Датчик газообразных углеводородов на основе пористой пленки SiO2+c нанометровой толщины Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 62-181.48:539.216.2:546.28-31 С.П. Усов, Ю.В. Сахаров, П.Е. Троян

Датчик газообразных углеводородов на основе пористой пленки БЮ2+0 нанометровой толщины

Рассмотрены газочувствительные свойства пористого диоксида кремния, полученного

методом магнетронного распыления составной мишени кремний-углерод.

Ключевые слова: углерод, пористые пленки, диоксид кремния, чувствительный элемент.

Введение

Высокочувствительные датчики углеводородов, особенно метана, являются актуальной практической задачей, от решения которой зависит безопасность ряда производств.

Структура металл-диэлектрик-металл (МДМ) после проведения формовки становится чувствительной к газам, особенно к углеводородам [1]. Однако такой чувствительностью обладают МДМ-структуры только в области низких давлений, т.е. если они находятся в вакуумном объеме при давлениях не более 10-2 мм рт. ст. При атмосферном давлении такие структуры обладают низкой проводимостью и чувствительность их к углеводородам становится незначительной.

В данной работе описаны результаты исследований, позволяющих создать чувствительный элемент, способный работать при атмосферном давлении.

Подготовка образцов и техника эксперимента

В процессе исследовались два варианта образцов: планарная структура и сэндвич МДМ-структура с пленкой диоксида кремния, легированной углеродом ^Ю2+С).

Пленка SiO2+C

' " " " " " " "

> г г "Ч

■$

^ ^ ^ Л ......^

Электрод

Кремневая подложка

В планарном варианте образец чувствительного элемента представляет собой полупроводниковую подложку с нанесенными на полированной поверхности электродами с зазором от 1 до 100 мкм (рис. 1). В область зазора наносится слой SiO2+C с толщиной не более 100 нм. В этом случае проводимость между электродами определяется удельным сопротивлением полупроводника, а изменение ее проводимости связано с изменением ширины области пространственного заряда в полупроводнике, обусловленное адсорбцией газов в пленке SiO2+C. В сэндвич структурах между двумя металлическими электродами располагается слой

SiO2+C. При этом верхний электрод должен иметь толщину 10-15 нм (рис. 2). Изменение электропроводности в такой структуре происходит за счет адсорбции газовых частиц на поверхности диэлектрика и в его объеме.

щ ш

100 мкм

Рис. 1. Структура образца для исследования газо-чувствительных свойств на основе МДП-системы

Рис. 2. Схематическое изображение готовой МДМ-структуры на подложке типа «керн»

Использование пленки диоксида кремния, легированного углеродом, обусловлено тем, что получаемая магнетронным распылением комбинированной мишени Si+C в среде смеси газов Аг+02 пленка SiO2 имеет рыхлую пористую структуру [2]. Такая пленка способна адсорбировать большое количество газов, что является основой высокой чувствительности.

Техника измерения предусматривает размещение МДМ-структуры в герметичном объеме, куда через дозатор напускаются пары метана или других газов. Измерения проводятся на постоянном напряжении.

Результаты экспериментов

Планарная структура

1,-мА 4

Рис. 3. Вольт-амперная характеристика планарной МДМ-структуры: 1 - на воздухе, 2 - при добавлении паров метана с концентрацией 5%

Из рис. 3 видно, что адсорбция молекул метана на поверхности плёнки приводит к увеличению её проводимости, которая существенно возрастает при напряжениях в десятки вольт, что является важным моментом, так как для зазора между электродами 0,1 мм напряжение не должно быть ниже 20-30 В для обеспечения достаточной напряжённости электрического поля.

Результаты зависимости тока через планарную МДМ-структуру от времени при различных напряжениях при добавлении паров углеводородов с объемной концентрацией равной 2,5% представлены в таблице.

и-30 В I, мА 0,7 0,94 1,0 1,05 1,08 1,1 1,1

t, с 0 10 20 35 55 90 120

и-35 В I, мА 0,78 1,13 1,24 1,32 1,4 1,43 1,45

t, с 0 10 20 35 55 90 120

и-50 В I, мА 1,01 1,53 1,69 1,81 1,91 2,0 2,07

t, с 0 10 20 35 55 90 120

Зависимость адсорбционного отклика (А1 /1) на воздействие паров

метана от времени при добавлении углеводородов с объемной концентрацией равной 2,5% представлена на рис. 4.

В первые 10 с следуют наибольшие изменения тока в структурах А1^Ю2+С-А1 при воздействии на неё паров метана. Далее приращение тока снижалось, пока не достигло своего предельного постоянного значения. Активное изменение тока и адсорбционного отклика в первый момент времени скорее всего обусловлено большим наличием адсорбционных мест на поверхности плёнки. Со временем их количество убывает, что вызывает уменьшение приращения тока и, соответственно, уменьшение приращения адсорбционного отклика.

&1, мА

0 20 40 60 80 100 120 140 Рис. 4. Зависимость отклика пленки SiO2+C на воздействие паров метана с объемной концентрацией, равной 2,5%

Сэндвич МДМ-структура

Из рис. 5 видно, как изменяется сквозной ток I в структуре Мо^Ю2+С-А1 при напуске метана в вакуумную камеру.

0,8 ------

0,6------

0,4------

0,2------

0 -I-----

О 2 4 6 Я 10

р=6х10-4

Рис. 5. Зависимость сквозного тока I в структуре Мо^Ю2+С-А1 от парциального давления метана P, при постоянном напряжении U = 10 В

На рис. 6. представлен график зависимости сквозного тока I в структуре Мо^Ю2+С-А1 во времени. Видно, что интенсивное увеличение сквозного тока I происходит на отрезке от 2 до 10 с, затем пленка насыщается и ток достигает своего предельного значения.

Рис. 6. Изменение сквозного тока I в структуре Мо^Ю2+С-А1 во времени при постоянном давлении р=6х10-2

Заключение

Полученные результаты говорят о том, что легирование диоксида кремния углеродом, увеличивает адсорбционные свойства диэлектрика и значительно поднимает чувствительность структуры к углеводородам при атмосферном давлении, что позволяет использовать данную структуру ^Ю2+С) для создания сенсоров газообразных углеводородов.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ № 09-08-99072.

Литература

1. Троян П.Е. Электрическая формовка тонкопленочных структур металл - диэлектрик - металл в сильных электрических полях. - Томск: Изд-во Том. ун-та, 2003. -178 с.

2. Троян П.Е. Влияние углерода на структуру нанопленок двуокиси кремния / П.Е. Троян, Ю.В. Сахаров, С.П. Усов // Матер. докл. всерос. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР-2009». - Томск, 2009. -С. 46-48.

Усов Сергей Петрович

Аспирант каф. физической электроники ТУСУРа Тел.: 8-923-215-55-05 Эл. почта: ser-u@mail.ru

Троян Павел Ефимович

Д-р техн. наук, проф., зав. каф. физической электроники ТУСУРа Тел.: 8 (382-2) 41-39-36 Эл. почта: tpe@ms.tusur.ru

Сахаров Юрий Владимирович

Канд. техн. наук, доцент каф. физической электроники ТУСУРа

Тел.: 8-923-408-06-76

Эл. почта: suv@ms.tusur.ru

Usov S.P., Sakharov Y.V., Troyan P.E.

Sensor gaseous hydrocarbon-based porous film SiO2+C nanometer thickness

Gas-sensitive properties of porous silicon dioxide obtained by sputtering a composite target of siliconcarbon are considered.

Keywords: carbon, porous films, silicon dioxide, sensor.