KR101989685B1 - Gas sensor having metal-oxide-metal structure and method for operating the same - Google Patents

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Abstract

금속-산화막-금속 구조를 갖는 가스 센서를 제공한다. 상기 가스 센서는 하부 전극을 구비한다. 상기 하부 전극 상에 제1 전이금속 산화막이 배치된다. 상기 제1 전이금속 산화막 상에 상기 제1 전이금속 산화막에 비해 트랩밀도가 큰 제2 전이금속 산화막이 배치된다. 상기 제2 전이금속 산화막 상에 상부 전극이 배치된다.A gas sensor having a metal-oxide film-metal structure is provided. The gas sensor has a lower electrode. And a first transition metal oxide film is disposed on the lower electrode. A second transition metal oxide film having a larger trap density than the first transition metal oxide film is disposed on the first transition metal oxide film. An upper electrode is disposed on the second transition metal oxide film.

Description

금속-산화막-금속 구조를 갖는 가스 센서 및 이의 동작방법{Gas sensor having metal-oxide-metal structure and method for operating the same}[0001] The present invention relates to a gas sensor having a metal-oxide-metal structure and a gas sensor having a metal-oxide-metal structure,

본 발명은 센서에 관한 것으로, 구체적으로는 가스 센서에 관한 것이다. The present invention relates to a sensor, and more particularly, to a gas sensor.

생활환경, 공장설비 등에서 다양한 종류의 가스를 정량하는 가스 센서가 다수 사용되고 있다. A gas sensor for measuring various kinds of gases in a living environment, a factory facility, and the like is widely used.

특히, 자동차의 엔진은 공기와 연료의 혼합비율인 공연비에 따라 엔진의 출력, 연료 소비량 및 배기 가스량이 변하므로, 항상 최적의 공연비를 유지하도록 제어하는 것이 필요하다. 특히 이러한 효율적인 제어를 통해 에너지 절감 및 유해 배기가스의 저감이 달성된다. 이러한 공연비는 자동차의 엔진에서 배출되는 배기가스 중에 포함되어 있는 산소의 함량을 측정함으로써 얻어지는데, 이러한 측정에는 통상적으로 산소센서가 사용된다. Particularly, in an engine of an automobile, it is necessary to control so as to always maintain an optimum air-fuel ratio because the output of the engine, the fuel consumption amount and the exhaust gas amount vary depending on the air-fuel ratio which is a mixture ratio of air and fuel. Particularly, through such efficient control, energy saving and reduction of harmful exhaust gas are achieved. This air-fuel ratio is obtained by measuring the content of oxygen contained in the exhaust gas discharged from the engine of an automobile. An oxygen sensor is usually used for such measurement.

이러한 산소센서의 일 예가 WO 2014-051176호에 개시된다. An example of such an oxygen sensor is disclosed in WO 2014-051176.

이러한 가스 센서들은 민감도가 더 향상될 필요성이 있으며, 또한 한 번의 가스 센싱 후 추가 사용이 용이하지 않은 단점이 있다. These gas sensors need to be further improved in sensitivity, and further have a disadvantage in that additional use after gas sensing is not easy.

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 민감도의 향상과 더불어서 재생 가능하여 여러 번 반복 사용할 수 있는 가스 센서를 제공함에 있다.SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is an object of the present invention to provide a gas sensor which can be used repeatedly and repeatedly with improved sensitivity.

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

상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 가스 센서를 제공한다. 상기 가스 센서는 하부 전극을 구비한다. 상기 하부 전극 상에 제1 전이금속 산화막이 배치된다. 상기 제1 전이금속 산화막 상에 상기 제1 전이금속 산화막에 비해 트랩밀도가 큰 제2 전이금속 산화막이 배치된다. 상기 제2 전이금속 산화막 상에 상부 전극이 배치된다.According to an aspect of the present invention, there is provided a gas sensor. The gas sensor has a lower electrode. And a first transition metal oxide film is disposed on the lower electrode. A second transition metal oxide film having a larger trap density than the first transition metal oxide film is disposed on the first transition metal oxide film. An upper electrode is disposed on the second transition metal oxide film.

상기 제1 전이금속 산화막과 상기 제2 전이금속 산화막은 모두 화학양론이 맞는(stoichiometric) 전이금속 산화막으로, 트랩밀도에 차이가 있는 막들일 수 있다. 일 예로서, 상기 제1 전이금속 산화막과 상기 제2 전이금속 산화막은 TiO2, NiO, CuO, Cu2O, 또는 HfO2일 수 있다.The first transition metal oxide layer and the second transition metal oxide layer may all be stoichiometric transition metal oxide layers having different trap densities. As an example, the first transition metal oxide film and the second transition metal oxide film may be TiO 2 , NiO, CuO, Cu 2 O, or HfO 2 .

다른 예에서, 상기 제1 전이금속 산화막은 화학양론이 맞는(stoichiometric) 전이금속 산화막이고, 상기 제2 전이금속 산화막(23)은 화학양론이 맞지 않는(non-stoichiometric) 산소부족 전이금속 산화막일 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 전이금속 산화막은 TiO2, NiO, CuO, Cu2O, 또는 HfO2이고, 상기 제2 전이금속 산화막은 TiO(2-x)(0<X<1), NiO(1-x)(0<X<0.5), CuO(1-x)(0<X<0.5), Cu2O(1-x)(0<X<0.5), 또는 HfO(2-x)(0<X<1)일 수 있다.In another example, the first transition metal oxide layer is a stoichiometric transition metal oxide layer, and the second transition metal oxide layer 23 may be a non-stoichiometric oxygen deficient transition metal oxide layer. have. More specifically, the first transition metal oxide is TiO 2, NiO, CuO, Cu 2 O, or a HfO 2, wherein the second transition metal oxide is TiO (2-x) (0 <X <1), NiO (1 -x) (0 <x <0.5 ), CuO (1-x) (0 <x <0.5), Cu 2 O (1-x) (0 <x <0.5), or HfO (2-x) (0 &Lt; X < 1).

상기 제1 전이금속 산화막은 5 내지 15nm의 두께를 갖고, 상기 제2 전이금속 산화막은 2 내지 4nm의 두께를 가질 수 있다. 상기 상부 전극은 Pt막, Ir막, Cr막, 또는 Pd막일 수 있다. 상기 가스 센서는 산소 센서일 수 있다.The first transition metal oxide layer may have a thickness of 5 to 15 nm, and the second transition metal oxide layer may have a thickness of 2 to 4 nm. The upper electrode may be a Pt film, an Ir film, a Cr film, or a Pd film. The gas sensor may be an oxygen sensor.

상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 측면은 가스 센서의 동작 방법을 제공한다. 먼저, 하부 전극, 상기 하부 전극 상에 차례로 배치된 제1 전이금속 산화막과 상기 제1 전이금속 산화막에 비해 트랩밀도가 큰 제2 전이금속 산화막, 및 상기 제2 전이금속 산화막 상에 배치된 상부 전극을 포함하는 가스 센서를 제공한다. 상기 하부 전극과 상기 상부 전극 사이에 동작 전계를 인가하여 상기 하부 전극과 상기 상부 전극 사이에 기준 전류를 흐르게 한다. 상기 하부 전극과 상기 상부 전극 사이에 동작 전계를 인가한 상태에서 상기 상부 전극이 산소에 접하면 상기 하부 전극과 상기 상부 전극 사이에 흐르는 전류의 량이 기준 전류에 비해 줄어들어 산소 기체를 센싱한다. 산소 기체를 센싱한 후, 상기 하부 전극과 상기 상부 전극 사이에 동작 전계와는 반대 부호의 전계를 인가하여 상기 가스 센서를 재생한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of operating a gas sensor. The first transition metal oxide layer, the second transition metal oxide layer, and the second transition metal oxide layer are sequentially stacked on the lower electrode, the lower electrode, the second transition metal oxide layer, And a gas sensor. An operating electric field is applied between the lower electrode and the upper electrode to cause a reference current to flow between the lower electrode and the upper electrode. When an operation electric field is applied between the lower electrode and the upper electrode, when the upper electrode is in contact with oxygen, the amount of current flowing between the lower electrode and the upper electrode is reduced compared to the reference current to sense the oxygen gas. After the oxygen gas is sensed, an electric field opposite to the operating electric field is applied between the lower electrode and the upper electrode to regenerate the gas sensor.

본 발명에 따르면, 가스 센서의 민감도를 향상시키면서도 가스 센서를 재생시킬 수 있어 반복 사용이 가능할 수 있다.According to the present invention, the gas sensor can be regenerated while improving the sensitivity of the gas sensor, so that it can be used repeatedly.

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

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센서를 나타낸 단면도이다.
도 2a, 도 2b, 및 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센서의 동작 방법을 나타낸 개략도들이다.
도 3은 가스 센서 제조예를 통해 얻어진 가스 센서를 동작시키면서 얻어진 전압-전류 그래프이다.1 is a cross-sectional view of a gas sensor according to an embodiment of the present invention.
FIGS. 2A, 2B, and 2C are schematic views illustrating a method of operating a gas sensor according to an embodiment of the present invention.
3 is a voltage-current graph obtained while operating the gas sensor obtained through the production of the gas sensor.

이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 도면들에 있어서, 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되어지는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 층이 개재될 수도 있다. 본 실시예들에서 "제1", "제2", 또는 "제3"는 구성요소들에 어떠한 한정을 가하려는 것은 아니며, 다만 구성요소들을 구별하기 위한 용어로서 이해되어야 할 것이다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein but may be embodied in other forms. In the drawings, where a layer is referred to as being "on" another layer or substrate, it may be formed directly on another layer or substrate, or a third layer may be interposed therebetween. In the present embodiments, "first "," second ", or "third" is not intended to impose any limitation on the elements, but merely as terms for distinguishing the elements.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센서를 나타낸 단면도이다.1 is a cross-sectional view of a gas sensor according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 가스 센서는 하부 전극(10), 상기 하부 전극(10) 상에 차례로 배치된 제1 전이금속 산화막(21)과 상기 제2 전이금속 산화막(23), 및 상기 제2 전이금속 산화막(23) 상에 배치된 상부 전극(30)을 구비한다.1, the gas sensor includes a lower electrode 10, a first transition metal oxide film 21, a second transition metal oxide film 23, and a second transition metal oxide film 23, which are sequentially disposed on the lower electrode 10, And an upper electrode (30) disposed on the metal oxide film (23).

상기 하부 전극(10)은 W막, Pt막, Ru막, Ir막, Al막, Mo막 또는 TiN막일 수 있다. 상기 하부 전극(10)은 별도의 기판(미도시) 상에 형성되어 있을 수 있다.The lower electrode 10 may be a W film, a Pt film, a Ru film, an Ir film, an Al film, a Mo film, or a TiN film. The lower electrode 10 may be formed on a separate substrate (not shown).

한편, 상기 상부 전극(30)은 외부 환경 예를 들어, 검출하고자 하는 가스가 있는 분위기에 접하고 있을 수 있다. 일 예로서, 상기 검출대상 가스는 산소일 수 있는데, 이 경우 상기 상부 전극(30)은 산소를 산소 이온으로 변화시킬 수 있고 상기 산소 이온을 전도시킬 수 있는 막으로, 일 예로서, Pt막, Ir막, Cr막, 또는 Pd막일 수 있다. On the other hand, the upper electrode 30 may be in contact with an external environment, for example, an atmosphere in which gas to be detected exists. For example, the detection target gas may be oxygen. In this case, the upper electrode 30 is a film capable of converting oxygen into oxygen ions and capable of conducting the oxygen ions. An Ir film, a Cr film, or a Pd film.

상기 제2 전이금속 산화막(23)은 상기 제1 전이금속 산화막(21)에 비해 트랩밀도가 클 수 있다. 산화막 내에서의 트랩은 금속 불순물, 전이금속과 산소 사이의 결합이 끊어진 것, 또는 산소공공을 의미할 수 있다. 일 예로서 상기 제1 전이금속 산화막(21)과 상기 제2 전이금속 산화막(23)은 동일한 금속 산화막일 수 있고, 단지 트랩밀도에만 차이가 있을 수 있다. 일 예로서, 상기 제1 전이금속 산화막(21) 내의 트랩밀도는 1 x 1011 cm-2 이하일 수 있고, 상기 제2 전이금속 산화막(23) 내의 트랩밀도는 제1 전이금속 산화막(21) 내의 트랩밀도 보다 10 배 더 높은 구체적으로, 2 x 1012 cm-2 내지 8 x 1012 cm-2 일 수 있다. The second transition metal oxide layer 23 may have a larger trap density than the first transition metal oxide layer 21. Traps in the oxide film can mean metal impurities, broken bonds between the transition metal and oxygen, or oxygen vacancies. For example, the first transition metal oxide film 21 and the second transition metal oxide film 23 may be the same metal oxide film, and only the trap density may differ. The trap density in the first transition metal oxide film 21 may be less than or equal to 1 x 10 11 cm -2 and the trap density in the second transition metal oxide film 23 may be less than the trap density in the first transition metal oxide film 21. Specifically, it may be 2 x 10 12 cm -2 to 8 x 10 12 cm -2 , which is 10 times higher than the trap density.

일 예로서, 상기 제1 전이금속 산화막(21)과 상기 제2 전이금속 산화막(23)은 단지 트랩밀도에 차이가 있는 화학양론이 맞는(stoichiometric) 전이금속 산화막으로서, 서로에 관계없이 TiO2, NiO, CuO, Cu2O, 또는 HfO2일 수 있다.For example, the first transition metal oxide film 21 and the second transition metal oxide film 23 may be stoichiometric transition metal oxide films differing only in trap density. The first transition metal oxide film 21 and the second transition metal oxide film 23 may be TiO 2 , NiO, CuO, Cu 2 O, or HfO 2 .

다른 예에서, 상기 제1 전이금속 산화막(21)은 화학양론이 맞는(stoichiometric) 전이금속 산화막일 수 있고, 상기 제2 전이금속 산화막(23)은 화학양론이 맞지 않는(non-stoichiometric) 산소부족 전이금속 산화막일 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 전이금속 산화막(21)은 TiO2, NiO, CuO, Cu2O, 또는 HfO2일 수 있고, 상기 제2 전이금속 산화막(23)은 TiO(2-x)(0<X<1), NiO(1-x)(0<X<0.5), CuO(1-x)(0<X<0.5), Cu2O(1-x)(0<X<0.5), 또는 HfO(2-x)(0<X<1)일 수 있다. In another example, the first transition metal oxide film 21 may be a stoichiometric transition metal oxide film, and the second transition metal oxide film 23 may be a non-stoichiometric oxygen deficient film. It may be a transition metal oxide film. More specifically, the first transition metal oxide film 21 is TiO 2, NiO, CuO, Cu 2 O, or HfO can 2, the second transition metal oxide film 23 is TiO (2-x) (0 < X <1), NiO (1 -x) (0 <X <0.5), CuO (1-x) (0 <X <0.5), Cu 2 O (1-x) (0 <X <0.5), or HfO (2-x) (0 < X < 1).

한편, 상기 제2 전이금속 산화막(23)은 상기 제1 전이금속 산화막(21)에 비해 두께가 얇은 막일 수 있다. 일 예로서, 상기 제1 전이금속 산화막(21)은 5 내지 15nm의 두께를 가질 수 있고, 상기 제2 전이금속 산화막(23)은 2 내지 4nm의 두께를 가질 수 있다.On the other hand, the second transition metal oxide film 23 may be a thinner film than the first transition metal oxide film 21. As an example, the first transition metal oxide film 21 may have a thickness of 5 to 15 nm, and the second transition metal oxide film 23 may have a thickness of 2 to 4 nm.

상기 하부 전극(10)과 상기 상부 전극(30)은 다양한 금속막 형성방법 일 예로서, PVD (physical vapor deposition) 또는 CVD (chemical vapor deposition)를 사용할 수 있다. 한편, 제1 전이금속 산화막(21)은 단결정 산화막 또는 결함이 매우 적은 산화막이 형성될 수 있도록 ALD (atomic layer deposition), MOCVD (metal organic chemical vapor deposition), MBE (molecular beam epitaxy)법을 사용하여 형성할 수 있고, 제2 전이금속 산화막(23)은 비정질 산화막 또는 결함이 상대적으로 많은 산화막이 형성될 수 있도록 PVD (physical vapor deposition)법을 사용하여 형성하거다, 저온에서 ALD (atomic layer deposition), MOCVD (metal organic chemical vapor deposition), MBE (molecular beam epitaxy)법을 사용하여 형성할 수 있다.The lower electrode 10 and the upper electrode 30 may be formed by various methods such as physical vapor deposition (PVD) or chemical vapor deposition (CVD). The first transition metal oxide film 21 may be formed using an ALD (atomic layer deposition) method, a MOCVD (metal organic chemical vapor deposition) method, or an MBE (molecular beam epitaxy) method so that a single crystal oxide film or an oxide film with very few defects can be formed The second transition metal oxide layer 23 may be formed using a physical vapor deposition (PVD) method so that an amorphous oxide layer or an oxide layer having a relatively large number of defects may be formed. Atomic layer deposition (ALD) , Metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), or molecular beam epitaxy (MBE).

도 2a, 도 2b, 및 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센서의 동작 방법을 나타낸 개략도들이다.FIGS. 2A, 2B, and 2C are schematic views illustrating a method of operating a gas sensor according to an embodiment of the present invention.

도 2a를 참조하면, 하부 전극(10)과 상부 전극(30) 사이에 소정의 동작 전계를 인가할 수 있다. 일 예로, 상기 하부 전극(10)의 양의 전압을 인가하면서 상기 상부 전극(30)은 접지할 수 있다. 이 때, 트랩 또는 산소공공으로 인해 생성된 제2 전이금속 산화막(23) 내의 결함 에너지 준위(ET)로 인해 전자는 보다 낮은 에너지(eΦ-ET, eΦ는 제2 전이금속 산화막의 전도대의 에너지 준위)만으로도, 상기 상부 전극(30)에서 제2 전이금속 산화막(23) 및 제1 전이금속 산화막(21)을 지나 상기 하부 전극(10)으로 전달될 수 있다. 그 결과, 상기 하부 전극(10)과 상기 상부 전극(30) 사이에 전류 즉, 기준 전류가 흐를 수 있다.Referring to FIG. 2A, a predetermined working electric field may be applied between the lower electrode 10 and the upper electrode 30. For example, the upper electrode 30 may be grounded while a positive voltage is applied to the lower electrode 10. At this time, due to the defect energy level (E T ) in the second transition metal oxide film 23 generated due to the trap or the oxygen vacancy, the electrons have lower energy (eΦ-E T , eΦ is the energy of the conduction band of the second transition metal oxide film The energy can be transferred from the upper electrode 30 to the lower electrode 10 through the second transition metal oxide film 23 and the first transition metal oxide film 21. [ As a result, a current, that is, a reference current, can flow between the lower electrode 10 and the upper electrode 30.

도 2b를 참조하면, 상기 상부 전극(30)이 접하는 외부 환경 내에 산소 기체가 존재하는 경우, 산소 기체는 상기 상부 전극(30)을 통과하면서 이온화되고 산소 이온은 상기 제2 전이금속 산화막(23)의 트랩 내에 트랩핑되거나 혹은 산소공공의 적어도 일부를 메울 수 있다. 이 경우, 상기 제2 전이금속 산화막(23) 내에 결함 에너지 준위(ET)의 량이 줄어들거나 완전히 제거되므로, 상기 제2 전이금속 산화막(23)의 저항은 높아질 수 있다. 그 결과, 상기 하부 전극(10)과 상기 상부 전극(30) 사이에 흐르는 전류 감소될 수 있다. 이러한 전류의 감소로 인해 산소 기체의 존재 혹은 산소 기체의 량을 센싱할 수 있다.2B, when oxygen gas exists in the external environment in which the upper electrode 30 contacts, oxygen gas is ionized while passing through the upper electrode 30, and oxygen ions are ionized through the second transition metal oxide film 23, Trapped in the trap of the oxygen vacancies or may fill at least a portion of the oxygen vacancies. In this case, since the amount of the defect energy level (E T ) in the second transition metal oxide film (23) is reduced or completely removed, the resistance of the second transition metal oxide film (23) can be increased. As a result, the current flowing between the lower electrode 10 and the upper electrode 30 can be reduced. The reduction of the current makes it possible to sense the presence of oxygen gas or the amount of oxygen gas.

도 2c를 참조하면, 하부 전극(10)과 상부 전극(30) 사이에 상기 동작 전계와는 반대 부호의 전계를 인가할 수 있다. 일 예로, 상기 하부 전극(10)의 음의 전압을 인가하면서 상기 상부 전극(30)은 접지할 수 있다. 이 경우, 상기 제2 전이금속 산화막(23)의 트랩 내에 트랩핑되었던 혹은 산소공공의 적어도 일부를 메우고 있던 산소 이온은 상기 상부 전극(30)을 통해 외부로 방출될 수 있다. 그 결과, 상기 제2 전이금속 산화막(23)은 다시 결함 에너지 준위(ET)를 회복할 수 있다. 이로써, 센서를 초기상태로 재생시킬 수 있다.Referring to FIG. 2C, an electric field opposite to the above-mentioned operation electric field may be applied between the lower electrode 10 and the upper electrode 30. For example, the upper electrode 30 may be grounded while a negative voltage is applied to the lower electrode 10. In this case, the oxygen ions trapped in the trap of the second transition metal oxide film 23 or filling at least a part of the oxygen vacancies may be released to the outside through the upper electrode 30. [ As a result, the second transition metal oxide film 23 can restore the defect energy level E T again. Thus, the sensor can be regenerated in an initial state.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실험예(example)를 제시한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in order 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.

가스 센서 제조예Gas Sensor Manufacturing Example

실리콘 기판 상에 하부 전극으로서 TiN막을 형성한 후, 상기 TiN막 상에 MOCVD법을 사용하여 400도 분위기에서 Hf와 O의 비가 1:2가 되도록 전구체들을 공급하여 단결정 HfO2막을 15 nm로 형성하였다. 상기 HfO2막 상에, 동일한 MOCVD 법을 사용하되 박막 성장 온도를 150도로 낮춘 상태에서, Hf와 O의 비가 1.25:1.75가 되도록 전구체들을 공급하여, 3 nm의 Hf(1.25)O(1.75)막을 형성하였다. 상기 Hf(1.25)O(1.75)막 상에 Radio frequency magnetron sputtering 법을 사용하여 20 nm의 Cr막을 형성하였다.A TiN film was formed as a lower electrode on the silicon substrate, and a precursor was supplied on the TiN film so that the ratio of Hf to O was 1: 2 in a 400 ° atmosphere using MOCVD to form a single crystal HfO 2 film of 15 nm . The precursors were supplied on the HfO 2 film using the same MOCVD method so that the ratio of Hf and O was 1.25: 1.75 under the condition that the growth temperature of the thin film was lowered by 150 ° C. to form a 3 nm Hf (1.25) O (1.75) . A 20 nm Cr film was formed on the Hf (1.25) O (1.75) film by radio frequency magnetron sputtering.

도 3은 가스 센서 제조예를 통해 얻어진 가스 센서를 동작시키면서 얻어진 전압-전류 그래프이다.3 is a voltage-current graph obtained while operating the gas sensor obtained through the production of the gas sensor.

도 3을 참조하면, 가스 센서에 양의 전계를 인가하면 약 2V에서 가스 센서에 전류가 흐르고, 이 상태에서 가스 센서를 산소 가스에 노출시키면 HfO(2-x)막 내의 트랩 또는 산소 공공 내에 산소 이온이 트랩되면서 가스 센서에 흐르는 전류는 감소한다. 한편, 상기 가스 센서에 음의 전계를 인가하면 상기 HfO(2-x)막 내의 트랩 또는 산소 공공이 재생되면서 가스 센서는 초기 상태로 돌아올 수 있다.Referring to Figure 3, when the gas sensor is a positive electric field at about 2V, the current flowing through the gas sensor, when in this state, exposing the gas sensor to the oxygen gas is the oxygen in the trap or oxygen vacancies in the HfO (2-x) film As the ions are trapped, the current flowing through the gas sensor decreases. On the other hand, if a negative electric field is applied to the gas sensor, the trap or the oxygen vacancy in the HfO (2-x) film is regenerated and the gas sensor can return to the initial state.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형 및 변경이 가능하다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, This is possible.

Claims (10)

하부 전극;
상기 하부 전극 상에 배치된 화학양론이 맞는(stoichiometric) 제1 전이금속 산화막;
상기 제1 전이금속 산화막 상에 배치되고, 화학양론이 맞는 막이되 상기 제1 전이금속 산화막에 비해 트랩밀도가 큰 제2 전이금속 산화막; 및
상기 제2 전이금속 산화막 상에 배치된 상부 전극을 포함하는 가스 센서.A lower electrode;
A stoichiometric first transition metal oxide film disposed on the lower electrode;
A second transition metal oxide film disposed on the first transition metal oxide film, the second transition metal oxide film having a stoichiometric film and having a higher trap density than the first transition metal oxide film; And
And an upper electrode disposed on the second transition metal oxide film. 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 제1 전이금속 산화막과 상기 제2 전이금속 산화막은 TiO2, NiO, CuO, Cu2O, 또는 HfO2인 가스 센서.The method according to claim 1,
Wherein the first transition metal oxide film and the second transition metal oxide film are TiO 2 , NiO, CuO, Cu 2 O, or HfO 2 . 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 제1 전이금속 산화막은 단결정막인 가스 센서.The method according to claim 1,
Wherein the first transition metal oxide film is a single crystal film. 제1항에 있어서,
상기 제1 전이금속 산화막은 5 내지 15nm의 두께를 갖고,
상기 제2 전이금속 산화막은 2 내지 4nm의 두께를 갖는 가스 센서.The method according to claim 1,
Wherein the first transition metal oxide film has a thickness of 5 to 15 nm,
And the second transition metal oxide film has a thickness of 2 to 4 nm. 제1항에 있어서,
상기 상부 전극은 Pt막, Ir막, Cr막, 또는 Pd막인 가스 센서.The method according to claim 1,
Wherein the upper electrode is a Pt film, an Ir film, a Cr film, or a Pd film. 제1항에 있어서,
상기 가스 센서는 산소 센서인 가스 센서.The method according to claim 1,
Wherein the gas sensor is an oxygen sensor. 하부 전극, 상기 하부 전극 상에 차례로 배치된 제1 전이금속 산화막과 상기 제1 전이금속 산화막에 비해 트랩밀도가 큰 제2 전이금속 산화막, 및 상기 제2 전이금속 산화막 상에 배치된 상부 전극을 포함하는 가스 센서를 제공하는 단계;
상기 하부 전극과 상기 상부 전극 사이에 동작 전계를 인가하여 상기 하부 전극과 상기 상부 전극 사이에 기준 전류를 흐르게 하는 단계; 및
상기 하부 전극과 상기 상부 전극 사이에 동작 전계를 인가한 상태에서 상기 상부 전극이 산소에 접하면 상기 상부 전극을 통과하여 이온화된 산소 이온이 제2 전이금속 산화막의 트랩 내에 트랩핑되어 트랩밀도를 감소시킴에 따라 상기 하부 전극과 상기 상부 전극 사이에 흐르는 전류의 량이 기준 전류에 비해 줄어들어 산소 기체를 센싱하는 단계; 및
산소 기체를 센싱한 후, 상기 하부 전극과 상기 상부 전극 사이에 동작 전계와는 반대 부호의 전계를 인가하여 상기 가스 센서를 재생하는 단계를 포함하는 가스 센서 동작 방법.A lower electrode, a first transition metal oxide film sequentially disposed on the lower electrode, a second transition metal oxide film having a higher trap density than the first transition metal oxide film, and an upper electrode disposed on the second transition metal oxide film Providing a gas sensor;
Applying an operating electric field between the lower electrode and the upper electrode to cause a reference current to flow between the lower electrode and the upper electrode; And
When the upper electrode is in contact with oxygen in a state where an operation electric field is applied between the lower electrode and the upper electrode, oxygen ions ionized through the upper electrode are trapped in the trap of the second transition metal oxide film to reduce the trap density Sensing the oxygen gas by reducing an amount of current flowing between the lower electrode and the upper electrode in comparison with a reference current, And
Sensing the oxygen gas and regenerating the gas sensor by applying an electric field between the lower electrode and the upper electrode opposite to the operating field.
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