научная статья по теме ГАЗОЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ К АММИАКУ ТОНКИХ ПЛЕНОК НА ПОВЕРХНОСТИ GAAS, ВЫРАЩЕННЫХ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ КОМПОЗИЦИЙ РBО+BI2O3 Химия

Текст научной статьи на тему «ГАЗОЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ К АММИАКУ ТОНКИХ ПЛЕНОК НА ПОВЕРХНОСТИ GAAS, ВЫРАЩЕННЫХ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ КОМПОЗИЦИЙ РBО+BI2O3»

НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2015, том 51, № 5, с. 479-483

УДК 546.681:546.817+546.87

ГАЗОЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ К АММИАКУ ТОНКИХ ПЛЕНОК НА ПОВЕРХНОСТИ GaAs, ВЫРАЩЕННЫХ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ

КОМПОЗИЦИЙ РЬО + Bi2O3 © 2015 г. В. Ф. Кострюков, И. Я. Миттова

Воронежский государственный университет e-mail: vc@chem.vsu.ru Поступила в редакцию 25.07.2014 г.

Методом хемостимулированного термооксидирования на поверхности GaAs сформированы тонкие оксидные пленки, проявляющие газочувствительные свойства в атмосфере аммиака. На основе измерений электрических свойств установлен и-тип проводимости синтезированных материалов и исследовано влияние термических процессов на газочувствительные свойства тонких пленок, сформированных на GaAs под воздействием композиций РЬО + Bi2O3; получены температурные зависимости концентрации и подвижности носителей заряда.

DOI: 10.7868/S0002337X15040053

ВВЕДЕНИЕ

Химические сенсоры, основанные на полупроводниковых оксидах металлов, могут быть использованы для детектирования горючих или токсичных газов в воздухе. Их преимущество — высокая чувствительность, простая конструкция, малая масса и стоимость. Тонкие оксидные пленки на полупроводниковой подложке арсенида галлия с интегрированным маломощным нагревательным элементом также удовлетворяют требованиям массового производства. Диапазон применения определен их чувствительностью и стабильностью пленочного газочувствительного элемента.

В связи с этим интенсивно развиваются исследования, направленные на создание новых материалов, обладающих высокой селективной чувствительностью к определенному типу молекул. Хемостимулированное термическое оксидирование полупроводников [1, 2] — приемлемый способ синтеза на их поверхности оксидных пленок с контролируемым содержанием легирующего компонента [3, 4].

Цель работы — выращивание на поверхности ОаА тонких оксидных пленок под воздействием композиций РЬО + В1203 и установление наличия у них газочувствительных свойств.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

В качестве объектов исследования выступали тонкие пленки, полученные под воздействием композиций РЬО + В1203, на подложках арсенида галлия марки АГЦЧ-1 ориентации (111). Концентрация носителей составляла 1.5 х 1018—2.5 х 1018 см-3;

удельное сопротивление — 0.010-0.018 Ом см. В работе использовали оксиды свинца (II) квалификации "х. ч" (ГОСТ 9199-68) и висмута (III) квалификации "ч. д. а." (ГОСТ 10216-62). Оксидирование ОаАз проводили в горизонтальном кварцевом реакторе диаметром 30 мм печи МТП-2М-50-500 в режиме 530°С, 60 мин при постоянном потоке кислорода 30 л/ч. Постоянство температуры в реакторе обеспечивали измерителем и регулятором ТРМ-10 (±1°С). Как известно из литературы [5], в таком режиме оксидирования успевают сформироваться регулярные оксидные пленки, толщина которых поддается эллипсометрическому измерению, и не происходит диссоциации подложки. Фиксированную навеску композиции РЬО + В1203 заданного состава помещали в кварцевый контейнер, крышкой которого служил образец ОаАз, рабочей стороной (Оа) обращенный к потоку паров хемостимуляторов. Расстояние от их поверхности до рабочей поверхности образца составляло 10 мм и поддерживалось постоянным. Толщину образовавшихся оксидных пленок определяли на лазерном эллипсометре ЛЭФ-754 (X = 632.8 нм) с абсолютной погрешностью ±2 нм. Всего вырастили 3 серии пленок под воздействием композиций оксидов свинца и висмута следующих составов: 80 мол. % РЬО + 20 мол. % В1203, 50 мол. % РЬО + + 50 мол. % В1203 и 20 мол. % РЬО + 80 мол. % В1203. Для каждого состава получили серию образцов, после чего данные по ним усредняли. Сформированные в таких условиях на поверхности ОаАз пленки содержали в составе не более 3 ат. % хемо-стимулятора [3, 4], что и необходимо для проявления ими газочувствительных свойств [6].

Полупроводниковые датчики газа основаны на изменении физических параметров полупро-

480 КОСТРЮКОВ, МИТТОВА

Таблица 1. Параметры пленок на поверхности ОаАз, полученных под воздействием композиций РЬО + Б12Оз

№ серии образцов Состав композиции Оа Аз Б1 РЬ О Толщина пленок, нм

ат. %

1 80% РЬО + 20% Б12О3 36.7 12.6 0.05 2.45 48.20 289

2 50% РЬО + 50% Б12О3 36.1 12.1 0.07 1.86 49.87 214

3 20% РЬО + 80% Б12О3 35.5 11.7 0.11 1.22 51.47 203

водниковых материалов, происходящих при контакте их с газом. К параметрам, изменяющимся при адсорбции газов на поверхности полупроводников, относятся: электропроводность, работа выхода электрона, подвижность носителей заряда, поверхностная концентрация носителей заряда, время жизни носителей заряда, коэффициент отражения, коэффициент поглощения и др. Эти величины являются потенциальными выходными параметрами датчиков газов, но не все они могут быть использованы с практической точки зрения. Для пленок, полученных термооксидированием ОаА под воздействием композиций РЬО + Б12О3, наиболее информативным параметром является электропроводность (сопротивление), поскольку даже незначительное изменение концентрации анализируемого газа будет вызывать ее значительное изменение.

Измерение удельного сопротивления образцов оксидных пленок осуществляли четырехзондовым методом на установке ЦИУС-4, технические характеристики которой обеспечивали возможность измерения в диапазоне = 10.1—105 Ом/П с погрешностью ±4.5%. Измерение вели методом Ван-дер-Пау. Расстояние между зондами в четырех зондо-вой головке равно 1 + 0.02 мм. Установка для измерения температурных зависимостей сопротивления состояла из печки-держателя, подключенной к прибору ЦИУС-4, трансформатора и диодного моста. Ток нагрева печки составлял от 0.2 до 2.2 А, что необходимо для ее прогрева от 20 до 450°С. Величину падения напряжения регистрировали с помощью цифрового вольтметра постоянного тока В7-21 с пределами измерений от 0.1 до 10 В. Размер образцов — 1 см2.

Газовую чувствительность полученных пленок определяли по известной методике [7], как отношение удельного сопротивления пленки в чистом воздухе ^ к удельному сопротивлению пленки в исследуемой газовой смеси Л.^

S. =

К Я.

(1)

Концентрацию газа можно определить методом контролируемого разбавления. Для этого использовали методику пересчета концентрации

жидкого вещества в концентрацию газообразного вещества при испарении его в замкнутом объеме. Пленку помещали в измерительную ячейку известного объема (0.01 м3). В основу перерасчета положено уравнение Менделеева—Клапейрона:

Уг

= тЯТ = рУжЯТ рМ рМ

(2)

Таким образом, измерение газовой чувствительности пленок сводилось к измерению сопротивления оксидных пленок, нагретых до определенной температуры на воздухе и в смеси воздуха с контролируемым газом.

Для измерения температурных зависимостей концентрации носителей заряда в пленках с помощью эффекта Холла использовали специальную печь. В качестве прибора, регистрирующего величину ЭДС Холла и падение напряжения, использовали цифровой вольтметр постоянного тока В7-21 с пределами измерений от 0.1 до 10 В. Измерение эффекта Холла выполняли при магнитной индукции 63 Тл.

Состав растущих на поверхности ОаАз пленок устанавливали методом локального рентгено-спектрального микроанализа (JEOL-6510LV с системой энергодисперсионного микроанализа Бгикег).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

В табл. 1 приведены результаты эллипсометри-ческих исследований полученных на поверхности ОаАз под воздействием композиций РЬО + Б12О3 тонких пленок и данные по их элементному составу. Для всех полученных образцов отмечено включение хемостимуляторов в растущую на поверхности ОаАз пленку. Можно утверждать, что она состоит преимущественно из оксидов компонентов подложки [1], поскольку содержание кислорода достаточно велико.

В табл. 2 приведены данные по концентрациям исследуемого вещества (аммиака), для которого определялась газовая чувствительность полученных пленок.

ГАЗОЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ К АММИАКУ ТОНКИХ ПЛЕНОК 481

Таблица 2. Результаты расчета объема и концентрации газообразного аммиака

№ п/п Уж, мл Уж, м3 т, кг С, об. % С, ррт

1 0.1 0.10 х 10—6 0.0957 х 10—7 0.067 6.70 х 102

2 0.2 0.20 х 10—6 0.1914 х 10—7 0.134 1.34 х 102

3 0.3 0.30 х 10—6 0.2871 х 10—7 0.199 1.99 х 102

4 0.5 0.50 х 10—6 0.4785 х 10—7 0.261 2.61 х 102

5 0.7 0.70 х 10—6 0.6825 х 10—7 0.324 3.24 х 102

Графическое изображение зависимостей поверхностного сопротивления от температуры в атмосфере аммиака для трех серий образцов, синтезированных под воздействием композиций РЬ0 + В1203, приведено на рис. 1. Видно, что зависимости для всех пленок носят аналогичный характер, и сопротивление уменьшается с ростом концентрации газа в воздухе. С увеличением температуры до 400° С поверхностное сопротивление также падает от 780—790 до 650—690 кОм/П для разных образцов в исследуемом диапазоне концентраций (6.7 х 102—3.24 х 103 ррт). При этом максимальное падение сопротивления отмечено для образцов, полученных под воздействием композиций с максимальным содержанием В1203, а по мере увеличения содержания в композиции РЬ0 наблюдается незначительное снижение падения сопротивления с ростом температуры. Характер указанной зависимости может являться результатом освобождения электронов с уровней собственных доноров [8]. Таким образом, температурная зависимость удельного сопротивления оксидных пленок, синтезированных под воздействием композиций РЬ0 + В1203, до температур 400° С имеет характерный вид для полупроводников на основе оксидов металлов.

Прежде чем исследовать статические и динамические характеристики пленок, необходимо определить рабочую температуру газочувствительной пленки, при которой чувствительность к парам исследуемого вещества в воздухе максимальна. Для этого исследовали температурную зависимость сопротивления пленок на воздухе и в парах аммиака в воздухе (670, 1340, 1990, 2610, 3240 ррт). По полученным результатам строили зависимость газовой чувствительности Sg от температуры и оценивали рабочую температуру газочувствительной пленки.

Результаты, представленные на рис. 2, показывают, что, чем выше концентрация газа в воздухе, тем больше газовая чувствительность. В области температур 20—140°С в исследуемом диапазоне концентраций (670—3240 ррт) пары а

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком