Recently, one-dimensional semiconducting nanomaterials have attracted considerable interest for their potential as building blocks for fabricating various nanodevices. Among these semiconducting nanomaterials,, $SnO_2$ nanostructures including nanowires, nanorods, nanobelts, and nanotubes...
Recently, one-dimensional semiconducting nanomaterials have attracted considerable interest for their potential as building blocks for fabricating various nanodevices. Among these semiconducting nanomaterials,, $SnO_2$ nanostructures including nanowires, nanorods, nanobelts, and nanotubes were successfully synthesized and their electrochemical properties were evaluated. Although $SnO_2$ nanowires and nanobelts exhibit fascinating gas sensing characteristics, there are still significant difficulties in using them for device applications. The crucial problem is the alignment of the nanowires. Each nanowire should be attached on each die using arduous e-beam or photolithography, which is quite an undesirable process in terms of mass production in the current semiconductor industry. In this study, a simple process for making sensitive $SnO_2$ nanowire-based gas sensors by using a standard semiconducting fabrication process was studied. The nanowires were aligned in-situ during nanowire synthesis by thermal CVD process and a nanowire network structure between the electrodes was obtained. The $SnO_2$ nanowire network was floated upon the Si substrate by separating an Au catalyst between the electrodes. As the electric current is transported along the networks of the nanowires, not along the surface layer on the substrate, the gas sensitivities could be maximized in this networked and floated structure. By varying the nanowire density and the distance between the electrodes, several types of nanowire network were fabricated. The $NO_2$ gas sensitivity was 30~200 when the $NO_2$ concentration was 5~20ppm. The response time was ca. 30~110 sec.
Recently, one-dimensional semiconducting nanomaterials have attracted considerable interest for their potential as building blocks for fabricating various nanodevices. Among these semiconducting nanomaterials,, $SnO_2$ nanostructures including nanowires, nanorods, nanobelts, and nanotubes were successfully synthesized and their electrochemical properties were evaluated. Although $SnO_2$ nanowires and nanobelts exhibit fascinating gas sensing characteristics, there are still significant difficulties in using them for device applications. The crucial problem is the alignment of the nanowires. Each nanowire should be attached on each die using arduous e-beam or photolithography, which is quite an undesirable process in terms of mass production in the current semiconductor industry. In this study, a simple process for making sensitive $SnO_2$ nanowire-based gas sensors by using a standard semiconducting fabrication process was studied. The nanowires were aligned in-situ during nanowire synthesis by thermal CVD process and a nanowire network structure between the electrodes was obtained. The $SnO_2$ nanowire network was floated upon the Si substrate by separating an Au catalyst between the electrodes. As the electric current is transported along the networks of the nanowires, not along the surface layer on the substrate, the gas sensitivities could be maximized in this networked and floated structure. By varying the nanowire density and the distance between the electrodes, several types of nanowire network were fabricated. The $NO_2$ gas sensitivity was 30~200 when the $NO_2$ concentration was 5~20ppm. The response time was ca. 30~110 sec.
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문제 정의
본 연구에서는 반도체 나노선의 합성과 정렬이 동시에 이루어짐으로서 반도체 표준공정을 이용하여 나노선을 전자소자화 할 수 있는 사례를 제시하고자 한다. SnO2 반도체 나노선을 CVD 공정으로 합성하는 공정과정에서 양쪽 전극 사이에 나노선이 네트웍 구조로 연결되는 전극구조 및 합성방법을 적용함으로서 나노선의 정렬 과정이 없이 바로 전자소자화 할 수 있게 된다.
제안 방법
Fig. 1에 나타낸 바와 같이 본 연구에서는 가스센서 소자의 양 전극 위에 Au 촉매를 증착하고 양 전극 사이의 간격을 적절하게 제어 함으로서 나노선이 양 전극 사이에서 합성과 동시에 네트웍 구조를 이루게 하는 방법을 사용하였다. SnO2 나노선의 길이는 통상 10~50 µm 정도이므로 전극사이의 간격 역시 그 정도의 범위에서 조절하였다.
센서의 NO2 가스 감응성은 측정용 튜브로를 이용하여 100~200℃의 온도범위에서 공기분위기에서의 저항값과 NO2의 유입에 따른 저항 값을 변화를 측정하였다. 공기중에서의 저항을 Ra, NO2 분위기에서의 저항을 Rg라고 할 때 감도 (S)는 Rg/Ra로 나타내었으며 반응속도는 초기 저항(Ra)에서 가스노출 후 안정화 저항값 (Rg)의 90%지점에 도달하는 시간으로 계산하였다.
먼저 Si 기판의 표면을 산화시켜 SiO2 (3000Å) 층을 형성하였고, 표준 포토리소그라피 공정을 사용하여 전극 사이 공간에 대해 PR 패턴이 남도록 하였다.
본 연구에서는 양 전극 위에 Au 촉매층을 형성하고 전극구조 및 합성조건 적절하게 설계함으로서 SnO2 나노선의 합성과정에서 네트웍 센서 구조가 동시에 구현되는 센서 구현 방식을 채택하였으며 NO2 가스 감응성을 평가하였다.
그러나 지금까지 연구된 나노선 기반의 가스센서의 경우 대부분 단일 나노선에 대한 전자빔 리쏘그라피에 의해 전극을 형성하고 측정한 경우가 대부분이다. 본 연구에서는 양 전극상에 Au 촉매층을 형성하고 전극구조를 적절하게 설계함으로서 나노선의 합성과 동시에 전극 사이에 정렬되게 하는 구조를 채택하였으며, 시험가스로서 NO2 가스 감응성을 평가하였다.
나노선은 FESEM (Field Emission Scanning electron microscopy, JEOL, JSM-6700F)과 XRD (Bruker D8)를 사용하여 나노선의 형상 및 결정성을 확인하였다. 센서의 NO2 가스 감응성은 측정용 튜브로를 이용하여 100~200℃의 온도범위에서 공기분위기에서의 저항값과 NO2의 유입에 따른 저항 값을 변화를 측정하였다. 공기중에서의 저항을 Ra, NO2 분위기에서의 저항을 Rg라고 할 때 감도 (S)는 Rg/Ra로 나타내었으며 반응속도는 초기 저항(Ra)에서 가스노출 후 안정화 저항값 (Rg)의 90%지점에 도달하는 시간으로 계산하였다.
합성된 SnO2 나노선은 FESEM (Field Emission Scanning electron microscopy, JEOL, JSM-6700F)과 XRD (Bruker D8)를 사용하여 나노선의 형상 및 결정성을 확인하였다.
대상 데이터
나노선 합성은 Sn 금속원료의 thermal evaporation 공정방법에 의하여 구현하였다. Sn (325 mesh, 99.8%, Acros Organics) 분말을 알루미나 보트에 넣은 다음 반응 튜브로 중앙에 위치 시켰다. 반응가스로서 O2를 0.
전극 사이 간격을 10~40 µm 정도로 하고 나노선 합성온도를 700~800℃ 정도로 할 때 효과적인 나노선 네트웍 구조가 제작되었다.
이론/모형
나노선이 양쪽 전극 위에 증착된 Au 촉매층으로부터 성장되어 전극 사이에 네트웍 구조로 연결되게 하였다. 나노선 합성은 Sn 금속원료의 thermal evaporation 공정방법에 의하여 구현하였다. Sn (325 mesh, 99.
성능/효과
반도체 나노선의 경우 전자소자로 구현하기 위해서 전자빔 리쏘그라피, 습식법 등 여러 가지 정렬 방법들이 사용되고 있으나 대부분 반도체 양산공정에서 적용하기 어려운 공정 방법들이다.1) 반도체 나노선 연구가 오랜 기간 동안 지속되고 있으나 전자소자로 실제 양산 적용된 사례는 극히 드물며 그 주요 이유 중에 한 가지가 반도체 표준공정에 적용하기 어려운 정렬기법에 있다.
본 연구에서는 적용한 반도체 나노선의 합성과 정렬이 동시에 이루어지는 방법은 종래에 나노선 소자구현에서 나노선 합성단계 이후에 적용하였던 전자빔 리쏘그라피, 습식법 등의 번거로운 정렬과정을 회피할 수 있는 장점이 있어 나노선 소자의 대량, 고속 생산에 적용할 수 있다는 장점이 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
나노구조체를 이용하여 전자소자를 구현할 때, 어려운 점은?
양자 제한 효과 (quantum confinement effect)로 대표되는 여러 새로운 현상들이 관찰되었고, 이러한 신기능을 이용하여 새로운 나노소자를 구현하기 위한 노력이 경주되어 왔다.1-3) 그러나 나노구조체를 이용하여 전자소자를 구현하기 위해서는 나노 구성체 (building block)를 전극상에 정렬 (alignment)시켜야 하는 어려운 문제점이 대두된다. 반도체 나노선의 경우 전자소자로 구현하기 위해서 전자빔 리쏘그라피, 습식법 등 여러 가지 정렬 방법들이 사용되고 있으나 대부분 반도체 양산공정에서 적용하기 어려운 공정 방법들이다.
SnO2는 반도체 재료로 어떤 분야에 활용되는가?
SnO2는 n-type의 와이드밴드갭 (Eg = 3.6eV at 300K) 반도체로서 투명전극, 가스센서, 바리스터 등의 광전소자구현을 위한 반도체 재료로 활용된 바 있다.4-7) SnO2를 가스센서에 적용한 경우는 CO 및 NOx 가스에 대한 우수한 감응성을 나타낸 바 있다.
본 연구에서 SnO2 반도체 나노선 네트웍 구조를 이용해 NO2 가스 감응성을 평가한 결과는?
전극 사이 간격을 10~40 µm 정도로 하고 나노선 합성온도를 700~800oC 정도로 할 때 효과적인 나노선 네트웍 구조가 제작되었다. 5~20ppm의 NO2 가스에 대하여 감도 30~200 정도를 나타내었으며, 반응속도는 30~110초 정도의 범위를 나타내었다.
참고문헌 (15)
Y. Xia, P. Yang, Y. Sun, Y. Wu, B. Mayers, B. Gates, Y.Yin, F. Kim and H. Yan, Adv. Mat., 15, 353 (2003).
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