Датчики химического состава газовых сред
.pdfДатчики на основе МДП-структур.
МДП-структуры, которые являются базовым элементом конструкции многих полупроводниковых приборов и ИС, нашли широкое применение в качестве сенсоров, т.е. приборов, предназначенных для преобразования характеристик внешней среды в электрический сигнал. Принцип работы МПД-приборов основан на изменении концентрация носителей заряда в приповерхностной области полупроводника под воздействием приложенного напряжения. В настоящее время используют два основных метода исследования характеристик МДП - структур: в первом случае измеряется зависимость полной емкости от приложенного напряжении (С—U-характеристика), из которой, используя известные со отношения, определяют сдвиг напряжения плоских зон UFB. Во втором случае используется эффект изменения концентрации носителей в приповерхностной области полупроводника, вызывающий модуляцию проводимости инверсионного слоя между областями стока и истока МДП -транзистора. Характерным параметром в данном случае является пороговое напряжение.
Исследования показали, что МДП-структуры, металлический электрод которых выполнен из переходных металлов (палладий, платина, никель), меняют свои характеристики под действием содержащихся в среде газов. При этом в МДП конденсаторах наблюдают сдвиг С—U- характеристики вдоль оси напряжений без изменения ее формы , а в МДП транзисторах — изменение порогового напряжения и, как следствие, сдвиг вольт -амперных характеристик. Последний заметнее при введении в среду газообразного водорода у МДП-структур с затвором из палладия. Предполагается, что на его поверхности протекает каталитическая реакция диссоциации адсорбированных молекул водорода на атомы, которые затем растворяются в палладии и под действием градиента концентрации диффундируют к границе раздела Pd—SiO2, где вследствие реакции = + образуется дипольный слой. Появление такого дипольного слоя вызывает изменение напряжения плоских зон и порогового напряжения.
Для изготовления чувствительного прибора на одном кристалле формировали два МДПтранзистора, отличающиеся лишь материалом металлического затвора, нагреватель и датчик температуры (полупроводниковый диод); слой SiO2 (50 нм) получен термическим окислением, a Si3N4 (50 нм) — осаждением из газовой фазы. Слои платины (50 нм) и палладия (50 нм) напыляли через металлическую маску. Чтобы обеспечить нечувствительность одного из МДП-транзисторов к изменениям концентрации водорода в среде, сверху палладия был нанесен слой (1 мкм) металла, который не поглощает водород (Al, Ni, Сu, Ag или Аu). Эксперименты показали, что МДПтранзисторы с затворами из Al/Pd/Pt и Ni/Pd/Pt имели отклик 200 мВ на 1000 ppm Н2 с постоянной времени более 100 ч при температуре 423 К.
1 — кремниевая подложка; 2 — слой SiO; 3 — слой Si3N4; 4 — слой плати ны; 5 — слой палладия; 6 — слой меди; 7 — слой серебра; в
— общий исток; 9 — сток пе рвого МДПтранзистора; 10 — сток втор ого МДПтранзистора; 11 — охранные кольца; 12 — резистивный нагреватель)
В то же время приборы с затвором из Cu/Pd/Pt при тех же условиях имели отклик менее 1 мВ, однако поверхность меди в присутствия кислорода быстро окисляется. Чтобы устранить данный не достаток, на слой меди напыляли золото или серебро. Наилуч шие характеристики имели МДП -транзисторы с затвором из Ag/Cu/Pd/Pt. Они практически не реагируют на изменения концентрации водорода, а их временной дрейф аналогичен дрейфу чувствительных транзисторов с затвором из Pd/Pt, поэтому эквивалентный дрейф дифференциальной пары транзисторов был уменьшен до 5 мВ за 1 000 ч. При испытаниях дифференциал ьного газового
датчика использовалась схе ма измерения с поддерживаемым в ней постоянным током стока обоих транзисторов. При изменении концентрации водорода меняется пороговое напряжение чувствительного транзистор а 1 и величина выделяется на выходе схемы. Чувствительность МДП-транзисторов с затвором из Pd/Pt уменьшается с временем, что, по-видимому, обусловлено снижением плотности акти вных центров на поверхности палладия из-за ее окисления при рабочей температуре 423 К.
Для регистрации СО были разработаны МДП-транзисторы с сеточным (пе рфорированным) затвором.
1 — слой SiO2; 2 — слой палладия; 3 — слой PdO
МДП-транзисторы с перфор ированным затвором имеют довольно низку ю скорость отклика (1—2 мин). Несколько лучшие ха рактеристики по быстродействию получены н а МДП -транзисторах с так
называемым расщепленным затвором.
Чувствительность МДП-стру ктур с палладиевым затвором к NH3 можно значительно повысить, нанося на затвор, а так же п рилегающий окисел тонкий пористый слой таких металлов, как платина, иридий и родий.
1 — слой SiO2; 2 — затвор; 3 — пористый с лой металла
Интересна конструкция газо вого датчика, в которой в качестве диэлектри ка использован воздушный зазор. При этом , попадая в зазор между поверхностью полупроводника и поликремниевым затвором, исследуемый газ может менять либо диэлектрическую проницаемость в зазоре, ли бо, адсорбируясь на поверхности полупрово дника или затвора, формировать дипольный сл ой, что в конечном счете приводит к изменен ию порогового напряжения транзистора. Именно из-за адсорбции исследуемого газа на поверхности полупроводника данный пр ибор получил название транзистора с доступом к поверхности
(Surfасе-Accessible Transistor).
1 — слой SiO2; 2 — поликремниевый затвор; 3, 4 — алюминиевые контакты к истоку и стоку.
В другом варианте газового датчика с воздушным зазором применяют пе рфорированный (сетчатый) платиновый затвор, который для повышения чувствительност и электролитически покрывают дополнительным тонким слоем либо металла (палладий, свинец, цинк) , либо полипиррола. Такие прибор ы были названы транзисторами с подвешенным затвором (SuspendedGate Transistor). В этом случае исследуемый газ проникает в полость под затвором и взаимодействует с внутрен ней его поверхностью, покрытой чувствительн ым слоем. В результате происходит изменение работы выхода электрона для затвора либо его о бъемных свойств, от которых зависят условия протекания каталитических реакций на поверхности.
1 — слой Si02; 2 — подслой; 3 — платиновый затвор; 4
— чувствительное покрытие
Считается возможным анализ газового состава с помощью полевого транзистора без металлического затвора. Так, запатентован прибор для контроля окружа ющей среды, названный адсорбционным полевым транзистором, в котором затворный диэлектри к способен селективно адсорбировать определенные полярные газы. Предполагается, что молекулы последних образуют на поверхности диэлектрика дипольный слой, электрическое поле котор ого влияет на концентрацию носителей з аряда вблизи поверхности полупроводника. И сследованы полевые транзисторы с тонким (мен ее 5 нм) собственным окислом на поверхности полупроводника. Они имели обратимый отклик к NH3, НСl, парам воды. Однако из-за отсутствия металлического затвора приборы подвержены исключительно сильному влиянию внешних элект ромагнитных помех и наводок, уровень которых зачастую превышает полезный сигнал .
Газовые датчики с б арьером Шотки.
Водородную чувствительность приборов на основе ДШ определяют два основных механизма:
1)диффузия атомов водорода через металлический контакт из палладия (платины, золота) с образованием на границе раздела металл—полупроводник дипольного слоя, который влияет на высоту барьера Шотки;
2)изменение заряда поверхностных состояний на границе раздела металл—полупроводник в присутствии водорода.
Экспериментально получено подтверждение как первого механизма, так и второго. Так, изменением высоты барьер а Шотки можно объяснить сдвиг вольт-ампер ных характеристик ДШ при выдержке в водородсодержащей атмосфере . С другой стороны, наблюдается и изменение фактора идеальности n, который связан с зарядом поверхностных состояний.
Вольт-амперные и вольт-ф арадные характеристики ДШ со структурой P —InP на воздухе (кривая 1) и в атмосфере водорода (100 ррт) в азоте (кривая 2); масштаб по оси ординат справа соответствует кривой 1, слева — кривой 2
Если МДП-туннельный дио д дополнить еще одним р—n переходом, то получится прибор, обладающий тиристорным эффектом, т.е. переключающийся из закрытог о состояния (высокое сопротивление) в открытое (низкое сопротивление) при определенном пороговом напряжении, причем величина последнего изменяется с концентрацией водорода в ср еде. Исследованы два варианта таких приборов: с эпитаксиальными слоями n-типа (5—7 мкм) н а p+ подложке и р+типа на n подложке. Установлен о, что пороговое напряжение в первом случае уменьшается с увеличением концентрации водорода в среде, а во втором — наоборот увеличивается. Напряжение в открытом со стоянии обеих структур практически одинаков ое. По принципу работы прибор аналогичен р—n—р—n-тиристору. При наличии водорода в среде меняется высота барьера Шотки, туннельны й ток через тонкий диэлектрик (~3 нм) экспон енциально нарастает и прибор переключается в открытое состояние. Отмечено, что пороговое напряжение и скорость переключения уменьшаются с температурой. Так, при 373 К и концентра ции водорода 400 ppm время переключения соста вляло 30 с, что достаточно для создания сигнальных водородных датчиков. Для поддержани я постоянной температуры кристалла на нем же выполнены и чувствительный прибор, и н агревательный элемент, и датчик температур ы. Полная потребляемая
мощность при 373 К не превы шает 0,7 Вт.
1 — омический контакт; 2 — слой SiO2; 3 — слой палладия
Зависимости порогового напряже ния (кривая 1) и напряжения в открытом состоянии (кривая 2) от концентрации водорода в воздухе для структур на подложке п-типа (сплошные лини и) и p-типа (пунктирные)