СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ СЕНСОРА ГАЗООБРАЗНЫХ ТОКСИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ НА ОСНОВЕ ПЛЕНОК ГРАФЕНА
METHOD FOR FORMING THE SENSOR STRUCTURE OF GASEOUS TOXIC SUBSTANCES BASED ON GRAPHENE FILMS

Изобретение относится к способам, специально предназначенным для изготовления и обработки приборов на твердом теле. Изобретение также относится к формированию слоев графена на подложках карбида кремния.
2
Известны способы изготовления сенсоров газообразных токсичных веществ на основе пленок графена, предусматривающие получение пленки графена на поверхности карбида кремния термодеструкцией, с последующим нанесением омических контактов («Сверхчувствительный газовый сенсор на основе графена», А.А. Лебедев, С.П. Лебедев, С.Н. Новиков, В.Ю. Давыдов, А.Н. Смирнов, Д.П. Литвин, Ю.Н. Макаров, B.C. Левицкий. Журнал технической физики, 2016, том 86, вып. 3). Пленки графена, выращенные методом сублимации в вакууме, проявляют P-тип проводимости. Оксид азота (NO) является сильным окислителем, эффективно захватывающим электроны с поверхности, на которую адсорбируется. Поэтому его адсорбция на поверхности графена уменьшает концентрацию электронов и увеличивает концентрацию дырок. При этом удельное сопротивление уменьшается, что позволяет использовать сенсор на основе графена для мониторинга окружающей среды.
Однако в рассматриваемой работе не приводятся исследования, касающиеся влияния конструкции и технологии получения омических контактов, оказывающих влияние на работу сенсора при различных условиях.
Известен способ формирования структуры сенсора газообразных токсичных веществ на основе пленок графена, включающий получение пленки графена на поверхности карбида кремния, травление пленки графена и нанесение омических контактов (Патент US 9178032, «Gas sensor and manufacturing method thereof», filled: Jan. 24, 2014; Date of Patent Nov. 3, 2015).
Известный способ позволяет изготавливать сенсоры на основе графена, которые могут быть широко использованы в мобильных устройствах, однако предлагаемый широкий спектр материалов, которые согласно известному способу могут быть использованы в процессе изготовления сенсора, не позволяют сформировать омические контакты к графену, обладающие линейными вольт-амперными характеристиками и имеющие хорошую адгезию как к графену, так и к подложке, а также обеспечить сохранение исходной структуры графена на всех этапах формирования прибора в целом, что в итоге не позволяет получить сенсор с высокой чувствительностью.
Задачей создания изобретения является формирование структуры газового сенсора, позволяющей достигнуть предела чувствительности графена к разнообразным токсичным газообразным веществам.
Поставленная задача решается за счет того, что в способе формирования структуры сенсора газообразных токсичных веществ на основе пленок графена, включающем получение пленки графена на поверхности карбида кремния термодеструкцией, химическую обработку пленки графена и нанесение омических контактов, травление пленки графена осуществляют ионно-лучевым травлением с использованием маски фоторезиста, затем осуществляют металлизацию электродов методом взрывной фотолитографии, напыляют никелевое покрытие, формируют топологию усиления контактных площадок, а затем осуществляют финишную химическую обработку.
Предлагаемый способ позволяет обеспечить сохранение исходной структуры графена на всех этапах формирования сенсора, а также сформировать омические контакты к графену, обладающие линейными вольт-амперными характеристиками. Полученные предлагаемым способом омические контакты имеют хорошую адгезию как к однослойному графену, так и к карбиду кремния. В целом, структура сенсора, изготовленного с использованием предлагаемого способа, характеризуется высокой стабильностью и устойчива к последующим технологическим операциям, в частности нагреву до температуры 300°C, пайке или сварке омических контактов, погружению полученной структуры в различные некислотные и нещелочные жидкости.
Предлагаемый способ предусматривает возможность осуществления дополнительных технологических операций с применением фотошаблонов, что позволяет увеличить чувствительность сенсора к определенным типам газов. Это, в частности, достигается за счет формирования на поверхности графена металлических пленок определенной формы.
Была изготовлена партия структур сенсора газообразных токсичных веществ на основе пленок графена. При изготовлении структур сенсора использовались образцы со следующими параметрами: подложка - 6H-SiC i-типа проводимости, толщиной 360 мкм; толщина эпитаксиальных слоев графена составляла 1-2 монослоя.
Топология требуемых структур была создана с применением стандартной процедуры процесса контактной фотолитографии с использованием специально разработанного комплекта фотошаблонов. Минимальные размеры задавались на уровне 5 мкм, что исключало применение жидкостных методов травления.
2
Формирование топологии графенового базиса структур проводилось методом ионно-лучевого («сухого») травления пленок с использованием маски фоторезиста марки AZ-1518 при следующих условиях процесса: рабочее давление в камере - 2-3 миллибар, энергия аргонового пучка - 50 эВ, ток пучка - 0,5 мА/см. Формирование топологии подзатворного окисла и металлизации электродов графеновых сенсорных структур проводилось с использованием метода взрывной фотолитографии.
Металлизация электродов структур была получена методом термического испарения в вакууме. В качестве металлизации была использована трехслойная композиция - Ti/Au/Ni. Подслой Ti толщиной  напылялся с целью повышения адгезии основного металлического покрытия Аu, толщина которого составляла 0,3 мкм. Ni-покрытие толщиной 0,3 мкм необходимо для усиления контактных площадок структур.
5
Для измерения чувствительности сенсора была использована система смешивания и подачи газовых смесей, позволяющая изменять коэффициент разбавления в пределах 1:1-1:10, обеспечивая выходную концентрацию детектируемого газа от 0,1 ppb (одна часть на миллиард) до 10 ppm (одна часть на миллион). В качестве газа-носителя использовался очищенный воздух.
Чувствительность сенсора (г) была выражена в процентах и определялась как относительное изменение сопротивления образца при наличии в газовой смеси регистрируемого газа:
где R - сопротивление сенсора при подаче газа,
0
R - исходное сопротивление при отсутствии детектируемого газа в потоке поступающего воздуха.
2
Были определены относительные изменения сопротивления сенсора на основе графена при наличии NO в газовой смеси при 20°C.
2
2
Как было показано ранее, пленки графена, выращенные методом сублимации в вакууме, проявляют p-тип проводимости. NO является сильным окислителем, эффективно захватывающим электроны с поверхности, на которую адсорбируется. Поэтому его адсорбция на поверхности графена уменьшает концентрацию электронов и увеличивает концентрацию дырок. В случае материала p-типа это приводит к уменьшению удельного сопротивления. Для концентрации NO 10 ppb амплитуда отклика датчика составила около 3% при воздействии газовой смеси в течение 1 часа. Такая чувствительность сенсоров вполне достаточна для мониторинга окружающей среды.
Предлагаемый способ формирования структуры сенсора газообразных токсичных веществ на основе пленок графена может быть использован в процессе промышленного производства сенсоров на основе графена