Введение к работе
Актуальность темы. В связи с интенсивным ростом промышленного производства и увеличением выбросов в атмосферу опасных для здоровья и жизни человека веществ стало актуальным использование различных систем мониторинга технологических процессов и состояния окружающей среды. В таких системах чаще всего используются относительно дешевые, малогабаритные, но при этом обладающие высокой чувствительностью полупроводниковые датчики газов. Серийно выпускаемые в мире сенсоры получают в основном по керамической и толстопленочной технологии. Главными недостатками таких датчиков являются: дрейф электрических параметров сенсорных слоев при длительном хранении на воздухе, необходимость нагрева до высоких температур порядка 500 С при определении газовой чувствительности и десорбции газов, что ограничивает их использование для контроля легковоспламеняющихся и взрывоопасных газов, и недостаточная селективность к различным газам.
Некоторые исследователи для решения этих проблем и интенсификации электронно-ионных процессов на поверхности полупроводников пытанись воздействовать на тонкую пленку Sn02 ультрафиолетовым (УФ) светом большой интенсивности, и ими были получены многообещающие результаты. Однако они не рассматривали механизмы такого воздействия, не исследовали характер изменения сопротивления при включении и выключении УФ-света и не предприняли попыток для определения температуры максимальной газовой ч>вствительности при одновременном воздействии на образцы УФ-света и газа, а используемые в их исследованиях стационарные источники УФ-света могут применяться только для научных исследований, так как имеют больш>ю мощность и размеры.
Можно с уверенностью сказать, что все известные данные о влиянии света на газочувствительные свойства полупроводников довольно неоднозначны. В одних статьях можно найти эксперименты по снижению температуры максимальной газовой чувствительности, в других - по увеличению величины максимальной газовой чувствительности в результате подсветки УФ-светом, в третьих -рассказывается о том, что и красный, и желтый, и зеленый, и синий свет увеличивает величину максимальной газовой чувствительно-
сти. Поэтому судить о механизмах воздействия света на тонкие пленки металлооксидных полупроводников еще рано.
Таким образом, вопросы исследования и анализа релаксационных процессов, возникающих при воздействии различных внешних условий, таких как температура, свет, наличие газов в атмосфере, в сенсорных слоях микроэлектронных датчиков газов являются актуальными.
Работа выполнялась по плану работ ГБ 2004.34 «Исследование
полупроводниковых материалов (Si, АЧВ5, А4В62), приборов и техно
логии их изготовления» (№ г.р. 0120.0412888) кафедры полупровод
никовой электроники и наноэлектроники ГОУ ВПО «Воронежский
государственный технический университет», а также в соответствии
с программой региональных грантов РФФИ «Использование нанок-
ристаллических многокомпонентных композитов для разработки
высокочувствительных датчиков газов» (06-02-96500-
рцентрофи), «Микроэлектронный датчик и индикатор токсичных и взрывоопасных газов на его основе» (08-02-99005-р_офи).
Цель работы заключалась в установлении характера изменения основных параметров микроэлектронных датчиков газов в результате воздействия температуры, света и газов, а также условий хранения.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
исследовать условия термостабилизации электрических параметров микроэлектронных датчиков газов после длительного хранения тестовых структур;
исследовать газовую чувствительность микроэлектронных датчиков газов к примесям различных газов в воздухе;
установить характер изменения электросопротивления и газочувствительных свойств микроэлектронных датчиков газов под действием УФ-света слабой интенсивности при различных температурах;
исследовать влияние условий хранения тестовых структур микроэлектронных датчиков газов на их основные параметры.
Объектами исследований служили два типа тестовых структур микроэлектронных датчиков газов с тонкими пленками диоксида олова, изготовленных методом реактивного магнетронного распыления олова на постоянном токе.
Научная новизна работы
Установлено, что термостабилизация электрических параметров тонкопленочных тестовых структур после длительного хранения на воздухе происходит на 1 - 2 порядка быстрее, чем в керамических датчиках зарубежных производителей.
Показано существенное влияние влажности на электрические параметры при хранении тестовых структур микроэлектронных датчиков газов на воздухе.
Установлен характер изменения электросопротивления сенсорного элемента при воздействии УФ-источника света слабой интенсивности, обусловленный процессами протекания электрического тока через мелкокристаллические структуры.
4. Установлено влияние оптической активации электронно-
ионных процессов на параметры газочувствительных свойств поли
кристаллических пленок SnC>2.
Практическая значимость работы
Режимы термостабилизации и чувствительности к газам в воздухе тестовых структур микроэлектронных датчиков газов могут использоваться как в стационарных, так и в портативных устройствах индикации и аварийной сигнализации для предупреждения чрезвычайных ситуаций на производстве или в быту.
Тестовые структуры микроэлектронных датчиков совместно с УФ-светодиодом могут применяться в экономичных устройствах индикации и сигнализации наличия легковоспламеняющихся и взрывоопасных газов в воздухе.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту
Сокращение более, чем в 30 раз, времени термостабилизации электрических параметров тонкопленочных датчиков газов после длительного хранения на воздухе по сравнению с датчиками фирмы «Фигаро». Уменьшение степени изменения электросопротивления чувствительных слоев датчиков газов при их хранении в осушенном воздухе.
Характер изменения электросопротивления чувствительных элементов на основе пленок Sn02 с 1 % ат. Si при взаимодействии с газами-восстановителями (С2Н5ОН, С3Н60 и др.). Результаты измерений газовой чувствительности к сверхмалым концентрациям (1 ррт) паров этилового и изопропилового спиртов в воздухе.
Особенности снижения электросопротивления сенсорных слоев на основе пленок Sn02 с 1 % ат. Si под действием облучения
светодиодом (к = 405 нм, Р = 76 мВт), обусловленные активацией электронно-ионных процессов на поверхности чувствительных элементов тестовых структур.
4. Снижение температуры максимальной газовой чувствительности тестовых структур с чувствительными элементами на основе пленок Sn02 с 1 % ат. Si толщиной 0,25 мкм при воздействии облучения светодиодом с длиной волны 405 нм.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» (Воронеж, 2005 - 2008); Всероссийской научно-практической конференции курсантов, слушателей, студентов, адъюнктов и соискателей «Актуальные вопросы эксплуатации систем охраны и защищенных телекоммуникационных систем» (Воронеж, 2005); Всероссийской научно-практической конференции «Охрана, безопасность и связь -2005» (Воронеж, 2005); Всероссийском электротехническом конгрессе «ВЭЛК-2005» (Москва, 2005); III и IV Всероссийских конференциях «Физико-химические процессы в конденсированных средах и на межфазных границах» (Воронеж, 2006, 2008); II Международном симпозиуме «Качество, инновации, образование и CALS-технологии» (Египет, Хургада, 2006); VI - VIII Международных научных конференциях «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии» (Кисловодск, 2006 - 2008); VI Всероссийской школе-конференции «Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении (индустрия наносистем и материалы)» (Воронеж, 2007); Международной научной конференции «Актуальные проблемы физики твердого тела» (Минск, 2007); International Conference on Nanoscience and Technology (China, Beijing, 2007); I Международной научной конференции «Наноструктурные материалы - 2008» (Минск, 2008); VII научно-технической конференции «Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА» (Москва, 2008).
Публикации. По материалам диссертации опубликована 21 научная работа, в том числе 2 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, подана заявка на патент. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1,9- 10, 12 - 13, 15, 17, 20] исследование фотоэлектриче-
ских свойств нанокомпозитов на основе Sn02 при различных условиях проведения эксперимента, обработка и аппроксимация полученных зависимостей при помощи персонального компьютера (ПК), [2 - 8, 11, 14, 16, 18 - 19, 21] исследование электрических параметров, термической стабильности и газочувствительных свойств тестовых структур микроэлектронных датчиков газов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 77 наименований. Основная часть работы изложена на 162 страницах, содержит 2 таблицы и 65 рисунков.
Похожие диссертации на Релаксация электросопротивления твердотельных датчиков газов под влиянием внешних воздействий
