[논문]a-, c-, m-면방향의 4H-SiC 기판에 형성된 ZnO 나노선 가스센서의 300℃에서 CO 가스 감지 특성

정경환; 이정호; 강민석; 구상모

doi:10.4313/jkem.2013.26.6.441

a-, c-, m-면방향의 4H-SiC 기판에 형성된 ZnO 나노선 가스센서의 300℃에서 CO 가스 감지 특성
CO Gas Sensing Characteristic of ZnO Nanowires Based on the a-, cand m-plane Oriented 4H-SiC Substrate at 300℃ 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.26 no.6, 2013년, pp.441 - 445

정경환 (광운대학교 전자재료공학과) , 이정호 (광운대학교 전자재료공학과) , 강민석 (광운대학교 전자재료공학과) , 구상모 (광운대학교 전자재료공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

ZnO nanowires on the a-, c- and m-plane oriented 4H-SiC substrates were grown by using a high temperature tube furnace. Ti/Au electrodes were deposited on ZnO nanowires and a-, c- and m-plane 4H-SiC substrates, respectively. The shape and density of the ZnO nanowires were investigated by field emission scanning electron microscope. It was found that the growth direction of nanowires depends strongly on growth parameters such as growth temperature and pressure. In this work, The sensitivity of nanowires formed a-, c- and m-plane oriented 4H-SiC gas sensor was measured at $300^{\circ}C$ with CO gas concentration of 80%. The nanowires grown on a-plane oriented 4H-SiC show improved sensing performance than those on c- and m-plane oriented 4H-SiC due to the increased density of nanowire on a-plane 4H-SiC.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

따라서 본 연구에서는 4H-SiC의 a-, c-, m-면방향에 따른 300℃에서의 CO 가스에 대한 감도를 측정하여 감도 특성 개선을 위한 연구를 수행하고, 분석 검토하였다.

제안 방법

a-, c-, m-면방향 4H-SiC 기반의 나노선 가스 센서는 air pump, CO pump와 연결된 챔버 안에 놓은 후, 전류를 1 μA로 고정시킨 후, 300℃인 상태에서 CO 80% 환경에서 1,200초, 공기 100% 환경에서 600초 동안 저항을 측정하였다.
형성된 ZnO 나노선의 특성은 FE-SEM (field emission scanning electron mmicroscope), PL (photoluminescence) 과 AFM (atomic force microscope)을 이용하여 분석하였다. 가스 센서의 감도 측정은 그림 1(a)와 같은 가스 센서 측정 장치를 이용하였다.

대상 데이터

그림 1(b)는 ZnO 나노선/SiC 가스센서의 모식도 이다. p형 4H-SiC 기판을 아세톤, 메탄올, DI water, SPM (sulfuric acid peroxide mixture), DI water, BOE (buffered oxide etchant), DI water 순서로 기판을 세척하였다. 세척 후 Au 10 nm를 E-beam 공정으로 증착하고 1,200℃인 튜브 퍼니스에서 비율 ZnO : Graphite = 1 mg : 1 mg인 소스를 사용하여 60분 동안 기판에 증착하여 ZnO 나노선을 형성하였다.

성능/효과

(a)는 a-면방향, (b)는 c-면방향, (c)는 m-면방향나노선/SiC를 나타낸다. FE-SEM 이미지를 통해 a면방향 의 나노선 밀도가 가장 높으며, c-, m-면방향 순으로 밀도가 높게 나타남을 보았다. 기판 면방향에 따른 ZnO 나노선의 밀도가 다른 이유는 기판 표면의 에너지가 면방향에 따라 다르기 때문이라 판단된다[2].
06 nm으로 표 2에 정리하였다. ZnO 나노선의 밀도가 증가할수록 ZnO 나노선의 표면 거칠기가 증가됨을 확인하였다.
으로 측정되었다. ZnO 나노선의 밀도와 표면 거칠기가 증가할수록 부피대표면적 비율이 커지며, PL의 세기도 m-, c-, a면방향 순으로 증가하였다.
ZnO 나노선의 표면 거칠기는 a-, c-, m-면방향 기판에 형성된 나노선 순서로 217.23 nm, 122.72 nm, 72.06 nm이고, PL 특성 파장은 374 nm (∼3.3 eV)이고 세기는 14.7 a.u., 5.49 a.u., 0.73 a.u.이며, 감도는 31.67%, 19.68%, 6.04%으로 a-면방향 나노선/SiC 가스 센서의 감도가 c-, m면방향 나노선/SiC 감도보다 높은 특성을 보여주었다.
표면 거칠기와 PL의 세기, 유효두께, 감도는 모두 비례하여 나타났다. a-면방향 ZnO 나노선/SiC 가스센서의 감도가 c-면방향 ZnO 나노선/SiC 가스센서 보다 약 1.5배, m-면방향 ZnO 나노선/SiC 가스센서의 감도보다 약 5배 가량 높게 나타났다.
본 연구에서는 p형 4H-SiC 기판에 형성된 a-, c-, m-면방향 ZnO 나노선 가스센서의 CO 감지 특성을 300℃에서 조사하였으며, FE-SEM을 통해 a-, c-, m-면방향 ZnO 나노선이 형성됨을 확인하였고, 유효 두께는 a-면방향 0.1 μm, c-면방향 0.06 μm, m-면방향 0.02 μm임을 확인하였다.
a-면방향 감도는 31%이며, c-면 방향 감도는 19%이고, m-면방향 감도는 6%로 표 2에 정리하였다. 흡착/탈착되는 산소의 양은 표면 거칠기에 비례하며, 표면 거칠기가 높을수록 감도가 높게 나타남을 확인하였다.

후속연구

본 연구를 통해 SiC 기판 면방향이 성장하는 나노선의 유효 두께 및 거칠기에 영향을 미치는 것을 확인 하였으며, 나노선/SiC 기반 고온 가스센서 소자구조 최적화에 적용 가능할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	4H-SiC의 특성은?	특히, ZnO 나노선 구조는 박막보다 넓은 표면적대부피비 때문에 가스 센서에 많이 응용된다 [1,2]. 4H-SiC는 ZnO와 같은 Hexagonal 구조를 가짐으로 낮은 격자부정합 (lattice mismatch)을 가지며, 고에너지 밴드갭 반도체 물질로 높은 화학적 비반응성을 가진다. 또한 고온에서도 반도체 성질을 잃지 않기 때문에 고온 환경에서 동작해야 하는 가스센서에 응용이 가능하여 국내외적으로 많은 관심을 갖고 있다 [3-5].
	ZnO의 상온에서 특성은?	ZnO는 상온에서 높은 밴드갭 에너지 (∼3.4 eV)와 엑시톤 결합 에너지 (60 meV)를 가진다. 특히, ZnO 나노선 구조는 박막보다 넓은 표면적대부피비 때문에 가스 센서에 많이 응용된다 [1,2].
	4H-SiC 고온 환경에서 동작해야 하는 가스센서에 응용이 가능한 이유는?	4H-SiC는 ZnO와 같은 Hexagonal 구조를 가짐으로 낮은 격자부정합 (lattice mismatch)을 가지며, 고에너지 밴드갭 반도체 물질로 높은 화학적 비반응성을 가진다. 또한 고온에서도 반도체 성질을 잃지 않기 때문에 고온 환경에서 동작해야 하는 가스센서에 응용이 가능하여 국내외적으로 많은 관심을 갖고 있다 [3-5].

참고문헌 (8)

D. T. Phan and G. S. Chung, Appl. Surf. Sci., 257, 8 (2001).
I. J. Kim, B. H. Oh, J. H. Lee, and S. M. Koo, J. KIEEME, 25, 91 (2012).

원문보기 상세보기
D. D. Lee and D. S. Lee, IEEE Sensors J., 1, 214 (2001).

상세보기
H. W. Ra, K. S. Choi, J. H. Kim, Y. B. Hahn, and Y. H. Im, Small, 4, 1105 (2008).

상세보기
E. Janzen and O. Kordina, Mater. Sci. Eng., B46, 203 (1997).
M. M. Steeves, D. Deniz, and R. J. Lad, Appl. Phys. Lett., 96, 142103 (2010).

상세보기
J. W. Elam, Z. A. Sechrist, and S. M George, Thin Solid Films, 414, 43 (2002).

상세보기
E. Karber, T. Raadik, T. Dedova, J. Krustok, A. Mere, V. Mikli, and M. Krunks, Nanoscale Reserch Letters, 6, 359 (2011).

상세보기

저자의 다른 논문 :

LOADING...

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증