Измерения вольт-амперных характеристик тестовых структур на основе тонких пленок SnO 2 + 1% Si

УДК 621.797

ИЗМЕРЕНИЯ ВОЛЬТ-АМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕСТОВЫХ СТРУКТУР НА

ОСНОВЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК 8пОз + 1% 8І

Е.А. Русских, С.И. Рембеза, Е.С. Рембеза

В статье приведены результаты исследования вольт-амперных характеристик тестовых структур микроэлектронных датчиков газов на основе тонких пленок диоксида олова и платиновых контактов при различных температурах чувствительного слоя на воздухе и в парах этанола. Показано, что чувствительность вольт-амперных характеристик к разным концентрациям газа может быть использована для контроля содержания этанола в воздухе

Ключевые слова: тестовые структуры, вольт-амперные характеристики, газовая чувствительность

Введение

В настоящее время проявляется большой интерес к полупроводниковым датчикам газа на основе диоксида олова. При их относительной дешевизне датчики имеют малые размеры и достаточно высокую чувствительность к токсичным и взрывоопасным газам в воздухе. Главным недостатком таких датчиков является необходимость нагрева до высоких температур (порядка 500 оС) при определении газовой чувствительности и десорбции газов, что ограничивает их использование для контроля горючих и взрывоопасных газов [1]. Таким образом, снижение температуры максимальной газовой чувствительности микроэлектронных датчиков газов является актуальной проблемой.

Были попытки измерить газовую чувствительность пленок SnO2/CuO с использованием вольт-амперных характеристик (ВАХ) на поликоровой подложке с предварительно напылённым на неё через маску электродами из платины. Зазор между электродами составлял 50 мкм. Четыре нагревателя и два терморезистора были сформированы на обратной стороне подложки. Поверх платиновых электродов методом ВЧ-магнетроннного распыления оксидной мишени SnO2/CuO в атмосфере Ar/O2 [2,3]. Цель нашей работы заключается в исследовании температурных зависимостей ВАХ тестовых структур микроэлектронных датчиков газов с платиновыми контактами и установлении характера отклика на пары этанола в воздухе.

Методика эксперимента

Измерения вольт-амперных характеристик проводились на тестовых структурах датчиков газов, изготовленных по микроэлектронной технологии. Кристалл датчика на окисленном кремнии размером 1*1х0,4 мм3, содержит платиновый тонкоплёночный нагреватель и платиновые контакты встречно-штыревого типа на расстоянии 10 мкм

Русских Елена Алексеевна - ВГТУ, аспирант, тел. 8(473) 243-76-95

Рембеза Станислав Иванович - ВГТУ, д-р физ.-мат. наук, профессор, тел. 8(473)243-76-95

Рембеза Екатерина Станиславовна - ВГТУ, д-р физ.-мат. наук, профессор, тел. 8(473) 243-76-95

друг от друга, на которые напылен газочувтвитель-ный слой SnO2 + 1% Si (рисунок 1) [4].

Рис. 1. Топология кристалла тестовой структуры газового датчика размером 1х1х0,4 мм3

1 - платиновый меандр нагревателя, 2 - встречноштыревые электроды сенсорного элемента, 3 - газочувствительная пленка 8пС2, 4 - контактные площадки

При исследовании ВАХ микроэлектронных датчиков газов, для измерения электрических параметров и проведения высокотемпературного стабилизирующего отжига применялась установка, блок-схема которой изображена на рисунке 2.

Структурно схема установки состоит из следующих блоков: блок питания (1) - источник постоянного стабилизированного напряжения БУ3005 в пределах 0 - 30 В (до 5 А); блок управления (2) -представляет собой систему переключателей, отвечающих за контроль и измерение электрических параметров, подачу и регулировку напряжения питания; измерительный стенд (3) с газовым датчиком; в качестве амперметров использовались мультиметры APPA 107N (4); в качестве вольтметров - мультиметры UT33D (5); в качестве омметра - мультиметр APPA 107N (6). Cхема включает также секундомер для контроля временных характеристик.

На подставке измерительного стенда размещается печатная плата с датчиком газов, при проведении исследований на подставку ставится колпак объемом 10 л. для получения стационарных условий эксперимента.

Рис. 2. Блок-схема установки для исследования вольт-амперных характеристик газовых датчиков

1 - блоки питания; 2 - блок управления; 3 - измерительный стенд под вакуумным колпаком; 4 - амперметры;

5 - вольтметры; 6 - омметр

При длительном хранении на воздухе, содержащем ~20% кислорода, сопротивление датчика увеличивается за счет процесса адсорбции газов и доокисления газочувствительного слоя SnO2. Чтобы вернуть датчик в рабочее состояние, необходимо провести его высокотемпературный стабилизационный и десорбционный отжиг [5]. Отжиг тестовых структур датчиков газов проводится при температуре, соответствующей рабочим режимам датчика 350

- 400 °С под колпаком на воздухе. Для того, чтобы нагреть кристалл датчика до такой температуры необходимо на нагревательный элемент, в зависимости от его сопротивления, подать напряжение 5-7 В. В процессе отжига контролировалось сопротивление чувствительных элементов датчиков, и строились зависимости относительного сопротивления чувствительных элементов от времени. Относительное сопротивление - это отношение текущего сопротивления чувствительного элемента к сопротивлению, измеренному до отжига на воздухе при комнатной температуре. Критерием окончания процесса является стабилизация, т. е. постоянство величины сопротивления чувствительных элементов [6]. На рисунке 3 представлены типичные зависимости относительного сопротивления чувствительных элементов тестовых структур от времени отжига. Из него видно, что для стабилизации электрических параметров чувствительных элементов вполне достаточно 30 - 40 мин, в дальнейшем это учитывалось при проведении экспериментов.

Все результаты, приведенные ниже, получены на датчиках, прошедших десорбционный отжиг.

Результаты и обсуждение

ВАХ датчиков измерялись в интервале напряжений 0^15 В и при значениях токов 0^30 mA.

Исследования ВАХ проводились на воздухе и в парах этанола (1000 ppm, 2000 ppm и 4000 ppm) при восьми различных значениях температуры: комнатная температура, 75 оС, 100 оС, 125 оС, 150 оС, 175 оС, 200 оС, 225 оС.

Рис. 3. Типичные зависимости изменения электросопротивления тестовых структур при термостабилизации: 1 - первого чувствительного элемента; 2 - второго чувствительного элемента

На рисунке 4 приведена типичная вольт-амперная характеристика чувствительного элемента на воздухе и в парах этанола (4000 ppm) при комнатной температуре. Как видно из рисунка 4 ВАХ в парах этанола проходит выше ВАХ образца на воздухе, что соответствует небольшому изменению сопротивления чувствительного элемента датчика в атмосфере газа-восстановителя [7]. Наибольшая разница в ВАХ наблюдается при напряжении 15 В.

Рис. 4. Вольт-амперная характеристика чувствительного элемента при комнатной температуре (датчик № 4), Т = 20 оС

1 - на воздухе; 2 - в парах этанола (4000 ppm), на вкладке изображен участок ВАХ от 0 В до 2 В

На рисунке 4 можно выделить три участка ВАХ: 1 - от 0В до 2 В; 2 - от 2 В до 10 В; 3 - от 10 В до 15 В. В низковольтовой области (< 2 В), что соответствует первому участку ВАХ и в области > 10 В (третий участок ВАХ) вольт-амперные характеристики практически линейные, а на втором участке

- сублинейные. Если механизм протекания тока в образце описывается законом Ома, то в координатах

- эти зависимости будут описываться горизонтальными линиями. На рисунке 5 показаны результаты эксперимента, приведенного на рисунке 4, переведенные в координаты и . Первый участок соответствует напряженности электрического поля Е<2-103 В/см и практически совпадает с первым участком работ [2,3], где используется структура с расстоянием между контактами 50 мкм. Второй уча-

t, мин

сток ВАХ, исследованный в работах [2,3] характеризуется сублинейной зависимостью тока от напряжения и простирается до значений напряженности электрического поля Е = 103 В/см, что соответствует началу второго участка наших ВАХ для Е  101 В/см в работах [2,3] не достигался.

Таким образом, из измерений ВАХ следует, что в области напряжений от 0В до 2В выполняется закон Ома, на участке напряжений от 10В до 15В наблюдается небольшое отклонение от закона Ома, а в интервале напряжений от 2^10В закон Ома не выполняется. Этот результат свидетельствует о том, что в парах этанола механизм протекания тока не изменяется.

03

t °’15 5 °Д

0J05 И

0 2 4 15 s 10 12 14 16

и. в

1 - на воздухе; 2 - в нарах этанола (4000 ppm) Рис. 5. Экспериментальные результаты рисунка 4,

-ftю

переведенные в координаты U , Т = 20 °С

Были также проведены исследования ВАХ на воздухе и при различных концентрациях этанола в интервале температур 20^225 оС. На рисунке б приведена типичная вольт-амперные характеристика чувствительного элемента на воздухе и в парах этанола (4000 ppm) при температуре 125 0С. При других концентрациях этанола (1000 ppm и 2000 ppm) кривые носят аналогичный характер и отличаются лишь величиной тока через чувствительный элемент.

125 оС, 150 оС, 175 оС, 200 оС, 225 оС, по формуле S = 1чг/1чв (где 1чг - ток чувствительного элемента в присутствии газа, - ток чувствительного элемента на воздухе) была рассчитана относительная газовая чувствительность для всех значений температур при 15 В, а также были построены графики зависимости относительной газовой чувствительности от концентрации и температуры (рис. 7). Из рисунка 7 видно, что для всех исследованных концентраций этанола в воздухе максимальная газовая чувствительность наблюдается в интервале от 150 до 200 оС, причем она возрастает с увеличением концентрации газа. При увеличении концентрации газа температура максимальной чувствительности смещается в область низких температур (от 200 оС для 1000 ppm до 150оС для 4000 ppm). Из наших результатов видно, что можно достигнуть больших значений чувствительности при меньших температурах, чем при непосредственном измерении величины изменения сопротивления сенсорного слоя.

ф.з . ----------------------------------------

# -I------------—------------------------------------------------------

0 № 100 1» 200 250

т.х:

—*—‘Мб]фП1 - •- 2ЙМ ррш, —*—

Рис. 7. Зависимость относительной газовой чувствительности тестовых структур датчиков газов к этанолу от температуры при условии протекания тока через чувствительный элемент

0 2 4 6 В 10 12 14 16

U, В

1 - на воздухе; 2 - в парах этанола

Рис. б. Вольт-амперная характеристика чувствительного элемента при T = 125 oC

Для обобщения и анализа экспериментальных данных типичных зависимостей, таких же как на рисунке 4, а также аналогичных данных, полученных при других концентрациях этанола в воздухе (1000 ppm и 2000 ppm) и температурах 75 оС, 100 оС,

На рисунке 8 приведена зависимость величины максимальной газовой чувствительности при температуре 150 оС от концентрации этанола в воздухе в интервале концентраций этанола от 1000ppm до 4000 ppm величины газовой чувствительности S, которая изменяется в интервале 2,5 - 4,7 раз.

Сдав

Рис. 8. Зависимость относительной газовой чувствительности тестовых структур датчиков газов от концентрации этанола в воздухе при условии протекания тока

через чувствительный элемент при температуре кристалла T = 150 oC

Из рисунка 8 видно, что величина чувствительности достаточна для использования датчика в устройствах сигнализации газов без дополнительных усиливающих схем. Также можно отметить, что зависимость относительной газовой чувствительности тестовых структур датчиков газов от концентрации этанола в воздухе при условии протекания тока через чувствительный элемент имеет довольно четкий угол наклона, что позволит использовать такие приборы в точных устройствах, способных определять малые концентрации газов в воздухе.

Выводы

Из проделанной работы можно сделать следующие выводы:

1) Из исследуемых ВАХ тестовых структур в интервале температур 20^225 оС определены области напряжений и температур, в которых выполняется закон Ома в структуре SnO2 + 1% Si.

2) Вольт-амперные характеристики чувствительных элементов при различных температурах кристалла на воздухе и в присутствии паров этанола в воздухе имеют одинаковый характер и отличаются лишь величиной тока протекающего через чувствительный элемент при одинаковом напряжении.

3) Максимальная газовая чувствительность к этанолу наблюдается в интервале температур 150 -200 оС. Эта температура почти в два раза меньше, чем температура максимальной газовой чувствительности датчика определенной по измерению сопротивления чувствительного элемента в парах исследуемого газа.

4) Зависимость газовой чувствительности тестовых структур от концентрации этанола в воздухе при Т= const из измерений ВАХ чувствительных элементов имеет четкий угол наклона, что позволит использовать данный способ снижения температуры

Воронежский государственный технический университет

максимальной газовой чувствительности в точных устройствах, способных определять малые концентрации газов в воздухе.

5) Величина максимальной газовой чувствительности изменяется в пределах от 2,5 до 4,7 и является достаточной для использования датчика в устройствах сигнализации опасных газов без дополнительных усиливающих схем.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ 12-02-91373 СТ_а.

Литература

1. Вольт-амперные характеристики тестовых структур датчиков газов на основе SnO2 газов / Е.А. Русских, С. И. Рембеза, Д. В. Русских // Химия твердого тела: монокристаллы, наноматериалы, нанотехнологии: сборник докладов IX Междунар. науч. конф. Кисловодск, 2009. С. 375 - 377.

2. Вольт-амперные характеристики тонкопленочных газочувствительных структур на основе оксида олова / В. В. Симаков, О. В. Якушев, А. И. Гребенников, В. В. Кисин // Письма в ЖТФ, 2005, том 31, вып. В. С 52- 56.

3. Влияние температуры на вольт-амперные характеристики тонкопленочных газочувствительных структур/ В. В. Симаков, О. В. Якушев, А. И. Гребенников, В. В. Кисин // Письма в ЖТФ, 200б, том 32, вып. 2. С 52- 5В.

4. Рембеза С. И., Просвирин Д. Б., Викин О. Г. Викин Г. А., Буслов В. А., Куликов Д. Ю., Особенности конструкции и технологии изготовления тонкопленочных металлооксидных интегральных сенсоров газов, Сенсор № 1(10), 2004, с. 20-28.

5. Figaro: датчики газов. - М.: Издательский дом «Додэка - XXI», 2002. - б4 с.

6. Высокотемпературный отжиг тестовых структур полупроводниковых датчиков газов / Д. В. Русских, С. И. Рембеза, В. А. Буслов, Д. Ю. Куликов // Актуальные проблемы физики твердого тела: сборник докладов Междунар. науч. конф. Минск, 2007. Т. 2. С. 375 - 377.

7. Волькенштейн Ф. Ф. Физико-химия поверхности полупроводников. - М.: Наука, 1973. - 400 с.

MEASUREMENTS OF VOLT-AMPER CHARACTERISTICS TEST STRUCTURES ON THE

BASIS OF THIN FILMS SnO2+ 1% Si

E.A. Russkih, S.I. Rembeza, E.S. Rembeza

In article are reported results research of volt-amper characteristics test structures of microelectronic gas sensors on the basis of thin films SnO2+ 1% Si with Pt-contacts measurements were brought at various temperatures of a sensitive layer on air and in ethanol gases. It is shown, that sensitivity volt-amper characteristics to different concentration of gas can be used for the control of the content of ethanol in air

Key words: test structures, volt-amper characteristic, gas sensitivity