The Hall Measurement and TMA Gas Detection of ZnO-based Thin Film Sensors

ZnO 박막 센서의 TMA 가스 및 Hall 효과 측정

The TMA gas sensors are fabricated with the ZnO-based thin films grown by a RF magnetron sputtering method. We investigate the surface carrier concentration, Hall electron mobility, electrical resistivity and sensitivity according to temperature variation and TMA gas concentration. The ZnO-based thin film sensors prepared by sputtering in oxygen showed higher surface carrier concentration, higher Hall mobility, higher sensitivity, and lower electrical resistivity than sensors prepared by sputtering in argon. The doping ZnO-based thin film sensors showed the same electrical properties in comparison with nondoping sensors. In case of sputtering on the oxygen gaseous atmosphere, the ZnO-based thin film sensors doped with 4.0 wt.% $Al_{2}O_{3}$, 1.0 wt.% $TiO_{2}$, and 0.2 wt.% $V_{2}O_{3}$ showed the highest surface carrier concentration of $5.95{\times}10^{20}cm^{-3}$, Hall electron mobility of $177\;cm^{2}/V{\cdot}s$, lowest electrical resistivity of $0.59{\times}10^{-4}{\Omega}{\cdot}cm$ and highest sensitivity of 12.1(working temperature, $300^{\circ}C$, TMA gas, 8 ppm).

RF 마그네트론 스펏터링 방법으로 ZnO 박막을 성장시켜 TMA 가스 센서를 제작하였다. ZnO 박막의 성장분위기 가스와 첨가불순물이 박막의 표면 캐리어(전자) 농도, Hall 전자 이동도, 전기저항률 및 감도에 미치는 영향을 동작온도와 TMA 가스 농도를 변화시켜가며 조사하였다. 산소분위기에서 성장된 박막이 아르곤의 경우보다, 촉매불순물이 첨가된 박막이 첨가되지 않은 경우보다, 각각 표면 캐리어 농도와 Hall 전자 이동도가 높았고, 높은 감도 및 낮은 전기저항률을 나타내었다. 산소분위기에서 성장되었고, 불순물로 4 wt.%의 $Al_{2}O_{3}$, 1 wt.%의 $TiO_{2}$ 및 0.2 wt.%의 $V_{2}O_{3}$를 첨가한 ZnO 박막으로 만든 센서가 가장 높은 표면 캐리어 농도 $5.95{\times}10^{20}cm^{-3}$ 및 Hall 전자 이동도 $177\;cm^{2}/V{\cdot}s$와 가장 낮은 전기저항률 $0.59{\times}10^{-4}{\Omega}{\cdot}cm$ 및 가장 높은 감도 12.1을 나타내었다. 이때 TMA 가스 농도는 8 ppm, 동작온도는 $300^{\circ}C$였다.