Фізико-технологічні основи одержання чутливих елементів для датчиків газів
СОДЕРЖАНИЕ: Загальні відомості про методи детекції газів. Поверхневі напівпровідникові датчики газів, принцип їх дії, основи їх побудови. Сучасні датчики газів, та методи їх отримання. Нові матеріали та наноструктури – перспективна база елементів для датчиків газів.
- .
1.
1.1
1.2 , ,
2. ,
2.1 –
2.2
2.3 ,
, , , , , (, ...) , , , , , . , [1].
, ’ . , . , .
. . : , , /, , , , , , , [1].
: ; ;
; .
1.
1.1
: ) ; ) ; ) . , , , - ( ), () – ( ) (, ) ( ) . - . ( ) . , : , , ... , SnO2 , ZnO, TiO2 , NiO, WO3 , In2 O3 . . (25…900 0 ), - . . , , ’ , [1].
. . .
, . – (), [2].
. . . .
[2]. (, ...). , . – . , , [2].
, : 1) 2) ( , )
3) () , , [2].
, , e [3].
(-- ) (--) , (, , ). - () . - ( ) , - – - . ( -) , , [3].
1.2 , ,
, ( -- ) , , , - . .
( -SnO2 , ZnO, Fe2 O3 , WO3 , Co3 O4 ) : ’ , , , . , , . , [3].
. (, ) . , . . C2 H2 OH, CO, C4 , H2 , O2 . 273-773 . , , .1. , . SiO2 (1), – SnOx (100 ). PdAu 2.5 C2 H2 OH. 200 ppm C2 H5 OH 140 [3].
[3], CO, Si. .2 . . SiO2 SnO2 . 35000 ppm CO2 4 .
 |
 |
| .1. : 1 — SiO2 (1 ); 2— -; 3 — SiO2 (1 ); 4 — SnOx; 5 — Al/Cr; 6 — PdAu [3] | .2. : 1 — Si ; 2 — SiO2;3— Au/Mo; 4 — ; 5 — SnO2 [3] |
( .3) Figaro Engineering Inc. () TGS2611 ( .4 ) [4]. ( .3) (SnO2 ), , (Pt, Cu, Ni, Pd), x .
 |
 |
.3. .1 . ; 2 . ; 3. ; 4 . ; 5. . [4] |
.4. (TGS2611) [4] |
CO2 , Figaro Engineering Inc. () (TGS4110) [4]. (.5) . , (.6), , (Na+), , . ( , ( ) – . . :
: 2Li+ + CO2 + 1/2O2 + 2e- = Li2 CO3
: 2Na+ + 1/2O2 + 2e- = Na2 O
: Li2 CO3 + 2Na+ = Na2 O + 2Li+ + CO2
(), :
= Ec . (RT/2F)ln(P(CO2 ))
Ec . , R - , , F - , T – (), P(CO2 ) – .
. 6.
 |
 |
| .5. . 1 . (), 2 . , 3 . (), 4 . (), 5 . , 6 . () [4] | .6. TGS4160 . [4] |
- , , Pd-SiO2 [2]. HH+ + e , Pd-SiO2 , . , , . -. , – . 7. – , . SiO2
, Si3 N4 (50 ) – , (50 ) (50 ) . - , (1 ) , (Al, Ni, Cu, Au, Ag). dU .
 |
.7. -: 1 —Si ; 2 — SiO2; 3 — Si3N4; 4 — ; 5 — ; 6— ; 7 — ; 8 — ; 9 — - ; 10 — -; 11 — ; 12 — [3] |
[5] () (.8 ) (.8 ) .
|
| . 8. (a) () [5] |
(. 9, 10) , , (, ) , , , , . , , (, , , ), - -.
|
| . 10. . : 500*500 m, Si- () 300m, 125, 10 k, 3 k, 40 m, 205 m. a) b) c) d) e) f) . [5] |
|
|
| . 11 ). () . [5] | . 11 ).. C Pt . : 500 * 500 m, Si 300m, 200 , 75k , 10 k 80 m 185 m [5] |
 |
|
. 11 ). . a) b) c) d) e) f) g) h) . [5] |
|
1, Figaro Engineering Inc. () [4] AppliedSensor Inc. [6], .
.1
| / | ||
| TGS813 /Figaro Engineering Inc. | 500-1000 ppm | |
| TGS842 /Figaro Engineering Inc. | CH4 | 500-10000 ppm |
| TGS821/ Figaro Engineering Inc. | H2 | 50-1000 ppm |
| TGS203/ Figaro Engineering Inc. | CO | 50-1000 ppm |
| TGS826 /Figaro Engineering Inc. | NH4 | 30-300 ppm |
| TGS825/ Figaro Engineering Inc. | H2 S | 5-100 ppm |
| TGS2104 /Figaro Engineering Inc. | 10-100 ppm | |
| TGS2105/Figaro Engineering Inc. | 0.1-1 ppm | |
| TGS822/ Figaro Engineering Inc. | 50-5000 ppm | |
| TGS830 /Figaro Engineering Inc. | 100-3000 ppm | |
| IAQ-100 /AppliedSensor Inc. | CO2 | 350 - 2000 ppm |
| AS-MLC /AppliedSensor Inc. | CO | 0.5 - 500 ppm |
| AS-MLK /AppliedSensor Inc. | CH4 | 0.01 4% |
2. ,
2.1 –
’ , . , GaN, . , - - . , , ’ . - , . – , , () -, -, . /’, (, ) . . .
2.2
, , In2 O3 . - NOx (NO NO2 ).
[7] Nx (.12 ) In2 O3 MOCVD ( ). NOx (.13), (.14)
 |
 |
 |
| Fig. .12 bc- In2 O3 (0. [7] | .13. 0.002, 0.004, 0.008, 0.01, 0.05, 0.15, 0.5, 1, 10 m NOx . [7] |
.14 0.01 m NOx. [7] |
, , (.15,16).
|
 |
| .15 NO [7] | .16 O2 [7] |
GaN/AlGaN.
[8] , : H2 , CO, C2 H2 , NO2 . GaN/AlGaN ( GaN, AlGaN, AlN -- ) (.17).
 |
| .17 ) . GaN/AlGaN – (HEMT). GaN/AlGaN . [8] |
, (. 17 ), H GaN. Pt GaN O2 , CO, C2 H2 , NO2 (.18)
 |
||
| .17 ) Pt . (Gate-, source -, drain- ) [8] | ||
 |
 |
|
.18. Pt -HEMT (Ha, Hi: , Xa, Xi: ). [8] |
.19. H2 4% O2 N2 300 C . [8] | |
H GaN O2 , CO, C2 H2 , NO2 (. 17 ). H2 ( 19) [8].
|
| .20. - () Pt–Ga- -HEMT H2 , C2 H2 , CO, NO NO2 4% O2 N2 . 400 . [8] |
( ) 400 , (. 20).
, GaN/AlGaN , . [9] [10] GaN/AlGaN (GaN/AlGaN MOCVD) (Sc2 O3 ) (. 21).
|
 |
| .21. ---HEMT - . [9] | .22. - H2 ( 1% H2 /99% N2 ) . [9] |
Sc2 O3 /AlGaN, ’ 30-50 meV, - [9]. [9] (.22)
[11] GaN (GaN/AlGaN MOCVD) (.) 200 800 . 11-120 meV (.25)[11]
|
 |
 |
| .23. Pt–AlGaN/GaN . [11] | .24. Pt-AlGaN/GaN 0 5% , 200 800 . [11] | .25. Pt- AlGaN/GaN N2 5% H2/95% N2 . [11] |
(1% H2 ) GaN/AlGaN ( ) , Pt, -Ti/Au (. 24-26) [12]. Ti/Au , () , [12].
 |
 |
 |
| .26. . 10 nm Pt , Ti/Au . [12] | .27. HEMT 25°C. [12] | . 28. HEMT 25°C. [12] |
[12] TiB2 [13] (. 29-30).
 |
 |
| .29. HEMT TiB2 . – . [13] | .30. TiB2. [13] |
In2 O3 ( ) (~40 ppb – 40 ) [14] (.31-32). In2 O3 LED (light emitted diode)- (. 32), .
|
 |
| .31. In2 O3 , . [14] | .32. GaInN LED . [14] |
[15] , (SiC). Si (001) n- 4 3C- SiC ( ) NiCr (. 33). Ar. , 0.33% H2 .
, 3C- SiC/Si Si (001) n- (. 34). , H2 , H2 - [15].
|
 |
.33. 3C–SiC n-type Si(001). 10% ( 0 100%). , 3C–SiC. 50 . [15] |
.34. 50 ( 3C–SiC). 10 % - . [15] |
 |
 |
| .35. ( ) ZnO SiO2 Si- , . [16] | .36. SnO2 NO2 225 °C. [16] |
NO2 ZnO [16] SiO2 /Si (. 35).
’ . , NO2 ZnO . , 225 (.36).
GaN (.37), [17]. , , , (.38)
 |
 |
| .37. GaN . [17] | .38. , ( ). , . [17] |
 |
 |
| .39 (DWCNT) . [18] | .40. ( ) ( ) . [18] |
[18] . (. 39). -S21 () (0-110 ) (.40).
2.3 ,
, (, ) , , : 1) , 2) .
, . : CVD (Chemical vapor deposition)- ( - MOCVD -Metal Organic Chemical Vapor Deposition – , PACVD (Plasma Assisted Chemical Vapour Deposition), PECVD - (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition) , LCVD (Laser CVD) – ) MBE (Molecular Beam Epitaxy)- () (), , , .
CVD- (Chemical vapor deposition) , . . CVD- , , , / , . , . CVD- : , , . : (), , , , SiO2, , ... , [19]:
SiH4 Si + 2 H2
600 650 °C , 25 150 , 10-20 . :
SiH4 + O2 SiO2 + 2 H2
SiCl2 H2 + 2 N2 O SiO2 + 2 N2 + 2 HCl
Si(OC2 H5 )4 SiO2 + byproducts
MOCVD – () , . (GaAs) (CH3 )3 Ga (C6 H5 )3 As. 1968 [20]. ME , ( 2 100 ). – , , . . ( H2 N2) .
- () [21] - . . ‘in situ’ ( ). . 1960- . . (J. R. Arthur) (Alfred Y. Cho). .
, , .
, :
1. - , , ;
2. – , – ( );
3. , (, GaN, InN...) , - (, , , ...), ( , ), , ;
4. , ( , - ), .
, , /, , , , , , , , , .
1. .. Sn2 O2 n-Sn2 O2 /p-Si. . . . , -2007, 15 .
2. http://www.insovt.ru/sensors/
3. .. , .. , .. , .. , .. . .-, -2000, -155.
4. .. Figaro http://www.platan.ru/article/paper.pdf.
5. M. Graf,D. Barrettino, H. P. Baltes,A. Hierlemann CMOS Hotplate Chemical Microsensors. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, -2007, -125 p.
6. http://www.appliedsensor.com/products/
7. M. Ali, Ch.Y. Wang, C.-C. Rohlig, V. Cimalla, Th. Stauden, O. Ambacher, NOx sensing properties of In2 O3 thin films grown by MOCVD, Sensors and Actuators B 129, pp. 467–472, -2008.
8. J. Schalwig, G. MuЁller, M. Eickhoff, O. Ambacher, M. Stutzmann, Gas sensitive GaN/AlGaN-heterostructures Sensors and Actuators B 87, pp. 425–430, -2002.
9. B. S. Kang, R. Mehandru, S. Kim, and F. Ren,R. C. Fitch, J. K. Gillespie, N. Moser, G. Jessen, T. Jenkins, R. Dettmer, D. Via, and A.Crespo, B. P. Gila, C. R. Abernathy, and S. J. Pearton, Hydrogen-induced reversible changes in drain current in Sc2 O3 /AlGaN/GaN high electron mobility transistors Appl. Phys. Lett. -84, 23, pp. 4635-4637, -2004.
10. B. S. Kang and F. Ren, B. P. Gila, C. R. Abernathy, and S. J. Pearton, AlGaN/GaN-based metal–oxide–semiconductor diode-based hydrogen gas sensor, Appl. Phys. Lett. -84, 7, pp. 1123-1125, -2004.
11. Junghui Song and Wu Lu, Jeffrey S. Flynn and George R. Brandes, Pt-AlGaN/GaN Schottky diodes operated at 800 °C for hydrogen sensing, Appl. Phys. Lett. -87, pp. 1335011-3, -2005.
12. Hung-Ta Wang, T. J. Anderson, and F. Ren, Changzhi Li, Zhen-Ning Low, and Jenshan Lin, B. P. Gila and S. J. Pearton, A. Osinsky and Amir Dabiran, Robust detection of hydrogen using differential AlGaN/GaN high electron mobility transistor sensing diodes, Appl. Phys. Lett. -89, pp. 2421111-3, -2006.
13. Hung-Ta Wang, T. J. Anderson, B. S. Kang, and F. Ren,Changzhi Li, Zhen-Ning Low, and Jenshan Lin, B. P. Gila and S. J. Pearton, A. Osinsky and Amir Dabiran, Stable hydrogen sensors from AlGaN/GaN heterostructure diodes with TiB2-based Ohmic contacts, Appl. Phys. Lett. -90, pp. 2521091-3, -2007.
14. Ch. Y. Wang,a_ V. Cimalla, Th. Kups, C.-C. Rцhlig, Th. Stauden, O. Ambacher, M. Kunzer, T. Passow, W. Schirmacher, W. Pletschen, K. Kцhler, and J. Wagner, Integration of In2 O3 nanoparticle based ozone sensors with GaInN/GaN light emitting diodes, Appl. Phys. Lett. -91, pp. 1035091-3, -2007.
15. Timothy J. Fawcett John T. Wolan, Rachael L. Myers, Jeremy Walker, and Stephen E. Saddow, Wide-range (0.33%–100%) 3C–SiC resistive hydrogen gas sensor development, Appl. Phys. Lett. -85, 3, pp. 416-419,-2004.
16. M.-W. Ahn, K.-S. Park, J.-H. Heo, J.-G. Park, D.-W. Kim, K. J. Choi, J.-H. Lee, and S.-H. Hong, Gas sensing properties of defect-controlled ZnO-nanowire gas sensor, Appl. Phys. Lett., -93, pp. 2631031-3, -2008.
17. Wantae Lim, J. S. Wright, B. P. Gila, Jason L. Johnson, Ant Ural, Travis Anderson,F. Ren, and S. J. Pearton, Room temperature hydrogen detection using Pd-coated GaN nanowires, Appl. Phys. Lett., -93, pp. 0721091-3, -2008.
18. M. Dragoman, K. Grenier, D. Dubuc, L. Bary, R. Plana, E. Fourn, E. Flahaut, Millimeter wave carbon nanotube gas sensor, Journ. of Appl. Phys. -101, pp. 1061031-2, -2007.
19. http://en.wikipedia.org/wiki/Chemical_vapor_deposition
20. http://en.wikipedia.org/wiki/Metalorganic_vapour_phase_epitaxy
21. http://en.wikipedia.org/wiki/Molecular_beam_epitaxy