The fabrication of heterostructure that has large quantities of p-n, n-n junction with highly dispersed small nanoparticle dopants for metal oxide semiconductor (MOS) gas sensor is one of the important issue in gas sensor research for enhancing the gas sensing performance. Despite many intensive tries in this area, the ideal heterostructure could not be fabricated by all of the conventional bottom-up fabrication methods. Herein, the almost ideal p-n heterostructure nanowire arrays as a gas sensing channel was fabricated by our top-down lithographic technique. The fabricated p-n heterostructure have high resolution of ultrathin (~20 nm thickness) and high aspect ratio (~10) composed of polycrystalline MOS with ultra-small grains of highly dispersed p-type dopants (~ 5 nm) and n-type (~ 10 nm) channel material by $Ar^+$ ion bombardment. Due to its almost ideal structure as a p-n heterostructure and unique morphological characteristics, fabricated p-n nanowire arrays ($WO_3$/CuO) exhibited ultra-high sensitivity ($R_a$/$R_g$ = 224 at 100 ppb) toward ethanol with distinguishable gas response characteristics on wide range of ppb level to % level as well as rapid response (< 21 s) and fast recovery (< 140 s) properties in all concentration range. In addition, our unique top-down lithographic technique can make various combination of heterostructure by simple change of sputtering target materials of p-type and n-type.
고르게 분산된 아주 작은 나노입자 형태의 첨가물로 인한 다량의 p-n 접합을 가지는 헤테로구조의 제조는 금속산화물 가스센서의 연구에서 중요한 이슈이다. 이전의 많은 시도들에도 불구하고, 기존 바텀업 제조방식은 이러한 이상적인 헤테로 구조를 제조할 수 없었다. 본 연구에서는 가스센서의 경로 물질로서 이상적인 p-n 헤테로 접합의 나노와이어집합체를 고유의 톱다운 리소그래피 방식을 통해 제작하였다. 제작된 p-n 헤테로구조는 고분해능의 매우 얇고 높은 종횡비를 가지며, 아르곤이온 충격 공정에 의해 매우 작은 나노입자의 p-형태 첨가물과 n-형태의 주 경로물질이 매우 고른 형태로 존재한다. 이러한 이상적이며 특별한 구조로 인해, 제작된 센서는 에탄올에 대해 매우 민감한 반응과 함께 광범위한 농도를 빠른 감지 속도와 회복 속도의 특성을 가질 수 있었다. 추가적으로, 연구실 고유의 톱다운 리소그래피 기술은, p-형태 혹은 n-형태의 목표 물질을 단순하게 변경함으로써 다양한 조합의 헤테로구조를 제작할 수 있다.
