KR102652552B1 - Gas Sensor of using Ga2O3 - Google Patents
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Abstract
전계 효과형 트랜지스터 구조를 가지는 가스 센서가 개시된다. 절연성 기판 상에 베타 산화갈륨의 채널층이 형성되고, 채널층 상부에는 촉매 게이트층이 형성된다. 채널층의 측면에 형성되는 소스 전극 및 드레인 전극의 폭은 촉매 전극층의 폭보다 크게 설정되고, 촉매 전극층과 소스 전극/드레인 전극 사이에는 이격공간이 형성된다. 촉매 전극층은 수소 가스를 분해하고, 촉매 전극층과 채널층 사이의 계면에는 양이온이 배치되어 드레인-소스 사이의 전류는 증가된다.A gas sensor having a field-effect transistor structure is disclosed. A channel layer of beta gallium oxide is formed on the insulating substrate, and a catalyst gate layer is formed on top of the channel layer. The width of the source electrode and drain electrode formed on the side of the channel layer is set to be larger than the width of the catalyst electrode layer, and a separation space is formed between the catalyst electrode layer and the source electrode/drain electrode. The catalyst electrode layer decomposes hydrogen gas, and positive ions are placed at the interface between the catalyst electrode layer and the channel layer, thereby increasing the drain-source current.
Description
본 발명은 가스 센서에 관한 것으로 더욱 상세하게는 산화 갈륨(Ga2O3)를 이용한 가스 센서에 관한 것이다.The present invention relates to a gas sensor, and more specifically, to a gas sensor using gallium oxide (Ga 2 O 3 ).
가스 센서는 특정 가스를 감지하는 전자 소자이다. 예컨대, 가스의 농도가 일정 수준 이상이면, 가스 센서는 이를 감지하여 전기적 신호를 출력한다. 가스 센서를 포함하여 대부분의 센서는 높은 감도를 가져야 하며, 다양한 조건에서 안정적인 동작 특성을 가질 필요가 있다.A gas sensor is an electronic device that detects a specific gas. For example, if the concentration of gas is above a certain level, the gas sensor detects it and outputs an electrical signal. Most sensors, including gas sensors, must have high sensitivity and stable operating characteristics under various conditions.
가스 센서가 감지할 수 있는 가스의 농도는 낮을수록 상용화에 유리하며, 낮은 농도부터 높은 농도 범위에 걸처 가스 센서가 선형적인 출력을 형성할 필요가 있다.The lower the concentration of gas that a gas sensor can detect, the more advantageous it is for commercialization, and the gas sensor needs to produce linear output across a range of concentrations from low to high.
센서의 감지 대상인 가스들 중 수소는 대체 에너지원 및 에너지 운반체로 많은 관심을 받고 있다. 다만, 수소 가스는 공기 중에서 높은 가연성, 낮은 점화 에너지 및 높은 화염 속도를 가진다. 즉, 발화가 잘되고, 높은 폭발력을 가지므로 취급상 주의가 요구된다. 수소가 산업 및 자동차 분야에 안정적으로 사용되기 위해서는 수소 가스를 감지할 수 있는 가스 센서가 반드시 필요하다.Among the gases detected by sensors, hydrogen is receiving much attention as an alternative energy source and energy carrier. However, hydrogen gas has high flammability in air, low ignition energy, and high flame speed. In other words, it ignites easily and has high explosive power, so caution is required when handling it. In order for hydrogen to be used stably in industrial and automotive fields, a gas sensor that can detect hydrogen gas is essential.
높은 감도를 가지고, 다양한 환경에서도 정상적인 동작을 수행하는 가스 센서를 제조하기 위해 다양한 시도가 이루어진다. 최근에는 가스 감응 소재로 산화갈륨(Ga2O3)이 사용된다. 산화갈륨은 4.8 내지 5.3 eV의 매우 넓은 밴드갭을 가지는 소재로 5 종류의 상(phase)들을 가진다. 이들 중 베타상에 대한 연구가 활발히 이루어진다. 베타 산화갈륨의 밴드갭은 4.8 eV로 열역학적인 안정성을 가진 소재이다.Various attempts are being made to manufacture gas sensors that have high sensitivity and perform normal operation in various environments. Recently, gallium oxide (Ga 2 O 3 ) is used as a gas-sensitive material. Gallium oxide is a material with a very wide band gap of 4.8 to 5.3 eV and has five types of phases. Among these, research on the beta phase is actively conducted. The band gap of beta gallium oxide is 4.8 eV, making it a material with thermodynamic stability.
일본등록특허 제2859601호는 선택도 및 감도가 향상된 가스 센서를 개시한다. 제조된 가스 센서는 산화갈륨을 가스 감응층으로 사용하며, 가스 감응층 상부에는 표면피막이 형성된다. 수소와 산화갈륨 사이의 반응으로 인해 산화갈륨의 저항은 변경되고, 변경된 저항은 전압 또는 전류의 형태로 나타난다.Japanese Patent No. 2859601 discloses a gas sensor with improved selectivity and sensitivity. The manufactured gas sensor uses gallium oxide as a gas sensitive layer, and a surface film is formed on the top of the gas sensitive layer. Due to the reaction between hydrogen and gallium oxide, the resistance of gallium oxide changes, and the changed resistance appears in the form of voltage or current.
한국등록특허 제1305556호는 투명 산화물 전극을 이용하는 가스 센서를 개시한다. 산화갈륨으로 구성된 가스 감응 물질층은 상호간에 이격된 핑거 타입으로 형성된다. 가스 감응 물질층이 수소 가스와 반응하여 산화갈륨의 저항이 변경되면, 저항의 변화는 ITO로 구성된 감지 전극에서 센싱된다.Korean Patent No. 1305556 discloses a gas sensor using a transparent oxide electrode. The gas-sensitive material layer made of gallium oxide is formed in the form of fingers spaced apart from each other. When the gas-sensitive material layer reacts with hydrogen gas and the resistance of the gallium oxide changes, the change in resistance is sensed by a sensing electrode made of ITO.
상기 특허들은 산화갈륨의 저항변화를 이용하는 것으로 저항의 변경에 따른 전압의 변화가 감지된다. 다만, 가스의 낮은 농도 및 고온 환경에서 안정적인 동작을 확보하기 곤란하다는 문제를 가진다.The above patents use the resistance change of gallium oxide, and the change in voltage according to the change in resistance is detected. However, there is a problem that it is difficult to ensure stable operation in a low gas concentration and high temperature environment.
본 발명이 이루고자 하는 제1 기술적 과제는 고온 환경에서 높은 감도를 가지고 안정적으로 동작할 수 있는 가스 센서를 제공하는데 있다.The first technical problem to be achieved by the present invention is to provide a gas sensor that can operate stably with high sensitivity in a high temperature environment.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 제2 기술적 과제는 상기 제1 기술적 과제를 달성하기 위한 가스 센서의 제조방법을 제공하는데 있다.In addition, the second technical problem to be achieved by the present invention is to provide a method of manufacturing a gas sensor to achieve the first technical problem.
상술한 제1 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은, 절연성 기판; 상기 절연성 기판 상에 형성되고, 베타 산화갈륨(β-Ga2O3)을 가지는 채널층; 상기 채널층 상에 형성되고, Pt를 포함하는 촉매 게이트층; 및 상기 촉매 게이트층과 이격되어 형성되고, 상기 채널층의 일부를 커버하는 소스 전극 및 드레인 전극을 포함하는 가스 센서를 제공한다.The present invention for achieving the first technical problem described above includes an insulating substrate; A channel layer formed on the insulating substrate and having beta gallium oxide (β-Ga 2 O 3 ); A catalyst gate layer formed on the channel layer and containing Pt; and a source electrode and a drain electrode formed to be spaced apart from the catalyst gate layer and covering a portion of the channel layer.
상술한 제2 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은, 베타 산화갈륨 웨이퍼의 측면으로부터 산화갈륨 플레이크를 박리하는 단계; 상기 산화갈륨 플레이크를 절연성 기판 상에 전사하는 단계; 상기 절연성 기판 상의 상기 산화갈륨 플레이크를 식각하여 두께가 조절된 채널층을 형성하는 단계; 상기 촉매 게이트층이 형성된 영역 이외의 상기 채널층의 일부를 커버하는 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하되, 상기 소스 전극 및 드레인 전극은 서로 대향하도록 배치시키는 단계; 및 상기 채널층 상에 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극과 이격된 Pt 재질의 촉매 게이트층을 형성하는 단계를 포함하는 가스 센서의 제조방법을 제공한다.The present invention for achieving the second technical problem described above includes the steps of peeling gallium oxide flakes from the side of a beta gallium oxide wafer; transferring the gallium oxide flake onto an insulating substrate; etching the gallium oxide flakes on the insulating substrate to form a channel layer with an adjusted thickness; forming a source electrode and a drain electrode covering a portion of the channel layer other than the area where the catalyst gate layer is formed, wherein the source electrode and the drain electrode are arranged to face each other; and forming a catalyst gate layer made of Pt on the channel layer and spaced apart from the source electrode and the drain electrode.
상술한 본 발명에 따르면, 베타 산화갈륨의 (1 0 0)면을 이용하며, 이를 채널층으로 사용한다. 또한, 채널층 상부에는 촉매 게이트층이 형성된다. 촉매 게이트층에서는 수소 분해 반응이 일어나고, 채널층의 도전율은 변경된다. 이를 통해 수소 가스의 농도가 10 ppm 수준에서도 감지된다. 채널층은 베타 산화갈륨을 구성되므로 높은 밴드갭을 가진다. 따라서, 수소 가스에 대한 높은 선택도를 가질 수 있으며, 높은 밴드갭에도 불구하고 큰 이득을 가질 수 있다. 특히, 촉매 게이트층과 소스 전극 사이에 전압을 인가하고, 소신호 증폭 동작을 수행하는 경우, 낮은 농도의 수소 가스에 대해서도 뛰어난 감지 능력을 가질 수 있다.According to the present invention described above, the (1 0 0) plane of beta gallium oxide is used, and this is used as a channel layer. Additionally, a catalyst gate layer is formed on the top of the channel layer. A hydrogen decomposition reaction occurs in the catalyst gate layer, and the conductivity of the channel layer changes. Through this, the concentration of hydrogen gas can be detected even at the 10 ppm level. Since the channel layer is made of beta gallium oxide, it has a high bandgap. Therefore, it can have high selectivity for hydrogen gas and can have a large gain despite a high bandgap. In particular, when a voltage is applied between the catalyst gate layer and the source electrode and a small signal amplification operation is performed, excellent detection ability can be achieved even for low concentrations of hydrogen gas.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가스 센서의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제조예에 따른 가스 센서의 이미지이다.
도 3은 본 발명의 측정예 1에 따른 가스 센서의 트랜지스터 특성을 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 측정예 2에 따라 대기 분위기 및 수소 분위기 하에서의 가스 센서의 트랜지스터 특성을 도시한 그래프들이다.1 is a cross-sectional view of a gas sensor according to a preferred embodiment of the present invention.
Figure 2 is an image of a gas sensor according to a manufacturing example of the present invention.
Figure 3 is a graph showing the transistor characteristics of the gas sensor according to Measurement Example 1 of the present invention.
Figure 4 is a graph showing the transistor characteristics of the gas sensor under an air atmosphere and a hydrogen atmosphere according to Measurement Example 2 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.Since the present invention can be subject to various changes and have various forms, specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to a specific disclosed form, and should be understood to include all changes, equivalents, and substitutes included in the spirit and technical scope of the present invention. While describing each drawing, similar reference numerals are used for similar components.
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 otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by a person of ordinary skill in the technical field to which the present invention pertains. Terms defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related technology, and unless explicitly defined in the present application, should not be interpreted in an ideal or excessively formal sense. No.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the attached drawings.
실시예Example
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가스 센서의 단면도이다.1 is a cross-sectional view of a gas sensor according to a preferred embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 기판(100) 상에 채널층(120)이 형성된다. 채널층(120)의 양단에는 소스 전극(160) 및 드레인 전극(180)이 형성된다. 또한, 채널층(120)의 상부에는 촉매 게이트층(140)이 형성된다. 촉매 게이트층(140)은 소스 전극(160) 및 드레인 전극(180)과 반드시 이격되어야 한다. 따라서, 소스 전극(160)과 촉매 게이트층(140) 사이에 이격공간이 형성되며, 드레인 전극(180)과 촉매 게이트층(140) 사이에도 이격공간이 형성된다.Referring to FIG. 1, a channel layer 120 is formed on the substrate 100. A source electrode 160 and a drain electrode 180 are formed at both ends of the channel layer 120. Additionally, a catalyst gate layer 140 is formed on the channel layer 120. The catalyst gate layer 140 must be spaced apart from the source electrode 160 and the drain electrode 180. Accordingly, a space is formed between the source electrode 160 and the catalyst gate layer 140, and a space is also formed between the drain electrode 180 and the catalyst gate layer 140.
기판(100)은 절연성 재질이라면 어느 것이나 사용가능할 것이다. 예컨대, 유리, 사파이어 또는 가요성을 가진 고분자 기판도 가스 센서의 기판(100)으로 사용가능하다.The substrate 100 may be made of any insulating material. For example, glass, sapphire, or a flexible polymer substrate can also be used as the substrate 100 of the gas sensor.
상기 기판(100) 상에는 채널층(120)이 형성된다. 상기 채널층(120)은 베타 산화갈륨(β-Ga2O3)이며, n형으로 도핑됨이 바람직하다. n형의 도전형을 가지기 위해 산화갈륨의 채널층(120)에는 실리콘 또는 주석 등의 4족 원소가 도핑될 수 있다. 또한, 채널층(120)의 두께는 10 nm 내지 100 nm임이 바람직하다. 채널층(120)의 두께가 상기 범위보다 작으면 채널층(120)의 가공이 곤란하고, 채널층(120)의 두께가 상기 범위를 상회하면 채널층 내 전류흐름의 제어가 용이하지 않다.A channel layer 120 is formed on the substrate 100. The channel layer 120 is made of beta gallium oxide (β-Ga 2 O 3 ) and is preferably n-type doped. In order to have n-type conductivity, the gallium oxide channel layer 120 may be doped with a group 4 element such as silicon or tin. Additionally, the thickness of the channel layer 120 is preferably 10 nm to 100 nm. If the thickness of the channel layer 120 is less than the above range, processing of the channel layer 120 is difficult, and if the thickness of the channel layer 120 exceeds the above range, it is not easy to control the current flow in the channel layer.
상기 채널층(120)은 베타 산화갈륨을 가지며, 상부 표면은 (1 0 0) 평면임이 바람직하다. 채널층(120)의 형성을 위해 베타 산화갈륨 웨이퍼의 측면에서 테이프를 이용한 박리가 수행된다. (-2 0 1) 평면이 노출된 웨이퍼의 측면에는 (1 0 0) 평면이 노출되고 결합력이 약한 (1 0 0) 면의 산화갈륨층은 웨이퍼로부터 분리된다.The channel layer 120 preferably includes beta gallium oxide, and the upper surface is preferably a (1 0 0) plane. To form the channel layer 120, peeling using a tape is performed on the side of the beta gallium oxide wafer. The (1 0 0) plane is exposed on the side of the wafer where the (-2 0 1) plane is exposed, and the gallium oxide layer on the (1 0 0) side, which has a weak bonding force, is separated from the wafer.
이어서, 박리된 산화갈륨 플레이크(flake)는 기판(100) 상에 전사되고, 두께 조절을 위해 ICP(Inductively Coupled Plasma)를 통해 식각되어 소정의 두께를 가진 채널층(120)으로 형성된다.Subsequently, the peeled gallium oxide flakes are transferred onto the substrate 100 and etched through ICP (Inductively Coupled Plasma) to control the thickness to form the channel layer 120 with a predetermined thickness.
또한, 채널층(120) 측면과 일부 상부 영역에는 소스 전극(160) 및 드레인 전극(180)이 형성된다. 형성된 소스 전극(160) 및 드레인 전극(180)은 이격공간을 가지고 서로 대향하며, Ti/Au 재질을 가짐이 바람직하다. Additionally, a source electrode 160 and a drain electrode 180 are formed on the side of the channel layer 120 and some upper areas. The formed source electrode 160 and drain electrode 180 face each other with a space apart, and are preferably made of Ti/Au material.
채널층(120) 상부에는 촉매 게이트층(140)이 형성된다. 촉매 게이트층(140)은 Pt를 포함함이 바람직하다. 촉매 게이트층(140)은 반드시 측면의 소스 전극(160) 및 드레인 전극(180)과 이격되어야 한다. 따라서, 촉매 게이트층(140)이 형성되더라도 채널층(120) 표면의 일부는 노출된다.A catalyst gate layer 140 is formed on the channel layer 120. The catalyst gate layer 140 preferably contains Pt. The catalyst gate layer 140 must be spaced apart from the source electrode 160 and drain electrode 180 on the side. Therefore, even if the catalyst gate layer 140 is formed, a portion of the surface of the channel layer 120 is exposed.
본 실시예에서 촉매 게이트층의 형성 단계 이전에 소스 전극 및 드레인 전극이 형성됨이 바람직하다. 이는 채널층과 기판 사이의 상대적으로 약한 결합력에 기인한다. 즉, 채널층의 측면의 일부를 커버하는 소스 전극 및 드레인 전극을 먼저 형성하여 채널층이 기판 상에 견고히 고정되도록 한다. 따라서, 이후의 촉매 게이트층의 형성 시에 얼라인이 변경되는 불량이 방지된다.In this embodiment, it is preferable that the source electrode and drain electrode are formed before forming the catalyst gate layer. This is due to the relatively weak bonding force between the channel layer and the substrate. That is, the source electrode and drain electrode that cover part of the side surface of the channel layer are first formed so that the channel layer is firmly fixed on the substrate. Accordingly, defects in which alignment is changed during the subsequent formation of the catalyst gate layer are prevented.
다만, 실시의 형태에 따라 채널층(120) 형성, 촉매 게이트층(140)의 형성, 소스 전극(160) 및 드레인 전극(180)의 형성의 순서로 가스 센서가 제조될 수도 있다.However, depending on the embodiment, the gas sensor may be manufactured in the order of forming the channel layer 120, forming the catalyst gate layer 140, and forming the source electrode 160 and the drain electrode 180.
수소 가스 분위기에서 상기 촉매 게이트층(140)의 표면에서 수소 가스는 분해되고, 해리된 수소 원자에 의해 촉매 게이트층(140)에는 양이온이 생성된다. 채널층(120)은 n형으로 도핑된 상태이므로 촉매 게이트층(140)과 채널층(120)의 계면에 분포되는 양이온에 의해 촉매 게이트층(140) 하부의 채널층(120)에서 캐리어의 수는 증가된다. 계면에 분포된 양이온은 정전기적 인력에 의해 채널층(120)의 전도도를 향상시키고, 이에 따라 드레인 전극-소스 전극 사이의 전류 Ids는 증가된다. 이를 통해 미량의 수소 가스가 감지될 수 있으며, 고온 환경에서 Ids의 변화가 감지될 수 있다.In a hydrogen gas atmosphere, hydrogen gas is decomposed on the surface of the catalyst gate layer 140, and positive ions are generated in the catalyst gate layer 140 by the dissociated hydrogen atoms. Since the channel layer 120 is doped in an n-type state, the number of carriers in the channel layer 120 under the catalyst gate layer 140 is increased by positive ions distributed at the interface between the catalyst gate layer 140 and the channel layer 120. is increased. Cations distributed at the interface improve the conductivity of the channel layer 120 due to electrostatic attraction, and thus the current Ids between the drain electrode and the source electrode increases. Through this, trace amounts of hydrogen gas can be detected, and changes in Ids can be detected in high temperature environments.
제조예 : 전계 효과 트랜지스터 형태의 가스 센서의 제조Manufacturing example: Manufacturing of a gas sensor in the form of a field effect transistor
EFG(Edge-Defined Film-Fed Growth) 방법으로 제조된 Tamura 사의 베타 Ga2O3 웨이퍼가 사용된다. 웨이퍼는 Sn(주석)을 도판트로 이용한 n형이며, 3×1018 cm-3의 농도로 도핑된다. 웨이퍼의 표면은 (-2 0 1) 평면이다. 베타 Ga2O3 플레이크는 웨이퍼의 측면에서 테이프를 이용한 기계적 박리를 통해 획득되고, 사파이어 기판에 전사된다.Tamura's beta Ga 2 O 3 wafer manufactured by the Edge-Defined Film-Fed Growth (EFG) method is used. The wafer is n-type using Sn (tin) as a dopant, and is doped at a concentration of 3×10 18 cm -3 . The surface of the wafer is (-2 0 1) plane. Beta Ga 2 O 3 flakes were obtained through mechanical peeling using a tape from the side of the wafer and transferred to the sapphire substrate.
사파이어 기판 상에 전사된 베타 Ga2O3 플레이크의 두께 조절을 위해 ICP를 이용한 식각 공정이 수행된다. ICP의 전력은 300 W이고, RF 바이어스 전력은 100 W로 설정되며, 식각용 가스는 BCl3 및 N2가 5 : 3의 유량으로 총 40 sccm으로 공급된다. 플레이크의 상부 표면은 (1 0 0)면이며, 식각 속도는 34 nm min-1이다.An etching process using ICP is performed to control the thickness of the beta Ga 2 O 3 flakes transferred onto the sapphire substrate. The power of the ICP is 300 W, the RF bias power is set to 100 W, and the etching gas BCl 3 and N 2 are supplied at a flow rate of 5:3 at a total of 40 sccm. The top surface of the flake is a (1 0 0) plane, and the etch rate is 34 nm min -1 .
상술한 과정을 통해 형성된 채널층의 두께는 68 nm이며, RMS 표면 거칠기는 0.421 nm이다. 사파이어 기판 상에 형성된 채널층은 450 ℃로 40분 동안 대기 조건에서 어닐링된다. 어닐링을 통해 건식 식각 공정을 통해 생성될 수 있는 사파이어 기판의 결함은 제거된다.The thickness of the channel layer formed through the above-described process is 68 nm, and the RMS surface roughness is 0.421 nm. The channel layer formed on the sapphire substrate is annealed at 450° C. for 40 minutes in atmospheric conditions. Through annealing, defects in the sapphire substrate that can be created through the dry etching process are removed.
이어서 전자빔 증착에 의해 소스 전극과 드레인 전극이 형성된다. 소스 전극 및 드레인 전극은 접착층으로 Ti가 사용되고, 접착층 상에 외부 컨택층으로 Au가 사용된다. Ti/Au는 50 nm/200 nm의 두께로 형성된다.Then, the source electrode and drain electrode are formed by electron beam deposition. Ti is used as an adhesive layer for the source and drain electrodes, and Au is used as an external contact layer on the adhesive layer. Ti/Au is formed to a thickness of 50 nm/200 nm.
마지막으로 노출된 채널층 상에 Pt 재질의 촉매 게이트층이 형성된다. 촉매 게이트층은 10 nm 두께로 형성된다.Finally, a catalyst gate layer made of Pt is formed on the exposed channel layer. The catalyst gate layer is formed to be 10 nm thick.
도 2는 본 발명의 제조예에 따른 가스 센서의 이미지이다.Figure 2 is an image of a gas sensor according to a manufacturing example of the present invention.
도 2를 참조하면, 트랜지스터의 촉매 게이트층의 폭은 2 um이며, 소스 전극과 드레인 전극 사이의 거리는 8 um이다. 또한, 촉매 게이트층 하부에는 68 nm의 두께를 가진 채널층이 형성되고, 채널층의 폭은 소스 전극과 드레인 전극 사이의 거리보다 크게 설정된다. 따라서, 소스 전극 및 드레인 전극은 채널층의 상부의 일부와 측면을 커버하도록 형성된다. 또한, 촉매 게이트층은 측면으로 신장되어 패드와 전기적으로 연결된다.Referring to FIG. 2, the width of the catalyst gate layer of the transistor is 2 um, and the distance between the source electrode and the drain electrode is 8 um. Additionally, a channel layer with a thickness of 68 nm is formed below the catalyst gate layer, and the width of the channel layer is set to be larger than the distance between the source electrode and the drain electrode. Accordingly, the source electrode and the drain electrode are formed to cover a portion of the top and the side surfaces of the channel layer. Additionally, the catalyst gate layer extends laterally and is electrically connected to the pad.
즉, 소스 전극과 드레인 전극은 y축 방향으로 서로 이격되어 형성되며, 채널층도 y축 방향으로 신장되어 형성된다. 채널층 상부에 형성되는 촉매 게이트층은 x축 방향으로 신장되어 형성된다. 즉, 채널층과 촉매 게이트층은 상호간에 십자형 구조를 형성한다. 채널층과 촉매 게이트층이 십자형 구조를 형성함에 따라 가스 센서의 제조는 더욱 간편해진다. 즉, 채널층 상부에 촉매 게이트층이 형성될 때, 채널층과 평행한 구조를 가진다면 상부의 촉매 게이트층의 형성을 위한 얼라인에 정밀한 작업이 요구된다. 그러나, 본 실시예의 제조과정에서는 십자형 구조를 통해 보다 간단한 공정으로 가스 센서의 제조가 가능해진다.That is, the source electrode and the drain electrode are formed to be spaced apart from each other in the y-axis direction, and the channel layer is also formed to extend in the y-axis direction. The catalyst gate layer formed on the upper part of the channel layer is formed to extend in the x-axis direction. That is, the channel layer and the catalyst gate layer form a cross-shaped structure with each other. As the channel layer and catalyst gate layer form a cross-shaped structure, manufacturing a gas sensor becomes simpler. That is, when the catalyst gate layer is formed on the upper part of the channel layer, if it has a structure parallel to the channel layer, precise work is required to align the upper catalyst gate layer. However, in the manufacturing process of this embodiment, the cross-shaped structure makes it possible to manufacture the gas sensor in a simpler process.
측정예 1 : 가스 센서의 트랜지스터 특성 측정Measurement Example 1: Measurement of transistor characteristics of gas sensor
상기 제조예에 의해 제조된 가스 센서의 트랜지스터 특성이 조사된다. 가스 센서는 대기 중 상온 조건에서 Agilent 4156 매개변수 분석기를 통해 전기적 특성이 측정된다.The transistor characteristics of the gas sensor manufactured according to the above manufacturing example were investigated. The electrical characteristics of the gas sensor are measured using an Agilent 4156 parameter analyzer at room temperature in the air.
도 3은 본 발명의 측정예 1에 따른 가스 센서의 트랜지스터 특성을 도시한 그래프이다.Figure 3 is a graph showing the transistor characteristics of the gas sensor according to Measurement Example 1 of the present invention.
도 3을 참조하면, 그래프 (a)에서는 Vds(드레인-소스 전압차)의 변화에 따른 Ids(드레인-소스 전류)가 측정된다. Vgs(게이트-소스 전압차)는 0V부터 -5V까지 -1V의 step으로 변경되어 인가된다. 즉, 촉매 게이트층은 소스 전극 이하의 전압을 가진다.Referring to FIG. 3, in graph (a), Ids (drain-source current) is measured according to the change in Vds (drain-source voltage difference). Vgs (gate-source voltage difference) is applied in steps of -1V from 0V to -5V. That is, the catalyst gate layer has a voltage lower than the source electrode.
Vgs가 0V일 때, Vds가 증가하면 Ids가 선형적으로 증가한다. 이는 채널층이 n형으로 도핑된 상태이므로, 트랜지스터 구조를 형성하는 가스 센서가 턴온 상태를 유지함을 의미한다.When Vgs is 0V, Ids increases linearly as Vds increases. This means that since the channel layer is doped in an n-type state, the gas sensor forming the transistor structure remains turned on.
또한, Vgs가 음의 방향으로 증가하면, Vds의 증가에 따라 Ids의 증가폭은 감소된다. 특히, Vgs가 -5V일 때, Vds가 증가하더라도 드레인-소스 사이에는 전류가 흐르지 않는다. 즉, Vgs의 영향으로 트랜지스터는 오프 상태가 유지된다.Additionally, when Vgs increases in the negative direction, the increase in Ids decreases as Vds increases. In particular, when Vgs is -5V, no current flows between drain and source even if Vds increases. In other words, the transistor remains in the off state due to the influence of Vgs.
그래프 (b)는 Vds가 5V로 고정된 상태에서 Vgs의 변화에 따른 Ids가 측정되고, 트랜스컨덕턴스 gm이 계산된다. 트랜스컨덕턴스 gm은 Vgs의 변화량에 대한 Ids 변화량의 비로 Ids-Vgs 곡선의 기울기에 해당한다. 그래프 (b)에서는 Vgs가 -4V 내지 -3V에서 트랜스컨덕턴스의 급격한 증가가 나타난다. 이를 통해 가스 센서로 제조된 트랜지스터의 문턱전압은 -4V 내지 -3V 사이에 분포됨을 확인할 수 있다.In graph (b), Ids is measured according to the change in Vgs with Vds fixed at 5V, and transconductance gm is calculated. Transconductance gm is the ratio of the change in Ids to the change in Vgs and corresponds to the slope of the Ids-Vgs curve. In graph (b), a sharp increase in transconductance appears when Vgs is -4V to -3V. Through this, it can be confirmed that the threshold voltage of the transistor manufactured as a gas sensor is distributed between -4V and -3V.
즉, 본 발명의 가스 센서는 트랜지스터의 구조를 가지고, 촉매 게이트층의 전압 변화에 대해 일정한 이득을 가짐을 확인할 수 있다.In other words, it can be confirmed that the gas sensor of the present invention has a transistor structure and has a constant gain with respect to the voltage change of the catalyst gate layer.
측정예 2 : 수소 분위기 하에서 가스 센서의 성능 측정Measurement Example 2: Performance measurement of gas sensor under hydrogen atmosphere
본 측정예에서는 상기 제조예에 따라 제작된 가스 센서를 이용하여 수소 분위기 하에서 성능이 측정된다. In this measurement example, performance is measured under a hydrogen atmosphere using a gas sensor manufactured according to the above manufacturing example.
도 4는 본 발명의 측정예 2에 따라 대기 분위기 및 수소 분위기 하에서의 가스 센서의 트랜지스터 특성을 도시한 그래프들이다.Figure 4 is a graph showing the transistor characteristics of the gas sensor under an air atmosphere and a hydrogen atmosphere according to Measurement Example 2 of the present invention.
도 4의 그래프 (a)를 참조하면, 수소 가스의 농도가 500 ppm로 공급된다. 또한, 대기 분위기 및 수소 분위기에서의 특성은 상온에서 측정된다. 게이트-소스 간의 전압 Vgs는 0V로 설정되고, Vds의 변화에 따른 Ids 값이 측정된다. 특정의 수소 가스가 공급되지 않는 대기 분위기 하에서 가스 센서의 Ids 변화량은 500 ppm으로 수소 가스가 공급되는 조건에서 가스 센서의 Ids 변화량과 거의 동일하다. 즉, Vgs를 0V로 설정할 경우, 상온에서는 수소 가스의 감지능은 매우 떨어지는 것이 확인된다.Referring to the graph (a) of FIG. 4, the concentration of hydrogen gas is supplied at 500 ppm. Additionally, the properties in air atmosphere and hydrogen atmosphere are measured at room temperature. The voltage Vgs between the gate and source is set to 0V, and the Ids value is measured according to the change in Vds. In an atmospheric environment where no specific hydrogen gas is supplied, the Ids change amount of the gas sensor is 500 ppm, which is almost the same as the Ids change amount of the gas sensor under the condition that hydrogen gas is supplied. In other words, when Vgs is set to 0V, it is confirmed that the detection ability of hydrogen gas is very poor at room temperature.
도 4의 그래프 (b)를 참조하면, 400 ℃에서 대기 분위기 및 수소 분위기에서 전기적 특성이 측정된다. 수소 가스의 농도가 500 ppm인 환경에서 Vds가 증가하면, Ids도 크게 증가한다. 즉, 본 발명의 가스 센서는 측정 환경의 온도가 상승할수록 수소 가스의 감지능이 향상됨이 확인된다.Referring to graph (b) of FIG. 4, electrical properties are measured in an air atmosphere and a hydrogen atmosphere at 400°C. As Vds increases in an environment where the concentration of hydrogen gas is 500 ppm, Ids also increases significantly. In other words, it is confirmed that the gas sensor of the present invention improves the detection ability of hydrogen gas as the temperature of the measurement environment increases.
그래프 (a)와 (b)는 수소 응답도(hydrogen responsivity)로 평가된다. 수소 응답도 R은 하기의 수학식 1로 정의된다.Graphs (a) and (b) are evaluated by hydrogen responsivity. Hydrogen responsivity R is defined by Equation 1 below.
상기 수학식 1에서 Ids,H2는 수소 분위기 하에서의 Ids를 나타내고, Ids,air는 대기 중에서의 Ids를 나타낸다. 그래프 (a)에서 상기 수학식 1에 따른 수소 응답도는 6.03 %이다. 반면, 그래프 (b)에서의 수소 응답도는 25.02 %로 증가하였다. 이는 온도가 증가됨에 따라 흡열 반응인 수소 분해 반응의 속도가 증가하고, 채널층과 촉매 게이트층의 계면에 양이온이 크게 증가한 것에 기인한다.In Equation 1, I ds and H2 represent Ids in a hydrogen atmosphere, and I ds,air represent Ids in air. In graph (a), the hydrogen responsivity according to Equation 1 above is 6.03%. On the other hand, the hydrogen responsivity in graph (b) increased to 25.02%. This is due to the fact that as the temperature increases, the rate of the hydrogen decomposition reaction, which is an endothermic reaction, increases and the number of positive ions at the interface between the channel layer and the catalyst gate layer increases significantly.
도 4의 그래프 (c)를 참조하면, Vgs가 0V이고, Vds가 1V로 고정된 상태에서 수소 가스의 농도가 변화하는 환경에서 Ids의 양이 측정된다. 온도는 400 ℃이다. 수소 가스의 농도가 10ppm에서도 Ids 전류량의 변화가 감지된다. 또한, 수소 가스의 농도가 증가할수록 Ids도 증가하는 경향을 나타낸다.Referring to graph (c) of FIG. 4, the amount of Ids is measured in an environment where the concentration of hydrogen gas changes while Vgs is 0V and Vds is fixed at 1V. The temperature is 400℃. Even when the concentration of hydrogen gas is 10 ppm, a change in Ids current amount is detected. Additionally, as the concentration of hydrogen gas increases, Ids also tends to increase.
상술한 본 발명에서는 베타 산화갈륨의 (1 0 0)면을 이용하며, 이를 채널층으로 사용한다. 또한, 채널층 상부에는 촉매 게이트층이 형성된다. 촉매 게이트층에서는 수소 분해 반응이 일어나고, 채널층의 도전율은 변경된다. 이를 통해 수소 가스의 농도가 10 ppm 수준에서도 감지된다. 채널층은 베타 산화갈륨을 구성되므로 높은 밴드갭을 가진다. 따라서, 수소 가스에 대한 높은 감도를 가질 수 있으며, 높은 밴드갭에도 불구하고 큰 이득을 가질 수 있다. 특히, 촉매 게이트층과 소스 전극 사이에 전압을 인가하고, 소신호 증폭 동작을 수행하는 경우, 낮은 농도의 수소 가스에 대해서도 뛰어난 감지 능력을 가질 수 있다.In the present invention described above, the (1 0 0) plane of beta gallium oxide is used, and this is used as a channel layer. Additionally, a catalyst gate layer is formed on the top of the channel layer. A hydrogen decomposition reaction occurs in the catalyst gate layer, and the conductivity of the channel layer changes. Through this, the concentration of hydrogen gas can be detected even at the 10 ppm level. Since the channel layer is made of beta gallium oxide, it has a high bandgap. Therefore, it is possible to have high sensitivity to hydrogen gas and have a large gain despite a high bandgap. In particular, when a voltage is applied between the catalyst gate layer and the source electrode and a small signal amplification operation is performed, excellent detection ability can be achieved even for low concentrations of hydrogen gas.
100 : 기판 120 : 채널층
140 : 촉매 게이트층 160 : 소스 전극
180 : 드레인 전극100: substrate 120: channel layer
140: catalyst gate layer 160: source electrode
180: drain electrode
Claims (12)
상기 절연성 기판 상에 형성되고, n형으로 도핑된 베타 산화갈륨을 가지는 채널층;
상기 채널층 상에 형성되고, Pt를 포함하며, 수소 가스의 분해에 의해 표면에 양이온이 형성되는 촉매 게이트층;
상기 촉매 게이트층과 이격되어 형성되고, 상기 채널층의 일부를 커버하는 소스 전극 및 드레인 전극을 포함하고,
상기 촉매 게이트층에서 생성된 양이온은 정전기적 인력에 의해 상기 채널층과의 계면으로 이동하는 것을 특징으로 하는 가스 센서.insulating substrate;
a channel layer formed on the insulating substrate and having n-type doped beta gallium oxide;
a catalyst gate layer formed on the channel layer, containing Pt, and positive ions formed on the surface by decomposition of hydrogen gas;
It is formed to be spaced apart from the catalyst gate layer and includes a source electrode and a drain electrode that cover a portion of the channel layer,
A gas sensor, characterized in that positive ions generated in the catalyst gate layer move to the interface with the channel layer by electrostatic attraction.
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