초록 ▼

연구의 목적 및 내용
▪실리콘(~1.12 eV) 소자의 동작온도가 200℃ 이하로 한정되어 가스센서 반도체 소자의 응용을 위하여 새로운 재료가 요구되므로, 본 연구에서는 뛰어난 전기적 특성, 기계적 성질, 열적 안정성, 내산화성 및 부식저항성을 가지고 있으며 고에너지 갭 반도체 소재인 ‘실리콘 카바이드(SiC, Eg~3.2 eV)’를 사용하여 고온 환경 및 극한 조건하에서 동작 가능한 소자를 구현하였다.
▪고온 가스 센서 반도체 소자는 높은 효율과 안정성이 중요하며, 효율 향상을 위하여 높은 표면대부피비 (surface-

연구의 목적 및 내용
▪실리콘(~1.12 eV) 소자의 동작온도가 200℃ 이하로 한정되어 가스센서 반도체 소자의 응용을 위하여 새로운 재료가 요구되므로, 본 연구에서는 뛰어난 전기적 특성, 기계적 성질, 열적 안정성, 내산화성 및 부식저항성을 가지고 있으며 고에너지 갭 반도체 소재인 ‘실리콘 카바이드(SiC, Eg~3.2 eV)’를 사용하여 고온 환경 및 극한 조건하에서 동작 가능한 소자를 구현하였다.
▪고온 가스 센서 반도체 소자는 높은 효율과 안정성이 중요하며, 효율 향상을 위하여 높은 표면대부피비 (surface-to-volume ratio) 달성을 위한 공정 개발 및 효과적인 촉매 금속 및 게이트 및 나노구조 소자 특성 분석을 수행하였다.
▪본 연구에서는, (i) SiC 결정면 제어 및 (ii) 탑다운 방식의 SiC 채널/촉매금속전극 나노구조 형성과, 이에 기반한 고온 가스센싱의 메커니즘에 대하여 분석하고, (iii) 최적화된 소자 구조 응용 연구를 독창적으로 수행함.
연구결과
▪ 소재의 물성상의 한계를 극복하기 위한 연구
-전기적 물성이 가장 우수한 4H-SiC 반도체 소재를 이용함. 또한 결정면 방향 a-, c-, m-plane 제어를 통하여, 기초 물성 및 고온 센서 응용 기반기술을 확보하였다.
▪ SiC 가스 센서의 구조를 개선하기 위한 연구
-2D-소자 시뮬레이션을 통하여, 4H-SiC 결정면 방향에 따른 고온 가스센서 소자 구조를 설계하였으며, 나노구조(Nano Patterns 및 Nanowire) 소자를 최적화 하였다.
-SiC 가스 센서의 구조를 개선하기 위하여, SiC 나노 구조 (Nano Patterns 및 Nanowire)를 형성하고 Top-down 공정 기술을 개발하였다.
-가스센서 소자구현을 위한 공정 기술 개발로서, 나노구조 형성방법인 국소산화법, 나노선, 표면텍스쳐링 등 연구를 수행하였으며, 및 4H -SiC 표면에 나노 구조를 형성하고, 전기적인 특성과의 연관관계 분석하였다.
▪ 새로운 신개념 소자 및 기반연구
-상기에 제안된 최적화된 결정면방향 4H-SiC 면방향 제어 나노 구조를 이용하여, 외부온도500K에서 동작 가능한 고효율 고온 가스센서 소자 개발을 달성하였다.
연구결과의 활용계획
▪본 연구 결과인, SiC 결정면에 기반한 나노구조 형성 메카니즘을 이해하고 이에 따른 표면 반응과 전기적 특성, 온도의존성 등에 대한 기초 이해를 심화시키고, 이를 적용한 새로운 고온 소자를 구현하는 연구를 통하여, 국내 나노기술, 센서기술, 전력반도체 기반기술의 향상 및 학문 발전에 크게 기여할 수 있을 것으로 판단된다.
▪가스센서 기술은 전 세계적으로 배기가스 배출에 대한 규제가 강화되고 있으며, 효율/고성능 관련 소자개발이 시급히 요구되고 있는 상황에서, 핵심 부품인 신소재 기반 센서 개발을 통하여, 자동차분야 국가 경쟁력 향상에 기여할 수 있을 것이며, 고온 동작이 가능한 Full 와이드 밴드갭 SiC기반 집적회로 개발로 연결될 수 있을 것이다.
▪고온 가스센서 소자 뿐 아니라 IR/UV-센서, 고주파/고전압 소자 등에 응용이 가능하므로, 반도체/하이브리드카/전기자동차 관련기술 뿐 아니라, 나아가 에너지/항공/국방/우주 분야의 기반기술 확보가 가능하고, 축적된 기술과 경험을 갖춘 석박사 인력을 추가 배출할 수 있을 것이다.

Abstract ▼

Purpose&contents
▪Due to its excellent electronic and mechanical properties, thermal stability, chemical inertness, 'silicon carbide (SiC, Eg~3.2 eV)', has great advantages, over silicon (~1.12 eV) devices limited to <200oC, in high temperature operations as SiC-based electronics and sensors can

Purpose&contents
▪Due to its excellent electronic and mechanical properties, thermal stability, chemical inertness, 'silicon carbide (SiC, Eg~3.2 eV)', has great advantages, over silicon (~1.12 eV) devices limited to <200oC, in high temperature operations as SiC-based electronics and sensors can operate in hostile environments.
▪In addition, although high temperature gas-sensing devices require the high 'surface-area-to-volume ratio' as well as proper catalytic metals with effective gate contact structures, such research has not been done in SiC devices.
▪In this report, we developed a unique process for (i) controlling the crystallographic orientation of SiC and (ii) forming top-down processed SiC nanostructures and to understand the mechanisms, as well as to apply such results to (iii) optimized gas-sending devices structures.
Result
▪Although, 4H-SiC, being one of the best existing few hundred polytypes in terms of electronic properties, has a clear plane orientation dependent physical properties, the orientation-controlled or orientation-dependent study on the top-down processed nano-structures requires further study especially for SiC.
▪We performed to analyze the plane orientation-dependent propeties of MS/MIS sensor structures and to develop a creative sensor devices. The mechanism and the parameters determining the 'crystallogrphic plane-orientation'-'materials properties'-'device properties' and 'nanostructures'-'process parameters'-'materials properties' relations were studied according to the following steps;
(1) a-, c-, m-orientation controlled process and dependency in basic properties for high temperature applications
(2) formation of the top-down processed plane orientation conrollable nanostructures (nano-texturing and nanowires) and analysis for high efficiency gas sensor applications
(3) based on the above results, developed the optimized high efficiency high temperature gas sensor structures
Expected Contribution
▪The proposed crystallographic orientation controlled nanostructured SiC high temperature gas sensors will allow the understanding and key technology necessary to integrate low-cost and ultra-high efficiency, automotive applications.
▪It is also expected to help realize the nation’s energy self-reliance and energy welfare in the field of automotive, semiconductor, space and defence applications as well as communications.
▪The involved assistant students will become competent researchers in the field as well as to advance the related science and technology of the field of sensors, power devices applicable to semiconductor/hybrid-car/electric vehicle and to energy/space/defence applications.

목차 Contents

• 중견연구자지원사업(핵심연구) 최종보고서 ... 1
• 목차 ... 3
• 연구계획 요약문 ... 4
• 연구결과 요약문 ... 5
• 한글요약문 ... 5
• SUMMARY ... 6
• 연구내용 및 결과 ... 7
• 1. 연구개발과제의개요 ... 7
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 8
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 9
• 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 27
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 28
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 30
• 7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 31
• 8. 참고문헌 ... 32
• 9. 연구성과 ... 33