МУЛЬТИСЕНСОРНАЯ СИСТЕМА НА ОСНОВЕ ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ AlGaN/GaN

Полезная модель относится к полупроводниковой электронике и может быть использована для регистрации малых концентраций различных газов (токсичных/взрывоопасных) в любых помещениях.
В литературе встречаются различные конструкции газовых сенсоров на основе гетероструктур AlGaN/GaN с каналом двумерного электронного газа (2DEG).
Независимо от подхода к созданию газочувствительной гетероструктуры с 2DEG, у всех представленных экземпляров наблюдается недостаточная газовая чувствительность, для детектирования сверхмалых концентраций токсичных и взрывоопасных газов (от 0,1 до 10 ррm) и отсутствует селективность к газам.
Недостаточная газовая чувствительность, вероятно, связана с развитием большого количества дефектов гетероструктуры AlGaN/GaN, которые возникают вследствие рассогласования кристаллических решеток и коэффициентов термического расширения [1]. Образование подобных дефектов сопровождается понижением энергии кристалла за счет увеличения степени разупорядочения (энтропийного члена), что в свою очередь обуславливает эффективный механизм внутренней компенсации, путем формирования дефектов упаковки, которые представляют собой мелкие донорные уровни [2].
В качестве прототипа выбран газовый сенсор на основе гетероперехода AlGaN/GaN (патент РФ на полезную модель №98244, опубл. 10.10.2010), содержащий гетерогенную последовательность слоев полупроводников, представленных нитридами III группы, затвор, омические контакты, и механизм для измерения тока между омическими контактами, при этом гетероструктура дополнительно содержит над сапфировой подложкой слой AlN, компенсирующий рассогласование параметров кристаллической решетки подложки, слой AlGaN расположен между двумя градиентными слоями, один из которых представлен сверхрешеточным слоем AlN-AlGaN, a другой имеет обратный градиент, вблизи квантовой ямы расположен слой AlN, увеличивающий подвижность электронов в канале, под затвором расположен дополнительный слой AlGaN, легированный кремнием.
Недостатком прототипа является отсутствие селективности к токсичным и взрывоопасным газам, что является следствием недостаточной проработки газочувствительного катализатора, определяющего тип газа.
Задачей полезной модели является повышение уровня селективности к токсичным и взрывоопасным газам, повышение эффективности работы газового сенсора, достижение стабильной работы сенсора.
Техническим результатом полезной модели является селективность к токсичным газам (аммиак, диоксид азота, диоксид серы, фтороводород, акролеин) и взрывоопасным газам (формальдегид, метан, пропан, сероводород, ацетелен) с возможностью выделения одновременно всех групп газов в воздушной среде.
Технический результат достигается тем, что предлагается мультисенсорная система на основе гетероструктуры AlGaN/GaN, которая содержит матрицу гетероструктур AlGaN/GaN, имеющих структуру транзисторов с газочувствительными катализаторами, состоящих их гетерогенной последовательности слоев полупроводников, представленных нитридами III группы, газочувствительный затвор, омические контакты, и механизм для измерения тока между омическими контактами. Также мультисенсорная система включает матричную систему контактов и сапфировую подложку для размещения гетероструктур AlGaN/GaN, которые имеют различные параметры газочувствительных катализаторов. Матричная система контактов выполнена из Ti/Al/Ti/Au. Газочувствительные катализаторы, входящие в состав гетероструктур AlGaN/GaN, имеют толщину от 50 до 600 нм и время термообработки от 5 с до 60 мин.
Согласно полезной модели мультисенсорная система содержит множество гетероструктур AlGaN/GaN с различными параметрами газочувствительных катализаторов из Pt. Дополнительно содержит над сапфировой подложкой, слой AlN, компенсирующий рассогласование параметров кристаллической решетки подложки и активного слоя GaN, а также слой AlGaN для создания двойного ограничения квантовой ямы. Вблизи квантовой ямы расположен слой AlN, увеличивающий подвижность электронов в канале. При этом слой AlN, компенсирующий рассогласование параметров кристаллической решетки подложки, имеет толщину 200-220 нм, слой AlN, расположенный вблизи квантовой ямы, имеет толщину 1-5 нм.
На фиг.1 изображена мультисенсорная система, содержащая газочувствительные гетероструктуры AlGaN/GaN, матричную систему контактов 2 и сапфировую подложку 3.
На фиг.2 изображено поперечное сечение газочувствительной гетероструктуры в газовом сенсоре на основе гетероструктуры AlGaN/GaN, содержащей канал с двумерным электронным газом 1, платиновый затвор 2 и омические контакты 3.
c
На фиг.3 изображена временная характеристика изменения I при различных газах и их концентрациях.
Мультисенсорная система на основе матрицы гетероструктур AlGaN/GaN, которая согласно полезной модели включает в себя следующие элементы (фиг.1) матрицу гетероструктур AlGaN/GaN с различными параметрами газочувствительных катализаторов из Pt, контактную систему для подключения отдельной гетероструктуры AlGaN/GaN, сапфировую подложку для размещения газочувствительных гетероструктур AlGaN/GaN и контактной системы.
Каждая газочувствительная гетероструктура AlGaN/GaN, вошедшая в матрицу (фиг 2.) содержит зародышевый слой AlN, основным предназначением которого является частичная компенсация рассогласования параметров решетки подложки и слоя GaN; полку AlGaN, предназначенную для релаксации напряжений, связанных с влиянием поляризационного заряда, слои GaN-AlN-AlGaN, необходимые для формирования канала с двумерным электронным газом, в котором наблюдаются максимальные концентрации и подвижности электронов, где вставка AlN нужна для увеличения подвижности электронов в канале; система контактов (сток и исток) для подключения отдельной газочувствительной гетероструктуры AlGaN/GaN и газочувствительный катализатор Pt.
При работе мультисенсорной системы на основе матрицы из газочувсивительных гетероструктур AlGaN/GaN с различными параметрами Pt катализатора (толщины от 50 до 600 нм и время термообработки от 5 с до 60 мин) формируется сигнал, который может обработать ЭВМ и выдать полную карту газовых компонент воздушной среды, окружающей мультисенсорную систему.
Измерения газовой чувствительности были проведены в газодинамической установке.
Результаты исследования временных характеристик к различным газам и концентрациям, полученных при нормальных условиях: комнатная температура, относительная влажность воздуха - 33%, представлены на фиг.3.
c
0,9
При введении в камеру различных газов с разной концентрацией наблюдается линейное изменение тока I. Отклик сенсора на введенную концентрацию газов полностью обратим. Время отклика (τ) на увеличение концентрации составляет около 4 сек, тогда как время восстановления (десорбции) равно примерно 25 сек. Амплитуда сигнала остается постоянной в течении всего времени измерения.
Структура была изготовлена методом молекулярно-лучевой эпитаксии, где в качестве источника активного азота использовался поток очищенного аммиака, а в качестве источников металлов III группы и лигатуры - стандартные эффузионные ячейки.
Слой AlN является зародышевым слоем и предназначен для увеличения поверхностной подвижности атомов за счет увеличения температуры роста.
Для выращивания слоя AlN использовалась температура нагревателя образца равная 1200°С.
3
Поток аммиака составлял 60 см/мин.
3
Ограничивающий слой AlGaN был получен при температуре 900 С при потоке аммиака 400 см/мин.
3
Слой GaN, был получен при температуре 1200°С при потоке аммиака 400 см/мин
3
Слой AlN, расположенный между активными слоями GaN и AlGaN был получен при температуре 1200°С при потоке аммика 60 см/мин.
3
Слой AlGaN был получен при температуре 900°С при потоке аммиака 400 см/мин.
Напыление омических контактов на основе Ti/Al/Ti/Au=20/150/40/50 нм производилось на установке электронно-лучевого напыления. Состав слоев типичен для омических контактов к AlGaN/GaN - гетероструктурам; контакт AlGaN омичен сам по себе, добавление слоя Тi уменьшает сопротивление контакта, слой Аl является контакт образующим, слой Ti препятствует перемешиванию Аu  Ti, а слой Аu необходим для защиты Аl при вжигании и для совместимости контакта с золотой металлизацией.
4
2
Перед напылением был удален окисел с поверхности AlGaN, при нагревании образца в концентрированных растворах аммиака (NHO:HO=1:10) (60 сек. при комнатной температуре). Обработка в растворе аммиака является наиболее эффективной как с точки зрения удаления окислов, так и с точки зрения химической чистоты и стехиометрии поверхности.
Все образцы перед напылением металла обрабатывались в растворе аммиака непосредственно перед загрузкой в напылительную камеру.
Далее осуществлялся процесс формирования омических контактов.
4
На этом этапе проводились следующие операции: фотолитография омических контактов; реактивное ионное травление AlGaN в ССl для формирования заглубления под омический контакт; удаление окисла с поверхности полупроводника в растворе аммиака; напыление металлов омических контактов Ti/Al/Ti/Au (300 нм); взрыв фоторезиста.
Формирование газочувствительного Pt затвора осуществлялось по следующей схеме:
1. Фотолитография Pt-затвора;
2. Удаление окисла с поверхности полупроводника в растворе аммиака при комнатной температуре;
3. Напыление Pt;
4. Взрыв фоторезиста;
5. Отжиг Pt.
-2
Вжигание контактов происходило в установке быстрого высокотемпературного отжига, которая имеет скорость нагрева до 100 град./сек. Ее конструкция позволяет производить откачку камеры до 10 Па, а затем осуществлять продувку камеры азотом. Контроль температуры осуществлялся закрепленной на нагревателе термопарой. Результаты экспериментов показали, что наилучший результат - 0.3 Ом·мм получается при времени вжигания примерно 40 сек. и температуре 850°С и близок к самым лучшим значениям для данной комбинации слоев.
3
3
4
Исследования показали, что травление AlGaN во фторсодержащей среде не происходит из-за образования слаболетучего соединения АlF. Образование 1-2 монослоев АlF на поверхности во время процесса травления полностью останавливает удаление продуктов реакции с поверхности и доступ химически активных радикалов к ней. Поэтому для травления гетероструктуры необходимо использовать физическое распыление (Аr) или реактивное ионное травление в парах хлорсодержащих газов. Наилучшие результаты были получены для реактивного ионного травления в ССl.
4
Исследования показали, что процесс травления AlGaN в ССl и в несколько меньшей степени GaN, подвержен влиянию второстепенных параметров процесса, в том числе и тех, которые с трудом поддаются контролю. Заметную роль здесь играет и наличие окисла на поверхности GaN и AlGaN.Оно вызывает задержку начала травления на некоторое время (30 сек.-3 мин.)
4
4
-2
Влиянием перечисленных факторов можно объяснить заметный разброс скоростей травления и наблюдавшееся неоднократно в ходе процесса самопроизвольное изменение его параметров. Все это значительно осложняет задачу нахождения режимов травления, дающих воспроизводимые от процесса к процессу скорости травления. Влияние некоторых из факторов можно свести к минимуму: осуществлять травление рабочих образцов только после нескольких предварительных процессов, включать плазму только по достижении стабильного давления ССl, осуществлять непрерывный подогрев емкости с ССl снаружи, вскрывать камеру для перезагрузки образцов на минимальное время и осуществлять откачку дольше и сочетать ее с прогревом камеры и т.д. Опыт показывает, что, используя травление в несколько этапов (с замерами глубины травления после каждого этапа) можно добиться воспроизводимого получения необходимых с точки зрения технологии глубин травления. Средние скорости травления GaN и AlGaN составили примерно 15-20 нм/мин. при напряжении смешения 130-150 вольт и давлении 10 мм.рт.ст.
Мультисенсорная система работает следующим образом: механизм взаимодействия газ-сенсор в связан с физической сорбцией, хемосорбцией, поверхностными дефектами, объемными дефектами или совокупностью всех этих процессов, где соединительные контакты собирают полную информацию об окружающей среде.
Согласно этой модели, селективность к различным газам может быть объяснена толщиной и пористостью платинного затвора.
Для пористого платинного затвора адсорбция молекул газа или последующих продуктов, сформированных воздействием платиновой поверхности, происходит на поверхности AlGaN.
Открытые участки AlGaN оксидируются, образуя нестехиометрическое соединение AlGaN-O, и явления, имеющие место в этом случае, объясняются механизмом чувствительности металлооксидов: адсорбция приводит к увеличению положительной валентности адсорбированных комплексов, то есть при этой реакции электроны переходят на поверхность твердого тела. В результате, концентрация электронов на поверхности увеличивается (поверхностный эффект) с образованием поверхностных диполей.
Регистрация газа соответствует трем различным эффектам [3]:
3
2
1. Создание или снятие поверхностных диполей, связанных с адсорбированными газами, в случае умеренно электроотрицательных газов, таких как СО, N;
2. Создание или снятие поверхностных диполей, связанных с адсорбированными газами, в случае сильно электроотрицательных газов, таких как кислород, оксид азота или метан. Адсорбция таких газов приводит к передаче электронов от AlGaN до адсорбата, вызывающее увеличение обедненного слоя в полупроводнике;
3. Диффундирование водорода через плотную пленку непористой Pt. To есть молекулы водорода диссоциируют (каталитически разлагаются) на поверхности платины и диффундируют в область раздела между металлом (Pt) и полупроводником (AlGaN) изменяя граничный заряд (дипольный слой).
Согласно зонной теории, сформированный барьер Шоттки при контакте металл (Pt) - полупроводник (AlGaN), под действием газа вызывает изменение высоты барьера Шоттки, что приводит к изменению «эффективной» работы выхода и далее к изменению вольтамперной характеристики структуры [4].
Зависимость величины изменения напряжения смещения от концентрации водорода описывается уравнением Нернста [5]:
где R - универсальная газовая постоянная;
Т - абсолютная температура;
F - число Фарадея;
Z - число электронов, участвующих в реакции;
H2
С - активность газообразного водорода;
H+
С- активность протонов на границе металл-полупроводник.
Список использованных источников:
1. J.P. Ibbetson; Appl. Phys. Lett, 2000, V. 77, P. 250-252;
2. R.Veturyetal; IEDM Tech. Dig., 1998, V. 98, P. 55-58;
3. A.Lloyd Spetz, A.Baranzahi, P.Tobias, I. Lundstrom; Phys. Stat. Sol., 1997, V. 162, P. 493-510;
4. Т.Kikkawa, M.Nagahara; IEDM Tech. Dig., 2001, P. 25.4.1-25.4.4;
5. J.Schalwig, G.Muller, U.Karrer, M.Eickhoff, O.Ambacher, M.Stutzmann; monitoring, Mat. Sci. Eng. 2002, В 93, P. 207-214.