CC BY
63
8. Гаршенин В.В., Дмитриев В.П., Чарыков СЛ. Системы параметров октронов // Электронная промышленность. - 1989. - № 63. - С. 27-30.
9. Методы повышения радиационной стойкости изделий электронной техники и электротехники. - М: Миноборонгиз. - 1984. - 368 с.
10. Акаев АЛ. Оптические методы обработки информации. - М.: Радио и связь. -1988. - 237 с.
Асланиди Максим Юрьевич
ООО «Владикавказстрой».
E-mail: [email protected].
г. Владикавказ, РСО-^ания, ул. Сибирская, 15.
Тел.: 89188268314.
Aslanidi Maxim Yuryevich
Work in OOO «Vladikavkazstroy».
E-mail: [email protected].
15, Sibirskaya street, Vladikavkaz, RNO-Alaniya.
Phone: 89188268314.
УДК 621.3.049.774.2
АЛ. Залозный, М.Д. Бавижев, С.И. Рембеза, ДМ. Красовицкий
СЕНСОРНЫЙ ДАТЧИК ВОДОРОДА НА ОСНОВЕ ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ ALGAN/GAN С PT ЗАТВОРОМ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ
Исследована возможность изготовления и использования сенсорного датчика водорода на основе гетероструктуры AlGaN/GaN с платиновым (Pt) затвором. Полупроводниковая гетероструктура была получена методом молекулярно-лучевой эпитаксии и последующим вакуумным напылением платины. Обнаружена чувствительность к угарному газу (CO), ацетилену (C2H2) и оксиду азота (NO2).
Газовый сенсор; водород; двумерный электронный газ.
A.N. Zalozniy, M.D. Bavidgev, S.I. Rembeza, D.M. Krasovitskiy
HYDROGEN SENSOR ON BASIS OF HETEROSTRUCTURE ALGAN/GAN WITH PT GATE FOR EXTREME CONDITIONS OPERATION
Possibility of manufacturing and use of a sensor control of hydrogen on the basis of heterostructure AlGaN/GaN with platinum (Pt) a shutter is investigated. The semi-conductor heterostructure has been received by a method molekuljarno-beam epitaxy and the subsequent vacuum dusting of platinum. Sensitivity to carbonic oxide (CO), to acetylene (C2H2) and nitrous oxide (NO2) is found out.
Gas sensor; hydrogen; two dimensional electron gas.
. -
ляется актуальной научно-технической проблемой. Водород может быть использован как топливо для воздушной, наземной и подводной техники, при этом в качестве продукта реакции водород + кислород, выступает вода, что делает любой объект «невидимым» для радаров.
С другой стороны, водород является пожаровзрывоопасным и относится к категории взрывоопасности IIC, группе взрывоопасности Т1 по ГОСТ 12.1.011. И утечки водорода могут привести к разрушительным последствиям [1, 2].
, , -родо-чувствительных сенсоров, работающих в экстремальных условиях (высокие температура, влажность, давление).
Постановка задачи. В течение последних 20-30 лет исследовательские группы (Figaro, Alphasense, Dynament, MEMBRAPOR и т.д.) занимались изучением и изго-
- . -ные конструкции сенсоров с многообразными механизмами детектирования.
Основными недостатками сенсоров, представленными данными исследова-, ( -сора время работы составляет не более 6 месяцев), относительно большое время отклика (до 1 минуты), высокая стоимость, невозможность использования в экс, -ческих цепях (необходимость создания дополнительных высоковольтных блоков ).
На основе всех вышеперечисленных недостатков существующих водородочувствительных сенсоров в НИИ Прикладных нанотехнологий (СевКавГТУ) совместно с кафедрой полупроводниковой электроники (ВГТУ) и ЗАО «Светлана» -, .
Целью работы является разработка быстродействующего газового сенсора для использования в экстремальных условиях с возможностью интеграции в электронные цепи при долгом сроке эксплуатации более 5 лет.
Для выполнения поставленной цели были определены следующие задачи:
1. -.
2. .
3. .
4. Исследовать электрофизические свойства.
5. .
Данная статья посвящена исследованиям электрофизических характеристик исследуемой структуры и газовой чувствительности при высоких температурах.
. , методом молекулярно-лучевой эпитаксии представлена на рис. 1.
Рис. 1. Поперечное сечение газочувствительной структуры AlGaN/GaN
с Pt-затвором
Полупроводниковая структура AlGaN/GaN является чувствительной к поверхностному состоянию.
Механизм взаимодействия газ-сенсор в основном связан с физической сорбцией, хемосорбцией, поверхностными дефектами, объемными дефектами или совокупностью всех этих процессов.
Для пористого платинного затвора адсорбция молекул газа или последующих , , на поверхности AlGaN.
Открытые участки AlGaN вероятно оксидируются, образуя нестехиометрическое соединение AlGaN-O, и явления, имеющие место в этом случае, могут быть объяснены механизмом чувствительности металлооксидов: адсорбция приводит к увеличению положительной валентности адсорбированных комплексов, т.е. 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:
1. Создание или снятие поверхностных диполей, связанных с адсорбирован-
, ,
CO, N2.
2. Создание или снятие поверхностных диполей, связанных с адсорбирован-
, , -, . -AlGaN , -
ного слоя в полупроводнике.
3. Способность водорода диффундировать через плотную пленку непористой P. То есть молекулы водорода диссоциируют (катадитически разлага-
)
металлом (Pt) и полупроводником (AlGaN), изменяя граничный заряд (ди-).
Для определения полного спектра электрофизических характеристик был из, - , ( . 2) площадью 5400x6100 мкм, состоящий из следующих датчиков:
♦ один датчик для измерений методом Ван-дер-Пау (рис. 3,а);
♦ шесть датчиков для измерений вольт-фарадных характеристик (рис. 3,6);
♦
длинной линии (рис. 3,в);
♦ восемнадцать исследуемых структур (рис. 3,г).
Газовые измерения проводились в специально изготовленной газовой камере (рис. 4), обеспечивающей следующие основополагающие критерии применительно к поставленной задаче:
1.
прямоугольных импульсов концентраций анализируемого газа с фронтами нарастания и спада длительностью не более долей секунды.
2.
быть минимально возможным.
3.
образца должен быть использован дифференциальный принцип сравнения его показаний газовой смеси с анализируемым газом и показаниями в чис-
- . -роконцентраций в диапазоне от единиц ppb до единиц ppm для газов, которые всегда присутствуют в атмосферном воздухе. При приготовлении
5350
газовых смесей в указанном диапазоне концентраций речь может идти о малых добавках к атмосферным концентрациям газов, т.е. Сге = Сгаз + Сатм, где последовательно указаны полная концентрация газа в газовой смеси, расчетное значение концентрации газа и концентрация газа в баллоне с воздухом. Исходя из сказанного, на нулевой линии должен применяться тот же , .
Рис. 2. Общая топология тестового модуля
Рис. 3. Датчики для исследований
в
Результаты и обсуждения. Функционирование исследуемой структуры основано на изменении электрическим полем ширины канала с двумерным электронным газом, по которому протекает ток. Подавая различные напряжения между затвором и истоком (изменяя толщину проводящего канала), можно управлять током между стоком и истоком.
Выходные характеристики исследуемой структуры, полученные при комнатной температуре, представлены на рис. 5.
Рис. 4. Схематическое изображений системы измерения газочувствительных
свойств
Для исследуемой структуры при отрицательном напряжении на затворе и3и = - 5 В (напряжение отсечки) канал между истоком и стоком отсутствует, о чем свидетельствует нулевое значение тока стока при увеличении напряжения стока-истока иси.
Канал начинает формироваться при повышении напряжения на затворе, так при напряжении на изи = - 4 В наблюдается увеличение тока стока к до значения
0,019 А/мм.
При увеличении напряжения на затворе изи (от - 3 В до 0 В) наблюдается увеличение канала, где ток стока 1с сначала линейно увеличивается с напряжением иси, а затем крутизна характеристики плавно уменьшается до нуля, после чего начинается область насыщения, связанная с увеличением толщины области пространственного заряда и, уменьшением сечения канала. Переход с одного участка выходной ВАХ на другой происходит при достижении граничного значения напряжения стока (дая Изи = - 3 В,Ир = 2,2 В; для Изи = - 2 В, Ир = 3,5 В; для Изи = - 1 В, Иф = 4,5 В; для Ии = 0 В, Ир = 5,5 В).
Из графика видно, что при Изи = 0 В, канал является проводящим. Максимальный ток стока равен 0,67 А/мм.
Зависимость тока стока от напряжения на затворе представлена на рис. 6.
Зависимость к = /(Ии) является характеристикой входа-выхода сенсора, так как связывает входное управляющее напряжение Ши и выходной ток к и определяет эффективность управления по затвору.
Функция к = /(Изи) начинается в точке на оси входных напряжений Ии = - 5 В, соответствующей пороговому значению напряжения затвора Ипор, так как только при Ии > Иор индуцируется проводящий канал и появляется выходной ток 1с.
Рис. 5. Выходная волып-аиперная рис. 6. Зависимость тока стока 1С
характеристика исследуемой структуры от напряжения на затворе изи при
иси = 5,5 В
Расчетные значения выходного сопротивления канала представлены в табл. 1.
Таблица 1
Выходное сопротивление
Ши, В W, Ом/мм
0 15
- 1 19
- 2 28
- 3 63
- 4 525
Данные показывают, что минимальное сопротивление канала формируется при и3и = 0 В.
На основе проведенных исследований можно утверждать, что исследуемая структура является нормально открытой с максимальными рабочими параметрами (1С = 0,67 А/мм; г^ = 15 Ом/мм) при и3и = 0 В и дальнейшее исследование газовой чувствительности будет осуществляться только при значении и3и = 0 В.
Измерения газовой чувствительности были проведены при концентрации водорода 0,5 ppm, при комнатной температуре и относительной влажности воздуха 33 %. Результаты этих изменений представлены на рис. 7.
Время,сек
Рис. 7. Временная характеристика изменения 1с при трех циклах переключения
М2-(И2)М2 (изи = 0 В)
.
(0,5 ppm)
Ic от 0,67 А/мм до 0,75 А/мм для всех трех циклов переключения. Отклик сенсора
(0,5 ppm) . -
клика (т0,9) на увеличение концентрации составляет около 4 с, тогда как время восстановления (десорбции) равно примерно 25 с. Амплитуда сигнала остается постоянной в течение всего времени измерения.
Рис. 8. Температурная зависимость чувствительности при разных концентрациях газа
Из рис. 8 видно, что при постоянной температуре сила тока увеличивается с увеличением концентрации водорода. При постоянной концентрации водорода ток стока увеличивается линейно до температуры 600° С. Увеличение тока при высоких температурах является следствием более эффективной диссоциации молекул водорода в Р1 слое. Ток стока в интервале температур от 6000 до 8000 С переходит в насыщение и говорит о максимальной эффективности диссоциации молекул водорода в Р1 слое.
При температуре 8000 С наблюдается полная воспроизводимость результатов. Это указывает на то, что исследуемая структура достаточно надежна.
Рис. 9. Зависимость тока стока от концентрации газов (восстановителей и
окислителей) во времени
Рис. 9 показывает результаты исследования чувствительности к различным газам (восстановители и окислители). Из рис. 9 видно, что газы-восстановители,
2, 2 2 , - -гласно реакции [3]:
A2 — 2e 2A+
происходит уменьшение обедненного слоя.
Добавление NO не привело к изменениям тока стока-истока и вероятно связано с растворением NO в N2.
Газы-окислители (NO2) приводят к уменьшению тока сток-исток и согласно реакции [3]:
B2 + 2e 2B
происходит увеличение обедненного слоя.
,
создания газочувствительной гетероструктуры AlGaN/GaN, работающей при вы.
Сенсор показывает высокую чувствительность к водороду в наиболее интересном с практической точки зрения интервале концентраций водорода
0.5.5000 ppm. Отклик сенсора, как функция концентрации водорода, линеен и составляет 4 с.
Наблюдается чувствительность к газам-восстановителям и газам-окислителям.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Schalawig J., Muller G., Eickhoff M. Gas sensitive GaN/AlGaN-heterostructures. Sensors and Actuators, 2002. - 425 p.
2. . ., . ., . -// Сенсор. - 2002. - № 4. - С. 8-16.
3. . . ,
режиме. Науч. сообщ. ННЦ ГП - ИГД им. А.А. Скочинского. -2001. - № 319. - С. 202-213. Залозный Александр Николаевич
Северо-Кавказский государственный технический университет.
. , . , 1/1, . 6.
E-mail: [email protected].
Тел.:89188757521.
Рембеза Станислав Иванович
Воронежский государственный технический университет. г. Воронеж, Московский пр., 14.
E-mail: [email protected].
.: 84732437695.
Бавижев Мухамед Данильевич
НИИ Прикладных нанотехнологий СевКавГТУ.
. , . , 2.
E-mail: [email protected].
.: 88652944009.
Краеовицкий Дмитрий Михайлович
Закрытое акционерное общество «Светлана-рост».
E-mail: [email protected] г. Санкт-Петербург, пр. Энгельса, 27.
Тел.:88122442532.
Zaloznij Alexandr Nikolaevich
North Caucasus State Technical University.
1/1, Festival’nij pr., Stavropol’, Russia.
E-mail: [email protected].
Phone:89188757521.
Rembeza Stanislav Ivanovich
Voronezh state technical university.
14, Moskovskij pr., Voronej, Russia.
E-mail: [email protected].
Phone: 84732437695.
Bavizhev Muhamed Danil'evich
Scientific research institute of applied technologies North Caucasus State Technical University.
2, Kulakova pr., Stavropol’, Russia.
E-mail: [email protected].
Phone: 88652944009.
Krasovickij Dmitrij Mihajlovich
"Svetlana - Rost” JSC.
E-mail: [email protected] 27, Engels pr., St. Petersburg, Russia.
Phone: 88122442532.
