KR101760212B1 - Gas sensor and method for manufacturing the same - Google Patents

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KR101760212B1 KR1020160073818A KR20160073818A KR101760212B1 KR 101760212 B1 KR101760212 B1 KR 101760212B1 KR 1020160073818 A KR1020160073818 A KR 1020160073818A KR 20160073818 A KR20160073818 A KR 20160073818A KR 101760212 B1 KR101760212 B1 KR 101760212B1
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김진혁
로칸데 아비셰크
문종하
김인영
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이주연
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전남대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 가스센서 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 종래의 사성분계 박막과 폴리머기판의 가스센서에 비해, 삼성분계 p형층으로 높은 화학적 안전성을 가지는 화합물 반도체층을 채용하여, 상온에서 장소에 무관하게 사용할 수 있으며, p형 박막형 화합물 반도체층의 치밀한 특성으로 n형 화합물 반도체층과의 이종접합을 통해 검지력을 향상시킬 수 있어 종래의 가스센서를 대체하는 기술로 적용될 수 있다.The present invention relates to a gas sensor and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a gas sensor of a ternary compound thin film and a polymer substrate, which employs a compound semiconductor layer having high chemical stability as a ternary p-type layer, And the detection force can be improved through the heterojunction between the p-type thin film type compound semiconductor layer and the n-type compound semiconductor layer due to the dense characteristics of the p-type thin film type compound semiconductor layer, which can be applied as a technique for replacing the conventional gas sensor.

Description

가스센서 및 이의 제조방법{Gas sensor and method for manufacturing the same}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a gas sensor and a manufacturing method thereof,

본 발명은 가스센서 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 검지력이 우수하면서도 생산비용을 절감할 수 있는 p-n 접합을 이용한 LPG 가스센서 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a gas sensor and a method of manufacturing the same, and more particularly, to an LPG gas sensor using a p-n junction capable of reducing a production cost while having excellent detection force and a method of manufacturing the same.

가스센서는 대기 중의 각종 가스를 검지, 정량하는 화학센서의 일종으로서, 산업화로 인한 대기 중의 가연성 가스량의 증가 등의 이유로 가스센서에 대한 지속적인 연구가 수행되어 왔다.Gas sensors are a kind of chemical sensors that detect and quantify various gases in the atmosphere and have been continuously studied for gas sensors due to the increase of the amount of combustible gas in the atmosphere due to industrialization.

가연성 가스 중에서도 LPG(Liquefied Petroleum Gas)는 자동차 연료, 에어로졸 추진제 등 산업용 뿐 아니라, 가스 레인지의 연료 등 가정용으로 매우 광범위하게 이용된다. 그러나, LPG는 인간과 환경에 유해한 가스로서, 높은 가연성을 가져 매우 적은 양이 존재하는 경우에도 심각한 문제를 일으킬 수 있다. 따라서, LPG를 신속하고 정확하게 검지하기 위한 가스센서를 개발하려는 노력이 진행되고 있다.Among flammable gases, LPG (Liquefied Petroleum Gas) is widely used not only for industrial fuel such as automobile fuel, aerosol propellant, but also for home use such as fuel for gas range. However, LPG is a harmful gas to humans and the environment and can cause serious problems even in the presence of very small amounts due to high flammability. Therefore, efforts are being made to develop a gas sensor for quickly and accurately detecting LPG.

그 일환으로, SnO2, ZnO, TiO2 또는 ZrO 등과 같은 금속 산화물을 이용한 가스센서가 개발되었다. 상기 가스센서는 검출 대상 가스의 흡착 및 탈착에 의해 발생하는 감지 체의 반응을 이용하여 가스의 농도 및 종류를 측정한다. 상기 가스센서는 부식성 분위기 등과 같은 가혹한 조건에서도 신뢰성 있는 작동이 가능하고, 재료 또는 제조방법에 따라 검출 대상 가스의 감도 및 응답 특성을 개선할 수 있는 이점이 있어 널리 이용되고 있다.As one example, gas sensors using metal oxides such as SnO 2 , ZnO, TiO 2 or ZrO 2 have been developed. The gas sensor measures the concentration and type of the gas using the reaction of the sensor generated by the adsorption and desorption of the gas to be detected. The gas sensor can be reliably operated under harsh conditions such as corrosive atmospheres or the like, and is advantageously used for improving the sensitivity and response characteristics of the gas to be detected according to a material or a manufacturing method.

상기와 같은 금속 산화물을 이용한 가스센서의 경우, 검출 대상 가스와 감지체의 반응에 의한 감도 및 응답 특성을 향상시키기 위해서는 200℃~600℃의 고온 작동이 요구된다. 그러나, 이러한 고온 작동을 위해서는 복잡한 고가의 장비가 필요한 문제점이 있다. 뿐만 아니라, 금속 산화물이 가지는 비교적 치밀한 구조로 인해 가스의 순환이 원활하지 못하여, 반응 시간 및 회복 시간이 증가하는 문제점이 있다.In the case of a gas sensor using such a metal oxide, a high temperature operation of 200 ° C. to 600 ° C. is required in order to improve the sensitivity and response characteristics due to the reaction between the gas to be detected and the sensing element. However, such a high-temperature operation requires complicated and expensive equipment. In addition, due to the relatively dense structure of the metal oxide, the circulation of the gas is not smooth and the reaction time and recovery time are increased.

한편, 최근에는 p-n 접합을 이용한 가스센서에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.[Room temperature LPG sensor based on n-CdS/p-polyaniline heterojunction, Sensors and Actuators B 145 (2010) 205.210, Development of polyaniline/Cu2ZnSnS4 (CZTS) thin film based heterostructure as room temperature LPG sensor, Sensors and Actuators A 193 (2013) 79. 86, Liquefied petroleum gas (LPG) sensing using spray deposited Cu2ZnSnS4 thin film, Journal of Analytical and Applied Phyrolysis 117 (2016) 310. 316 등].In recent years, studies on gas sensors using pn junctions have been actively conducted. [Room temperature LPG sensor based on n-CdS / p-polyaniline heterojunctions, Sensors and Actuators B 145 (2010) 205.210, Development of polyaniline / Cu 2 ZnSnS 4 (CZTS) thin film based heterostructure as room temperature LPG sensor, Sensors and Actuators A 193 (2013) 79. 86, Liquefied petroleum gas (LPG) sensing using spray deposited Cu 2 ZnSnS 4 thin film, Journal of Analytical and Applied Phyrolysis 117 (2016) 310, 316, etc.].

상기 선행문헌들에는 금속산화물/폴리아닐린 또는 금속 칼코게나이드/폴리아닐린의 p-n 접합 구조 및 사성분계 화합물을 이용하는 가스센서가 개시되어 있다. 이와 같이, 대부분의 p-n 접합 가스센서는 금속산화물/전도성 폴리머의 p-n 접합을 이용한다.These prior art documents disclose a gas sensor using a p-n junction structure of a metal oxide / polyaniline or metal chalcogenide / polyaniline and a four component compound. Thus, most p-n junction gas sensors use a p-n junction of metal oxide / conductive polymer.

그러나, 전도성 폴리머와 같은 유기물을 이용하는 경우, 균일하게 정렬된 구조를 통해 가스의 반응 시간 및 회복 시간이 증가하는 문제점이 있다. 또한, 낮은 제조 수율, 불안정한 화학적 안정성 및 낮은 기계적 강도를 나타내는 등의 문제점이 있다. 이외에도, 유기물은 흡습성이 매우 높아, 유기물을 사용하는 경우 가스센서의 수명이 단축될 뿐 아니라 다양한 장소에서의 사용이 제한되는 문제점이 있다. 더불어 사성분계 화합물은 불안정한 합성 문제와 더불어 4가지의 물질이 필요하기 때문에 가격경쟁력이 떨어지는 문제를 안고 있다.However, when an organic material such as a conductive polymer is used, the reaction time and the recovery time of the gas are increased through the uniformly arranged structure. Further, there are problems such as exhibiting low production yield, unstable chemical stability, and low mechanical strength. In addition, the organic material has a very high hygroscopicity, and when the organic material is used, the life of the gas sensor is shortened and its use in various places is limited. In addition, quaternary compounds are problematic in that they are not competitive because of the unstable synthesis problem and the need for four substances.

한국특허공개 10-2010-0105023Korean Patent Publication No. 10-2010-0105023

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것이다. 즉, 삼성분계 P형 반도체 특성을 가지는 화합물 반도체층을 P형층으로 채용하여 가스 검지력을 향상시키고, 신속하게 검출 대상 가스를 검지할 수 있으며, 생산 비용을 절감할 수 있는 가스센서 및 이의 제조방법을 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems of the prior art. That is, a gas sensor employing a compound semiconductor layer having ternary p-type semiconductor characteristics as a p-type layer to improve the gas detecting ability and detect the detection target gas quickly, and to reduce the production cost, and a method of manufacturing the same .

상술한 과제를 해결하기 위해 본 발명의 일 측면은 가스센서를 제공한다. 상기 가스센서는, 기판, 상기 기판 상에 형성되는 후면전극, 상기 후면전극 상에 형성되는 p형 박막형 화합물 반도체층, 상기 p형 박막형 화합물 반도체층 상에 형성되는 n형 화합물 반도체층 및 상기 n형 화합물 반도체층 상에 형성되는 전면전극을 포함한다.In order to solve the above-described problems, one aspect of the present invention provides a gas sensor. The gas sensor includes a substrate, a rear electrode formed on the substrate, a p-type thin film type compound semiconductor layer formed on the rear electrode, an n-type compound semiconductor layer formed on the p-type thin film type compound semiconductor layer, And a front electrode formed on the compound semiconductor layer.

상기 p형 박막형 화합물 반도체층은 삼성분계 p형층일 수 있다.The p-type thin film type compound semiconductor layer may be a ternary p-type layer.

상기 p형 박막형 화합물 반도체층은 무기물을 함유할 수 있다.The p-type thin film type compound semiconductor layer may contain an inorganic substance.

상기 p형 박막형 화합물 반도체층은 Cu2SnS3, Cu2SnSe3, Cu4SnS 및 Cu2Sn5S7 중에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.The p-type thin film type compound semiconductor layer may include at least one selected from Cu 2 SnS 3 , Cu 2 SnSe 3 , Cu 4 SnS, and Cu 2 Sn 5 S 7 .

상기 n형 화합물 반도체층은 CdS, ZnOS, ZnS, ZnO, SnO2, VO2, TiO2 및 In2O3 중에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.The n-type compound semiconductor layer may include at least one selected from CdS, ZnOS, ZnS, ZnO, SnO 2 , VO 2 , TiO 2, and In 2 O 3 .

상기 p형 박막형 화합물 반도체층은 Cu2SnS3를 포함하고, 상기 n형 화합물 반도체층은 CdS를 포함할 수 있다.The p-type thin film type compound semiconductor layer includes Cu 2 SnS 3 , and the n-type compound semiconductor layer may include CdS.

상기 후면전극은 Mo를 포함하고, 상기 전면전극은 Ag를 포함할 수 있다.The rear electrode may include Mo, and the front electrode may include Ag.

상기 과제를 해결하기 위해 본 발명의 다른 측면은 가스센서의 제조방법을 제공한다. 상기 가스센서의 제조방법은, 후면전극이 형성된 기판을 제공하는 단계, 상기 기판 상에 p형 박막형 화합물 반도체층을 형성하는 단계, 상기 p형 박막형 화합물 상에 n형 화합물 반도체층을 형성하는 단계 및 상기 n형 화합물 반도체층 상에 전면전극을 형성하는 단계를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a gas sensor. The method of manufacturing the gas sensor includes the steps of providing a substrate on which a rear electrode is formed, forming a p-type thin film type compound semiconductor layer on the substrate, forming an n-type compound semiconductor layer on the p- And forming a front electrode on the n-type compound semiconductor layer.

상기 p형 박막형 화합물 반도체층은 삼성분계 p형층일 수 있다.The p-type thin film type compound semiconductor layer may be a ternary p-type layer.

상기 p형 박막형 화합물 반도체층은 Cu2SnS3, Cu2SnSe3, Cu4SnS 및 Cu2Sn5S7 중에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.The p-type thin film type compound semiconductor layer may include at least one selected from Cu 2 SnS 3 , Cu 2 SnSe 3 , Cu 4 SnS, and Cu 2 Sn 5 S 7 .

상기 p형 박막형 화합물 반도체층을 형성하는 단계는, 상기 기판 상에 p형 화합물 반도체용 전구체 박막을 스퍼터링하여 증착하는 단계 및 상기 전구체 박막을 열처리하는 단계를 포함할 수 있다.The step of forming the p-type thin film type compound semiconductor layer may include a step of sputtering and depositing a precursor thin film for a p-type compound semiconductor on the substrate, and a step of heat-treating the precursor thin film.

상기 열처리는 400℃~800℃에서 수행될 수 있다.The heat treatment may be performed at 400 ° C to 800 ° C.

상기 n형 화합물 반도체층을 형성하는 단계는, CBD(chemical bath deposition)법을 이용하여 상기 p형 박막형 화합물 반도체층 상에 n형 화합물 반도체를 성장시키는 단계일 수 있다.The step of forming the n-type compound semiconductor layer may be a step of growing an n-type compound semiconductor on the p-type thin film type compound semiconductor layer using a chemical bath deposition (CBD) method.

상술한 본 발명에 따르면, 삼성분계 p형층으로 높은 화학적 안전성을 가지는 화합물 반도체층을 채용하여, 상온에서 장소에 무관하게 사용할 수 있다.According to the present invention described above, a ternary p-type layer employs a compound semiconductor layer having high chemical stability and can be used at room temperature regardless of the place.

또한, p형 박막형 화합물 반도체층의 치밀한 특성으로 n형 화합물 반도체층과의 이종접합을 통한 높은 검지력을 가진 가스센서의 제조가 가능하다.In addition, it is possible to manufacture a gas sensor having a high detection force through heterogeneous bonding with the n-type compound semiconductor layer with the dense characteristics of the p-type thin film type compound semiconductor layer.

더 나아가, 종래의 사성분계 화합물에 비해 생산 비용을 절감할 수 있어 가격경쟁력이 우수하다.Furthermore, it is possible to reduce the production cost as compared with the conventional quartz-based compound, thus being excellent in price competitiveness.

본 발명의 기술적 효과들은 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical effects of the present invention are not limited to those mentioned above, and other technical effects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 가스센서를 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 가스센서의 제조방법을 나타내는 공정 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 가스센서의 단면을 나타내는 SEM 이미지이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 가스센서의 가스 농도에 따른 전류 밀도를 나타내는 J-V 곡선이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 가스센서의 가스 농도에 따른 가스 반응률을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 가스센서의 시간에 따른 가스 반응률을 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 가스센서의 날짜에 따른 가스 반응률을 나타내는 그래프이다.
1 is a cross-sectional view showing a gas sensor according to an embodiment of the present invention.
2 is a process flow chart showing a method of manufacturing a gas sensor according to an embodiment of the present invention.
3 is an SEM image showing a cross section of a gas sensor according to an embodiment of the present invention.
4 is a JV curve showing the current density according to the gas concentration of the gas sensor according to an embodiment of the present invention.
5 is a graph showing a gas reaction rate according to a gas concentration of a gas sensor according to an embodiment of the present invention.
6 is a graph showing gas reaction rates with time of a gas sensor according to an embodiment of the present invention.
7 is a graph showing a gas reaction rate according to a date of a gas sensor according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.The present invention is capable of various modifications and various forms, and specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the text. It should be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular forms disclosed, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention. Like reference numerals are used for like elements in describing each drawing.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the contextual meaning of the related art and are to be interpreted as either ideal or overly formal in the sense of the present application Do not.

이하, 본 발명에 따른 실시 예들을 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Referring to the accompanying drawings, the same or corresponding components are denoted by the same reference numerals, .

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 가스센서를 나타내는 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing a gas sensor according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 가스센서(100)는 기판(110), 기판(110) 상에 형성되는 후면전극(120), 후면전극(120) 상에 형성되는 p형 박막형 화합물 반도체층(130), p형 박막형 화합물 반도체층(130) 상에 형성되는 n형 화합물 반도체층(140) 및 n형 화합물 반도체층(140) 상에 형성되는 전면전극(150)을 포함한다.1, a gas sensor 100 according to an exemplary embodiment of the present invention includes a substrate 110, a rear electrode 120 formed on the substrate 110, a p-type electrode 120 formed on the rear electrode 120, A thin film type compound semiconductor layer 130, an n type compound semiconductor layer 140 formed on the p type thin film type compound semiconductor layer 130 and a front electrode 150 formed on the n type compound semiconductor layer 140 .

상기 기판(110)은 절연 기판일 수 있다. 또한, 기판(110)은 산화물 단결정 기판, 세라믹 기판 또는 유리 기판일 수 있다. 일 예로, 상기 기판(110)은 Al2O3, MgO, SrTiO3 또는 석영(Quartz)으로 이루어질 수 있다.The substrate 110 may be an insulating substrate. Further, the substrate 110 may be an oxide single crystal substrate, a ceramic substrate, or a glass substrate. For example, the substrate 110 may be made of Al 2 O 3 , MgO, SrTiO 3, or quartz.

후면전극(back contact)(120)은 상기 기판(110) 상에 형성될 수 있으며, 상기 후면전극(120)은 금속전극일 수 있다. 예컨대, 후면전극(120)은 Mo, Pt, Pd, Ag, Au, Ni, Ti, Cr, Al 및 Cu 중에서 선택되는 적어도 어느 하나로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 도전성을 가지는 물질이라면 어느 것이든 사용할 수 있다. 또한, 후면전극(120)은 전극으로서 비저항이 낮으며, 상기 기판(110)에의 점착성이 뛰어나 열팽창계수의 차이로 인하여 박리현상이 일어나지 않는 것이 바람직하다. 후면전극(120)은 다른 일 예로써 상기 기판(110)의 전면에 형성될 수 있다.A back contact 120 may be formed on the substrate 110 and the back electrode 120 may be a metal electrode. For example, the rear electrode 120 may be made of at least one selected from the group consisting of Mo, Pt, Pd, Ag, Au, Ni, Ti, Cr, Al and Cu. However, Can be used. In addition, it is preferable that the back electrode 120 has low resistivity as an electrode, and is excellent in adhesion to the substrate 110, so that a peeling phenomenon does not occur due to a difference in thermal expansion coefficient. The rear electrode 120 may be formed on the front surface of the substrate 110 as another example.

p형 박막형 화합물 반도체층(130)은 상기 후면전극(120) 상에 형성될 수 있다. 또한, p형 박막형 화합물 반도체층(130)은 높은 화학적 안정성을 가지는 무기물을 함유할 수 있다. 일 예로, 상기 p형 박막형 화합물 반도체층(130)은 태양전지의 p형층으로 사용되는 물질과 동일할 수 있다. 예컨대, 상기 p형 박막형 화합물 반도체층(130)은 Cu2SnS3, Cu2SnSe3, Cu4SnS 및 Cu2Sn5S7 중에서 선택되는 적어도 어느 하나로 이루어질 수 있으며, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 p형 박막형 화합물 반도체층(130)은 Cu2SnS3로 형성될 수 있다.The p-type thin film type compound semiconductor layer 130 may be formed on the rear electrode 120. Further, the p-type thin film type compound semiconductor layer 130 may contain an inorganic substance having high chemical stability. For example, the p-type thin film type compound semiconductor layer 130 may be the same as a material used as a p-type layer of a solar cell. For example, the p-type thin film type compound semiconductor layer 130 may be formed of at least one selected from Cu 2 SnS 3 , Cu 2 SnSe 3 , Cu 4 SnS, and Cu 2 Sn 5 S 7. In a preferred embodiment of the present invention The p-type thin film type compound semiconductor layer 130 may be formed of Cu 2 SnS 3 .

상기 p형 박막형 화합물 반도체층(130) 상에는 n형 화합물 반도체층(140)이 형성될 수 있다. 따라서, n형 반도체층은 상기 p형 박막형 화합물 반도체층(130)과의 계면에서 p-n접합을 형성할 수 있다.The n-type compound semiconductor layer 140 may be formed on the p-type thin film type compound semiconductor layer 130. Therefore, the n-type semiconductor layer can form a p-n junction at the interface with the p-type thin film type compound semiconductor layer 130. [

또한, n형 화합물 반도체층(140)은 n형 반도체 특성을 가지는 금속 산화물 반도체층일 수 있다. 일 예로, n형 화합물 반도체층(140)은 CdS, ZnOS, ZnS, ZnO, SnO2, VO2, TiO2 및 In2O3 중에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으며, 본 발명의 바람직한 실시예 따른 n형 박막형 화합물 반도체층은 CdS로 형성될 수 있다. 즉, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가스센서(100)는 p형 박막형 화합물 반도체층(130)은 Cu2SnS3로 형성되고, n형 화합물 반도체층(140)은 CdS로 형성될 수 있다.In addition, the n-type compound semiconductor layer 140 may be a metal oxide semiconductor layer having n-type semiconductor characteristics. For example, the n-type compound semiconductor layer 140 may include at least one selected from CdS, ZnOS, ZnS, ZnO, SnO 2 , VO 2 , TiO 2, and In 2 O 3 . The n-type thin film type compound semiconductor layer according to the example may be formed of CdS. That is, in the gas sensor 100 according to the preferred embodiment of the present invention, the p-type thin film type compound semiconductor layer 130 may be formed of Cu 2 SnS 3 and the n-type compound semiconductor layer 140 may be formed of CdS.

상기한 바와 같이, 종래의 사성분계 화합물과 전도성 폴리머와 같은 유기물을 이용하여 p-n접합 구조를 갖는 가스센서는 균일하게 정렬된 구조를 통해 가스의 반응 시간 및 회복 시간이 증가하는 문제점과 낮은 제조 수율, 불안정한 화학적 안정성 및 낮은 기계적 강도를 나타내는 문제점이 있다. 하지만, 본 발명에 따른 가스센서는 삼성분계 p형층으로 높은 화학적 안정성을 가지는 화합물 반도체층을 채용하여, 상온에서 장소에 무관하게 사용할 수 있으며, p형 박막형 화합물 반도체층(130)의 치밀한 특성으로 n형 화합물 반도체층(140)과의 이종 접합을 통해 높은 검지력을 가질 수 있는 장점이 있다.As described above, a gas sensor having a pn junction structure using an organic material such as a conventional four-component compound and a conductive polymer has problems in that the reaction time and recovery time of gas are increased through a uniformly aligned structure, Unstable chemical stability and low mechanical strength. However, the gas sensor according to the present invention employs a compound semiconductor layer having a high chemical stability as a ternary p-type layer and can be used at any room temperature regardless of the location. The n-type thin film type compound semiconductor layer 130 has n -Type compound semiconductor layer 140. In this case, it is possible to obtain a high detection force.

계속해서, 전면전극(front contact)(150)은 n형 화합물 반도체층(140) 상에 형성될 수 있다. 일 예로, 상기 전면전극(150)은 Mo, Pt, Ag, Au, Ni, Ti, Tr, Al 및 Cu 중에서 선택되는 적어도 어느 하나로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 도전성을 가지는 물질이라면 어느 것이든 사용할 수 있다. 일 예로, 상기 전면전극(150)은 상기 n형 화합물 반도체층(140)의 일부 영역에 형성될 수 있다.Subsequently, a front contact 150 may be formed on the n-type compound semiconductor layer 140. For example, the front electrode 150 may be made of at least one selected from the group consisting of Mo, Pt, Ag, Au, Ni, Ti, Tr, Al and Cu. However, Can be used. For example, the front electrode 150 may be formed on a part of the n-type compound semiconductor layer 140.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 가스센서의 제조방법을 나타내는 공정 흐름도이다.2 is a process flow chart showing a method of manufacturing a gas sensor according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 가스센서의 제조방법은 후면전극(120)이 형성된 기판(110)을 제공하는 단계(S210), 상기 기판(110) 상에 p형 박막형 화합물 반도체층(130)을 형성하는 단계(S220), 상기 p형 박막형 화합물 상에 n형 화합물 반도체층(140)을 형성하는 단계(S230) 및 상기 n형 화합물 반도체층(140) 상에 전면전극(150)을 형성하는 단계(S240)를 포함한다.Referring to FIG. 2, a method of manufacturing a gas sensor according to an embodiment of the present invention includes providing a substrate 110 on which a rear electrode 120 is formed (S210), forming a p-type thin film type compound A step S230 of forming an n-type compound semiconductor layer 140 on the p-type thin film type compound 130, a step S230 of forming an n-type compound semiconductor layer 140 on the n-type compound semiconductor layer 140, 150 (step S240).

후면전극(120)이 형성된 기판(110)을 제공하는 단계(S210)에서 상기 기판(110)은 절연 기판일 수 있으며, 상기 후면전극(120)은 금속전극일 수 있다. 후면전극(120)은 열기상 증착, 전자빔 증착, RF 스퍼터링법 등을 통해 상기 기판(110)의 전면에 형성될 수 있다.The substrate 110 may be an insulating substrate and the rear electrode 120 may be a metal electrode in step S210 of providing the substrate 110 having the rear electrode 120 formed thereon. The rear electrode 120 may be formed on the front surface of the substrate 110 by thermal vapor deposition, electron beam deposition, RF sputtering, or the like.

기판(110) 상에 p형 박막형 화합물 반도체층(130)을 형성하는 단계(S220)에서 p형 박막형 화합물 반도체층(130)은 높은 화학적 안정성을 가지는 무기물을 함유할 수 있다. 상기 기판(110) 상에 형성된 p형 화합물 반도체용 전구체 박막은 Cu2SnS3, Cu2SnSe3, Cu4SnS 및 Cu2Sn5S7을 구성하는 전구체 박막일 수 있으며, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 p형 화합물 반도체용 전구체 박막은 Cu2SnS3일 수 있다.In the step S220 of forming the p-type thin film type compound semiconductor layer 130 on the substrate 110, the p-type thin film type compound semiconductor layer 130 may contain an inorganic substance having high chemical stability. The precursor thin film for the p-type compound semiconductor formed on the substrate 110 may be a precursor thin film constituting Cu 2 SnS 3 , Cu 2 SnSe 3 , Cu 4 SnS and Cu 2 Sn 5 S 7 . The precursor thin film for the p-type compound semiconductor according to the example may be Cu 2 SnS 3 .

또한, 기판(110) 상에 p형 박막형 화합물 반도체층(130)을 형성하는 단계(S220)는, 기판(110) 상에 p형 화합물 반도체용 전구체 박막을 스퍼터링하여 증착하는 단계(S221) 및 상기 전구체 박막을 열처리하는 단계(S222)를 포함할 수 있다. 즉, p형 박막형 화합물 반도체층(130)은 상기 기판(110) 상에 p형 화합물 반도체용 전구체 박막을 스퍼터링하여 증착하고, 상기 전구체 박막을 열처리하는 과정을 거쳐 형성될 수 있다.The step S220 of forming the p-type thin film type compound semiconductor layer 130 on the substrate 110 includes a step S221 of sputtering and depositing a precursor thin film for a p-type compound semiconductor on the substrate 110, And heat treating the precursor thin film (S222). That is, the p-type thin film type compound semiconductor layer 130 may be formed by sputtering and depositing a precursor thin film for a p-type compound semiconductor on the substrate 110, and heat treating the precursor thin film.

전구체 박막을 열처리하는 단계(S222)에서 상기 열처리는 400℃~800℃에서 수행될 수 있다. 즉, 상기한 열처리를 통해 p형 화합물 반도체용 전구체 박막이 p형 화합물 반도체층으로 변환될 수 있다.In the step of heat-treating the precursor thin film (S222), the heat treatment may be performed at 400 ° C to 800 ° C. That is, the precursor thin film for the p-type compound semiconductor can be converted into the p-type compound semiconductor layer through the heat treatment described above.

p형 박막형 화합물 상에 n형 화합물 반도체층(140)을 형성하는 단계(S230)에서 n형 화합물은 CdS, ZnOS, ZnS, ZnO, SnO2, VO2, TiO2 및 In2O3 중에서 선택되는 적어도 어느 하나일 수 있으며, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 n형 화합물은 CdS일 수 있다. 즉, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가스센서(100)는 p형 박막형 화합물 반도체층(130)은 Cu2SnS3를 포함하고, n형 화합물 반도체층(140)은 CdS를 포함할 수 있다.n-type compound in the step (S230) of forming the n-type compound semiconductor layer 140 on the p-type thin-film compound is CdS, ZnOS, ZnS, ZnO, SnO 2, VO 2, TiO 2 , and In 2 O 3 is selected from And the n-type compound according to a preferred embodiment of the present invention may be CdS. That is, in the gas sensor 100 according to the preferred embodiment of the present invention, the p-type thin film type compound semiconductor layer 130 includes Cu 2 SnS 3 , and the n-type compound semiconductor layer 140 includes CdS.

상기한 n형 화합물 반도체층(140)인 CdS를 p형 박막형 화합물 반도체층(130)에 성장시키기 위해 CBD(chemical bath deposition)법이 이용될 수 있다. CBD법은 용액 내의 적정량의 Cd, S이온을 만들고 용액의 pH를 조절 후 용액의 온도를 상승시켜 Cd와 S이온이 반응하게 하여 박막을 제조할 수 있다.A chemical bath deposition (CBD) method may be used to grow CdS, which is the n-type compound semiconductor layer 140, on the p-type thin film type compound semiconductor layer 130. The CBD method can produce Cd and S ions in the solution, adjust the pH of the solution, increase the temperature of the solution, and allow the Cd and S ions to react with each other to produce a thin film.

n형 화합물 반도체층(140) 상에 전면전극(150)을 형성하는 단계(S240)에서 전면전극(150)을 상기 n형 화합물 반도체층(140) 상에 형성하기 위해 열기상 증착, 전자빔 증착, RF 스퍼터링법 등이 이용될 수 있다. 상기 전면전극(150)은 Mo, Pt, Ag, Au, Ni, Ti, Tr, Al 및 Cu 중에서 선택되는 적어도 어느 하나로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 도전성을 가지는 물질이라면 어느 것이든 사용할 수 있다.type compound semiconductor layer 140 in the step of forming the front electrode 150 on the n-type compound semiconductor layer 140 in step S240, the front electrode 150 may be formed by thermal vapor deposition, electron beam evaporation, RF sputtering or the like can be used. The front electrode 150 may be made of any one selected from the group consisting of Mo, Pt, Ag, Au, Ni, Ti, Tr, Al and Cu. However, have.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해 바람직한 실험예(example)를 제시한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred examples will be given to facilitate understanding of the present invention. It should be understood, however, that the following examples are intended to aid in the understanding of the present invention and are not intended to limit the scope of the present invention.

실험예Experimental Example

1. p형 CTS 박막 제조1. Manufacture of p-type CTS thin film

상온에서 스퍼터링법을 이용하여 전구체 박막을 증착하고, 상기 전구체 박막을 황화 열처리하였다. 상기 전구체 박막은 1μm의 Mo가 증착된 소다라임 유리 기판에 Sn, Cu 타겟을 이용하여 유리/Mo/Sn/Cu의 적층형 구조를 형성하였다. 이 때, Sn와 Cu 타겟의 RF 파워는 40W로 고정하였으며, 작동 압력은 1m Torr였다. 이후, 580℃에서 10분 동안 5%의 황 분말을 이용하여 열처리하였다.A precursor thin film was deposited by sputtering at room temperature, and the precursor thin film was subjected to a heat treatment by sulphide. The precursor thin film was formed of a stacked structure of glass / Mo / Sn / Cu using a Sn / Cu target on a soda lime glass substrate on which 1 μm of Mo was deposited. At this time, the RF power of Sn and Cu target was fixed to 40 W, and the working pressure was 1 mTorr. Thereafter, heat treatment was performed using 5% sulfur powder at 580 ° C for 10 minutes.

2. n형 CdS 박막 합성2. Synthesis of n-type CdS thin film

상기 1의 과정을 통해 제조한 CTS 박막 상에 CBD(Chemical bath deposition)법을 이용하여 CdS 박막을 합성하였다. 먼저, 출발 물질로 Cadmium sulfate, Thiourea 및 28%의 NH3 수용액을 준비하고 혼합하여 60도 이상의 온도에서 지속적으로 스터링(stirring)한다. 이후, 상기 용액에 CTS 박막을 수직방향으로 디핑(dipping)하여 CTS 박막 위에서 CdS 박막을 합성한다.A CdS thin film was synthesized by CBD (Chemical Bath Deposition) on the CTS thin film prepared by the above process 1. First, Cadmium sulfate, Thiourea, and 28% NH 3 aqueous solution are prepared as starting materials, and they are mixed and continuously stirred at a temperature of 60 degrees or more. Thereafter, the CTS thin film is vertically dipped into the solution to synthesize a CdS thin film on the CTS thin film.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 가스센서의 단면을 나타내는 SEM 이미지이다.3 is an SEM image showing a cross section of a gas sensor according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 상기 p-CTS 박막은 마이크로미터(μm)사이즈의 입자들로 이루어져 있음을 확인할 수 있다. 또한, 상기 입자들은 불규칙적인 형태로 밀집하여 형성되며, 상기 입자들의 평균 사이즈는 약 500μm이다.Referring to FIG. 3, it can be seen that the p-CTS thin film is composed of particles of micrometer (μm) size. In addition, the particles are formed in an irregular shape, and the average size of the particles is about 500 탆.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 가스센서의 가스 농도에 따른 전류 밀도를 나타내는 J-V 곡선이다.4 is a J-V curve showing the current density according to the gas concentration of the gas sensor according to an embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, 가스센서에 가스가 공급되면 p-n 접합에 순방향 전류가 임계 수치까지 선형적으로 증가하게 된다. 도 4에 도시한 바와 같이, 가스농도의 증가에 따라 순방향 전류가 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있으며, 반응도의 척도가 되며 Schottky contact을 나타내는 다이오드 특성이 가스농도의 증가에 따라 명확하게 나타나는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 4, when a gas is supplied to the gas sensor, the forward current linearly increases to the threshold value at the p-n junction. As shown in FIG. 4, it can be seen that the forward current increases linearly with the increase of the gas concentration. It is a measure of the reactivity, and it is known that the characteristic of the diode showing the Schottky contact is apparent with the increase of the gas concentration .

도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 가스센서의 가스 농도에 따른 가스 반응률을 나타내는 그래프이다.5 is a graph showing a gas reaction rate according to a gas concentration of a gas sensor according to an embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, 가스 농도 800ppm까지는, 가스 농도가 증가할수록 가스 반응률이 증가하는 반면, 그 이상의 농도에서는 감소하는 것을 확인할 수 있다. 가스 반응률이 증가하는 것은 넓어진 공핍층(depletion layer) 영역에 의해 전하 운반자가 감소하여, 퍼텐셜 배리어(potential barrier)의 높이가 증가하기 때문인 것으로 풀이된다. 또한, 800ppm 이상에서 가스 반응률이 감소하는 것은 p-n 접합의 계면에 가스 분자들이 축적되어, 계면 반응을 위한 유효 면적이 축소되기 때문인 것으로 풀이된다. 가스 농도 800ppm에서 가스 반응도는 최고 60%로 상당히 높은 가스 검지 능력을 나타냄을 알 수 있다.Referring to FIG. 5, it can be seen that as the gas concentration increases, the gas reaction rate increases up to a gas concentration of 800 ppm, while it decreases at a higher concentration. The increase in the gas response rate is attributed to the increase in the height of the potential barrier due to the decrease of the charge carrier by the wider depletion layer region. The decrease in the gas reaction rate at 800 ppm or more is attributed to the accumulation of gas molecules at the interface of the p-n junction, thereby reducing the effective area for the interfacial reaction. It can be seen that the gas reactivity is as high as 60% at a gas concentration of 800 ppm, indicating a very high gas detection capability.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 가스센서의 시간에 따른 가스 반응률을 나타내는 그래프이다.6 is a graph showing gas reaction rates with time of a gas sensor according to an embodiment of the present invention.

도 6을 참조하면, 가스를 반응 챔버에 공급(Gas in)한 후 50초 이내에 가스 반응률이 최대값인 50%를 나타냈으며, 가스 제거 후(Gas out) 70초 이내에 반응률이 0으로 복귀하였다. 즉, 반응 시간은 약 40초이며, 회복 시간은 약 70초임을 확인할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 의한 가스센서는 높은 가스 검지력과 더불어 신속한 반응률을 나타냄을 확인 할 수 있다.Referring to FIG. 6, the gas reaction rate showed a maximum value of 50% within 50 seconds after the gas was supplied to the reaction chamber, and the reaction rate returned to 0 within 70 seconds after gas out. That is, the reaction time is about 40 seconds and the recovery time is about 70 seconds. Therefore, it can be confirmed that the gas sensor according to the embodiment of the present invention exhibits a fast reaction rate in addition to a high gas detection force.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 가스센서의 날짜에 따른 가스 반응률을 나타내는 그래프이다.7 is a graph showing a gas reaction rate according to a date of a gas sensor according to an embodiment of the present invention.

도 7을 참조하면, 10일 동안 가스 반응률이 최고 60%의 수치를 일정하게 유지하는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 의한 가스센서는 우수한 신뢰성을 나타냄을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 7, it can be confirmed that the gas reaction rate is maintained at a maximum value of 60% for 10 days. Therefore, it can be confirmed that the gas sensor according to the embodiment of the present invention shows excellent reliability.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 가스센서는 종래에 비해 삼성분계 p형층으로 높은 화학적 안전성을 가지는 화합물 반도체층을 채용하여, 상온에서 장소에 무관하게 사용할 수 있다. 또한, p형 박막형 화합물 반도체층의 치밀한 특성으로 n형 화합물 반도체층과의 이종접합을 통한 높은 검지력을 가진 가스센서의 제조가 가능하다.As described above, the gas sensor according to the present invention employs a compound semiconductor layer having high chemical stability as a ternary p-type layer as compared with the prior art, and can be used at room temperature regardless of the place. In addition, it is possible to manufacture a gas sensor having a high detection force through heterogeneous bonding with the n-type compound semiconductor layer with the dense characteristics of the p-type thin film type compound semiconductor layer.

한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.It should be noted that the embodiments of the present invention disclosed in the present specification and drawings are only illustrative of specific examples for the purpose of understanding and are not intended to limit the scope of the present invention. It will be apparent to those skilled in the art that other modifications based on the technical idea of the present invention are possible in addition to the embodiments disclosed herein.

110 : 기판 120 : 후면전극
130 : p형 박막형 화합물 반도체층 140 : n형 화합물 반도체층
150 : 전면전극
110: substrate 120: rear electrode
130: p-type thin film type compound semiconductor layer 140: n-type compound semiconductor layer
150: front electrode

Claims (13)

기판;
상기 기판 상에 형성되는 후면전극;
상기 후면전극 상에 삼성분계 p형층으로 형성되는 p형 박막형 화합물 반도체층;
상기 p형 박막형 화합물 반도체층 상에 형성되는 n형 화합물 반도체층; 및
상기 n형 화합물 반도체층 상에 형성되는 전면전극을 포함하고,
상기 p형 박막형 화합물 반도체층은 Cu2SnS3, Cu2SnSe3, Cu4SnS 및 Cu2Sn5S7 중에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 가스센서.
Board;
A rear electrode formed on the substrate;
A p-type thin film type compound semiconductor layer formed as a ternary p-type layer on the rear electrode;
An n-type compound semiconductor layer formed on the p-type thin film type compound semiconductor layer; And
And a front electrode formed on the n-type compound semiconductor layer,
Wherein the p-type thin film type compound semiconductor layer comprises at least one selected from Cu 2 SnS 3 , Cu 2 SnSe 3 , Cu 4 SnS, and Cu 2 Sn 5 S 7 .
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 p형 박막형 화합물 반도체층은 무기물을 함유하는 것인 가스센서.
The method according to claim 1,
Wherein the p-type thin film type compound semiconductor layer contains an inorganic substance.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 n형 화합물 반도체층은 CdS, ZnOS, ZnS, ZnO, SnO2, VO2, TiO2 및 In2O3 중에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 가스센서.
The method according to claim 1,
Wherein the n-type compound semiconductor layer comprises at least one selected from the group consisting of CdS, ZnOS, ZnS, ZnO, SnO 2 , VO 2 , TiO 2 and In 2 O 3 .
제1항에 있어서,
상기 p형 박막형 화합물 반도체층은 Cu2SnS3를 포함하고, 상기 n형 화합물 반도체층은 CdS를 포함하는 가스센서.
The method according to claim 1,
Wherein the p-type thin film type compound semiconductor layer includes Cu 2 SnS 3 , and the n-type compound semiconductor layer includes CdS.
제1항에 있어서,
상기 후면전극은 Mo를 포함하고, 상기 전면전극은 Ag를 포함하는 가스센서.
The method according to claim 1,
Wherein the backside electrode comprises Mo and the front electrode comprises Ag.
후면전극이 형성된 기판을 제공하는 단계;
상기 기판 상에 삼성분계 p형층으로 형성되는 p형 박막형 화합물 반도체층을 형성하는 단계;
상기 p형 박막형 화합물 상에 n형 화합물 반도체층을 형성하는 단계; 및
상기 n형 화합물 반도체층 상에 전면전극을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 p형 박막형 화합물 반도체층은 Cu2SnS3, Cu2SnSe3, Cu4SnS 및 Cu2Sn5S7 중에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 가스센서의 제조방법.
Providing a substrate on which a back electrode is formed;
Forming a p-type thin film type compound semiconductor layer formed as a ternary p-type layer on the substrate;
Forming an n-type compound semiconductor layer on the p-type thin film type compound; And
And forming a front electrode on the n-type compound semiconductor layer,
Wherein the p-type thin film type compound semiconductor layer comprises at least one selected from Cu 2 SnS 3 , Cu 2 SnSe 3 , Cu 4 SnS, and Cu 2 Sn 5 S 7 .
삭제delete 삭제delete 제8항에 있어서,
상기 p형 박막형 화합물 반도체층을 형성하는 단계는,
상기 기판 상에 p형 화합물 반도체용 전구체 박막을 스퍼터링하여 증착하는 단계; 및
상기 전구체 박막을 열처리하는 단계를 포함하는 가스센서의 제조방법.
9. The method of claim 8,
The step of forming the p-type thin film type compound semiconductor layer includes:
Sputtering and depositing a precursor thin film for a p-type compound semiconductor on the substrate; And
And heat treating the precursor thin film.
제11항에 있어서,
상기 열처리는 400℃~800℃에서 수행되는 가스센서의 제조방법.
12. The method of claim 11,
Wherein the heat treatment is performed at 400 ° C to 800 ° C.
제8항에 있어서,
상기 n형 화합물 반도체층을 형성하는 단계는,
CBD(chemical bath deposition)법을 이용하여 상기 p형 박막형 화합물 반도체층 상에 n형 화합물 반도체를 성장시키는 단계인 가스센서의 제조방법.
9. The method of claim 8,
The step of forming the n-type compound semiconductor layer includes:
Wherein the step of growing an n-type compound semiconductor on the p-type thin film type compound semiconductor layer by using a chemical bath deposition (CBD) method.
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US11183596B2 (en) 2019-01-07 2021-11-23 Iucf-Hyu (Industry-University Cooperation Foundation Hanyang University) Thin film transistor and method for fabricating same

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