Поверхностный ионный транспорт в тонкопленочных хеморезисторах

УДК 621.382

В.В. Симаков, С.А. Ворошилов

ПОВЕРХНОСТНЫЙ ИОННЫЙ ТРАНСПОРТ В ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ХЕМОРЕЗИСТОРАХ

Проведены экспериментальные исследования электрофизических характеристик газочувствительных структур на основе тонких пленок диоксида олова с подвижными ионами адсорбируемого газа на поверхности. Установлено наличие в газовых сенсорах с малым зазором между контактами двух каналов транспорта заряда: электрохимического (на поверхности слоя) и полупроводникового (в объеме слоя).

V.V. Simakov, S.A. Voroshilov SURFACE IONIC TRANSPORT IN THIN-FILM CHEMORESISTORS

Experimental researches of electro physical characteristics of the gas-sensitivity structures on based thin-films tin dioxide with mobile ions of adsorbed gas on a surface are given in the article. Presence in gas sensor controls with a small actuation length of two channels of charge transport is established: electrochemical (on surface) and semiconductor (in volume).

В настоящее время в технологии изготовления химических сенсоров проявляется устойчивая тенденция к миниатюризации их размеров, что приводит к необходимости исследования влияния электрического поля в зазоре между контактами на свойства датчиков. Высокая чувствительность слоев диоксида олова, широко используемых для создания сенсоров газа резистивного типа, обычно достигается при нагреве до температуры 5GG + 8GG К, когда частицы газа, хемосорбированные на поверхности слоя, становятся достаточно подвижными [1]. Для объемных материалов влияние перераспределения ионизированных примесей на электрофизические свойства является установленным фактом. Целью работы являлось исследование вольт-амперных характеристик (ВАХ) газочувствительных структур на основе тонких пленок оксида олова.

Исследовались планарные резистивные структуры на основе тонких пленок SnO2:Cu. Пленки осаждались методом реактивного магнетронного ВЧ-распыления мишени, спрессованной из порошков оксидов олова и меди [2]. В качестве подложек были использованы полированные пластины поликора с предварительно напыленными на них Ti/Pt контактами. Расстояние между контактами составляло 2 мм для образцов типа А и 5G мкм для образцов типа B. Измерения электрических характеристик проводились на воздухе при температурах T = 3GG...85G К и напряжении питания U = -1GG + +1GG В. Нагрев структур осуществлялся в муфельной печи. Температура датчика контролировалась с помощью прикрепленной к структуре микротермопары хромель-алюмель. Напряжение, приложенное к структуре, и ток через структуру измерялись с помощью микроамперметра типа Ф-195, вольтметра типа В7-27 и вольтметра-электрометра типа В7-30.

Исследование ВАХ газочувствительных структур с зазором между контактами 5G мкм показало, что при температуре около 8GG К наблюдается гистерезис тока (рис. 1).

-6

*

-100

-50

Напряжение, В

50

100

ООО

О

^ев£ \

и л

о о

•

• • Е*

Рис. 1. Вольт-амперная характеристика газочувствительной структуры с зазором между контактами 50 мкм

Рис. 2. Схематическое изображение процессов транспорта заряда вдоль поверхности газочувствительной структуры

Е

Экспериментальные данные анализировались в рамках модели, учитывающей дрейф заряженных частиц газа-окислителя по поверхности слоя. При наложении внешнего электрического поля отрицательно заряженные частицы газа дрейфуют между электродами по направлению к аноду, неравномерно распределяясь вдоль поверхности слоя (рис. 2).

Миграционный поток JE отрицательно заряженных частиц газа вдоль поверхности образца может быть представлен соотношением:

JE = ^

где N - плотность поверхностных центров адсорбции; 0 - доля заполненных центров адсорбции; ^ - подвижность заряженных частиц; Е - электрическое поле в образце.

В стационарном случае частицы преимущественно адсорбируются в прикатодной области 1а,, а десорбируются - вблизи анода 1^.

При малых значениях приложенного напряжения газочувствительная структура в любом сечении остается электронейтральной, а общее количество зарядов (свободных и локализованных вблизи поверхности) определяется исходным уровнем легирования слоя.

В процессе токопереноса участвуют два сорта носителей: свободные носители заряда в объеме слоя и заряженные частицы на его поверхности. Частицы с низкой подвижностью (отрицательно заряженные ионы кислорода) накапливаются вблизи анода, вытесняя частицы с более высокой подвижностью (свободные электроны) в прикатодную область. Проводимость объема ограничивается обедненной прианодной областью [3].

В структурах с малым зазором между контактами сильное электрическое поле приводит к возникновению двух электрических цепей: управляющей цепи, связанной с ионным транспортом заряда адсорбированными ионами газа по поверхности слоя, и управляемой электронной цепи в объеме слоя. С увеличением приложенного напряжения доля области с доминирующей ионной проводимостью растет и практически все напряжение сосредоточено на ней. Уменьшение напряжения на структуре не приводит к изменению размеров этой области, пока скорость переноса ионов по поверхности не будет меньше скорости десорбции частиц с поверхности в газовую фазу. Так как сопротивление структуры определяется прианодной областью, обедненной электронами, то в этом случае ток через структуру будет контролироваться ионным током по поверхности. Именно поэтому на ВАХ наблюдается гистерезис тока при изменении напряжения (рис. 1).

Таким образом, в работе проведены экспериментальные исследования электрофизических характеристик газочувствительных структур на основе тонких пленок диоксида олова с подвижными ионами адсорбируемого газа на поверхности. Установлено наличие в газовых сенсорах с малым зазором между контактами двух каналов транспорта заряда: электрохимического (на поверхности слоя) и полупроводникового (в объеме слоя). Электрохимическая цепь включает в себя газовую среду, ионы, адсорбированные на поверхности, и является управляющей цепью. Регистрирующая цепь (полупроводниковая) включает в себя объем полупроводника, свободные носители заряда в нем и внешнюю нагрузку. Управление электрическими характеристиками газочувствительных систем может достигаться за счет изменения либо внешнего напряжения, либо топологии структуры.

ЛИТЕРАТУРА

1. Liess M. Electric-field-induced migration of chemisorbed gas molecules on a sensitive film - a new chemical sensor / M. Liess // Thin Solid Films. 2002. Vol. 410. P. 183-187.

2. Kissine V.V. A comparative study of SnO2 and SnO2:Cu thin films for gas sensor applications/ V.V. Kissine, S.A. Voroshilov, V.V. Sysoev // Thin Solid Films. 1999. Vol. 348. P. 304-311.

3. Влияние температуры на вольт-амперные характеристики тонкопленочных газочувствительных структур / В.В. Симаков, О.В. Якушева, А.И. Гребенников, В.В. Кисин // Письма в журнал технической физики. 2006. Т. 32. Вып. 2. С. 1-7.

Симаков Вячеслав Владимирович -

кандидат технических наук, доцент кафедры «Химия»

Саратовского государственного технического университета

Ворошилов Сергей Александрович -

кандидат физико-математических наук,

доцент кафедры «Материаловедение, технология и метрология материалов»

Саратовского государственного университета им. Н.Г. Чернышевского