KR102228652B1 - 광다이오드형 무전원 가스센서 및 이의 제조방법 - Google Patents

광다이오드형 무전원 가스센서 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광다이오드형 무전원 가스센서 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 광다이오드형 가스센서는 pn 접합층 사이에 광전자 수거 전극이 일정 간격으로 형성되어 있어, 광 입사시 pn 접합층에서 광전자가 생성되어 광전자 수거 전극으로 이동함으로써 광전류를 측정할 수 있고, 이로 인해 전원이 필요하지 않으며, 가스 흡착에 따라 광전류가 변화하므로, 광전류의 변화를 통해서 가스 감지가 가능하다.

Description

광다이오드형 무전원 가스센서 및 이의 제조방법{Photodiode type self-powered gas sensor and preparation method thereof}
본 발명은 광다이오드형 무전원 가스센서 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
가스센서는 특정 가스(타깃 가스)의 농도를 실시간으로 측정할 수 있는 소자로, 전기화학식, 접촉연소식, 반도체식 등 다양한 형태로 제작되어왔다. 이 중 타깃 가스의 농도에 따라 저항이 바뀌는 산화물을 이용하는 반도체식 가스센서는 소형화가 가능하여, 차세대 휴대용 사물인터넷(Internet of Things, IoT) 센서로 응용할 수 있다는 장점이 있다.
그러나, 반도체식 가스 센서는 공기성분과 반도체 표면의 화학적인 상호작용에 의해 그 표면 전도전자의 밀도변화를 이용하는 것으로, 가열(heating)이 필수적으로 요구된다. 예를 들어, 가열된 반도체 표면에 산소가 사전 흡착이 되고, 특정 가스에 노출될 시, 상기 가스와 사전 흡착된 산소가 반응하여 표면 흡착물이 변하게 되면 반도체 내에 전자 밀도가 변하게 된다. 해당 과정을 통해 특정 가스를 검출하기 위해서 가열을 진행하고, 이러한 가열은 검출하기 위한 가스의 종류에 따라 가열온도가 달라지나, 대체로 200~800℃의 온도로 가열된다. 이러한 가열은 전기 전도도를 향상시켜 가스 검출을 가능하게 한다. 그러나, 이렇게 가열이 필수적으로 요구되는 반도체식 가스센서는, 고온을 적용해야 하므로, 반복적인 측정이 어렵고, 가열부분과 전극부분이 적용되므로, 구조가 복잡하고, 가스 감지 공정이 복잡한 문제가 있다.
한편, 최근 외부 전원 없이 가스 분자 검출이 가능한 pn 다이오드형 무전원 가스센서에 대한 연구가 진행되고 있다. 이러한 무전원 가스센서에 광원이 비추는 경우, pn 다이오드에는 쇼트 회로 전류가 흐르게 되며, 가스 분자(예컨대, 산화가스인 NO2 또는 환원가스인 NH3)에 PN 다이오드의 이차원 물질이 노출되면 쇼트 회로 전류값의 변화가 발생된다. 무전원 가스센서는 상술한 쇼트 회로 전류 값의 변화를 통하여 가스 분자를 검출할 수 있다.
종래 이러한 무전원 가스센서로서 대한민국 특허공개 제10-2018-0055117호에서는 "이차원 전이금속 화합물 기반 PN 다이오드를 이용한 무전원 가스센서 및 그 제작 방법"에 대하여 개시하고 있다. 구체적으로 제1전극이 생성된 기판에 전이금속 디칼코게나이드 물질로 P 타입 반도체 및 N 타입 반도체를 형성하고, 제2 전극을 생성하여 제작된 무전원 가스센서가 개시되어 있다. 그러나 상기 가스센서는 고가의 이차원 전이금속을 사용하기 때문에 비용이 많이 들고, 감도가 낮으며, 별도의 촉매를 도입하지 않아, 수소 등은 감지하지 못하는 문제가 있다.
이에, 감도 높은 새로운 무전원 가스센서의 개발이 여전히 요구되고 있다.
1. 대한민국 특허공개 제10-2018-0055117호
본 발명의 제1 목적은 감도 높은 새로운 반도체식 무전원 가스센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 제2 목적은 상기 반도체식 무전원 가스센서의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 제1 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 반도체 기판; 상기 반도체 기판 상부에 형성되되, 상기 기판의 일부에 형성된 상부전극용 제1 절연체층; 상기 기판의 일부에 형성되되 제1 절연체층과 일부 접촉하며, 상기 제1 절연체층의 길이 방향과 수직 방향으로 형성되되, 일정 간격으로 이격된 선형 패턴을 형성하는 제2 절연체층; 상기 제1 절연체층 및 제2 절연체층 상에 형성되되, 제2 절연체층과 동일한 방향으로 선형 패턴을 형성하는 광전자 수거용 전극들; 상기 반도체 기판 상에서 제2 절연체층 상에 형성된 선형 패턴의 광전자 수거용 전극들의 일부 또는 전부 및 상기 선형 패턴 사이에 위치된 기판을 커버하는 반도체 산화물층; 상기 반도체 산화물층 상에 형성된 금속 나노입자 촉매들; 상기 제1 절연체층 상에 형성된 광전자 수거용 전극들의 일부를 커버하여 상기 광전자 수거용 전극들과 연결되도록 형성된 상부전극; 및 상기 반도체 기판 하부에 접촉된 하부전극을 포함하는 광다이오드형 무전원 가스센서를 제공한다.
또한 바람직하게는, 상기 반도체 기판이 p형 반도체 물질인 경우 반도체 산화물층은 n형 반도체 물질을 사용하고, 상기 반도체 기판이 n형 반도체 물질인 경우 반도체 산화물층은 p형 반도체 물질을 사용할 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 p형 반도체 물질은 p형 실리콘 또는 질화인듐갈륨이고, n형 반도체 물질은 인듐 갈륨 아연 산화물(Indium gallium zinc oxide, IGZO), 아연 산화물(Zinc oxide, ZnO), 주석 산화물(Tin dioxide, SnO2) 및 티타늄 산화물(Titanium dioxide, TiO2)로 이루어지는 군으로부터 선택될 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 제1 절연체층 및 제2 절연체층은 실리콘 산화물 또는 알루미늄 산화물로 이루어질 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 제1 절연체층 및 제2 절연체층은 50~200 nm의 두께로 형성될 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 제2 절연체층 및 광전자 수거용 전극들의 선형 패턴의 간격은 5~30 μm일 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 금속 나노입자 촉매는 수소 가스를 검출하는 경우 팔라듐(Pd) 촉매를 사용하고, NO2 가스를 검출하는 경우 니켈(Ni) 촉매를 사용하고, H2S 가스를 검출하는 경우 구리(Cu) 촉매를 사용할 수 있다.
또한, 상기 제2 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 a) 반도체 기판 상부의 일부에 상부전극용 제1 절연체층을 형성하는 단계; b) 상기 제1 절연체층을 포함하는 상기 반도체 기판 상부에 일정 간격으로 이격된 선형 패턴으로 구성된 광전자 수거용 전극과 제2 절연체층의 적층구조를 형성하는 단계; c) 상기 광전자 수거용 전극과 제2 절연체층의 적층구조를 커버하는 반도체 산화물층을 형성하는 단계; d) 상기 반도체 산화물층 상에 금속 나노입자 촉매들을 형성하는 단계; e) 상기 제1 절연체층 상에 형성된 광전자 수거용 전극들을 커버하는 상부전극을 형성하는 단계; 및 f) 상기 반도체 기판 하부에 하부전극을 형성하는 단계를 포함하는 광다이오드형 무전원 가스센서의 제조방법을 제공한다.
또한 바람직하게는, 상기 제1 절연체층 및 제2 절연체층은 실리콘 산화물 또는 알루미늄 산화물로 이루어질 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 제1 절연체층 및 제2 절연체층은 50~200 nm의 두께로 형성될 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 광전자 수거용 전극과 제2 절연체층의 적층구조의 패턴은 포토리소그래피를 통해 형성할 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 광전자 수거용 전극과 제2 절연체층의 적층구조의 패턴의 간격은 5~30 μm일 수 있다.
본 발명에 따른 광다이오드형 가스센서는 pn 접합층 사이에 광전자 수거 전극이 일정 간격으로 형성되어 있어, 광 입사시 pn 접합층에서 광전자가 생성되어 광전자 수거 전극으로 이동함으로써 광전류를 측정할 수 있고, 이로 인해 전원이 필요하지 않으며, 가스 흡착에 따라 광전류가 변화하므로, 광전류의 변화를 통해서 가스 감지가 가능하다.
또한, 기존 고가의 이차원 소재 기반 가스센서와 달리 저가의 산화물 기반으로 가스센서의 제작이 가능하다.
또한, 일반적인 태양전지를 이용하여 센서 및 소자를 구동하는 시스템과 달리, 본 발명에 따른 광다이오드형 가스센서는 광다이오드 자체가 가스센서의 역할을 수행할 수 있어 별도의 에너지 생성, 저장 및 전달을 하는 요소가 필요하지 않다. 따라서 배터리와 같은 고용량 저장 장치를 포함하지 않기 때문에 초소형으로 제작할 수 있으며, 스마트폰, 스마트워치 등의 휴대용기기에 부착하는 등 다양한 응용이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광다이오드형 무전원 가스센서의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광다이오드형 무전원 가스센서의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광다이오드형 무전원 가스센서의 제조방법을 나타내는 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광다이오드형 무전원 가스센서의 작동원리를 나타내는 모식도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광다이오드형 무전원 가스센서의 표면을 나타내는 주사전자현미경 사진이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 광다이오드형 무전원 가스센서의 선형 패턴의 전극의 단면을 나타내는 주사전자현미경 사진이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 광다이오드형 무전원 가스센서의 수소 가스 감지 성능을 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다.
그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예 및 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
광다이오드형 무전원 가스센서
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 광다이오드형 무전원 가스센서를 도 1 및 도 2를 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광다이오드형 무전원 가스센서의 구조를 나타낸 모식도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광다이오드형 무전원 가스센서의 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 광다이오드형 무전원 가스센서는 기판(10), 절연체층(20a, 20b), 광전자 수거용 전극(30), 반도체 물질층(40), 금속 나노입자 촉매(50), 상부전극(60) 및 하부전극(70)을 포함한다.
상기 기판(10)은 반도체로 형성된 반도체 기판일 수 있다. 반도체 기판을 형성하는 반도체의 예로는, 실리콘, 갈륨비소, 질화갈륨, 산화아연, 인듐인, 탄화실리콘 등을 들 수 있으며, 바람직하게는 p형 실리콘을 사용할 수 있다. 기판의 형상은 임의이지만, 통상은 평판 형상으로 형성한다.
상기 절연체층(20a, 20b)은 전극과 기판과의 쇼트 방지 역할을 하며, 추후 상부전극을 형성하기 위한 제1 절연체층(20a) 및 추후 광전자 수거용 전극을 형성하기 위한 제2 절연체층(20b)을 포함한다. 이때, 상기 제1 절연체층(20a)은 상기 기판의 일부에 형성될 수 있으며, 상기 제2 절연체층(20b)은 상기 제1 절연체층(20a)과 일부 접촉하며, 상기 제2 절연체층(20b)의 길이 방향은 상기 제1 절연체층의 길이 방향과 수직 방향으로 형성되되, 일정 간격을 두고 선형 패턴으로 형성하는 것을 특징으로 한다. 상기 제2 절연체층(20b)의 선형 패턴은 이후 광전자 수거용 전극의 선형 패턴 형성을 위한 것이다.
상기 절연체층(20a, 20b)은 실리콘 산화물(SiO2), 알루미늄 산화물(Al2O3) 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 절연체층(20a, 20b)은 50 nm 이상의 두께로 형성되는 것이 바람직하다. 만일, 상기 절연체층의 두께가 50 nm 미만인 경우에는 쇼트 방지 역할을 성공적으로 수행하지 못하는 문제가 있다. 더욱 바람직하게는 상기 절연체층(20a, 20b)의 두께는 50~200 nm일 수 있다. 상기 절연체층(20a, 20b)은 제1 절연체층(20a)과 제2 절연체층(20b)의 두께가 상이할 수 있다.
상기 광전자 수거용 전극(30)은 pn 접합 영역에서 광 입사에 의해 생성된 광전자를 수용하여 회로에 전달하여 광전류를 형성시키는 역할을 한다. 상기 광전자 수거용 전극(30)은 상기 제2 절연층 상에 형성되고, 상기 광전자 수거용 전극(30)과 제2 절연체층(20b)의 적층구조는 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이 일정 간격으로 이격된 선형 패턴을 형성하게 된다. 이때, 상기 광전자 수거용 전극(30) 패턴 사이의 간격은 5~30 ㎛인 것이 바람직하다. 상기 광전자 수거용 전극(30) 사이에는 이후, 반도체 산화물층이 증착되어 pn 접합이 형성되며, 상기 pn 접합 영역에서 가스 흡착이 일어나는데, 만일, 광전자 수거용 전극(30) 패턴의 사이의 간격이 5 ㎛ 미만이면, 가스의 흡착 면적이 너무 작아 가스 감지가 어렵고, 상기 간격이 30 ㎛를 초과하면 광전자 수거용 전극까지의 거리가 멀어 광전자 수거가 어려워 광전류가 흐르지 못하는 문제가 있다. 상기 광전자 수거용 전극(30)은 제1 절연체층(20a)과 제2 절연체층(20b) 상에 형성될 수 있으며, 20~40 nm의 두께로 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 광전자 수거용 전극의 재료로는 예컨대 Pt, Al, Au, Cu, W, Ti 및 Cr 중 선택으로 이루어지는 군으로부터 선택될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 반도체 산화물층(40)은 반도체 기판과 접합하여 pn 접합을 이룸으로써 입사광으로부터 광전자를 생성하고, 금속 나노입자 촉매와 함께 타겟 가스를 흡착하여 감지하는 역할을 한다.
이때, 반도체 기판이 p형 반도체 물질인 경우 상기 반도체 산화물층은 n형 반도체 물질을 사용할 수 있고, 상기 반도체 기판이 n형 반도체 물질인 경우에는 상기 반도체 산화물층은 p형 반도체 물질을 사용할 수 있다.
이러한 p형 반도체 물질로는 예컨대 p형 실리콘 또는 질화인듐갈륨을 사용할 수 있고, n형 반도체 물질로는 예컨대 인듐 갈륨 아연 산화물(Indium gallium zinc oxide, IGZO), 아연 산화물(Zinc oxide, ZnO), 주석 산화물(Tin dioxide, SnO2) 및 티타늄 산화물(Titanium dioxide, TiO2)로 이루어지는 군으로부터 선택될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 반도체 산화물층(40)은 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 기판(10) 상에서 제2 절연체층(20b)을 포함하는 광전자 수거용 전극(30)의 일부 또는 전부 및 인접한 기판(10)을 커버하도록 형성될 수 있다.
상기 반도체 산화물층(40)의 두께는 조절 가능하며, 예컨대 20~40 nm의 두께로 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 입사광은 가시광 또는 LED 광원일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
상기 금속 나노입자 촉매(50)는 상기 반도체 산화물층(40) 상에 형성되며, 타겟 가스의 원활한 흡·탈착을 유도하기 위해 도입된다. 상기 금속 나노입자 촉매(50)의 종류는 타겟 가스에 따라 적절하게 선택될 수 있으며, 예를 들면 타겟 가스가 수소 가스인 경우에는 팔라듐(Pd)을 사용할 수 있다.
상기 상부전극(60)과 하부전극(70)은 회로를 형성하여 광전류를 측정하기 위한 것으로, 상기 상부전극(60)은 제1 절연체층 상에 형성된 광전자 수거용 전극들의 일부를 커버하여 상기 제1 광전자 수거용 전극들과 연결되도록 형성될 수 있으며, 상기 하부전극(70)은 기판 하부에 형성될 수 있다.
상기 상부전극(60) 및 하부전극(70)은 통상적으로 사용되는 전극재료로 이루어질 수 있으며, 예컨대, Pt, Al, Au, Cu, W, Ti 및 Cr 중 선택으로 이루어지는 군으로부터 선택될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 상부전극(60) 및 하부전극(70)의 두께는 조절 가능하며, 예컨대 20~40 nm의 두께로 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
광다이오드형 무전원 가스센서의 제조방법
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광다이오드형 무전원 가스센서의 제조방법을 나타내는 모식도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 광다이오드형 무전원 가스센서의 제조방법은 a) 반도체 기판(10) 상부의 일부에 상부전극용 제1 절연체층(20a)을 형성하는 단계; b) 상기 제1 절연체층(20a)을 포함하는 상기 반도체 기판 상부에 일정 간격으로 이격된 선형 패턴으로 구성된 광전자 수거용 전극(30)과 제2 절연체층(20b)의 적층구조를 형성하는 단계; c) 상기 광전자 수거용 전극(30)과 제2 절연체층(20b)의 적층구조를 커버하는 반도체 산화물층(40)을 형성하는 단계; d) 상기 반도체 산화물층(40) 상에 금속 나노입자 촉매들(50)을 형성하는 단계; e) 상기 제1 절연체층(20a) 상에 형성된 광전자 수거용 전극들(30)을 커버하는 상부전극(60)을 형성하는 단계; 및 f) 상기 반도체 기판(10) 하부에 하부전극(70)을 형성하는 단계를 포함한다.
이하, 본 발명의 광다이오드형 무전원 가스센서의 제조방법을 단계별로 상세히 설명한다.
먼저, a) 단계는 반도체 기판(10) 상부에 상부전극용 제1 절연체층(20a)을 형성하는 단계이다.
상기 반도체 기판을 형성하는 반도체의 예로는, 실리콘, 갈륨비소, 질화갈륨, 산화아연, 인듐인, 탄화실리콘 등을 들 수 있으며, 바람직하게는 p형 실리콘을 사용할 수 있다. 기판의 형상은 임의이지만, 통상은 평판 형상으로 형성한다. 상기 반도체 기판은 불순물을 제거하기 위하여 초음파 세척 등으로 전처리할 수 있다.
상기 제1 절연체층(20a)은 상기 반도체 기판 상부 중 일부에 형성할 수 있는데, 특정 영역에만 형성시키거나, 기판 전체에 형성시킨 후, 식각액을 통하여 특정 영역만 남기고 제거하는 방법을 사용할 수 있다.
이때, 상기 제1 절연체층(20a) 형성은 전자빔 증착(e-beam evaporation), 열증착(thermal evaporation), 원자층 증착(atomic layer deposition) 및 스퍼터링(sputtering) 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 방법을 이용하여 수행할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 제1 절연체층(20a)은 바람직하게는 실리콘 산화물(SiO2) 또는 알루미늄 산화물(Al2O3)일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 제1 절연체층(20a)은 50 nm 이상의 두께로 형성되는 것이 바람직하다. 만일, 상기 제1 절연체층의 두께가 50 nm 미만인 경우에는 쇼트 방지 역할을 성공적으로 수행하지 못하는 문제가 있다. 더욱 바람직하게는 상기 제1 절연체층의 두께는 50~200 nm일 수 있다.
다음으로, b) 단계는 반도체 기판(10) 상부에 선형 패턴 형태의 광전자 수거용 전극(30)과 제2 절연체층(20b)의 적층구조를 형성하는 단계이다.
상기 광전자 수거용 전극(30)과 제2 절연체층(20b)의 적층구조는 포토리소그래피(photo lithography) 공정을 수행하여 일정 간격으로 이격된 선형 패턴을 형성할 수 있다. 상기 포토리소그래피는 당업계에서 통상적으로 사용하는 방법이므로 자세한 설명은 생략한다. 본 발명의 일실시예에서는 포토레지스트로 선형 패턴의 틀을 형성한 후, 기판 상에 상기 포토레지스트 틀을 놓고 제2 절연체층 및 광전자 수거용 전극층을 차례대로 증착한 후, 상기 포토레지스트를 제거하였다. 상기 증착 방법은 전자빔 증착(e-beam evaporation) 또는 스퍼터링(sputtering) 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이때, 상기 선형 패턴의 간격은 5~30 ㎛인 것이 바람직하다. 만일, 상기 선형 패턴의 간격이 5 ㎛ 미만이면, 가스의 흡착 면적이 너무 작아 가스 감지가 어렵고, 상기 간격이 30 ㎛를 초과하면 광전자 수거용 전극까지의 거리가 멀어 광전자 수거가 어려워 광전류가 흐르지 못하는 문제가 있다.
상기 제2 절연체층(20b)은 바람직하게는 실리콘 산화물 또는 알루미늄 산화물일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 제2 절연체층(20b)은 50 nm 이상의 두께로 형성되는 것이 바람직하다. 만일, 상기 제2 절연체층의 두께가 50 nm 미만인 경우에는 쇼트 방지 역할을 성공적으로 수행하지 못하는 문제가 있다. 더욱 바람직하게는 상기 제2 절연체층의 두께는 50~200 nm일 수 있다. 상기 제1 절연체층(20a)과 상기 제2 절연체층(20b)의 두께는 상이할 수 있다.
상기 광전자 수거용 전극의 재료로는 예컨대 Pt, Al, Au, Cu, W, Ti 및 Cr 중 선택으로 이루어지는 군으로부터 선택될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 광전자 수거용 전극의 두께는 조절 가능하며, 예컨대 20~40 nm의 두께로 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이후, 포토레지스트는 아세톤 등의 유기용매를 통하여 제거될 수 있다.
다음으로, c) 단계는 반도체 산화물층(40)을 형성하는 단계이다.
상기 반도체 산화물층(40)은 반도체 기판과 pn 접합이 수행되는 층으로서, 반도체 기판이 p형 반도체 물질인 경우 상기 반도체 산화물층은 n형 반도체 물질을 사용할 수 있고, 상기 반도체 기판이 n형 반도체 물질인 경우에는 상기 반도체 산화물층은 p형 반도체 물질을 사용할 수 있다.
이러한 p형 반도체 물질로는 예컨대 p형 실리콘 또는 질화인듐갈륨을 사용할 수 있고, n형 반도체 물질로는 예컨대 인듐 갈륨 아연 산화물(Indium gallium zinc oxide, IGZO), 아연 산화물(Zinc oxide, ZnO), 주석 산화물(Tin dioxide, SnO2) 및 티타늄 산화물(Titanium dioxide, TiO2)로 이루어지는 군으로부터 선택될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 반도체 산화물층(40)은 당업계에서 통상적으로 사용하는 방법으로 증착할 수 있으며, 예컨대 RF 스퍼터링 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 반도체 산화물층(40)은 상기 반도체 기판(10) 상에서 광전자 수거용 전극(30)과 제2 절연체층(20b)의 적층구조를 커버하도록 형성될 수 있다.
상기 반도체 산화물층(40)의 두께는 조절 가능하며, 예컨대 20~40 nm의 두께로 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 반도체 산화물층(40) 증착 후에는 후-열처리 공정을 수행할 수 있다.
다음으로, d) 단계는 금속 나노입자 촉매들(50)을 형성하는 단계이다.
상기 금속 나노입자 촉매(50)는 타겟 가스의 원활한 흡·탈착을 유도하기 위해 상기 반도체 산화물층(40) 상에 형성시킬 수 있다.
상기 금속 나노입자 촉매(50)의 종류는 타겟 가스에 따라 적절하게 선택될 수 있으며, 예를 들면 타겟 가스가 수소 가스인 경우에는 금속 나노입자 촉매로서 팔라듐(Pd) 촉매를 사용할 수 있고, 타겟 가스가 NO2 가스인 경우에는 금속 나노입자 촉매로서 니켈(Ni) 촉매를 사용할 수 있으며, 타겟 가스가 H2S 가스인 경우에는 금속 나노입자 촉매로서 구리(Cu) 촉매를 사용할 수 있다.
상기 금속 나노입자 촉매(50)는 당업계에서 통상적으로 사용하는 방법으로 증착할 수 있으며, 예컨대 전자빔 증착 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
다음으로, e) 단계는 상부전극(60)을 형성하는 단계이다.
상기 상부전극(60)은 제1 절연체층(20a) 상에 형성된 광전자 수거용 전극들(30)을 커버하여 상기 광전자 수거용 전극들과 연결되도록 형성되며, 당업계에서 통상적으로 사용하는 방법으로 증착할 수 있으며, 예컨대 전자빔 증착, RF 스퍼터링 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 상부전극(60)은 당업계에서 통상적으로 사용되는 전극재료로 이루어질 수 있으며, 예컨대, Pt, Al, Au, Cu, W, Ti 및 Cr 중 선택으로 이루어지는 군으로부터 선택될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 상부전극(60)의 두께는 조절 가능하며, 예컨대 20~40 nm의 두께로 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
다음으로, f) 단계는 하부전극(70)을 형성하는 단계이다.
상기 하부전극(70)은 기판 하부에 형성되며, 당업계에서 통상적으로 사용하는 방법으로 증착할 수 있으며, 예컨대 전자빔 증착, RF 스퍼터링 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 하부전극(70)은 당업계에서 통상적으로 사용되는 전극재료로 이루어질 수 있으며, 예컨대, Pt, Al, Au, Cu, W, Ti 및 Cr 중 선택으로 이루어지는 군으로부터 선택될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 하부전극(70)의 두께는 조절 가능하며, 예컨대 20~40 nm의 두께로 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
광다이오드형 무전원 가스센서의 동작 방법
이하, 본 발명에 따른 광다이오드형 무전원 가스센서의 동작 방법을 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광다이오드형 무전원 가스센서의 동작 원리를 나타내는 모식도이다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 광다이오드형 무전원 가스센서에서 입사광이 들어오면, 상기 입사광이 상기 기판과 반도체 산화물층이 만나는 pn 접합계면에 접촉되어 상기 pn 접합계면에서 광전자가 형성된다. 상기 생성된 광전자는 반도체 산화물층을 따라 양쪽 광전자 수거용 전극으로 분산되어 이동하며, 이에 광전류가 형성된다.
이때, 광전자의 수거율은 반도체 산화물층의 전도도에 의해 결정되는데, 상기 반도체 산화물층 상에 형성된 금속 나노입자로 인해 유도된 타겟 가스가 반도체 산화물층에 접촉하면 반도체 산화물층의 전도도가 변화하며, 이로 인해 광전자 수거용 전극에서 수거되는 광전자의 양이 가역적으로 변화하게 됨으로써 광전류의 값 또한 변화하게 된다. 이러한 광전류의 변화를 감지하여 타겟 가스의 유무를 감지할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 광다이오드형 가스센서는 일반적인 태양전지를 이용하여 센서 및 소자를 구동하는 시스템과 달리, 광다이오드 자체가 가스센서의 역할을 수행할 수 있어 별도의 에너지 생성, 저장 및 전달을 하는 요소가 필요하지 않다. 따라서 배터리와 같은 고용량 저장 장치를 포함하지 않기 때문에 초소형으로 제작할 수 있으며, 스마트폰, 스마트워치 등의 휴대용기기에 부착하는 등 다양한 응용이 가능하다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해서 제조예 및 실험예(example)를 제시한다. 그러나 하기의 제조예 및 실험예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 본 발명이 하기의 제조예 및 실험예에 한정되는 것은 아니다.
< 제조예 > 광다이오드형 무전원 가스센서의 제조
도 3에 나타낸 바와 같이, 하기 방법을 통하여 광다이오드형 무전원 가스센서를 제조하였다.
먼저, 1.5 cm × 1.5 cm의 크기의 p-Si 웨이퍼(1-10 Ω cm, SSP prime)를 아세톤 (95.5 %, Duksan), 및 이소프로필 알콜 (95.5 %, Duksan)로 순차적으로 초음파 세척하였다.
다음으로, 전자빔 증착기(KVE-EG, Korea Vacuum Tech.)를 이용하여 상기 기판상에 제1 절연층으로서 100 nm의 SiO2 층을 증착하였다. 이후, 상기 SiO2 필름의 상부 1/4을 제외하고, 버퍼 산화물 식각액(BOE: Buffered Oxide Etchant) (J. T. Baker)으로 나머지 SiO2 필름을 제거하였다.
다음으로, 상기 기판 상에 포토레지스트를 형성하고, 포토마스크 및 노광을 이용하여 막대 모양의 선형 패턴 틀을 형성한 후, 상기 선형 패턴 틀 내로 제2 절연층으로서 SiO2 층(50 nm)을 전자빔 증착을 이용하여 증착하고, 상기 제2 절연층 상에 광전자 수거용 전극으로서 Ti 층(30 nm)을 전자빔 증착을 이용하여 증착하여 간격이 20 ㎛ 이격된 선형 패턴의 전극을 제작하였다. 이후 포토레지스트는 아세톤 내에서 제거하였다.
다음으로, 10 mTorr의 정압에서 Ar 및 O2의 기체 혼합물(Ar:O2=100:2) 하에서 RF 마그네톤 스퍼터링 시스템(KVS-2003L, Korea Vacuum Tech.)을 통해 Ti 전극 상에 인접한 기판과 Ti 전극을 커버하도록 IGZO 필름을 30 nm 두께로 증착하였다. 상기 IGZO 타겟은 In2O3:Ga2O3:ZnO=1:1:1의 원자비를 포함하였다. IGZO 증착 후, 불활성기체(N2) 환경 하에서 300℃에서 1시간 동안 후-열처리 공정이 수행되었다.
다음으로, 상기 IGZO층 상에 Pd 촉매층을 전자빔 증착기를 통해 0.5 nm 두께로 증착하였다.
다음으로, 상기 제1 절연층인 SiO2 층 상에 위치한 패턴화된 전극들이 연결되도록 상부전극으로서 금 전극을 RF 스퍼터링 증착하였다. 다음으로 하부전극으로서 알루미늄(Al)을 Si 기판 하부에 RF 스퍼터링 증착하여 광다이오드형 무전원 가스센서를 제조하였다.
제조된 광다이오드형 무전원 가스센서의 표면 및 단면을 주사전자현미경으로 관찰하여 도 5 및 도 6에 나타내었다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광다이오드형 무전원 가스센서의 표면을 나타내는 주사전자현미경 사진이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 광다이오드형 무전원 가스센서의 선형 패턴의 전극의 단면을 나타내는 주사전자현미경 사진이다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 제조된 광다이오드형 센서에서 선형 패턴화된 전극들을 확인할 수 있었고, 도 6에 나타낸 바와 같이, 상기 선형 패턴의 전극 영역의 단면을 관찰한 결과, pn 반도체 접합 영역과 상기 pn 반도체 사이에 형성된 볼록한 부분의 Ti/SiO2 전극 영역으로 구성됨을 확인하였다. 따라서, 상기 pn 반도체 접합 영역에서 광 입사에 따라 형성된 광전자가 인접한 Ti/SiO2 전극으로 이동함으로써 광전류를 형성하며, 이로부터 배터리와 같은 고용량 저장 장치를 포함하지 않아도 전류를 생산할 수 있다.
< 실험예 > 광다이오드형 무전원 가스센서의 수소 가스 감지 성능 측정
본 발명에 따른 광다이오드형 무전원 가스센서의 가스 감지 성능을 알아보기 위하여, 다음과 같은 실험을 수행하였다.
구체적으로, 제조예에서 제조된 광다이오드형 가스센서에서 도 4와 같이 상부전극과 하부전극을 연결하는 회로를 구성하고, 회로로 연결된 광다이오드형 가스센서를 질량 유량 제어기(SEC-4550m, Horiba)가 구비된 수제 챔버 내에 두고, 수소 가스의 농도를 2% 부터 100 ppm까지 조절하면서 태양광의 20분의 1에 해당하는 LED 광원을 상기 챔버에 조사하면서, 소스미터(sourcemeter)를 통하여 광전류를 실시간으로 측정하여 센서의 가스 감지 성능을 측정하였다.
그 결과를 도 7에 나타내었다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 광다이오드형 무전원 가스센서의 수소 가스 감지 성능을 나타내는 그래프이다.
도 7에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 광다이오드형 가스센서가 들어있는 챔버에 수소를 공급하자, 광전류가 증가함으로써 별도의 전원 없이, 광 조사만으로 30ppm~2%의 수소(H2) 농도를 구별할 수 있음을 확인하였다.
이때, 본 발명에 따른 광다이오드형 가스센서는 30~60초 사이에서 감지가 완료되었고, 최소 감지 농도는 30 ppm이었다.
따라서, 본 발명에 따른 광다이오드형 가스센서는 별도의 전원 없이, 광 조사만으로 타겟 기체를 60초 이내로 빠르게 감지하며, 최소 감지 농도는 30 ppm로서 기존의 고감도 반도체식 가스센서와 동일한 감도로 작동되며, 외부 배터리가 필요 없어 초소형으로 제작이 가능하며, 적절한 금속 나노입자 촉매를 사용하여 다양한 가스 감지에 유용하게 사용될 수 있다.
이상 본 발명을 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시예에 제한되지 않는다는 것을 이해하여야 한다. 본 발명은 후술하는 특허청구범위 내에서 상기 실시예를 다양하게 변형 및 수정할 수 있으며, 이들은 모두 본 발명의 범위 내에 속하는 것이다. 따라서, 본 발명은 특허청구범위 및 그 균등물에 의해서만 제한된다.
10: 기판
20a, 20b: 절연층
30: 광전자 수거용 전극
40; 반도체 산화물층
50: 금속 나노입자 촉매
60: 상부전극
70: 하부전극

Claims (12)

  1. 반도체 기판;
    상기 반도체 기판 상부에 형성되되, 상기 기판의 일부에 형성된 상부전극용 제1 절연체층;
    상기 반도체 기판 상부에 제1 절연체층과 맞닿도록 일정 간격으로 이격되며 상기 반도체 기판의 표면을 따라 형성된 선형 패턴인 제2 절연체층;
    상기 제1 절연체층 및 제2 절연체층 상에 형성되되, 제2 절연체층 상부에 상호 이격된 선형 패턴을 형성하는 광전자 수거용 전극들;
    상기 제2 절연체층 상부에 형성된 광전자 수거용 전극의 일부를 커버하며 동시에 반도체 기판과 접합하여 광다이오드를 형성하는 반도체 산화물층;
    상기 반도체 산화물층 상에 형성된 금속 나노입자 촉매들;
    상기 제1 절연체층 상에 형성된 광전자 수거용 전극들의 일부를 커버하여 상기 광전자 수거용 전극들과 연결되도록 형성된 상부전극; 및
    상기 반도체 기판 하부에 접촉된 하부전극;을 포함하고
    상기 광다이오드는 입사되는 광에 의해 상기 반도체 기판과 상기 반도체 산화물층의 계면에서 광전류를 발생하고, 타겟 가스는 상기 금속 나노 촉매들과 접촉하여 상기 광전류를 변경시키는 것을 특징으로 하는 광다이오드형 무전원 가스센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 기판이 p형 반도체 물질인 경우 반도체 산화물층은 n형 반도체 물질을 사용하고, 상기 반도체 기판이 n형 반도체 물질인 경우 반도체 산화물층은 p형 반도체 물질을 사용하는 것을 특징으로 하는 광다이오드형 무전원 가스센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 p형 반도체 물질은 p형 실리콘 또는 질화인듐갈륨이고,
    상기 n형 반도체 물질은 인듐 갈륨 아연 산화물(Indium gallium zinc oxide, IGZO), 아연 산화물(Zinc oxide, ZnO), 주석 산화물(Tin dioxide, SnO2) 및 티타늄 산화물(Titanium dioxide, TiO2)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 광다이오드형 무전원 가스센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 절연체층 및 제2 절연체층은 실리콘 산화물 또는 알루미늄 산화물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광다이오드형 무전원 가스센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 절연체층 및 제2 절연체층은 50~200 nm의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 광다이오드형 무전원 가스센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 절연체층 및 광전자 수거용 전극들의 선형 패턴의 간격은 5~30 μm인 것을 특징으로 하는 광다이오드형 무전원 가스센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 금속 나노입자 촉매는 수소 가스를 검출하는 경우 팔라듐(Pd) 촉매를 사용하고, NO2 가스를 검출하는 경우 니켈(Ni) 촉매를 사용하고, H2S 가스를 검출하는 경우 구리(Cu) 촉매를 사용하는 것을 특징으로 하는 광다이오드형 무전원 가스센서.
  8. a) 반도체 기판 상부의 일부에 상부전극용 제1 절연체층을 형성하는 단계;
    b) 상기 제1 절연체층을 포함하는 상기 반도체 기판 상부에 일정 간격으로 이격된 선형 패턴으로 구성된 광전자 수거용 전극과 제2 절연체층의 적층구조를 형성하는 단계;
    c) 상기 광전자 수거용 전극과 제2 절연체층의 적층구조를 커버하는 동시에 상기 반도체 기판과 접합하여 광다이오드를 형성하는 반도체 산화물층을 형성하는 단계;
    d) 상기 반도체 산화물층 상에 금속 나노입자 촉매들을 형성하는 단계;
    e) 상기 제1 절연체층 상에 형성된 광전자 수거용 전극들을 커버하는 상부전극을 형성하는 단계; 및
    f) 상기 반도체 기판 하부에 하부전극을 형성하는 단계를 포함하는 광다이오드형 무전원 가스센서의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 절연체층 및 제2 절연체층은 실리콘 산화물 또는 알루미늄 산화물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광다이오드형 무전원 가스센서의 제조방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제1 절연체층 및 제2 절연체층은 50~200 nm의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 광다이오드형 무전원 가스센서의 제조방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 광전자 수거용 전극과 제2 절연체층의 적층구조의 패턴은 포토리소그래피를 통해 형성하는 것을 특징으로 하는 광다이오드형 무전원 가스센서의 제조방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 광전자 수거용 전극과 제2 절연체층의 적층구조의 패턴의 간격은 5~30 μm인 것을 특징으로 하는 광다이오드형 무전원 가스센서의 제조방법.
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