Статья поступила в редакцию 22.09.2009. Ред. рег. № 605
The article has entered in publishing office 22.09.2009. Ed. reg. No 605
PACS: 81.05.EA, 07.07.DF
ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ СЕНСОР ВОДОРОДА НА ОСНОВЕ ГЕТЕРОСТРУКТУР И ДИОДОВ ШОТТКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ А3В5
Х.М. Салихов, Н.Д. Стоянов
Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН 194021 Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 26 Тел. (812) 292-71-29, факс: (812) 297-00-06, e-mail: ns@iropt6.ioffe.ru
Заключение совета рецензентов: 10.10.09 Заключение совета экспертов: 15.10.09 Принято к публикации: 20.10.09
Представлены результаты работы по созданию сенсора водорода нового типа на основе фотоэлектрического принципа регистрации, предназначенного для использования в водородной энергетике. В основе концепции лежит использование зависимости фотоЭДС гетероструктур A3B5 с Pd контактом от концентрации водорода. Данное влияние при комнатной температуре на несколько порядков сильнее, чем влияние водорода на электрические характеристики существующих твердотельных сенсоров. Создана оригинальная конструкция малогабаритного сенсора, включающая оптопару светодиод - фоточувствительный элемент с Pd контактом.
Ключевые слова: фотоэлектрический сенсор, диод Шоттки, гетероструктура, детектирование водорода, безопасность.
HYDROGEN OPTOELECTRONIC SENSOR BASED ON HETEROSTRUCTURES AND SHOTTKI DIODES OF III-V SEMICONDUCTORS
Kh.M. Salikhov, N.D. Stoyanov
Ioffe Physical-technical institute, RAS 26 Polytechnicheskaya str., St. Petersburg, 194021, Russia Tel. (812) 292-71-29, fax: (812) 297-00-06, e-mail: ns@iropt6.ioffe.ru
Referred: 10.10.09 Expertise: 15.10.09 Accepted: 20.10.09
We present results of creation of a new type hydrogen sensor based on photoelectric registration principle, intended for hydrogen power engineering. Main idea is using of dependence of the photo induced current on hydrogen content which was observed in III-V heterostructures with Pd contact. It was established that at a room temperature photosensitivity to H2 flow is several orders stronger than influence of hydrogen on electric characteristics of state-of-art sensors. Developed original miniature optoelectronic sensor includes light emitting diode and Shottky diode with Pd contact.
Хафиз
Миргазямович Салихов
Сведения об авторе: с 1997 г. научная деятельность связана с лабораторией Инфракрасной оптоэлектроники ФТИ им. А.Ф. Иоффе и посвящена исследованию электрических и фотоэлектрических свойств диодов Шоттки на основе полупроводников Ш-У и и созданию на их основе оптоэлектронных сенсоров водорода и водородосодержащих газов.
Образование: факультет «Радиоэлектронные устройства» Казанского авиационного института (1974). В 1988 защитил кандидатскую диссертацию по исследованию фотоэлектрических и рекомбинационных свойств полупроводников А3В5.
Публикации: свыше 50.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 10 (78) 2009 © Научно-технический центр «TATA», 2009
Введение
В последние годы в связи с проблемой глобального потепления большое внимание уделяется поиску альтернативных источников энергии, при этом возник стойкий интерес к развитию водородной энергетики [1]. Наряду с проблемой генерации водорода и создания топливных элементов активно ведутся работы по созданию надежных и высокочувствительных сенсоров водорода. Такие приборы нужны для регистрации утечек водорода из топливных элементов, а также при его транспортировке и хранении. Особое внимание уделяется детектированию взрывоопасных концентраций водорода (4,7%). Другими важными требованиями к таким сенсорам являются необходимость стабильной работы при комнатной температуре, низкое энергопотребление, низкая стоимость, простота в эксплуатации и миниатюрность. Однако до настоящего времени промыш-ленно выпускаемые сенсоры водорода не отвечают требованиям водородной энергетики.
В настоящее время в литературе имеется значительное число сообщений о сенсорах водорода на основе полевых транзисторов, МОП-структур, диодов Шоттки с контактами из Pd и Р1, сенсоров на основе окислов металлов, электрохимических, термоэлектрических, полимерных и др. [2]. Такие работы ведутся во многих странах мира и в России. Основным способом детектирования в таких сенсорах является регистрация изменения электрических параметров в присутствии водорода (изменение сопротивления или емкости чувствительного элемента). Недостатками указанных выше сенсоров является необходимость нагрева чувствительного элемента (рабочие температуры в интервале 200-800° С), громоздкость, высокая стоимость и низкая селективность.
В работе предложен оригинальный фотоэлектрический способ регистрации водорода и водородосо-держащих газов. Описан малогабаритный сенсорный модуль, включающий оптопару светодиодный излучатель - фоточувствительный элемент с Pd контактом, термохолодильник и терморезистор.
Концепция оптоэлектронного сенсора водорода
В основе концепции лежит использование сильной зависимости фотоЭДС гетероструктур А3В5 с Pd контактом от концентрации водорода. Ранее нами было изучено влияние водорода на фоточувствительность диодов Шоттки с палладиевыми контактами на основе 81-8102, 1пР, ¡пваАБ [3, 4]. Оказалось, что для всех этих структур имеется общая закономерность: в газовой смеси с водородом изменение фотоЭДС при облучении структур инфракрасным светом на порядок сильнее, чем лежащее в основе существующих сенсоров влияние водорода на электрические характеристики твердотельных элементов.
В существующих твердотельных сенсорах водорода регистрируется изменение электрических характеристик (сопротивления, емкости или тока) при изменении концентрации водорода. Ряд исследований доказал, что в палладиевом слое происходит диссоциация молекул водорода на положительные ионы: Н2 Н++Н+. Вблизи поверхности полупроводника формируется положительно заряженный слой. В МДП структурах этот слой меняет ток между истоком и стоком, в диодах Шоттки меняет высоту барьера и, как следствие, емкость и ток через переход металл-полупроводник. При комнатной температуре в большинстве случаев степень изменения электрических характеристик не обеспечивает необходимую чувствительность. Влияние водорода на электрические характеристики диодов и МДП транзисторов усиливается при увеличении температуры, прежде всего из-за увеличения степени диссоциации молекул.
При освещении структуры со стороны Pd слоя фотоны генерируют пары носителей электрон-дырка. Величина возникающей фотоЭДС зависит от толщины области объемного заряда (обедненной области у поверхности), в которой происходит разделение носителей. Незначительное изменение заряженного слоя Н+ может приводить к существенному изменению толщины области объемного заряда в полупроводнике и, как следствие, к изменению фотоЭДС. Данный факт обуславливает преимущество фотоэлектрического способа регистрации водорода по сравнению с его регистрацией по изменению электрических параметров.
Полученные предварительные результаты позволили нам реализовать первый фотоэлектрический детектор на основе 81 МОП структуры [5]. Исследование 81-МОП структур на основе п- и />-81 показало, что в структурах п-типа наблюдается резкое, более чем на порядок уменьшение фотоЭДС, а в /-81 МДП структурах - увеличение фотоЭДС при воздействии импульса Н2 [6]. Было показано, что эти эффекты связаны с изменением высоты барьера Шоттки на границе Si-Pd за счет изменения заряда дипольного слоя. При этом время релаксации (восстановление фотоЭДС после воздействия Н2) составляло 1-2 мин. Время нарастания импульса фотоЭДС составило порядка 1-2 с.
На основе анализа факторов, влияющих на чувствительность фотоЭДС к водороду, были определены критерии, которым должны отвечать структуры Pd-полупроводник с точки зрения получения максимальной чувствительности:
1. Максимальная высота барьера Шоттки. Для этого необходимо, чтобы работа выхода полупроводника сильно отличалась от работы выхода Pd.
2. Максимальная эффективность генерации и разделения носителей в области объемного заряда полупроводника. Для этого необходимо использовать материалы с высоким структурным совершенством и низкой темновой концентрацией носителей заряда.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 10 (78) 2009
© Scientific Technical Centre «TATA», 2009
Высота барьера в диодах Шоттки определяется работой выхода и электроотрицательностью металлического контакта. На рис. 1 показаны значения высоты барьера Шоттки для прямозонных полупроводников /»-типа в зависимости от ширины запрещенной зоны [7].
12 34
Основной энергетический зазор, эВ
Рис. 1. Высота барьера для контакта Au-полупроводник в зависимости от ширины запрещенной зоны для прямозонных полупроводников Fig. 1. Dependence of the barrier height of Au-semiconductor contacts on energy band-gap of direct zone semiconductors
В лаборатории ИК оптоэлектроники ФТИ им. А.Ф. Иоффе накоплен большой опыт в технологии выращивания и исследования физических свойств наногетероструктур на основе полупроводников А3В5. Использование гетероструктур дает ряд преимуществ по сравнению с использованием кремния или других гомогенных полупроводников. Прежде всего это возможность подбора материалов, обеспечивающих оптимальную высоту барьера Шоттки с палладиевым контактом, а также возможность выращивания структурно-совершенных эпитаксиаль-ных слоев. Работа выхода Р^ а также электронное сродство и ширина запрещенной зоны некоторых полупроводниковых соединении А3В5 представлены на рис. 2.
Рис. 2. Работа выхода Pd, электронное сродство и ширина запрещенной зоны InP, GaSb и InAs Fig. 2. Work function of Pd, electron affinity and band-gap of InP, GaSb and InAs
Из представленных данных видно, что ва8Ъ р-типа и 1пАб п-типа практически не образуют барьер Шоттки с палладием. 1пР п-типа образует с Pd барьер Шоттки с обеднением приповерхностного п-слоя полупроводника (электроны из полупроводника переходят в Pd). 1пР р-типа образует с Pd барьер Шоттки с обеднением приповерхностного р-слоя полупроводника (электроны из Pd переходят в полупроводник); п-ва8Ъ образует барьер Шоттки с обеднен
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.