As the demand for measurement of indoor and outdoor air quality has increased, various types of gas sensors have been introduced, and gas sensors having high sensitivity and fast response speed have been developed. The semiconductor type gas sensor has an advantage that it is simple in structure and can be downsized. However, there is a disadvantage of using high power consumption due to the high operating temperature. The gas sensor using self-heating of nanomaterials can reduce power consumption to micro-watts. In order to increase price competitiveness of gas sensors, it should be possible to manufacture with wafer scale. Gas sensors using silicon nanowires can reduce power consumption through the self-heating and can be manufactured in waferscale.
Hydrogen gas was detected by using palladium-coated silicon nanowires (Pd-SiNW). The Joule heating of silicon nanowires accelerated the reaction speed and increased the sensitivity. The response time and sensitivity of Pd-SiNW with Joule heating of 1172 $\mu$W for 0.5% hydrogen gas were measured as 1 second and 1.9%, respectively. The hydrogen gas response of Pd-SiNW followed the first order Langmuir isotherm and maximum sensitivity and reaction rate were calculated. Higher sensitivity was observed when using longer Pd-SiNW. The hydrogen detections of Pd-SiNW were investigated for carbon monoxide gas and humidity, which are known to degrade the performance of the hydrogen sensor. It was found that the degradation of hydrogen detection is reduced by applying high Joule heating power of Pd-SiNW.
A novel method for measuring the temperature of self-heated silicon nanowires using quantum dots was developed. Quantum dots were coated only on the silicon nanowire using a selective surface modification method and the change in photoluminescence of the quantum dots while Joule heating of the silicon nanowires was measured. Since the emission wavelength of a quantum dot depends on the temperature, the temperature of Joule heated silicon nanowire can be obtained by measuring the emission wavelength of the quantum dots on the silicon nanowire. The temperature of a silicon nanowire having a width of 160 nm and a length of 2 $\mu$m showed a relation of T = 17 + 0.098 × Joule heating power ($\mu$W). The experimental results were verified through simulation results and this method can measure the temperature of silicon microwire.
To reduce the power consumption of Joule heated Pd-SiNW, a suspended silicon nanowire was proposed. The response time of a suspended Pd-SiNW with Joule heating power of 147 $\mu$W was similar as the response time of a bounded Pd-SiNW with Joule heating power of 612 $\mu$W. In addition, the sensitivity of suspended Pd-SiNW is 95% higher than that of the bounded Pd-SiNW. The high surface roughness of silicon nanowire can further reduce the Joule heating power of the silicon nanowires.
실내외 공기질의 측정에 대한 요구가 증가함에 따라, 다양한 종류의 가스센서가 도입되었고, 고감도 및 빠른 응답 속도를 갖는 가스센서가 개발되었다. 반도체식 가스센서는 구조가 간단하여 소형화 할 수 있는 장점이 있지만 작동온도가 높아 높은 소비전력을 사용하는 단점이 있다. 나노물질의 줄 가열을 이용한 가스센서는 소비전력을 마이크로 와트 수준으로 줄일 수 있다. 가스센서의 가격 경쟁력을 높이기 위해서는 웨이퍼스케일로 제작이 가능해 한다. 실리콘 나노와이어를 사용하는 가스센서는 자가발열을 통해 전력 소모를 줄일 수 있으며 웨이퍼스케일에서 제작이 가능하다.
본 연구에서는 팔라듐 코팅 실리콘 나노와이어(Pd-SiNW)를 사용하여 수소가스를 검출하였다. 실리콘 나노와이어의 줄 가열은 Pd-SiNW의 반응속도를 빠르게 하고 민감도를 증가시켰다. 0.5% 수소 가스에 대해 1172 $\mu$W의 파워로 줄 가열하는 Pd-SiNW의 반응시간은 1초이고 민감도는 1.9%로 측정되었다. Pd-SiNW의 수소 가스 반응은 1 차 랭뮤어 (Langmuir) 등온선을 따르고 이를 통해 최대 민감도와 반응속도를 계산하였다. 실리콘 나노와이어의 길이가 길수록 Pd-SiNW의 민감도가 커지는 것을 관찰하였다. 수소센서의 성능을 저하시키는 것으로 알려진 일산화탄소 가스 및 습도에 대해 Pd-SiNW의 검출특징 변화를 조사하였다. 또한 Pd-SiNW의 줄 가열은 Pd-SiNW의 성능 저하를 줄여주는 것을 확인하였다.
줄 가열된 실리콘 나노와이어의 온도를 측정하기 위해 양자점을 이용하는 방법을 개발하였다. 양자점은 선택적인 표면개질 방법을 사용하여 실리콘 나노와이어 위에만 코팅되었고 실리콘 나노와이어를 줄 가열 하면서 양자점의 광발광 변화를 측정하였다. 양자점의 방출 파장은 온도에 의존하기 때문에 줄 가열 하는 실리콘 나노와이어의 온도는 실리콘 나노와이어 위의 양자점에서 방출하는 방출 파장을 측정함으로써 얻을 수 있다. 160 nm의 굵기와 2$\mu$m의 길이를 갖는 실리콘 나노와이어의 온도는 다음과 같은 T=17+0.098×줄 가열 파워($\mu$W)관계를 갖는다. 시뮬레이션을 이용하여 실험 결과를 검증하였으며, 양자점을 이용한 온도측정 방법은 실리콘 마이크로와이어의 온도도 측정 할 수 있음을 확인하였다.
줄 가열 하는 Pd-SiNW의 전력 소비를 줄이기 위해 공중 부유형 실리콘 나노와이어를 제안하였다. 줄 가열전력이 147 $\mu$W인 공중 부유형 Pd-SiNW의 응답시간은 주 가열전력이 613 $\mu$W인 기판 부착형 Pd-SiNW의 응답시간과 비슷한 것을 확인하였다. 게다가, 공중 부유형 Pd-SiNW의 민감도는 기판 부착형 Pd-SiNW의 민감도보다 95% 더 크다. 표면 거칠기를 증가하여 실리콘 나노와이어의 소모 전력을 더욱 감소 시키는 것을 확인하였다.
