WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 2 Сенсоры аммиака на основе диодов Pd–n-Si © В.И. Балюба, В.Ю. Грицык, Т.А. Давыдова, В.М. Калыгина¶, С.С. Назаров, Л.С. Хлудкова Сибирский физико-технический институт им. В.Д. Кузнецова при Томском государственном университете, 634050 Томск, Россия (Получена 9 июня 2004 г. Принята к печати 23 июня 2004 г.) Исследовано влияние аммиака на электрические характеристики диодных структур Pd–n-Si. Изучена кинетика изменения характеристик диодов при воздействии аммиака. Показано, что быстродействием сенсоров аммиака на основе диодов Pd–n-Si можно управлять, подавая импульсы дополнительного потенциала на барьерный электрод.

В ранее опубликованных работах по влиянию ам- чувствительность к ряду восстановительных газов, вклюмиака на электрические характеристики полупровод- чая аммиак, арсин, водород, сероводород, моноокись никовых структур исследовались кремниевые МОП углерода и др. [5–12]. При одинаковых концентрациях (металл-окисел-полупроводник) конденсаторы и поле- и прочих равных условиях наибольшее изменение элеквые транзисторы. Затвор в них изготавливали напыле- трических характеристик МДП диодов с Pd-электродом нием пленок металлов, обладающих каталитическими получено при воздействии водорода [6,11,12].

свойствами, (Pd, Pt, Ir и др.) [1] или использовалось разСтруктуры, исследованные в данной работе, были личное сочетание тонких слоев этих металлов [2]. В атизготовлены на основе эпитаксиальных слоев n-Si с мосфере аммииака наблюдался параллельный сдвиг по удельным сопротивлением слоя 5-7Ом· см. Сначала оси напряжений вольт-фарадных характеристик (ВФХ) эпитаксиальные структуры подвергали окислению в поМОП конденсаторов и зависимости тока стока от натоке влажного кислорода при температуре 1100C для пряжения на затворе для полевых транзисторов. Отклик получения пленки защитного диэлектрика SiO2. Тыльструктур на воздействие газа определяли как изменение ный омический контакт к полупроводнику создавали нанапряжения плоских зон в конденсаторах [2] и порогонесением алюминия с последующим отжигом в вакууме вого напряжения в транзисторах [1].

в течение 5 мин при температуре 530C. На поверхность Результаты экспериментов объяснялись на основе слоя SiO2 катодным напылением наносили платиновую модели Лундстрома, предложенной им для анализа пленку, а затем с помощью фотолитографии формировавлияния водорода на МОП структуры с палладиевым ли П-образный нагревательный элемент. В пленке SiOбарьерным электродом [3]. Предполагалось, что адсорвскрывали окна и термическим испарением в вакууме бированные на поверхности каталитически активного наносили пленку палладия. Палладиевый электрод плоэлектрода молекулы NH3 диссоциируют с образованищадью 2.4 · 10-3 см2 формировали методом взрывной ем атомарного водорода (Ha) [1]. Атомарный водород фотолитографии. При использованной технологии издиффундирует через пленку Pd и закрепляется на граготовления структур палладиевый электрод оказывался нице раздела Pd–SiO2 в виде диполей. Дипольный слой отделенным от кремния туннельно-прозрачным слоем изменяет работу выхода электронов из палладия, что естественного окисла SiOx. После изготовления диоды вызывает изменение изгиба зон на поверхности полуотжигали в воздушной среде в течение 10 мин при проводника и, как следствие, изменение электрических температуре 300C, которая значительно превышала инхарактеристик полупроводниковых структур [1,2].

тервал используемых рабочих температур при последуОднако проведенные оценки показали количественное ющих измерениях. После отжига кремниевую структуру несоответствие экспериментальных данных с предлагаразрезали на отдельные кристаллы размером 11мм2 и емой моделью [4]. Оказалось, что отклик МОП конполученные образцы распаивали на кристаллодержатель.

денсаторов и полевых транзисторов в газовых смесях Измерены вольт-амперные характеристики на постоNH3/воздух, NH3/Ar, NH3/He и др. больше, чем следоянном напряжении, а также вольт-фарадные и вольтвало ожидать от влияния образовавшегося атомарного сименсные характеристики на частоте 1 МГц в воздушводорода.

ной среде и в газовой смеси аммиак/воздух.

В связи с отсутствием однозначной модели предВ отличие от ранее исследованных диодов, полуставляют интерес дальнейшие исследования влияния ченные структуры не обнаруживают чувствительности аммиака на полупроводниковые структуры.

к водороду даже при концентрации H2 100%. При В нашем сообщении представлены результаты исслевоздействии аммиака наблюдается увеличение прямодований воздействия NH3 на электрические характего и обратного токов, емкости и проводимости. Заристики структур Pd–n-Si. Известно, что конденсатовисимость отклика диодов на аммиак от напряжения ры и диоды на основе структур металл–диэлектрик– описывается кривыми с максимумом. Наибольший эфполупроводник (МДП) с Pd-электродом обнаруживают фект изменения электрических характеристик получен ¶ E-mail: vmk@elefot.tsu.ru для обратных и прямых токов в интервале напряже286 В.И. Балюба, В.Ю. Грицык, Т.А. Давыдова, В.М. Калыгина, С.С. Назаров, Л.С. Хлудкова Зависимости емкости и проводимости от концентрации аммиака (N) для одного из диодов при T = 50C и рабочем напряжении 0.4 В приведены на рис. 3.

Одним из важнейший параметров газовых сенсоров является быстродействие, которое характеризуется временем отклика (r ) и временем восстановления (f ).

За время отклика принимают временной интервал, за который фиксируемая величина изменяется до 0.9 от максимального значения (уровень 0.9). Время восстановления определяют как промежуток времени, в течение которого измеряемый параметр восстанавливается до 0.1 от максимальной величины (уровень 0.1).

При подаче газового импульса в измерительную камеру наблюдается ускорение установления стационарных значений емкости и проводимости при фиксированном рабочем напряжении (Uop), если на барьерный электрод в течение 5–10 с подавать отрицательный потенциал, значительно превышающий Uop (рис. 4).

Рис. 1. Зависимость от напряжения отношения тока в газовой Как правило, f >r, поэтому для определения бысмеси (700 ppm NH3)/воздух (Ig) к току в воздушнойсреде (I0).

стродействия сенсоров представляет интерес изучение кинетики восстановления параметров диодов после прекращения действия газового импульса. Для большинства диодов r снижается с повышением рабочей температуры.

Время восстановления существенно зависит от условий, при которых происходит данный процесс. В связи с этим в нашей работе исследовалось влияние потенциала на палладиевом барьерном электроде на изменение проводимости диодов со временем. На рис. 5 показан спад проводимости при рабочем напряжении Uop = 0.3В (кривая 1). Через 170 с после начала спада на палладиРис. 2. Зависимость от напряжения отношения емкости в газовой смеси (700 ppm NH3)/воздух (Cg) к емкости в воздушной среде (C0) при температуре T, C: 1 — 57, 2 — 70, 3 — 96, 4 — 108, 5 — 120, 6 — 127.

ний U =(-0.5)-(+0.15) В (рис. 1), для емкости и проводимости на переменном сигнале при смещении на диоде U = 0.3-0.4В (рис. 2). При фиксированной концентрации NH3 отклик емкости, представленный отношением емкости в газе (Cg) к емкости в комнатной Рис. 3. Зависимость емкости C (1) и проводимости G (2) атмосфере (C0), с повышением температуры (T ) сначала от концентрации аммиака N при рабочем напряжении 0.4 В и возрастает, а затем падает (рис. 2). температуре 50C.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Сенсоры аммиака на основе диодов Pd–n-Si Влияние положительного потенциала на барьерном электроде на временные зависимости проводимости наи более ярко проявляется для Uad в интервале 2–6В.

При дальнейшем увеличении Uad повышение скорости релаксации G становится менее заметным.

На рис. 6 сравниваются кривые восстановления проводимости без подачи дополнительного потенциала на Pd-электрод (кривая 1) и при подаче несколько раз положительного (кривая 2) и отрицательного (кривая 3) потенциалов Uad. Из полученных данных следует, что при положительном потенциале на Pd-электроде (Uad Uop) ускоряется процесс восстановления и повышается быстродействие сенсора. При отрицательном потенциале (|Uad| Uop) замедляется возвращение параметров сенсора к исходным значениям, которые диод имел до воздействия аммиака. Таким образом, изменяя знак потенциала и его амплитуду, можно регулировать Рис. 4. Изменение емкости C (1) и проводимости G (2) во быстродействие сенсоров на основе МДП диодов.

времени t после подачи в измерительную камеру 700 ppm NHОтсутствие влияния водорода на структуры Pd–n-Si, при рабочем напряжении на диоде 0.2 В.

исследованные в данной работе, объясняется образованием силицидов палладия (Pd2Si, PdSi) в результате термического отжига [13,14]. Известно, что силициды палладия имеют металлический тип проводимости, но не обладают каталитическими свойствами.

Можно предположить следующий механизм формирования отклика диодов в атмосфере аммиака. За счет несоответствия параметров решеток кремния и пленок силицидов палладия возникают механические напряжения [13], при релаксации которых в барьерном электроде возникают микропоры и микротрещины. Молекулы NH3, адсорбированные на внешней поверхности барьерного электрода, диффундируют сквозь металлическую пленку и достигают границы раздела Pd2Si- туннельно-тонкий Рис. 5. Изменение проводимости G во времени t после прекращения воздействия 700 ppm NH3 при рабочем напряжении на диоде 0.3 В.

евый электрод в течение 10 с подавали дополнительно отрицательный потенциал Uad = -2.3 В, что вызвало замедление спада проводимости. Спустя еще 170 с на диод вновь в течение 10 с подавали отрицательный потенциал Uad = -2.3 В, что снова привело к замедлению снижения проводимости. Пунктирные прямые 2 и 3 на рис. 5, полученные экстраполяцией участков экспериментальных кривых, показывают предполагаемые изменения G при больших временах. Однако, если на каком-то этапе вос Рис. 6. Изменение проводимости G, нормированной становления параметров диода на палладиевый электрод на G (t = 0), во времени t после прекращения воздействия подать положительный потенциал, то процесс восстанов700 ppm NH3 при рабочем напряжении 0.3 В. Дополнительное ления ускоряется. На рис. 5 этот эффект наблюдается напряжение на палладиевом электроде 0 В (1), +(4-10) В (2), при Uad =+2.3В. -(4-6) В (3).

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 288 В.И. Балюба, В.Ю. Грицык, Т.А. Давыдова, В.М. Калыгина, С.С. Назаров, Л.С. Хлудкова слой SiOx. Дипольный момент молекул аммиака Ammonia sensors based on Pd–n-Si µ = 1.46 D [15], и по аналогии с моделью для водороdiodes да можно считать, что образовавшийся слой диполей V.I. Baljuba, V.Y. Grisyk, T.A. Davidova, V.B. Kalygina, снижает работу выхода электронов из барьерного элекS.S. Nazarov, L.S. Khludkova трода. В результате уменьшается отрицательный изгиб зон на поверхности n-Si, что приводит к росту прямых и Kuznetsov Siberian Physicotechnical Institute, обратных токов, емкости и проводимости диодов.

Tomsk State University, Влияние электрического поля на кинетику восстанов634050 Tomsk, Russia ления емкости и проводимости диодов после окончания газового импульса, возможно, обусловлено изменением

Abstract

The influence of ammonia on electrical characteristics формы потенциальной ямы, в которую попадает молекуof Pd–n-Si diode structures has been studied. Kinetics of the diode ла аммиака при адсорбции на границе раздела Pd- тунcharacteristics change on exposure to ammonia is investigated. It is нельно-тонкий слой SiOx [16]. При малых потенциалах shown that a fast response of ammonia sensors based on Pd–n-Si на электроде, соответствующих рабочим напряжениdiodes may be controlled by applying the impulses of an additional ям Uop, форма потенциального барьера практически не potential to the barrier electrode.

изменяется. При больших положительных смещениях на полевом электроде потенциальный барьер понижается, и вероятность выхода адсорбированной молекулы из потенциальной ямы резко возрастает.

Таким образом, исследованные структуры Pd–n-Si могут быть использованы при разработке сенсоров аммиака, селективных по отношению к водороду.

Список литературы [1] J.F. Ross, I. Robins, B.C. Webb. Sensors Actuators, 11, (1987).

[2] A. Spetz, M. Armgarth, I. Lundstrm. Sensors Actuators, 11, 349 (1987).

[3] I. Lundstrm. Sensors Actuators, 1, 403 (1981).

[4] I. Lundstrm, M. Armgarth, A. Spetz, F. Winquist. Sensors Actuators, 10, 399 (1986).

[5] W. Hornik. Sensors Actuators B, 4, 35 (1990).

[6] M. Ogita, Dong-Bai Ye, K. Kawamura, T. Yamamoto. Sensors Actuators, 9, 157 (1986).

[7] T. Fare, A. Spetz, M. Armgarth, I. Lundstrm. Sensors Actuators, 14, 157 (1988).

[8] G.J. Maelay, K.W. Jelley, S. Nowrozi-Esfahani, M. Formosa.

Sensors Actuators, 14, 331 (1988).

[9] W. Mokwa, K. Dobos, G. Zimmer. Sensors Actuators, 12, (1987).

[10] M. Peschke, H. Lorenz, H. Riess, I. Eisele. Sensors Actuators B, 1, 21 (1990).

[11] В.И. Гаман, М.О. Дученко, В.М. Калыгина. Изв. вузов.

Физика, № 1, 69 (1998).

[12] В.И. Гаман, В.И. Балюба, Т.А. Давыдова, В.Ю. Грицык, В.М. Калыгина, Л.С. Хлудкова. Изв. вузов. Физика, № 11, 3 (2001).

[13] C. Betty, Ch. Haydn, R. Kenneth. Thin Films: Relationship Struct. Prop. Symp., San Francisco, 1985 (Pittsburgh, 1985) p. 155.

[14] Г.А. Саров, Д. Кукуринков, А. Шопов. Сб. докл. Юбил.

науч,-техн. конф. (Ботевград, 1987) ч. II, с. 158.

[15] В.Ф. Киселев, С.Н. Козлов, А.В. Зотеев. Основы физики поверхности твердого тела (М., Изд-во МГУ, 1999).

[16] L.-G. Petersson, H.M. Dannetun, J. Fogelberg, I. Lundstrm.

J. Appl. Phys., 58, 404 (1985).




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.