[논문]수열합성법으로 성장시킨 ZnO 나노 로드기반 TFT 가스 센서 제조 및 특성평가

정준교; 윤호진; 양승동; 박정현; 김효진; 이가원

doi:10.4313/jkem.2017.30.4.229

수열합성법으로 성장시킨 ZnO 나노 로드기반 TFT 가스 센서 제조 및 특성평가
Fabrication and Characterization of TFT Gas Sensor with ZnO Nanorods Grown by Hydrothermal Synthesis 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.30 no.4, 2017년, pp.229 - 234

정준교 (충남대학교 전자전파정보통신공학과) , 윤호진 (충남대학교 전자전파정보통신공학과) , 양승동 (충남대학교 전자전파정보통신공학과) , 박정현 (충남대학교 전자전파정보통신공학과) , 김효진 (충남대학교 재료공학과) , 이가원 (충남대학교 전자전파정보통신공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we fabricated a TFT gas sensor with ZnO nanorods grown by hydrothermal synthesis. The suggested devices were compared with the conventional ZnO film-type TFTs in terms of the gas-response properties and the electrical transfer characteristics. The ZnO seed layer is formed by atomic-layer deposition (ALD), and the precursors for the nanorods are zinc nitrate hexahydrate ($Zn(NO_3)_2{\cdot}6H_2O$) and hexamethylenetetramine ($(CH_2)6N_4$). When 15 ppm of NO gas was supplied in a gas chamber at $150^{\circ}C$ to analyze the sensing capability of the suggested devices, the sensitivity (S) was 4.5, showing that the nanorod-type devices respond sensitively to the external environment. These results can be explained by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis, which showed that the oxygen deficiency of ZnO nanorods is higher than that of ZnO film, and confirms that the ZnO nanorod-type TFTs are advantageous for the fabrication of high-performance gas sensors.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 고감도 가스 센서용으로 수열합성법으로 성장시킨 ZnO 나노로드를 채널층으로 사용하는 박막 트랜지스터 구조를 제안하고 제작하였다. 일반적인 나노로드 가스 센서는 나노로드를 형성하고 이를 박리시킨 뒤 그림 1과 같이 포토리쏘그라피 기술을 이용하여 형성된 전극사이에 위치시킴으로써 평면형 트랜지스터 구조로 제작된다 [12-14].
본 연구에서는 고감도 가스센서 적용을 위해 나노로드가 형성된 박막을 채널로 갖는 나노로드 구조의 소자를 제작하였으며 NO 가스에 대한 센싱 특성을 확인 하였다. 트랜지스터 전달 특성 곡선에서는 박막 소자와 비슷한 전기적 특성을 보였으나 게이트 스트레스 인가시 박막 구조에 비해 V_TH 변화가 크게 나타났다, 이는 SEM과 XPS 분석을 통해 확인한 바와 같이 나노로드 구조가 박막 구조에 비해 V_O 양이 많으면서 부피에 대한 면적이 크기 때문으로 설명할 수 있다.
하지만 나노 로드와 검출 플랫폼에 형성된 전극의 인터커넥션 문제로 수율을 크게 저하시킬 수 있는 안정성과 재현성 측면의 단점을 안고 있는 것이 사실이다. 이에 나노로드가 형성된 ZnO 박막을 채널로 사용하는 소자를 제작하고 센서로의 적용 가능성을 확인함으로써 이러한 문제를 개선시키고자 하였다.

가설 설정

이러한 나노로드 구조체가 1 cm2의 면적에 균일하게 성장되었다고 가정하고, 나노로드의 개수를 계산하면 6×1010cm -2 개가 형성되었다고 볼 수 있다.

제안 방법

그림 10은 150℃의 가스챔버 내에서 NO 가스에 대한 ZnO 박막과 나노로드 구조에서의 가스센싱 특성을 시간에 따라 측정한 결과이다. O₂ 가스를 500 sccm을 공급하는 상태에서 소자의 저항이 안정된 값에 도달하면 15 ppm의 NO 가스를 5분간 공급하면서 저항의 변화를 확인하였다. 그림에서 파란색 점선은 NO 가스 유입의 시작과 끝을 나타낸다.
ZnO 박막과 나노로드의 원자 결합 상태를 정량적으로 비교하기 위해 XPS를 이용하여 그림 6에 나타낸 바와 같이 O 1s 피크를 측정하였으며 각각을 가우시안 함수를 이용하여 3개의 피크로 분리를 하였다. 그림에서 529.
오른쪽 박스로 표기된 부분이 기존 소자 제작 공정에서 수열합성법을 통해 나노로드를 형성하기 위해 추가한 공정을 나타낸다. n⁺ 실리콘 기판 위에 게이트 절연체로서 120 nm 두께의 thermal SiO₂를 성장시킨 후 active layer로 나노로드가 형성된 ZnO 박막을 형성하기 위해 atomic layer deposition (ALD)를 이용하여 80℃ 에서 30 nm의 ZnO를 증착하였다. 전구체로 diethylzinc (DEZ, Zn(C₂H₅)₂)를 사용하였다.
그림 3은 본 연구에서 제안하고 있는 나노로드가 형성된 ZnO 박막을 채널로 사용하는 ZnO 트랜지스터 구조이며 제작된 소자의 전압과 전류 특성은 HP 4155C semiconductor parameter analyzer를 사용하여 측정하였다. 특히 제안된 소자의 동작 메커니즘을 규명하기 위해 물리적으로 X선 광전자 분광법(XPS)으로 분석하였고 전기적으로는 전압과 전류 전달 특성이 외에 가스 반응 특성 측정을 수행하였다.
그림 2는 앞에서 제시한 채널에 나노로드가 형성된 소자의 제작과정을 보여준다. 기존 소자와의 특성 비교를 위해 일반적인 박막 트랜지스터를 함께 제작하여 분석하였다. 오른쪽 박스로 표기된 부분이 기존 소자 제작 공정에서 수열합성법을 통해 나노로드를 형성하기 위해 추가한 공정을 나타낸다.
1% 희석된 HCl 용액을 이용하여 채널을 식각하였다. 소오스/드레인 전극 형성은 RF magnetron sputtering을 이용하여 Ti를 증착한 뒤 lift-off 공정을 이용하였으며 게이트의 경우는 실리콘 기판 뒷면에 RF magnetron sputtering으로 Al 을 증착하여 전극을 형성하였다. 전극을 모두 형성한 후 ZnO 나노로드 TFT 소자에 대해서는 나노로드 성장을 위해 90~95℃에서 20분 동안 수열합성법을 진행했다.
전구체로 diethylzinc (DEZ, Zn(C₂H₅)₂)를 사용하였다. 이 후, 나노로드 소자에 대해서는 ZnO seed layer 형성을 위하여 공기 분위기에서 500℃, 1시간 열처리를 진행했고, 0.1% 희석된 HCl 용액을 이용하여 채널을 식각하였다. 소오스/드레인 전극 형성은 RF magnetron sputtering을 이용하여 Ti를 증착한 뒤 lift-off 공정을 이용하였으며 게이트의 경우는 실리콘 기판 뒷면에 RF magnetron sputtering으로 Al 을 증착하여 전극을 형성하였다.
소오스/드레인 전극 형성은 RF magnetron sputtering을 이용하여 Ti를 증착한 뒤 lift-off 공정을 이용하였으며 게이트의 경우는 실리콘 기판 뒷면에 RF magnetron sputtering으로 Al 을 증착하여 전극을 형성하였다. 전극을 모두 형성한 후 ZnO 나노로드 TFT 소자에 대해서는 나노로드 성장을 위해 90~95℃에서 20분 동안 수열합성법을 진행했다. 나노로드 전구체로 Zinc nitrate hexahydrate (Zn(NO₃)₂ · 6H₂O)와 Hexamethylenetetramine ((CH₂)₆N₄)를 사용 하였으며 용액의 몰 농도는 0.
그림 3은 본 연구에서 제안하고 있는 나노로드가 형성된 ZnO 박막을 채널로 사용하는 ZnO 트랜지스터 구조이며 제작된 소자의 전압과 전류 특성은 HP 4155C semiconductor parameter analyzer를 사용하여 측정하였다. 특히 제안된 소자의 동작 메커니즘을 규명하기 위해 물리적으로 X선 광전자 분광법(XPS)으로 분석하였고 전기적으로는 전압과 전류 전달 특성이 외에 가스 반응 특성 측정을 수행하였다.
그림에서 파란색 점선은 NO 가스 유입의 시작과 끝을 나타낸다. 회복시간은 NO 가스 공급을 중단한 후 20분간 진행하였다. 그림과 같이 NO 가스 공급과 차단을 여러 차례 반복하여 재현성을 확인하였고, 실험 결과 ZnO 나노로드 구조 소자의 경우 NO 가스를 유입할 경우 저항이 증가하고 유입을 멈출 경우 다시 원래의 저항으로 회복되는 가스 센싱 특성을 나타내는 것을 확인 할 수 있었다.

대상 데이터

Sensing response of the ZnO sensor based on nanorods and film. The testing gas is 15 ppm NO₂. The sensor operating temperature is 150℃.
나노로드 전구체로 Zinc nitrate hexahydrate (Zn(NO3)2 · 6H2O)와 Hexamethylenetetramine ((CH2)6N4)를 사용 하였으며 용액의 몰 농도는 0.02 mol이다.
n⁺ 실리콘 기판 위에 게이트 절연체로서 120 nm 두께의 thermal SiO₂를 성장시킨 후 active layer로 나노로드가 형성된 ZnO 박막을 형성하기 위해 atomic layer deposition (ALD)를 이용하여 80℃ 에서 30 nm의 ZnO를 증착하였다. 전구체로 diethylzinc (DEZ, Zn(C₂H₅)₂)를 사용하였다. 이 후, 나노로드 소자에 대해서는 ZnO seed layer 형성을 위하여 공기 분위기에서 500℃, 1시간 열처리를 진행했고, 0.

성능/효과

트랜지스터 전달 특성 곡선에서는 박막 소자와 비슷한 전기적 특성을 보였으나 게이트 스트레스 인가시 박막 구조에 비해 V_TH 변화가 크게 나타났다, 이는 SEM과 XPS 분석을 통해 확인한 바와 같이 나노로드 구조가 박막 구조에 비해 V_O 양이 많으면서 부피에 대한 면적이 크기 때문으로 설명할 수 있다. NO 가스에 대한 센싱 특성의 경우 재현성과 함께 평균 4.5의 높은 감도를 보이는 것을 확인하였다.
회복시간은 NO 가스 공급을 중단한 후 20분간 진행하였다. 그림과 같이 NO 가스 공급과 차단을 여러 차례 반복하여 재현성을 확인하였고, 실험 결과 ZnO 나노로드 구조 소자의 경우 NO 가스를 유입할 경우 저항이 증가하고 유입을 멈출 경우 다시 원래의 저항으로 회복되는 가스 센싱 특성을 나타내는 것을 확인 할 수 있었다. 반응 시간과 회복시간은 반응하는 면적이나 가스챔버의 온도 등에 따라 차이가 있지만, 제작한 나노로드 구조의 가스 센서의 감지 속도는 2~3분, 회복 속도는 20분 정도로 기존에 연구된 평면형 가스센서나 나노로드형 가스센서 소자와 유사한 속도를 보인다 [2,24].
따라서 표면의 전자 공핍층이 두꺼워지고 그로 인해 전기 전도도는 감소하게 된다. 따라서 V_O가 많이 존재할수록 가스 센서의 감도가 증가할 수 있는데 앞서의 XPS 분석 결과는 ZnO 나노로드가 형성된 박막을 가스 센서로 사용할 경우 높은 감도를 가질 수 있음을 보인다고 할 수 있다.
이에 비해 그림 10 안의 그림은 박막 구조 소자의 가스 센싱 특성을 보여주고 있는데, NO 가스 유입에 따라 저항 값이 변화하지 않고 일정하게 증가하는데 이는 앞서 살펴본 바와 같이 기존의 박막 구조가 비표면 적이 매우 작기 때문에 가스 센싱 특성이 거의 나타나지 않는 것으로 판단된다. 따라서 수열합성법으로 성장 시킨 나노로드 구조의 소자가 고감도 가스 센서용으로 매우 적합한 특성을 가지고 있음을 확인할 수 있다. 향후 나노로드를 추가로 형성하였을 때 채널 전도도에 미치는 영향이 보다 구체적으로 밝혀질 경우 제안된 소자의 특성향상이 가능할 것으로 기대된다.
5 eV에 나타나는 파란색 선은 OH기를 의미한다 [15,16]. 박막과 나노로드 시료에서 전체 면적대비 각 피크의 면적 비율을 구하였는데 표 1에 나타낸 바와 같이 나노로드의 경우 박막에 비해 V_O 의 비가 더 높음을 확인 할 수 있다.
본 연구에서는 고감도 가스센서 적용을 위해 나노로드가 형성된 박막을 채널로 갖는 나노로드 구조의 소자를 제작하였으며 NO 가스에 대한 센싱 특성을 확인 하였다. 트랜지스터 전달 특성 곡선에서는 박막 소자와 비슷한 전기적 특성을 보였으나 게이트 스트레스 인가시 박막 구조에 비해 V_TH 변화가 크게 나타났다, 이는 SEM과 XPS 분석을 통해 확인한 바와 같이 나노로드 구조가 박막 구조에 비해 V_O 양이 많으면서 부피에 대한 면적이 크기 때문으로 설명할 수 있다. NO 가스에 대한 센싱 특성의 경우 재현성과 함께 평균 4.

후속연구

따라서 수열합성법으로 성장 시킨 나노로드 구조의 소자가 고감도 가스 센서용으로 매우 적합한 특성을 가지고 있음을 확인할 수 있다. 향후 나노로드를 추가로 형성하였을 때 채널 전도도에 미치는 영향이 보다 구체적으로 밝혀질 경우 제안된 소자의 특성향상이 가능할 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	가스 센서의 역할은?	일반적으로 가스 센서는 재료의 화학적, 전기적 및 광학적 특성변화로부터 독성 또는 폭발성 가스를 감지한다. 특히 전기적 저항 변화에 기반을 둔 산화물 반도체 가스 센서는 고감도의 특성을 가지며, 간단한 구조와 공정으로 생산이 가능하다는 장점을 가지고 있다 [1].
	나노 구조를 만드는 방법 중 수열합성법의 장점은?	나노 구조를 만드는 방법에는 기상 수송법 (vapor-liquid-solid, VLS) [6], 화학적 기상 증착법 (chemical vapor deposition, CVD) [7], 아크 방전법 (Arc-discharge method) [8], 템플릿을 이용한 증착법 [9], 졸-겔 증착법(Sol-gel deposition) [10], 수열 합성법(hydrothermal synthesis) [11] 등이 있다. 이중 에서 수열합성법은 저온 공정이 가능해 다양한 기판 에서 합성을 할 수 있으며, 대기압에서도 합성이 가능해 경제성이 높고, 대면적 합성, 재현성 및 균일한 성장이 가능하다는 장점을 가지고 있다.
	반도체 가스 센서의 장점은?	일반적으로 가스 센서는 재료의 화학적, 전기적 및 광학적 특성변화로부터 독성 또는 폭발성 가스를 감지한다. 특히 전기적 저항 변화에 기반을 둔 산화물 반도체 가스 센서는 고감도의 특성을 가지며, 간단한 구조와 공정으로 생산이 가능하다는 장점을 가지고 있다 [1]. 산화물 반도체 중에서도 ZnO는 화학적 산소 결핍으로 인한 비화학량론적 성질 때문에 n형 반도체 특성을 나타낸다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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