KR101455130B1 - 금속산화물 반도체를 이용한 접합센서 어레이 및, 접합센서 어레이 제조방법 - Google Patents

금속산화물 반도체를 이용한 접합센서 어레이 및, 접합센서 어레이 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따르면, 반도체기판(10); 및 상기 반도체기판(10) 상에 일정간격 이격되어 각각 증착된 제1반도체 씨드층(20) 및 제2반도체 씨드층(30)과, 상기 제1반도체 씨드층(20) 및 제2반도체 씨드층(30)으로부터 각각 성장되어 형성된 제1나노구조체(21) 및 제2나노구조체(31)와, 상기 제1나노구조체(21) 및 제2나노구조체(31)의 표면에 증착된 촉매층(50)을 포함하는 접합센서소자(100);를 포함하는 금속산화물 반도체를 이용한 접합센서 어레이를 개시한다.

Description

금속산화물 반도체를 이용한 접합센서 어레이 및, 접합센서 어레이 제조방법{Multi-Junction Sensor Array Based On Metal Oxide Semiconductor And Method For Fabricating The Same}
본 발명은 수소나 일산화탄소 등의 반응가스를 감지할 수 있는 금속산화물 반도체를 이용한 접합센서 어레이 및, 접합센서 어레이 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 P형 및 N형의 반도체 접합구조를 기반으로 하여 형성된 다종의 접합구조 및 촉매층을 감지소재로 이용함으로써 고감도 및 고선택성의 특성을 갖는 금속산화물 반도체를 이용한 접합센서 어레이 및, 접합센서 어레이 제조방법에 관한 것이다.
가스감지용 산화물 반도체는 반응가스에 대하여 우수한 반응성, 안정성, 내구성 및 생산성을 나타내기 때문에 벌크(Bulk), 후막, 칩(Chip) 및 박막 형태로 연구 및 개발되고 있다. 이러한 산화물 반도체 가스센서의 반응가스에 대한 가스감지 특성은 산화물 표면에 반응가스가 흡/탈착시 발생하는 가역적 화학반응에 의하여 반도체 산화물의 전기적 특성이 변화하는 것에 기인한다.
그러나, 종래의 산화물 반도체 가스센서의 경우 재료가 TiO2로 제한적이고, 반응가스에 대한 응답 및 회복속도가 빠르지 못한 단점이 있었으며, 이러한 단점을 향상시키기 위해 귀금속 촉매를 이용하는 시도 및 연구가 진행되고 있으나, 귀금속 촉매의 사용은 제조비용을 상승시키는 단점이 있었다.
또한, 다양한 종류의 반응가스를 감지하기 위해서는 서로 다른 이종의 산화물 반도체를 증착시켜야 했으나, 종래에는 이종의 산화물 반도체를 한 기판에 성장시키기 위해서는 각각의 물질마다 한 번 이상의 성장 공정이 필요하였으며, 각 물질별로 포토리소그라피 공정에 필요한 패터닝(Patterning) 공정을 수행해야 하는 등 복잡한 제조공정이 요구됨에 따라 제조비용이 상승하는 문제점이 있었다.
공개특허공보 제2012-0057725호(2012.06.07), La계 산화물 나노섬유 및 그 제조방법과, 이를 이용한 P 타입 가스센서, 전기전도체 및 나노로드
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 P형 및 N형의 반도체 접합구조를 기반으로 하여 형성된 다종의 접합 및 촉매층을 감지소재로 이용함으로써 고감도 및 고선택성의 특성을 갖는 금속산화물 반도체를 이용한 접합센서 어레이 및, 접합센서 어레이 제조방법을 제공하는 것에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 금속산화물 반도체를 이용한 접합센서 어레이는, 반도체기판(10); 및 상기 반도체기판(10) 상에 일정간격 이격되어 각각 증착된 제1반도체 씨드층(20) 및 제2반도체 씨드층(30)과, 상기 제1반도체 씨드층(20) 및 제2반도체 씨드층(30)으로부터 각각 성장되어 형성된 제1나노구조체(21) 및 제2나노구조체(31)와, 상기 제1나노구조체(21) 및 제2나노구조체(31)의 표면에 증착된 촉매층(50)을 포함하는 접합센서소자(100);를 포함한다.
여기서, 상기 접합센서소자(100)는 상기 반도체기판(10) 상에 하나 이상 배치되도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1반도체 씨드층(20) 및 제2반도체 씨드층(30)은, P형의 금속산화물 물질 및 P형의 금속산화물 물질의 동종 조합, N형의 금속산화물 물질 및 N형의 금속산화물 물질의 동종 조합, P형의 금속산화물 물질 및 N형의 금속산화물 물질의 이종 조합 또는, N형의 금속산화물 물질 및 P형의 금속산화물 물질의 이종 조합 중 어느 하나의 동종 또는 이종 조합으로 각각 이루어질 수 있다.
또한, 상기 제1나노구조체(21)와 제2나노구조체(31)는, 상기 제1반도체 씨드층(20) 및 제2반도체 씨드층(30)으로부터 각각 성장되면서 상기 일정간격 이격된 공간상에서 상호 네트워크 형태로 연결되어 접합부(40)를 형성할 수 있다.
또한, 상기 촉매층(50)은, 상기 접합부(40)가 형성된 부분에 국한되어 증착될 수 있다.
또한, 상기 반도체기판(10) 상에는 복수 개의 접합센서소자(100)가 배치되어 형성되되, 하나의 접합센서소자(100)에 형성된 제1반도체 씨드층(20) 및 제2반도체 씨드층(30)의 조합은, 다른 하나의 접합센서소자(100)에 형성된 제1반도체 씨드층(20) 및 제2반도체 씨드층(30)의 조합과 서로 다른 동종 또는 이종의 조합으로 이루어질 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 금속산화물 반도체를 이용한 접합센서 어레이 제조방법은, 반도체기판(10) 상에 제1반도체 씨드층(20) 및 제2반도체 씨드층(30)이 일정간격 이격되어 형성되도록 증착하는 씨드층 증착 단계(S210); 상기 제1반도체 씨드층(20) 및 제2반도체 씨드층(30)을 열처리 하여 상기 제1반도체 씨드층(20) 및 제2반도체 씨드층(30)으로부터 각각 제1나노구조체(21) 및 제2나노구조체(31)를 성장시키는 나노구조체 성장 단계(S230); 및 상기 제1나노구조체(21) 및 제2나노구조체(31)의 표면에 촉매층(50)이 형성되도록 증착하는 촉매층 증착 단계(S250);를 포함한다.
여기서, 상기 씨드층 증착 단계(S210)는, 상기 제1반도체 씨드층(20) 및 제2반도체 씨드층(30)을 P형의 금속산화물 물질 및 P형의 금속산화물 물질의 동종 조합, N형의 금속산화물 물질 및 N형의 금속산화물 물질의 동종 조합, P형의 금속산화물 물질 및 N형의 금속산화물 물질의 이종 조합 또는, N형의 금속산화물 물질 및 P형의 금속산화물 물질의 이종 조합 중 어느 하나의 동종 또는 이종 조합으로 각각 이루어지도록 증착할 수 있다.
또한, 상기 나노구조체 성장 단계(S230)는, 상기 제1반도체 씨드층(20) 및 제2반도체 씨드층(30)으로부터 각각 제1나노구조체(21)와 제2나노구조체(31)가 성장되면서 상기 일정간격 이격된 공간상에서 상호 네트워크 형태로 연결되어 접합부(40)를 형성할 수 있다.
또한, 상기 촉매층 증착 단계(S250)는, 상기 접합부(40)가 형성된 부분에 국한되어 촉매층(50)이 형성되도록 증착할 수 있다.
또한, 상기 씨드층 증착 단계(S210)는, 상기 반도체기판(10) 상에는 복수 개의 접합센서소자(100)가 형성되도록 복수의 위치에 각각의 제1반도체 씨드층(20) 및 제2반도체 씨드층(30)이 형성되도록 증착하되, 하나의 접합센서소자(100)를 형성하기 위한 제1반도체 씨드층(20) 및 제2반도체 씨드층(30)의 조합은, 다른 하나의 접합센서소자(100)를 형성하기 위한 제1반도체 씨드층(20) 및 제2반도체 씨드층(30)의 조합과 서로 다른 동종 또는 이종의 조합으로 이루어지도록 증착될 수 있다.
본 발명에 따른 금속산화물 반도체를 이용한 접합센서 어레이 및, 접합센서 어레이 제조방법에 의하면,
첫째, P형 및 N형의 반도체 접합구조를 기반으로 하여 형성된 다종의 접합 및 촉매층을 감지소재로 이용함으로써 고감도 및 고선택성의 특성을 가질 수 있으며, 이러한 특성을 갖는 금속산화물 반도체를 이용한 접합센서 어레이를 제조할 수 있다. 또한, 이종 또는 동종의 금속산화물 물질을 반도체기판에 접합시키기 위해 필요한 물질을 포토리소그라피 공정을 통한 증착을 한 뒤, 한 번의 성장 공정만으로 각 물질의 나노구조체를 동시에 성장시킬 수 있으므로 접합센서 어레이의 제조절차가 간소해지는 장점이 있다.
둘째, 하나의 접합센서소자에 형성되는 상기 제1반도체 씨드층 및 제2반도체 씨드층은, P형의 금속산화물 물질 및 P형의 금속산화물 물질의 동종 조합, N형의 금속산화물 물질 및 N형의 금속산화물 물질의 동종 조합, P형의 금속산화물 물질 및 N형의 금속산화물 물질의 이종 조합 또는, N형의 금속산화물 물질 및 P형의 금속산화물 물질의 이종 조합 중 어느 하나의 동종 또는 이종 조합으로 각각 이루어질 수 있으므로, 제1반도체 씨드층 및 제2반도체 씨드층을 형성하는 금속산화물 물질의 종류에 따라 다양한 종류의 반응가스를 감지할 수 있어 고선택성 특성을 증대시킬 수 있다.
셋째, 제1나노구조체와 제2나노구조체는, 상기 제1반도체 씨드층 및 제2반도체 씨드층으로부터 각각 성장되면서 상기 일정간격 이격된 공간상에서 상호 네트워크 형태로 연결되어 접합부를 형성하므로, 상기 접합부 내 접촉면에 존재하는 전자 및 정공 농도의 증가 및 감소를 통하여 감도가 향상되는 효과를 제공한다. 더욱이, 상기 접합부에는 촉매층이 증착되어 형성되므로 접합센서소자의 고감응성을 더욱 증대시킬 수 있다.
넷째, 상기 촉매층으로서 상기 제1나노구조체 및 제2나노구조체을 형성하는 금속산화물 물질을 통해 감지할 수 있는 기체 이외의 다른 기체를 감지할 수 있는 금속산화물 물질로 이루어짐에 따라 더욱 다양한 종류의 반응가스를 감지할 수 있다.
다섯째, 반도체기판 상에는 복수 개의 접합센서소자가 배치되어 형성되되, 하나의 접합센서소자에 형성된 제1반도체 씨드층 및 제2반도체 씨드층의 조합은, 다른 하나의 접합센서소자에 형성된 제1반도체 씨드층 및 제2반도체 씨드층의 조합과 서로 다른 동종 또는 이종의 조합으로 이루어질 수 있으므로, 더욱 다양한 종류의 반응가스를 감지할 수 있음은 물론, 접합센서소자를 비교적 간단한 공정으로 대량생산할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 접합센서소자의 구성을 나타낸 단면도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 접합센서 어레이 제조방법의 순서를 나타낸 순서도,
도 3 및 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 씨드층 증착 단계를 나타낸 단면도 및 개략도,
도 5 및 도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나노구조체 성장 단계를 나타낸 단면도, 개략도 및, 접합부의 형상을 촬영한 SEM 이미지,
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 촉매층 증착 단계를 나타낸 단면도 및 개략도,
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제1반도체 씨드층 및 제2반도체 씨드층을 증착하기 위한 마스크 패턴을 나타낸 개략도,
도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 접합센서 어레이 제조방법을 통해 다양한 이종의 조합 형태를 갖는 접합센서소자의 구성을 나타낸 개략도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
먼저, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 접합센서 어레이의 구성 및 기능을 설명하기로 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 접합센서 어레이는, P형 및 N형의 반도체 접합구조를 기반으로 하여 형성된 다종의 접합 및 촉매층을 감지소재로 이용함으로써 고감도 및 고선택성의 특성을 갖는 금속산화물 반도체를 이용한 접합센서 어레이로서, 도 1에 도시된 바와 같이 반도체기판(10) 및 상기 반도체기판(10) 상에 하나 이상이 배치되는 접합센서소자(100)를 포함하여 구비된다.
여기서, 상기 반도체기판(10)는, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 접합센서소자(100)가 형성되는 베이스판으로서, Al2O3, Al2O3/Si, SiO2/Si 등의 절연체 기판 및 절연층이 있는 기판으로 구비된다.
상기 접합센서소자(100)는, 상기 반도체기판(10) 상에 일정간격 이격되어 각각 증착된 제1반도체 씨드층(20) 및 제2반도체 씨드층(30)과, 상기 제1반도체 씨드층(20) 및 제2반도체 씨드층(30)으로부터 각각 성장되어 형성된 제1나노구조체(21) 및 제2나노구조체(31)와, 상기 제1나노구조체(21) 및 제2나노구조체(31)의 표면에 증착된 촉매층(50)을 포함하여 구비된다.
여기서, 상기 제1반도체 씨드층(20) 및 제2반도체 씨드층(30)이 상호 이격된 일정간격은 나노구조체(21,31)가 성장되면서 나노구조체의 접합이 용이하도록 10㎛ 내외로 형성되는 것이 바람직하나, 그 간격은 나노구조체의 특성에 따라 적절하게 조절될 수 있다.
도 9에는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제1반도체 씨드층(20) 및 제2반도체 씨드층(30)을 증착하기 위한 포토리소그라피(Photo-Lithography) 공정의 마스크 패턴이 도시되어 있다. 도 9와 같이, 상기 마스크 패턴을 통해 상기 제1반도체 씨드층(20) 및 제2반도체 씨드층(30)은 포토리소그라피(Photo-Lithography) 공정을 통해 반도체기판(10) 상에 증착할 수 있으며, 상기 제1나노구조체(21) 및 제2나노구조체(31)는 제1반도체 씨드층(20) 및 제2반도체 씨드층(30)이 배열된 반도체기판(10)을 소스(Source)와 함께 열처리 방법을 사용하여 상기 반도체기판(10)의 상부의 제1반도체 씨드층(20) 및 제2반도체 씨드층(30)을 핵으로 하여 반도체 나노구조체를 형성할 수 있다.
보다 구체적으로 설명하면, 도 9에 도시된 첫번째 도면은 상기 제1반도체 씨드층(20)의 증착을 위한 마스크 패턴이고, 두번째 도면은 상기 제2반도체 씨드층(30)의 증착을 위한 마스크 패턴이며, 세번째 도면은 접합센서소자(100)의 접합부(40)의 증착을 위한 마스크 패턴을 나타낸다. 이러한 각 마스크 패턴을 이용한 포토리소그라피 공정을 통해 이종의 반도체 씨드층을 갖는 하나의 접합센서소자(100)를 제조할 수 있는 것이다.
이때, 상기 제1반도체 씨드층(20) 및 제2반도체 씨드층(30)은 이종의 반도성을 갖는 반도체 물질의 성장을 동일한 열처리 조건을 통해서 진행할 수 있는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 제1나노구조체(21) 및 제2나노구조체(31)의 나노구조체 구조는 나노선(Nanowire), 나노막대(Nanoroad), 나노튜브(Nanotube), 나노벨트(Nanobelt), 또는, 나노리본(Nanoribbon) 등의 형태로 형성될 수 있다.
상술한 바와 같은, 포토리소그라피 공정을 통해 제조된 제1,2 반도체를 포함한 반도체기판(10)을 질소와 산소의 혼합 분위기로 만들어진 고온(400℃ 내지 500℃)의 챔버 내에 넣어서 2시간 이상 유지하는 조건으로 열처리를 공정을 수행할 수 있다.
또한, 상기 제1반도체 씨드층(20) 및 제2반도체 씨드층(30)은, P형의 금속산화물 물질 및 P형의 금속산화물 물질의 동종 조합, N형의 금속산화물 물질 및 N형의 금속산화물 물질의 동종 조합, P형의 금속산화물 물질 및 N형의 금속산화물 물질의 이종 조합 또는, N형의 금속산화물 물질 및 P형의 금속산화물 물질의 이종 조합 중 어느 하나의 동종 또는 이종 조합으로 각각 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 P형의 금속산화물 물질은 CuO, NiO, Cr2O3, Co3O4 등을 이용할 수 있으며, 상기 N형의 금속산화물 물질은 SnO2, TiO2, ZnO, In2O3, WO3, Zn2SnO4 등을 이용할 수 있다. 또한, 이러한 각 형의 물질 이외에 반도체 센서 기술분야에서 P형 및 N형의 금속산화물 물질로 이용되는 물질이면 어느 것이든 이용될 수 있다.
이와 같이, 접합센서소자(100)에 형성되는 상기 제1반도체 씨드층(20) 및 제2반도체 씨드층(30)은, P형의 금속산화물 물질 및 N형의 금속산화물 물질을 기반으로 하여 동종 또는 이종 조합으로 각각 이루어질 수 있으므로, 제1반도체 씨드층(20) 및 제2반도체 씨드층(30)을 형성하는 금속산화물의 종류에 따라 다양한 종류의 반응가스를 감지할 수 있어 고선택성 특성을 증대시킬 수 있다.
또한, 이종 또는 동종의 금속산화물 물질을 반도체기판(10)에 접합시키기 위해 필요한 물질을 포토리소그라피 공정을 통한 증착을 한 뒤, 한 번의 성장 공정만으로 각 물질의 나노구조체를 동시에 성장시킬 수 있으므로 접합센서 어레이의 제조절차가 간소해지는 장점이 있다.
그리고, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 제1나노구조체(21)와 제2나노구조체(31)는, 열처리 되어 상기 제1반도체 씨드층(20) 및 제2반도체 씨드층(30)으로부터 각각 성장되면서 제1반도체 씨드층(20) 및 제2반도체 씨드층(30) 사이의 상기 일정간격 이격된 공간상에서 상호 네트워크 형태로 연결되어 접합부(40)를 형성하며, 상기 촉매층(50)은 접합부(40)가 형성된 부분에 국한되어 증착되는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 촉매층(50)는 Pt, Ag, Au, Pd, RuO2, IrO2 등 촉매층(50)으로 사용될 수 있는 물질 중 적어도 어느 하나의 물질을 이용할 수 있다.
이로 인해, 상기 접합부(40) 내 접촉면에 존재하는 전자 및 정공 농도의 증가 및 감소를 통하여 감도가 향상되는 효과를 제공할 수 있음은 물론, 상기 접합부(40)에는 촉매층(50)이 증착되어 형성되므로 접합센서소자(100)의 고감응성을 더욱 증대시킬 수 있으며, 직접적으로 감지동작을 수행하는 접합부(40)에만 국한적으로 촉매층(50)을 증착 형성함으로써 제조공정을 보다 감소화할 수 있게 된다.
또한, 산화물 표면에 증착되어 있는 촉매층(50)의 구성을 통해 상기 촉매층(50)이 증착되지 않는 접합센서소자(100)와 비교하여 볼 때, 촉매층(50)이 증착된 접합센서소자(100)의 경우가 전기적 특성 변화폭이 더 크게 나타나게 되어, 촉매층(50)을 통해 고선택성 및 고감지도의 접합센서 어레이를 구현할 수 있는 것이다.
한편, 도 8 및 도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 상기 반도체기판(10) 상에는 복수 개의 접합센서소자(100)가 배치되어 형성되되, 하나의 접합센서소자(100)에 형성된 제1반도체 씨드층(20) 및 제2반도체 씨드층(30)의 조합은, 다른 하나의 접합센서소자(100)에 형성된 제1반도체 씨드층(20) 및 제2반도체 씨드층(30)의 조합과 서로 다른 동종 또는 이종의 조합으로 이루어짐으로써, 더욱 다양한 종류의 반응가스를 감지할 수 있음은 물론, 접합센서소자를 비교적 간단한 공정으로 대량생산할 수 있는 효과를 구현할 수 있다.
또한, 상기 촉매층(50)으로서, 상기 제1나노구조체(21) 및 제2나노구조체(31)를 형성하는 금속산화물 물질을 통해 감지할 수 있는 기체 이외의 다른 기체를 감지할 수 있는 금속산화물 물질로 형성함에 따라 더욱 다양한 종류의 반응가스를 감지할 수 있다.
다음으로는, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 접합센서 어레이 제조방법을 설명하기로 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 접합센서 어레이 제조방법은, P형 및 N형의 반도체 접합구조를 기반으로 하여 형성된 다종의 접합 및 촉매층을 감지소재로 이용함으로써 고감도 및 고선택성의 특성을 갖는 금속산화물 반도체를 이용한 접합센서 어레이를 제조할 수 있는 접합센서 어레이 제조방법으로서, 도 2에 도시된 바왁 같이 씨드층 증착 단계(S210), 나노구조체 성장 단계(S230) 및 촉매층 증착 단계(S250)를 포함하여 이루어진다.
먼저, 상기 씨드층 증착 단계(S210)는, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 반도체기판(10) 상에 제1반도체 씨드층(20) 및 제2반도체 씨드층(30)이 일정간격 이격되어 형성되도록 증착하는 단계로서, 포토리소그라피(Photo-Lithography) 공정을 통해 상기 제1반도체 씨드층(20) 및 제2반도체 씨드층(30)을 반도체기판(10) 상에 증착할 수 있다.
여기서, 상기 씨드층 증착 단계(S210)는, 상기 제1반도체 씨드층(20) 및 제2반도체 씨드층(30)을 P형의 금속산화물 물질 및 P형의 금속산화물 물질의 동종 조합, N형의 금속산화물 물질 및 N형의 금속산화물 물질의 동종 조합, P형의 금속산화물 물질 및 N형의 금속산화물 물질의 이종 조합 또는, N형의 금속산화물 물질 및 P형의 금속산화물 물질의 이종 조합 중 어느 하나의 동종 또는 이종 조합으로 각각 이루어지도록 증착할 수 있다.
보다 구체적으로 설명하면, 2번의 포토리소그라피 공정을 통해 상기 제1반도체 씨드층(20) 및 제2반도체 씨드층(30)을 선택적으로 증착할 수 있는데, 도 9를 참고하면, 상기 제1반도체 씨드층(20) 및 제2반도체 씨드층(30)을 증착하기 위해서는, 상기 제1반도체 씨드층(20)을 위한 포토레지스터 코팅 및 패터닝 → 상기 제1반도체 씨드층(20) 증착 → 제1반도체 씨드층(20)을 위한 포토레지스터 코팅 및 패터닝 → 제2반도체 씨드층(30) 증착 등의 과정을 거쳐 각 씨드층(20,30)을 증착함으로써 하나의 반도체기판(10)에 다종의 접합을 갖는 소자들을 증착시킬 수 있는 것이다.
여기서, 상기 P형의 금속산화물 물질은 CuO, NiO, Cr2O3, Co3O4 등의 물질을 이용할 수 있으며, 상기 N형의 금속산화물 물질은 SnO2, TiO2, ZnO, In2O3, WO3, Zn2SnO4 등의 물질을 이용할 수 있다.
이와 같이, 접합센서소자(100)에 형성되는 상기 제1반도체 씨드층(20) 및 제2반도체 씨드층(30)을 P형의 금속산화물 물질 및 N형의 금속산화물 물질을 기반으로 하여 동종 또는 이종 조합으로 각각 형성함으로써, 제1반도체 씨드층(20) 및 제2반도체 씨드층(30)을 형성하는 금속산화물의 종류에 따라 다양한 종류의 반응가스를 감지할 수 있어 고선택성 특성이 증대된 접합센서 어레이를 제조할 수 있다.
또한, 상기 씨드층 증착 단계(S210)는, 상기 반도체기판(10) 상에는 복수 개의 접합센서소자(100)가 형성되도록 복수의 위치에 각각의 제1반도체 씨드층(20) 및 제2반도체 씨드층(30)이 형성되도록 증착하되, 도 4에 도시된 바와 같이, 하나의 접합센서소자(100)를 형성하기 위한 제1반도체 씨드층(20) 및 제2반도체 씨드층(30)의 조합은, 다른 하나의 접합센서소자(100)를 형성하기 위한 제1반도체 씨드층(20) 및 제2반도체 씨드층(30)의 조합과 서로 다른 동종 또는 이종의 조합으로 이루어지도록 증착되는 것이 바람직하다.
상기 나노구조체 성장 단계(S230)는, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 제1반도체 씨드층(20) 및 제2반도체 씨드층(30)을 열처리하여 제1반도체 씨드층(20) 및 제2반도체 씨드층(30)으로부터 각각 제1나노구조체(21) 및 제2나노구조체(31)를 성장시키는 단계로서, 상기 제1나노구조체(21) 및 제2나노구조체(31)는 제1반도체 씨드층(20) 및 제2반도체 씨드층(30)이 배열된 반도체기판(10)을 소스(Source)와 함께 열처리 방법을 사용하여 상기 반도체기판(10)의 상부의 제1반도체 씨드층(20) 및 제2반도체 씨드층(30)을 핵으로 하여 각각의 반도체 나노구조체를 동시에 성장시킴으로써 형성할 수 있다.
여기서, 상기 나노구조체 성장 단계(S230)는, 상기 제1반도체 씨드층(20) 및 제2반도체 씨드층(30)으로부터 각각 제1나노구조체(21)와 제2나노구조체(31)가 성장되면서 상기 일정간격 이격된 공간상에서 상호 네트워크 형태로 연결되어 접합부(40)를 형성할 수 있다.
이와 같이, 제1나노구조체(21)와 제2나노구조체(31)가 상호 성장되면서 형성된 접합부(40)를 통해, 상기 접합부(40) 내 접촉면에 존재하는 전자 및 정공 농도의 증가 및 감소를 통하여 감도가 향상되는 효과를 제공할 수 있다.
또한, 이종 또는 동종의 금속산화물 물질을 반도체기판(10)에 접합되도록 증착시키기 위해 필요한 물질을 포토리소그라피 공정을 통한 증착을 한 뒤, 한 번의 성장 공정만으로 각 물질의 나노구조체를 동시에 성장시킬 수 있으므로 접합센서 어레이의 제조절차가 간소해지는 장점이 있다.
상기 촉매층 증착 단계(S250)는, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이 나노구조체 성장 단계(S230)을 통해 형성된 제1나노구조체(21) 및 제2나노구조체(31)의 표면에 촉매층(50)이 형성되도록 증착하는 단계이다. 여기서, 상기 접합부(40)에는 촉매층(50)이 형성되도록 증착함으로써 접합센서소자(100)의 고감응성을 더욱 증대시킬 수 있으며, 직접적으로 감지동작을 수행하는 접합부(40)에만 국한적으로 촉매층(50)을 증착 형성함으로써 제조공정을 보다 감소화할 수 있다.
상기와 같은, 씨드층 증착 단계(S210), 나노구조체 성장 단계(S230) 및 촉매층 증착 단계(S250)를 포함하는 접합센서 어레이 제조방법을 통해, 도 8 및 도 10에 도시된 바와 같이, 상기 반도체기판(10) 상에는 복수 개의 접합센서소자(100)가 배치되어 형성되되, 하나의 접합센서소자(100)에 형성된 제1반도체 씨드층(20) 및 제2반도체 씨드층(30)의 조합은, 다른 하나의 접합센서소자(100)에 형성된 제1반도체 씨드층(20) 및 제2반도체 씨드층(30)의 조합과 서로 다른 동종 또는 이종의 조합으로 이루어짐으로써, 더욱 다양한 종류의 반응가스를 감지할 수 있음은 물론, 접합센서소자를 비교적 간단한 공정으로 대량생산할 수 있는 효과를 구현할 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 금속산화물 반도체를 이용한 접합센서 어레이 및, 접합센서 어레이 제조방법의 각 구성 및 기능에 의해, P형 및 N형의 반도체 접합구조를 기반으로 하여 형성된 다종의 접합 및 촉매층을 감지소재로 이용함으로써 고감도 및 고선택성의 특성을 가질 수 있으며, 이러한 특성을 갖는 금속산화물 반도체를 이용한 접합센서 어레이를 제조할 수 있다.
또한, 다종의 반도성을 갖는 반도체 물질의 어레이 제조뿐만 아니라, 상기 다종 구조에 다종의 촉매층(50)을 선택적으로 배열함으로써 복잡한 제조공정을 요구했던 기존의 어레이 소자도 용이하게 제조할 수 있게 된다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
10...반도체기판 20...제1반도체 씨드층
21...제1나노구조체 30...제2반도체 씨드층
31...제2나노구조체 40...접합부
50...촉매층
S210...씨드층 증착 단계 S230...나노구조체 성장 단계
S250...촉매층 증착 단계

Claims (10)

  1. 반도체기판(10); 및
    상기 반도체기판(10) 상에 일정간격 이격되어 각각 증착된 제1반도체 씨드층(20) 및 제2반도체 씨드층(30)과, 상기 제1반도체 씨드층(20) 및 제2반도체 씨드층(30)으로부터 각각 성장되어 형성된 제1나노구조체(21) 및 제2나노구조체(31)와, 상기 제1나노구조체(21) 및 제2나노구조체(31)의 표면에 증착된 촉매층(50)을 포함하는 접합센서소자(100);를 포함하며,
    상기 접합센서소자(100)는 상기 반도체기판(10) 상에 하나 이상 배치되도록 형성된 것을 특징으로 하는 접합센서 어레이.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1반도체 씨드층(20) 및 제2반도체 씨드층(30)은,
    P형의 금속산화물 물질 및 P형의 금속산화물 물질의 동종 조합, N형의 금속산화물 물질 및 N형의 금속산화물 물질의 동종 조합, P형의 금속산화물 물질 및 N형의 금속산화물 물질의 이종 조합 또는, N형의 금속산화물 물질 및 P형의 금속산화물 물질의 이종 조합 중 어느 하나의 동종 또는 이종 조합으로 각각 이루어진 것을 특징으로 하는 접합센서 어레이.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제1나노구조체(21)와 제2나노구조체(31)는, 상기 제1반도체 씨드층(20) 및 제2반도체 씨드층(30)으로부터 각각 성장되면서 상기 일정간격 이격된 공간상에서 상호 네트워크 형태로 연결되어 접합부(40)를 형성하는 것을 특징으로 하는 접합센서 어레이.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 촉매층(50)은, 상기 접합부(40)가 형성된 부분에 국한되어 증착되는 것을 특징으로 하는 접합센서 어레이.
  5. 제 2항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반도체기판(10) 상에는 복수 개의 접합센서소자(100)가 배치되어 형성되되,
    하나의 접합센서소자(100)에 형성된 제1반도체 씨드층(20) 및 제2반도체 씨드층(30)의 조합은, 다른 하나의 접합센서소자(100)에 형성된 제1반도체 씨드층(20) 및 제2반도체 씨드층(30)의 조합과 서로 다른 동종 또는 이종의 조합으로 이루어진 것을 특징으로 하는 접합센서 어레이.
  6. 반도체기판(10) 상에 제1반도체 씨드층(20) 및 제2반도체 씨드층(30)이 일정간격 이격되어 형성되도록 증착하는 씨드층 증착 단계(S210);
    상기 제1반도체 씨드층(20) 및 제2반도체 씨드층(30)을 열처리 하여 상기 제1반도체 씨드층(20) 및 제2반도체 씨드층(30)으로부터 각각 제1나노구조체(21) 및 제2나노구조체(31)를 성장시키는 나노구조체 성장 단계(S230); 및
    상기 제1나노구조체(21) 및 제2나노구조체(31)의 표면에 촉매층(50)이 형성되도록 증착하는 촉매층 증착 단계(S250);를 포함하는 접합센서 어레이 제조방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 씨드층 증착 단계(S210)는,
    상기 제1반도체 씨드층(20) 및 제2반도체 씨드층(30)을 P형의 금속산화물 물질 및 P형의 금속산화물 물질의 동종 조합, N형의 금속산화물 물질 및 N형의 금속산화물 물질의 동종 조합, P형의 금속산화물 물질 및 N형의 금속산화물 물질의 이종 조합 또는, N형의 금속산화물 물질 및 P형의 금속산화물 물질의 이종 조합 중 어느 하나의 동종 또는 이종 조합으로 각각 이루어지도록 증착하는 것을 특징으로 하는 접합센서 어레이 제조방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 나노구조체 성장 단계(S230)는,
    상기 제1반도체 씨드층(20) 및 제2반도체 씨드층(30)으로부터 각각 제1나노구조체(21)와 제2나노구조체(31)가 성장되면서 상기 일정간격 이격된 공간상에서 상호 네트워크 형태로 연결되어 접합부(40)를 형성하는 것을 특징으로 하는 접합센서 어레이 제조방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 촉매층 증착 단계(S250)는,
    상기 접합부(40)가 형성된 부분에 국한되어 촉매층(50)이 형성되도록 증착하는 것을 특징으로 하는 접합센서 어레이 제조방법.
  10. 제 6항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 씨드층 증착 단계(S210)는,
    상기 반도체기판(10) 상에는 복수 개의 접합센서소자(100)가 형성되도록 복수의 위치에 각각의 제1반도체 씨드층(20) 및 제2반도체 씨드층(30)이 형성되도록 증착하되,
    하나의 접합센서소자(100)를 형성하기 위한 제1반도체 씨드층(20) 및 제2반도체 씨드층(30)의 조합은, 다른 하나의 접합센서소자(100)를 형성하기 위한 제1반도체 씨드층(20) 및 제2반도체 씨드층(30)의 조합과 서로 다른 동종 또는 이종의 조합으로 이루어지도록 증착되는 것을 특징으로 하는 접합센서 어레이 제조방법.
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