WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 1999, том 69, вып. 2 06;12 Газочувствительность диодных структур на основе карбида кремния © В.И. Филиппов1, П.А. Иванов2, В.Ф. Синянский1, А.А. Терентьев1, С.С. Якимов1 1 Российский научный центр ”Курчатовский институт”, 123182 Москва, Россия 2 Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Поступило в Редакцию 17 ноября 1997 г.) Исследовано изменение электрофизических характеристик Pt/6H–SiC структур при воздействии водорода.

Обнаружено, что изменение величины напряжения смещения Pt/6H–SiC структуры при фиксированной емкости связано с концентрацией водорода уравнением Нернста. Отклик сенсора при 150C составляет 39 mV на декаду изменения концентрации водорода. Получены изменения прямого и обратного токов и дифференциальных сопротивлений диодной структуры в атмосфере содержащей водород. Смещение вольт-фарадной характеристики в сторону отрицательных напряжений и уменьшение дифференциального сопротивления перехода вызваны уменьшением высоты потенциального барьера диода Шоттки в результате диссоциативной адсорбции водорода с образованием двойного заряженного слоя на границе металл– полупроводник. При рабочей температуре структуры около 150C характеристики структур стабильны.

Исследовано влияние температурного (500C) отжига. Образование при этой температуре силицидов платины приводит к деградации газочувствительных свойств перехода металл-полупроводник.

Введение водородом. Это явление, получившее название дрейфа, индуцированного водородом, усиливается с ростом Полупроводниковые структуры (МДП конденсаторы, температуры. Кроме того, в результате взаимодействия полевые транзисторы, диоды Шоттки) с электродами, водорода с диэлектриком при повышенных температуизготовленными из каталитически активных металлов рах возможно образование неустойчивых химических (металлов платиновой группы), используются в каче- связей типа Si–H, Si–OH, обусловливающих сложные стве первичных преобразователей в газовых сенсорах — физические явления в процессе старения [7]. В этой приборах, регистрирующих изменение концентрации то- же работе отмечалась деградация Pt/SiO2/Si структуры го или иного газа. В результате реакций, протекаю- при температурах 150C, связанная с диффузией атомов платины в SiO2 по вакансиям кислорода и образование щих на трехфазной границе металл–газ–подзатворный слоя Pt2Si, смещающегося к границе раздела Si/SiO2.

слой, происходит изменение электрофизических харакОтсутствие слоя окисла, или, иными словами, истеристик структур: величины напряжения плоских зон, пользование в качестве чувствительного элемента диода порогового напряжения, прямого и обратного токов [1].

Шоттки, позволяет исключить влияние слоя окисла на Изменение любой из перечисленных характеристик, соработу структуры. В [8] рассмотрена работа газовоотнесенное с изменением концентрации исследуемого го сенсора на основе диодной структуры Pd/6H–SiC.

газа, может рассматриваться как сигнал сенсора. В завиОбнаружена чувствительность диода Шоттки Pd/SiC к симости от структуры активного электрода, материала водороду и углеводородам.

подзатворного слоя и, наконец, рабочей температуры Использование в качестве материала затвора платины газовые сенсоры имеют чувствительность к водороду, вместо палладия позволяет как избежать структурных газам с полярными молекулами (моноокись углерода, изменений электрода, возникающих при циклическом аммиак, пары воды), насыщенным углеводородам, фтовоздействии водорода [9], так и уменьшить влияние ру [2,3]. Для повышения рабочей температуры сенкислорода на сигнал сенсора [10]. Целью данной работы сора, что весьма важно в ряде практических примеявляется изучение действия водорода на электрофизинений (например, при диагностике отработанных газов ческие характеристики Pt/SiC диодов Шоттки и влияния двигателя), вместо кремния используют широкозонный температурного воздействия на стабильность этих харакполупроводник карбид кремния. Приборы, основанные теристик.

на 6H–SiC, который имеет ширину запрещенной зоны около 3 eV, могут работать вплоть до 600 [4]. В работе [5] исследованы характеристики газового сенсора на Методы исследования, приборы основе структуры Pt/SiO2/SiO для диагностики водорода и оборудование и содержащих водород газов. Отмечалось, что важным аспектом стабильной работы сенсора является качество В качестве экспериментальных образцов в работе исслоя двуокиси кремния, выращенного на поверхности пользовались кристаллы n-6H–SiC размером 4 4mm2 с кремния. выращенными на них гомоэпитаксиальными пленками nНаличие ионов натрия в двуокиси кремния приводит типа. Эпитаксиальный слой толщиной около 5 µmвырак дрейфу сигнала сенсора [6] при взаимодействии с щивался методом вакуумной сублимационной эпитаксии Газочувствительность диодных структур на основе карбида кремния на полярной (0001) грани кристалла 6H–SiC. Концентра- Нернста ция электронов в эпитаксиальном слое 3.2 · 1016 cm-3.

На подложке формировался высокотемпературный омиRT CHU = E = E0 - 2.3 lg, (1) ческий контакт — воженный никель с нанесенным сверху ZF CH+ вольфрамом.

Платиновый электрод диаметром 0.7 mm и толщиной где R — универсальная газовая постоянная; T —абсооколо 600 наносился на эпитаксиальную пленку маглютная температура; F — число Фарадея; Z —число нетронным напылением в атмосфере аргона. Для стабиэлектронов, участвующих в реакции; CH2 — активность лизации морфологии Pt электрода структуры отжигались на воздухе при температуре 300C в течение 30 min.

Структуры помещались в газовую ячейку, где крепились непосредственно на нагревательный элемент. Во избежании окисления при высоких температурах контакты к затвору структуры и омическому контакту изготавливались из графита. Ячейка (рабочий объем 50 cm3) с исследуемой структурой присоединялась к газовому стенду динамического смешивания. Автоматизированная система управления регуляторами расхода газа РГД-позволяла формировать газовые потоки с концентрацией водорода от 10 до 1000 ppm при постоянном суммарном расходе 10 cm3/s. В качестве основного газа использовался или гелий, или синтетический воздух.

В работе измерялись высокочастотные (10 kHz) вольтфарадные и вольт-амперные характеристики диодных структур. Измерительный комплекс, созданный на базе стандартных приборов (частотного анализатора 1250 и LCR измерителя E7-12), позволял не только регистрировать характеристики структур, но и обеспечивал режимы работ, характерные при исследовании газочувствиРис. 1. a — высокочастотная вольт-фарадная характеристика тельности МДП сенсоров, а именно измерение изменеструктуры Pt/n-6H-SiC, b — зависимость квадрата обратной ния напряжения смещения при фиксированной емкости емкости структуры от напряжения смещения. Величина потенструктуры при подаче в ячейку исследуемого газа.

циальности барьера на границе металл–полупроводник 1.3 eV.

Температура структуры 150C.

Результаты и их обсуждение Высокочастотная вольт-фарадная характеристика диодной структуры Pt/6H–SiC при температуре 150Cприведена на рис. 1, a. Из зависимости 1/C2 от приложенного напряжения смещения оценена величина потенциального барьера на границе платина–карбид кремния (рис. 1, b). Эта величина составляет 1.3 ± 0.1eV.

При воздействии водорода на структуру происходит смещение характеристики в сторону отрицательных напряжений. На рис. 2 показана кинетика изменения напряжения смещения (величина емкости постоянна 275 pF) при последовательной подаче в измерительную камеру с диодной структурой чистого синтетического воздуха и воздушной смеси с концентрацией водорода 50, и 800 ppm. Рабочая температура структуры 150C.

При таком значении температуры отклик структуры на воздействие водорода имел стабильный и воспроизводимый характер, а процессы взамодействия с водородом протекали достаточно быстро. Стационарное значение Рис. 2. Изменение напряжения смещения при фиксированной изменения напряжения смещения при подаче в ячейку емкости структуры (275 pF) при последовательной подаче в водорода достигалось за время порядка минуты.

измерительную камеру воздуха и воздушной смеси с конценЗависимость величины изменения напряжения смещетрацией водорода 50, 400 и 800 ppm. Температура структуры ния от концентрации водорода описывается уравнением 150C.

Журнал технической физики, 1999, том 69, вып. 56 В.И. Филиппов, П.А. Иванов, В.Ф. Синянский, А.А. Терентьев, С.С. Якимов бированного водорода с поверхностными состояниями полупроводника. Такое взаимодействие наблюдалось при исследовании диодов Шоттки (и структур с туннельно тонким диэлектриком) на основе кремния и приводило к аномально большому (7V) смещению вольт-фарадной характеристики при воздействии 3000 ppm водорода в аргоне [11].

Образование двойного заряженного слоя при адсорбции водорода вызывает изменение высоты барьера перехода Pt/SiC, что приводит к изменению вольт-амперных характеристик структуры (рис. 4, a). Так, дифференциальное сопротивление структуры при нулевом смещении изменяется на 50% при воздействии 100 ppm водорода в гелии. Кинетика изменения тока через структуру при фиксированном обратном смещении приведена на рис. 4, b. Как и в случае изменения напряжения смещения при фиксированной емкости, величина тока достаточно быстро (около минуты) выходит на стационарное Рис. 3. Зависимость изменения напряжения смещения струкзначение и долговременного дрейфа, характерного для туры Pt/6H-SiC от концентрации водорода в воздухе: — структур с толстым слоем окисла, не наблюдается.

экспериментальные точки, сплошная кривая — теоретическая Величина плотности тока насыщения диода Шоттки зависимость U = 39 lg CH2. Температура структуры 150C.

описывается выражением eB I0 = AT2 exp -, (2) kT где e — заряд электрона, k — константа Больцмана, T — абсолютная температура, — вероятность туннелирования электрона через тонкий изолирующий слой (если он существует), A — эффективная константа Ричардсона, B — высота барьера Шоттки [12].

Однако большие токи на обратной ветви ВАХ, связанные с утечками из-за неоднородности структур, не позволили получить ожидаемого из выражения (2) эксРис. 4. a — ВАХ структуры Pt/6H-SiC в атмосфере чистого гелия (1) и при концентрации водорода в гелии 100 ppm (2), температура структуры 150C; b — кинетика изменения обратного тока через структуру (a.u.) при изменении концентрации водорода в измерительной камере.

газообразного водорода, CH+ — активность протонов на границе раздела металл–полупроводник (рис. 3).

При температуре 150C и Z = 2 из выражения (1) следует, что отклик сенсора должен составлять 41.9 mV на декаду изменения парциального давления водорода.

Это с хорошей точностью совпадает с величиной 39 mV, Рис. 5. a — ВАХ структуры в атмосфере гелия (1) и полученной из эксперимента. Что позволяет говорить при концентрации водорода 100 ppm (2) (структуры Pt/6H-SiC об диссоциативной адсорбции водорода на границе развыдерживались при температуре 500C в течение 100 h), темдела металл–полупроводник с образованием двойного пература структуры 150C; b —ВАХструктурыприкомнатной заряженного слоя и отсутствии взаимодействия адсор- температуре до (3) и после (4) температурной обработки.

Журнал технической физики, 1999, том 69, вып. Газочувствительность диодных структур на основе карбида кремния поненциального возрастания тока при уменьшении высо- [8] Chen L.-Y., Hunter G.W., Neudeck P.G. et al. // Transactions 3th Intern. High Temperature Electronics Conf. New Mexico:

ты барьера, вызванного адсорбцией водорода на границе Albuquerque, 1996. P. 17–22.

металл–полупроводник.

[9] Кикоин Л.И., Терентьев А.А., Филиппов В.И., ЯкиПри рабочих температурах 150C структуры покамов С.С. // ЖТФ. 1994. Т. 64. Вып. 7. С. 131–136.

зали высокую стабильность вольт-амперных и вольт[10] Filippov V., Terentjev A., Yakimov S. // Sensors and Actuators.

фарадных характеристик. Нагрев при температуре 150C B. 1994. Vol. 17. P. 121–124.

в течение 240 h в атмосфере синтетического возду[11] Ito K., Nakazawa T., Tamagawa A. // Proc. 3rd Sensor ха не приводил к изменению максимальной емкости Symposium. 1983. P. 191–194.

структуры, как это наблюдалось в [7] для Pt/SiO2/Si, и [12] Зи С.М. Физика полупроводниковых приборов. М.: Энердифференциального сопротивления структуры при нугия, 1973. 655 с.

левом значении напряжения смещения. При повышении температуры отжига до 500C уже после 100 h наблюдалось изменение вольт-амперных характеристик.

Изменение обратного тока через структуру при воздействии водорода в этом случае наблюдается при больших величинах напряжения смещения (рис. 5, a). Изменение ВАХ (рис. 5, b) и, в частности, увеличение дифференциального сопротивления перехода, видимо, связаны с образованием силицидов платины. Образование при температурах порядка 500C силицидов палладия на границе Pt–SiC наблюдалось экспериментально методом оже-спектроскопии и в работе [8].

Выводы Показано, что при воздействии водорода на структуру Pt/6H–SiC происходит изменение ее электрофизических характеристик. Образование двойного заряженного слоя протонов на границе металл–полупроводник приводит к изменению высоты потенциального барьера, как следствие, к смещению вольт-фарадной характеристики и уменьшению дифференциального сопротивления структуры.

Реализовать высокотемпературные свойства материала полупроводника и стабилизировать характеристики Pt/6H–SiC структуры возможно уменьшив величины токов утечки, путем повышения однородности интерфейсной границы металл–полупроводник и введением прослойки между Pt и SiC, препятствующей образованию силицидов.

Список литературы [1] Solid State Chemical Sensors / Ed. J. Janata, R.J. Hubert.

Academic press, 1985. 209 p.

[2] Lundstrm I., Spetz A., Winquist F. et al. // Sensors and Actuators. 1990. Vol. B1. P. 15–20.

[3] Moritz W., Filippov V., Bartolomus L. et al. // Proc.

Intern. Conf. on Solid State and Actuators. Chicago, 1997.

P. 1073–1076.

[4] Иванов П.А., Челноков В.Е. // ФТП. 1995. Т. 29. Вып. 11.

С. 1921–1943.

[5] Spetz A., Arbab A., Lundstrm I. // Proc. 5th SiC and Related Materials Conf. Washington, 1993. P. 629–632.

[6] Nylander C., Armgarth M., Svensson C. // J. Appl. Phys.

1984. Vol. 56(4). P. 1177–1188.

[7] Дученко М.О., Калыгина В.М. // Поверхность. 1995. № 1.

C. 65–69.




© 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.