ГАЗОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ НА ОСНОВЕ ДИОДОВ ШОТТКИ

Муршудли Малахат Нуреддиновна

начальник отдела, Национальное Аэрокосмическое Агентство Азербайджана (НАКА), г. Баку

Е-mail: mnmur@mail.ru

Алиева Тамилла Мирзоевна

руководитель сектора, Национальное Аэрокосмическое Агентство Азербайджана (НАКА), г. Баку

Е-mail:

Алиева Хумар Сабир кызы

главный специалист, Национальное Аэрокосмическое Агентство Азербайджана (НАКА), г. Баку

Е-mail: a.xumar555@mail.ru

GAS-SENSITIVE ELEMENTS BASED ON SCHOTTKY DIODES

Malahat Murshudli

head of department, NACA, Baku

Tamilla Aliyeva

head of sector, NACA, Baku

Humar Aliyeva

chief Specialist, NACA, Baku

АННОТАЦИЯ

Рассматривается возможность создания газовых датчиков на основе диодов Шоттки с протяженным периметром. Диоды Шоттки формировались на кремнии п- и р-типа проводимости методом микроэлектронной технологии. Исследовалось воздействие NO₂, NH₃, CO₂ на электрические параметры диодов. Наиболее сильно влияние газового окружения на величины обратных токов. Наблюдалась высокая повторяемость результатов. При выборе соответствующего селективного покрытия можно успешно использовать поверхностные диоды Шоттки для детектирования газов.

ABSTRACT

The possibilities of gas sensors based on Schottky diodes with an extended perimeters are considered. Schottky diodes were formed on the silicon of n- and p-type conductivity by using microelectronic technology. We investigated the effects of NO₂, NH₃, CO₂ on the electrical parameters of diodes. The most strongly influenced by the gas environment the values of the reverse currents. There was a high repeatability of results. In the case of the appropriate selective coatings the surface Schottky diodes can be successfully used for detection of harmful gases.

Ключевые слова: экология; мониторинг атмосферы; газочувствительный элемент; диоды Шоттки;

Key words: environment; monitoring; gas-sensitive element; Schottky diodes;

Для детектирования газов в качестве чувствительных элементов (ЧЭ) чаще всего используются резистивные структуры на основе керамики, оксидных или органических пленок.

Использование активных структур (диодов, транзисторов) в качестве чувствительных элементов (ЧЭ) газодетекторов привлекательнее использования резистивных или емкостных элементов, так как в случае активных структур одновременно с детектированием происходит усиление, преобразование сигнала.

Использование активных структур дает возможность с помощью полупроводниковой технологии разместить на одном кристалле с ЧЭ не просто схемы обработки сигнала. От соответствующего размещения на кристалле этих схем и ЧЭ возможен синергетический эффект, что особенно реально в случае газочувствительных элементов (ГЧЭ). И, наконец, в силу гибкости микроэлектронной технологии возможны различные геометрические вариации чувствительных элементов и, тем самым, варьирование выходными параметрами. Поэтому велик и оправдан интерес к исследованию активных структур в качестве ЧЭ газодетекторов.

Газочувствительные МОП-структуры с палладиевым затвором [3], диоды Шоттки (ДШ) с палладиевым выпрямляющим контактом [2] используются для детектирования водорода и водородсодержащих молекул. В этих структурах адсорбированные на поверхности палладия водород и водородосодержащие молекулы диссоциируются, и ионы водорода диффундируют к границе раздела окисел-полупроводник или металл-полупроводник и изменяют условия на этой границе. При этом соответственно меняются характеристики приборов. Для расширения спектра детектируемых газов необходимо, чтобы затвор или выпрямляющий контакт были "прозрачны" не только для водородсодержащих молекул. Это возможно в случае проводящего селективного материала. В настоящее время существует и синтезировано множество проводящих полимеров, но для использования в качестве селективной мембраны они или недостаточно селективны, или имеют малую электрическую проводимость. Но основными недостатками органических материалов являются низкая термо- и хемостойкость, что не позволяет успешно применять их в полупроводниковой технологии, где используются сильные травители, высотемпературные процессы.

Нами рассматривался вариант газочувствительной активной структуры, при котором возможно использование органических материалов, несмотря на их недостатки. Предполагалось, что селективные покрытия будут нанесены на завершающей стадии изготовления ЧЭ, после всех технологических процессов. В качестве такой газочувствительной структуры рассматривался диод Шоттки с развитым периметром, т.е. когда отношение длины периметра к площади перехода металл-полупроводник достаточно велико. Тогда краевые эффекты начинают играть бóльшую роль, и с уменьшением размеров элемента влияние краев возрастает [1].

В работе мы пытались, исследуя влияние различных газов на характеристики поверхностных диодов Шоттки, выявить наиболее «газочувствительные» параметры. В нашем случае газочувствительным являлся торцевой барьер Шоттки, т. е краевая составляющая диода.

На рис. 1 показана структура диода Шоттки с протяженным периметром.

В принципе, диод с сильно развитым периметром можно рассматривать как состоящий из двух параллельно включенных диодов — объемного и торцевого (рис. 2). В этом случае изменение окружающей атмосферы не должно влиять на характеристики объемной части, которая закрыта металлом, а воздействовать только на периферийную область.

Рис. 1. Диод Шоттки с развитым периметром (решетчатая структура), вид сверху и сбоку

1 — кремниевая подложка, 2 — защитный окисел, 3 — селективная пленка, 4 — область, вскрытая в окисле, 5 — выпрямляющий контакт (решетчатый диод Шоттки), 6 — омический контакт.

Рис. 2. Параллельное включение двух составляющих диода Шоттки с развитым периметром: торцевая (или поверхностная) (С_п, R_п) и объемная (С_об, R_об)

Для исследования влияния краевых эффектов на газочувствительные свойства диодов Шоттки, на кремниевых пластинах методами планарной технологии были сформированы: различные диоды Шоттки: решетчатые диоды с протяженным периметром, диоды со сплошным выпрямляющим контактом, выходящие на поверхность края которых защищены окислом. В качестве контакта использовались алюминий или никель с подслоем ванадия. Диоды формировались на кремнии п- и р-типа проводимости. Дополнительно на кристаллах размещались резистивный нагреватель и измеритель температуры.

Как показали измерения, на прямых вольтамперных характеристиках (ВАХ) практически никаких изменений при изменении окружающего газового состава не наблюдалось. Напротив, для обратных токов характерны значительные изменения при смене газового состава.

На рис. 3 и 4 показаны обратные характеристики диодов, сформированных на подложках р- и п-типа проводимости при различных внешних воздействиях.

Измерения проводились при температуре 60 ^оС. При меньшей температуре велико влияние физически сорбированной воды. При большей температуре уменьшается адсорбционная способность.

Рис. 3. Обратные токи диодов Шоттки, сформированных на подложке р-типа проводимости, при различных внешних воздействиях

Рис. 4. Обратные характеристики диодов Шоттки, сформированных на подложке п-типа проводимости при различных внешних воздействиях.

На рис. 5 показана зависимость изменения обратного тока ДШ от напряжения при воздействии углекислого газа (100 ppm). При этом наблюдалась хорошая повторяемость результатов (рис. 6).

Рис. 5. Зависимость обратного тока от напряжения для диодов Шоттки с развитым периметром (кольцевой диод) 1 — темновой ток; 2 — ток при дневном свете; 3 — ток в присутствии СО₂ (дневной свет).

Рис. 6. Изменение обратного тока диода Шоттки с развитым периметром при циклическом воздействии СО₂ (напряжение 5 В) 1) при воздействии СО₂, 2) при снятии воздействия СО₂.

Как видно из рисунков влияние окружающей атмосферы сильно влияет на характеристики диодов. Притом влияние это достаточно велико. Для диодов со сплошным контактом таких зависимостей не наблюдается. Поэтому измерения по дифференциальной схеме, когда в одно плечо включен диод со сплошным выпрямляющим контактом, а в другое — диод с развитым периметром могут дать определенные сведения о составе среды. При таком включении диодов будут скомпенсированы температурные и прочие воздействия (рис. 7).

Для получения избирательного отклика, на диоды, после завершения всех технологических операций, селективные органические покрытия могут быть нанесены методом напыления, пульверизации или по Ленгмюр-Блоджетт технологии. Основное требование к покрытиям, чтобы их сопротивление было достаточно большим для исключения шунтирования переходов по поверхности. Покрытие всей поверхности ЧЭ высокоомной селективной пленкой дополнительно стабилизирует, защищает поверхность. А при распайке выводов точечное механическое и температурное воздействие приводит к удалению пленки только с контактов.

Рис. 7. Температурные зависимости обратного тока для 1 — диода Шоттки с развитым, открытым периметром, 2 — для диода Шоттки, периметр которого «сидит» на защитном окисле.

Мы исследовали диоды Шоттки с полиимидным покрытием и с покрытием на основе краун-эфира. Толщина покрытия варьировалась в диапазоне 0,05—0,15 мкм. Получено много интересных результатов, наиболее значимыми из которых являются высокая селективность на аммиак, воспроизводимость и стабильность параметров. Таким образом, предлагаемая структура — торцевой (или вертикальный) диод Шоттки может быть успешно использована в качестве ЧЭ газодетекторов.

Список литературы:

1.Бутурлин А.И., Евдокимов А.В., Муршудли М.Н. Чистяков Ю.Д. Определение краевого тока в диодных структурах с барьером Шоттки // Электронная техника. Сер. 3. Микроэлектроника, 1985. Вып. 1. С. 75—84.

2.Diligenti A., Stagi M., Ciuti V. Pd-Si Schottky diodes as hydrogen sensing devices: capacitanse-voltage characteristics // Solid State Communications. 1983. Vol. 45. N 4. P. 347—350.

3.Lundstrom J., Armgarth M., Spetz A. Gas sensors based on catalytic metal-gate field-effect devices //-Sensors and Actuators, 1986.. Vol. 10. N 4. P. 399—421.