어 형성된다. 상기 금속박막층(60)이 추가적으로 포함되는 경우, 상기 금촉박막층(60)이 상기 반도체층(20)과 쇼트키 접합되어 게이트로서 역할을 하고, 상기 금속 나노네트워크층(30)은 검출 대상 가스 분자와의 반응을 촉매하는 역할을 한다.
이외에, 상기 금속박막층(60)의 조성 및 역할에 관해서는 상기 실시예 1의 도 2에 관한 설명에서 설명된 바와 동일하므로, 상기 실시예 1에서의 설명을 원용한다.
상기 오믹컨택층(70)은 상기 반도체층(20)과 상기 제1 전극(40) 및 제2 전극(50) 간의 접촉에 의하여 발생할 수 있는 쇼트키 장벽을 완화시키기 위한 층이다. 따라서, 상기 오믹컨택층(70)은 상기 반도체층(20)과 상기 제1 전극(40) 사이 또는 상기 반도체층(20)과 상기 제2 전극(50) 사이에 개재되고, 상기 반도체층(20) 상에서 상기 금속 나노네트워크층(30) 및 상기 금속박막층(60)과 이격되어 형성되는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실험예를 제시한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
<실험예 1> 쇼트키 다이오드 타입의 가스 센서의 민감도 비교
<1-1> 금속 나노네트워크층을 포함하는 가스센서의 제조
Al2O3 기판 상에 MOCVD 방법으로 2 ㎛ 두께의 제1 반도체층(GaN) 및 35 ㎚ 두께의 제2 반도체층(Al0.3Ga0.7N)을 증착시킨 후, 상기 제2 반도체층 상의 일부에 제1 전극(Ti/Al/Ni/Au)을 형성한 다음, 상기 제2 반도체층 상의 나머지 일부에 상기 제1 전극과 절연되도록 10 ㎚ 두께의 금속박막층(Pt)을 증착시켰다. 상기 금속박막층 상에 Song 등(Nano Letters 2007; 7(12); 3650-3655) 문헌과 같은 방법으로 제조한 Pt 나노네트워크가 포함된 용액을 스핀 코팅함으로써 금속 나노네트워크층(Pt)을 형성하였다. 상기 금속 나노네트워크층 상에 제2 전극(Ti/Au)을 증착시킴으로써 도 5와 같은 구조의 쇼트키 다이오드 타입의 가스 센서 소자를 완성하였다.
<1-2> 금속 나노네트워크층을 포함하지 않는 가스센서의 제조
상기 실험예 <1-1>에서 제조한 바와 동일한 방법으로 가스 센서를 제조하되, 금속 나노네트워크층을 형성하지 않고, 상기 금속박막층(Pt) 상에 바로 제2 전극(Ti/Au)을 증착시켜 가스 센서 소자를 완성하였다.
<1-3> 금속 나노네트워크층의 관찰
상기 실험예 <1-1>에서 제조한 가스 센서 소자의 금속 나노네트워크층을 TEM으로 관찰하였다.
그 결과, 도 6과 같은 Pt가 나노와이어 네트워크 구조로 금속 나노네트워크층을 형성하고 있음을 확인하였다.
<1-4> 수소 가스에 대한 민감도 측정
상기 실험예 <1-1> 및 <1-2>에서 제조한 가스 센서 소자를 각각 질소 가스 또는 4 %의 수소 가스가 포함된 질소 가스에 노출시켜 전류의 변화를 측정하였다.
그 결과, 도 7의 (c)에 도시된 바와 같이, 1 V의 정바이어스를 인가한 경우, 실험예 <1-2>의 가스 센서 소자에서는 4 %의 수소 가스로 인해 5.3 × 104 %의 전류 변화가 측정된 반면, 실험예 <1-1>의 가스 센서 소자에서는 4 %의 수소 가스로 인해 2.3 × 107 %의 전류 변화가 측정되었다.
상기와 같은 결과로부터, 금속 나노네트워크층에 의해 수소 가스에 대한 민감도가 현저히 향상됨을 알 수 있다.
<실험예 2> 금속반도체 전계효과 트랜지스터 타입의 가스 센서의 민감도 비교
<2-1> 금속 나노네트워크층을 포함하는 가스센서의 제조
Al2O3 기판 상에 MOCVD 방법으로 2 ㎛ 두께의 제1 반도체층(GaN) 및 35 ㎚ 두께의 제2 반도체층(Al0.3Ga0.7N)을 증착시킨 후, 상기 제2 반도체층 상의 일부에 제1 전극(Ti/Al/Ni/Au) 및 제2 전극(Ti/Al/Ni/Au)이 서로 이격되도록 형성하였다. 상기 제2 반도체층에 Song 등(Nano Letters 2007; 7(12); 3650-3655) 문헌과 같은 방법으로 제조한 Pt 나노네트워크가 포함된 용액을 스핀 코팅함으로써 금속 나노네트워크층(Pt)을 형성함으로써 도 8과 같은 구조의 금속반도체 전계효과 트랜지스터 타입의 가스 센서 소자를 완성하였다.
<2-2> 금속 나노네트워크층을 포함하지 않는 가스센서의 제조
상기 실험예 <2-1>에서 제조한 바와 동일한 방법으로 가스 센서를 제조하되, 금속 나노네트워크층을 형성하지 않고, 제2 반도체층 상의 제1 전극 및 제2 전극 사이에 상기 두 전극과 절연되도록 금속박막층(Pt) 만을 증착시켜 가스 센서 소자를 완성하였다.
<2-3> 수소 가스에 대한 민감도 측정
상기 실험예 <2-1> 및 <2-2>에서 제조한 가스 센서 소자에 바이어스를 인가하고, 각기 다른 농도의 수소 가스에 노출시켜 전류의 변화를 측정하였다.
그 결과, 도 10에 도시된 바와 같이, 실험예 <2-2>의 가스 센서 소자에서는 금속박막층(Pt)에 인가된 바이어스에 따른 수소 가스 노출 전후에 전류의 변화가 거의 관찰되지 않은 반면, 실험예 <2-1>의 가스 센서 소자에서는 금속나노네트워크층(Pt)에 인가된 바이어스에 따른 수소 가스 노출 전후에 전류의 변화가 뚜렷하게 관찰되었다.
상기와 같은 결과로부터, 금속 나노네트워크층에 의해 수소 가스에 대한 민감도가 현저히 향상됨을 알 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 상기와 같은 특정 실시예에만 한정되지 아니하며, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다.
Claims (15)
- 기판;
상기 기판 상에 형성된 반도체층;
상기 반도체층 상의 일부에 형성되어, 검출 대상 가스와 반응함으로써 상기 반도체층의 전하량을 변화시키는 금속 나노네트워크층;
상기 금속 나노네트워크층이 형성된 부분을 제외한 상기 반도체층 상의 나머지 부분 상에 상기 금속 나노네트워크층과 이격되어 형성되는 제1 전극; 및
상기 금속 나노네트워크층의 일부와 접촉되도록 상기 금속 나노네트워크층 상에 형성되는 제2 전극을 포함하고,
상기 금속 나노네트워크층은 나노와이어 또는 나노로드들이 집합체를 이루어 서로 연결된 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 가스 센서. - 제1항에 있어서, 상기 반도체층은 Ⅲ-Ⅴ족 또는 Ⅱ-Ⅵ족 계열의 화합물 반도체로 구성되는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 반도체층은 상기 기판 상에 순차적층된 제1 반도체층 및 제2 반도체층을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
- 제3항에 있어서, 상기 제1 반도체층은 Ⅲ-Ⅴ족 또는 Ⅱ-Ⅵ족 계열의 화합물 반도체로 구성되는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
- 제3항에 있어서, 상기 제2 반도체층은 상기 제1 반도체층보다 밴드갭이 더 큰 Ⅲ-Ⅴ족 또는 Ⅱ-Ⅵ족 계열의 화합물 반도체로 구성되는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 금속 나노네트워크층은 Pt, Pd, Au, Ag, Ti, Ni, Rh, Cr, Al, Cu, Sn, Mo, Ru 및 In로 구성되는 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 합금으로 구성되는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 반도체층과 상기 금속 나노네트워크층 사이에 개재되는 금속박막층을 더 포함하고, 상기 금속박막층은 상기 반도체층 상에서 상기 제1 전극과 이격되어 형성되는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
- 제8항에 있어서, 상기 금속박막층은 Pt, Pd, Au, Ag, Ti, Ni, Rh, Cr, Al, Cu, Sn, Mo, Ru 및 In로 구성되는 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 합금으로 구성되는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
- 기판;
상기 기판 상에 형성된 반도체층;
상기 반도체층 상의 일부에 서로 이격되어 형성된 제1 전극 및 제2 전극; 및
상기 반도체층 상에 형성되고, 상기 제1 전극 및 제2 전극 사이에서 상기 제1 전극 및 제2 전극과 이격배치되어, 검출 대상 가스와 반응함으로써 상기 반도체층의 전하량을 변화시키는 금속 나노네트워크층을 포함하고,
상기 금속 나노네트워크층은 나노와이어 또는 나노로드들이 집합체를 이루어 서로 연결된 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 가스 센서. - 제10항에 있어서, 상기 반도체층은 Ⅲ-Ⅴ족 또는 Ⅱ-Ⅵ족 계열의 화합물 반도체로 구성되는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
- 제10항에 있어서, 상기 반도체층은 상기 기판 상에 순차적층된 제1 반도체층 및 제2 반도체층을 포함하고,
상기 제1 반도체층은 Ⅲ-Ⅴ족 또는 Ⅱ-Ⅵ족 계열의 화합물 반도체로 구성되고, 상기 제2 반도체층은 상기 제1 반도체층보다 밴드갭이 더 큰 Ⅲ-Ⅴ족 또는 Ⅱ-Ⅵ족 계열의 화합물 반도체로 구성되는 것을 특징으로 하는 가스 센서. - 삭제
- 제10항에 있어서, 상기 금속 나노네트워크층은 Pt, Pd, Au, Ag, Ti, Ni, Rh, Cr, Al, Cu, Sn, Mo, Ru 및 In로 구성되는 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 합금으로 구성되는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
- 제10항에 있어서, 상기 반도체층과 상기 금속 나노네트워크층 사이에 개재되고, 상기 제1 전극 및 제2 전극과 이격되어 형성되는 금속박막층을 더 포함하고,
상기 금속박막층은 Pt, Pd, Au, Ag, Ti, Ni, Rh, Cr, Al, Cu, Sn, Mo, Ru 및 In로 구성되는 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 합금으로 구성되는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
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| US20110088456A1 (en) * | 2009-10-16 | 2011-04-21 | Fan Ren | Normalized hydrogen sensing and methods of fabricating a normalized hydrogen sensor |
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2012
- 2012-06-19 KR KR1020120065743A patent/KR101424867B1/ko active IP Right Grant
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