RU2674406C1 - METHOD FOR OBTAINING GAS-SENSITIVE ELEMENT BASED ON MULTI-LAYERED STRUCTURE OF POROUS SILICON ON THE INSULATOR AND SnOX - Google Patents
METHOD FOR OBTAINING GAS-SENSITIVE ELEMENT BASED ON MULTI-LAYERED STRUCTURE OF POROUS SILICON ON THE INSULATOR AND SnOX Download PDFInfo
- Publication number
- RU2674406C1 RU2674406C1 RU2017145003A RU2017145003A RU2674406C1 RU 2674406 C1 RU2674406 C1 RU 2674406C1 RU 2017145003 A RU2017145003 A RU 2017145003A RU 2017145003 A RU2017145003 A RU 2017145003A RU 2674406 C1 RU2674406 C1 RU 2674406C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sno
- gas
- temperature
- sensitive element
- minutes
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
- G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
- G01N27/12—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
- H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic System or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
- H01L21/30—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26
- H01L21/31—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26 to form insulating layers thereon, e.g. for masking or by using photolithographic techniques; After treatment of these layers; Selection of materials for these layers
Abstract
Description
Изобретение относится к полупроводниковой технологии и может быть использовано в процессе получения материалов с высокой газовой чувствительностью и малыми размерами для изготовления газовых сенсоров.The invention relates to semiconductor technology and can be used in the process of obtaining materials with high gas sensitivity and small size for the manufacture of gas sensors.
Сенсорные устройства широко применяются в системах безопасности для детектирования токсичных газов, включая оксиды углерода и азота. Пристальное внимание уделяется устройствам на основе полупроводниковых оксидов металлов, в частности - оксида олова SnO2. Механизм действия подобных устройств основан на изменении электропроводности полупроводников n-типа проводимости в ходе происходящих на их поверхности химических превращений, например, взаимодействия оксида азота с хемосорбированным кислородом. Сенсоры на основе SnO2 характеризуются невысокой стоимостью, хорошей скоростью отклика и рядом других преимуществ. В то же время их типичными недостатками являются высокие рабочие температуры и недостаточная чувствительность. С целью устранения отмеченных недостатков в сенсорных устройствах чаще всего используется введение каталитически активного металла (чаще всего - металла платиновой группы) либо непосредственно в объем полупроводникового оксида, либо в виде отдельного каталитического слоя, что увеличивает количество технологических операций и приводит к повышению стоимости сенсора (патент RU 2006845).Sensor devices are widely used in security systems for the detection of toxic gases, including carbon and nitrogen oxides. Close attention is paid to devices based on semiconductor metal oxides, in particular, tin oxide SnO 2 . The mechanism of action of such devices is based on a change in the electrical conductivity of n-type semiconductors during chemical transformations occurring on their surface, for example, the interaction of nitric oxide with chemisorbed oxygen. Sensors based on SnO 2 are characterized by low cost, good response speed and a number of other advantages. At the same time, their typical drawbacks are high operating temperatures and insufficient sensitivity. In order to eliminate the noted shortcomings in sensor devices, the most commonly used is the introduction of a catalytically active metal (most often a platinum group metal) either directly into the semiconductor oxide volume or as a separate catalytic layer, which increases the number of technological operations and leads to an increase in the cost of the sensor (patent RU 2006845).
В настоящее время существуют технологии получения тонких и толстых пленок оксида олова. Самый распространенный метод получения толстых пленок - это золь-гель технология, с помощью которой получают нанокристаллические пленки с большой площадью поверхности, что увеличивает чувствительность (патент US 6134946). Недостатком такой технологии является большая толщина пленки (порядка микрон), что затрудняет дальнейшую миниатюризацию устройства, а также технологические сложности воспроизводства сенсорного материала.Currently, there are technologies for producing thin and thick films of tin oxide. The most common method for producing thick films is the sol-gel technology, with the help of which nanocrystalline films with a large surface area are obtained, which increases the sensitivity (US patent 6134946). The disadvantage of this technology is the large film thickness (of the order of microns), which complicates the further miniaturization of the device, as well as the technological difficulties of reproducing the sensor material.
Для увеличения чувствительности сенсора также используются различные конструктивные варианты сенсоров. Например, в патенте RU 2557435 полупроводниковый элемент представляет собой систему из внутреннего слоя SnO2, вокруг которого расположен шарообразный пористый и газочувствительный слой из In2O3. Недостатком данного решения является конструктивная сложность сенсора.Various sensor designs are also used to increase the sensitivity of the sensor. For example, in patent RU 2557435, the semiconductor element is a system of an inner SnO 2 layer, around which a spherical porous and gas-sensitive layer of In 2 O 3 is located . The disadvantage of this solution is the structural complexity of the sensor.
В целях увеличения чувствительности сенсорного элемента и возможности миниатюризации можно использовать разветвленные структуры, которые служат носителями для чувствительного материала. Например, в патенте RU 2379784 предлагается получение газочувствительного материала (диоксида олова) в порах наноструктурированного оксида алюминия. Недостаток данной работы заключается в отсутствии исследований газовой чувствительности полученной структуры.In order to increase the sensitivity of the sensor element and the possibility of miniaturization, it is possible to use branched structures that serve as carriers for sensitive material. For example, patent RU 2379784 proposes the production of a gas-sensitive material (tin dioxide) in the pores of nanostructured alumina. The disadvantage of this work is the lack of gas sensitivity studies of the resulting structure.
Известен способ получения макропористого кремния с диоксидом олова в порах (Sensors and Actuators 74, 1999, 95-99). В данной работе был получен чувствительный слой SnO2 на мембране окисленного макропористого кремния. Полученная структура показала высокую чувствительность к малым концентрациям С6Н6, а также малые времена отклика и восстановления при разных уровнях влажности. Недостатком полученной чувствительной структуры является повышенная рабочая температура - 375°С.A known method of producing macroporous silicon with tin dioxide in the pores (Sensors and Actuators 74, 1999, 95-99). In this work, a sensitive SnO 2 layer was obtained on an oxidized macroporous silicon membrane. The resulting structure showed high sensitivity to low concentrations of C 6 H 6 , as well as short response and recovery times at different humidity levels. The disadvantage of the obtained sensitive structure is the increased operating temperature of 375 ° C.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ создания многослойной сенсорной структуры “композит на изоляторе” на основе пористого кремния и нестехиометрического оксида олова (В.В. Болотов, В.Е. Росликов, Е.А. Росликова, К.Е. Ивлев, Е.В. Князев / Получение двухслойных структур “композит на изоляторе” на основе пористого кремния и SnOx, исследование их электрофизических и газочувствительных свойств // Физика и техника полупроводников, 2014, том 48, вып. 3, с. 412-416, прототип). В данном способе на подложку из окисленного двухслойного пористого кремния наносят слой нестехиометрического диоксида олова (SnOx) методом осаждения из парогазовой фазы. Была исследована газовая чувствительность при экспозиции в NO2 и дегазации на воздухе при комнатной температуре. К недостаткам полученной структуры можно отнести недостаточно высокую чувствительность.Closest to the proposed technical solution is a method of creating a multilayer sensor structure “composite on an insulator” based on porous silicon and non-stoichiometric tin oxide (V.V. Bolotov, V.E. Roslikov, E.A. Roslikova, K.E. Ivlev, EV Knyazev / Preparation of bilayer composite-on-insulator structures based on porous silicon and SnO x , investigation of their electrophysical and gas-sensitive properties // Physics and Technology of Semiconductors, 2014, Volume 48, Issue 3, pp. 412-416, prototype). In this method, a layer of non-stoichiometric tin dioxide (SnO x ) is deposited on a substrate of oxidized bilayer porous silicon by vapor deposition method. The gas sensitivity was studied during exposure to NO 2 and degassing in air at room temperature. The disadvantages of the obtained structure include insufficiently high sensitivity.
Технической задачей, на достижение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение чувствительности газочувствительного элемента к NO2 при комнатной температуре.The technical problem to which the invention is directed is to increase the sensitivity of the gas-sensitive element to NO 2 at room temperature.
Предлагаемый способ получения газочувствительного элемента на основе многослойной структуры пористого кремния на изоляторе и SnOx включает двухэтапное анодное травление пластины кремния, окисление полученной двухслойной структуры путем высокотемпературного отжига в парах кислорода, с последующим нанесением пленки SnOx методом осаждения из парогазовой фазы и отличается тем, что перед стадией высокотемпературного отжига двухслойную структуру окисляют в электролите состава HCl: Н2О 1: 7 при плотности тока 20 мА/см2 в течение 5 минут, а полученную многослойную структуру с осажденной пленкой SnOx подвергают термическому отжигу при температуре 350-450°С в течение 60 минут на воздухе Отличительными признаками данного изобретения являются:The proposed method for producing a gas-sensitive element based on the multilayer structure of porous silicon on an insulator and SnO x includes two-stage anodic etching of a silicon wafer, oxidation of the obtained two-layer structure by high-temperature annealing in oxygen vapor, followed by deposition of a SnO x film by vapor-gas deposition and differs in that before high temperature annealing step bilayer structure is oxidized in an electrolyte composition of HCl: H 2 O 1: 7 at a current density of 20 mA / cm 2 for 5 minutes and poluch nnuyu multilayer structure with a deposited film of SnO x is thermally annealed at a temperature of 350-450 ° C for 60 minutes in air distinctive features of the invention are:
- окисление полученной двухслойной структуры проводят в две стадии: сначала в электролите, а затем термическим отжигом;- oxidation of the obtained two-layer structure is carried out in two stages: first in an electrolyte, and then by thermal annealing;
- дополнительная высокотемпературная обработка полученной многослойной структуры.- additional high-temperature processing of the obtained multilayer structure.
Двухслойные структуры, состоящие из внешнего слоя макропористого кремния и захороненного слоя мезопористого кремния, получают анодным травлением полированных пластин монокристаллического кремния в соответствии с патентом RU 2554298 и статьей В.В. Болотов, Е.В. Князев, И.В. Пономарева, В.Е. Кан, Н.А. Давлеткильдеев, К.Е. Ивлев, В.Е. Росликов / Формирование и свойства захороненного изолирующего слоя двуокиси кремния в двухслойных структурах “пористый кремний-на-изоляторе” // Физика и техника полупроводников, 2017, том 51, вып. 1, с. 51-55.Two-layer structures consisting of an outer layer of macroporous silicon and a buried layer of mesoporous silicon are obtained by anodic etching of polished plates of single-crystal silicon in accordance with patent RU 2554298 and article V.V. Bolotov, E.V. Knyazev, I.V. Ponomareva, V.E. Kahn, N.A. Davletkildeev, K.E. Ivlev, V.E. Roslikov / Formation and properties of a buried insulating layer of silicon dioxide in two-layer structures “porous silicon-on-insulator” // Physics and Technology of Semiconductors, 2017, Volume 51, no. 1, p. 51-55.
Окисление полученной двухслойной структуры проводят в две стадии. Первая стадия заключается в электрохимическом окислении захороненного мезопористого слоя в электролите состава HCl: H2O 1: 7 при плотности тока 10-20 мА/см2 в течение 3-6 минут. На второй стадии образцы подвергаются отжигу в атмосфере влажного кислорода при температуре 1100°С в течение 1 часа.The oxidation of the obtained two-layer structure is carried out in two stages. The first stage consists in the electrochemical oxidation of a buried mesoporous layer in an electrolyte of the composition HCl: H 2 O 1: 7 at a current density of 10-20 mA / cm 2 for 3-6 minutes. In the second stage, the samples are annealed in a humid oxygen atmosphere at a temperature of 1100 ° C for 1 hour.
Нанесение пленок SnOx проводят методом осаждения из парогазовой фазы, где прекурсором служит хлорид двухвалентного олова SnCl2⋅2H2O, предварительно просушенный при температуре 290-310°С в потоке сухого воздуха при скорости потока 0,1±0,01 л/мин в течение 30 минут, испарение прекурсора происходит при температуре 500-560°С. Реакционная газовая смесь переносится потоком сухого воздуха со скоростью 0,4±0,01 л/мин в реактор, где расположены подложки, температура которых поддерживается на уровне 300±5°С.Coating of SnO x films is carried out by vapor-gas deposition, where the precursor is divalent tin chloride SnCl 2 ⋅ 2H 2 O, previously dried at a temperature of 290-310 ° C in a stream of dry air at a flow rate of 0.1 ± 0.01 l / min within 30 minutes, the evaporation of the precursor occurs at a temperature of 500-560 ° C. The reaction gas mixture is transferred by a stream of dry air at a rate of 0.4 ± 0.01 l / min to the reactor, where the substrates are located, the temperature of which is maintained at 300 ± 5 ° C.
Осаждение пленки нестехиометрического диоксида олова продолжается 3 часа, при этом происходят следующие реакции:The deposition of a film of non-stoichiometric tin dioxide lasts 3 hours, while the following reactions occur:
SnCl2+2H2O→Sn(OH)2+2HCl↑SnCl 2 + 2H 2 O → Sn (OH) 2 + 2HCl ↑
Sn(OH)2+O2→SnOx+H2O↑Sn (OH) 2 + O 2 → SnO x + H 2 O ↑
Термический отжиг полученной структуры проводят в течение 60 минут на воздухе при температуре от 350°С до 450°С.Thermal annealing of the obtained structure is carried out for 60 minutes in air at a temperature of from 350 ° C to 450 ° C.
Исследования газовой чувствительности многослойной структуры проводят путем измерения вольт-амперных характеристик при экспозиции в газе NO2 и дегазации на воздухе. Для измерений на ее поверхность напылялись два алюминиевых контакта диаметром 3.5 мм.The gas sensitivity studies of the multilayer structure are carried out by measuring the current-voltage characteristics during exposure to NO 2 in gas and degassing in air. For measurements, two aluminum contacts 3.5 mm in diameter were sprayed onto its surface.
За показатель чувствительности принимается относительное изменение проводимости газочувствительного элемента, которое соответствует соотношению (Rg/Ra - 1), где Rg - сопротивление структуры после экспозиции в газе, Ra - начальное сопротивление структуры до экспозиции в газе.The sensitivity index is the relative change in the conductivity of the gas-sensitive element, which corresponds to the ratio (Rg / Ra - 1), where R g is the resistance of the structure after exposure to gas, R a is the initial resistance of the structure before exposure to gas.
На фиг. представлено РЭМ-изображение газочувствительного элемента на основе многослойной структуры пористого кремния на изоляторе и SnOx, полученное на растровом электронном микроскопе JEOL JSM-6610-LV с энерго дисперсионным анализатором Inca-350. На врезке увеличенное изображение дна макропор, покрытого пленкой SnOx:1 - слой SiO2 на монокристаллической стенке макропоры; 2 - пленка SnOx на стенке окисленной макропоры; 3 - слой SiO2, образованный после окисления слоя мезопористого кремния.In FIG. A SEM image of a gas sensitive element based on the multilayer structure of porous silicon on an insulator and SnO x is presented, obtained using a JEOL JSM-6610-LV scanning electron microscope with an Inca-350 energy dispersive analyzer. The inset shows an enlarged image of the bottom of the macropores coated with a SnO x film: 1 — SiO 2 layer on the single-crystal wall of the macropore; 2 - SnO x film on the wall of oxidized macropores; 3 - a layer of SiO 2 formed after the oxidation of a layer of mesoporous silicon.
В макропористом слое кремния наблюдаются поры диаметром от 0,5 до 1,5 мкм, глубина пор достигает 13 мкм. Толщина захороненного мезопористого слоя составляет 9 мкм. После температурной обработки наблюдается окисление стенок макропор на толщину 200-300 нм. Захороненный мезопористый слой окисляется на всю толщину. Пленка SnOx покрывает поверхность макропор равномерно на всю глубину пор. Пленка имеет поликристаллическую структуру с размером кристаллитов 120-200 нм. Толщина пленки оксида олова ~ 200 нм.In the macroporous silicon layer, pores with a diameter of 0.5 to 1.5 μm are observed, the pore depth reaches 13 μm. The thickness of the buried mesoporous layer is 9 μm. After heat treatment, oxidation of the walls of macropores to a thickness of 200-300 nm is observed. A buried mesoporous layer is oxidized to its entire thickness. The SnOx film covers the surface of the macropores evenly over the entire pore depth. The film has a polycrystalline structure with a crystallite size of 120-200 nm. The tin oxide film thickness is ~ 200 nm.
Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами и таблицей.The invention is illustrated by the following examples and table.
Пример 1.Example 1
1. Макропористый кремний получают анодным травлением полированных пластин монокристаллического кремния р-типа марки КДБ-12 (100) толщиной 380 мкм. Для анодного травления используют электролит состава HF: C3H7NO в соотношении 1:9, плотность тока 10±1 мА/см2. Время травления составляет 30 мин при получении слоев толщиной ~ 15 мкм. Для получения двухслойного пористого кремния образцы макропористого кремния промывают в изопропиловом спирте и подвергают повторному анодному травлению в электролите состава HF: С2Н50Н 3:1 при плотности тока 24±1 мА/см2, времени травления 10 минут, при этом толщина захороненного пористого слоя составляет ~10 мкм. Перед каждым травлением кремниевая подложка выдерживается в плавиковой кислоте 15 мин.1. Macroporous silicon is obtained by anodic etching of polished wafers of p-type single crystal silicon of the KDB-12 (100) grade with a thickness of 380 μm. For anode etching, an electrolyte of the composition HF: C 3 H 7 NO is used in a ratio of 1: 9, current density 10 ± 1 mA / cm2. The etching time is 30 min upon receipt of layers with a thickness of ~ 15 μm. To obtain bilayer porous silicon, macroporous silicon samples are washed in isopropyl alcohol and subjected to repeated anodic etching in an electrolyte of the composition HF: С2Н50Н 3: 1 at a current density of 24 ± 1 mA / cm 2 , the etching time is 10 minutes, and the thickness of the buried porous layer is ~ 10 microns. Before each etching, the silicon substrate is aged in hydrofluoric acid for 15 minutes.
2. Полученную двухслойную структуру электрохимически окисляют в электролите состава HCl: Н2О 1: 7 при плотности тока 10 мА/см2 в течение 5 минут. На второй стадии образец подвергают отжигу в атмосфере влажного кислорода при температуре 1100°С в течение 1 часа.2. The resulting two-layer structure is electrochemically oxidized in an electrolyte of the composition HCl: H2O 1: 7 at a current density of 10 mA / cm 2 for 5 minutes. In the second stage, the sample is annealed in a humid oxygen atmosphere at a temperature of 1100 ° C for 1 hour.
3. Нанесение пленки SnOx проводят методом осаждения из парогазовой фазы, где прекурсором служит хлорид двухвалентного олова SnCl2⋅2H2O, предварительно просушенный при температуре 290°С в потоке сухого воздуха при скорости потока 0.1±0,01 л/мин в течение 30 минут, испарение прекурсора массой 0,3 г происходит при температуре 550°С. Реакционная газовая смесь переносится потоком сухого воздуха со скоростью 0,4±0,01 л/мин в реактор, где расположены подложки, температура которых поддерживается на уровне 300±5°С.3. The SnO x film is deposited by vapor-gas deposition, where the precursor is divalent tin chloride SnCl 2 ⋅ 2H 2 O, previously dried at a temperature of 290 ° C in a stream of dry air at a flow rate of 0.1 ± 0.01 l / min for 30 minutes, the evaporation of the precursor weighing 0.3 g occurs at a temperature of 550 ° C. The reaction gas mixture is transferred by a stream of dry air at a rate of 0.4 ± 0.01 l / min to the reactor, where the substrates are located, the temperature of which is maintained at 300 ± 5 ° C.
4. Термический отжиг полученной структуры проводят в течение 60 минут на воздухе при температуре 350°С.4. Thermal annealing of the obtained structure is carried out for 60 minutes in air at a temperature of 350 ° C.
Пример 2.Example 2
1. Аналогично примеру 1.1. Analogously to example 1.
2. Полученную двухслойную структуру электрохимически окисляют в электролите состава HCl:Н2О 1: 7 при плотности тока 20 мА/см2 в течение 5 минут. На второй стадии образец подвергают отжигу в атмосфере влажного кислорода при температуре 1100°С в течение 1 часа.2. The resulting two-layer structure is electrochemically oxidized in an electrolyte of the composition HCl: H 2 O 1: 7 at a current density of 20 mA / cm 2 for 5 minutes. In the second stage, the sample is annealed in a humid oxygen atmosphere at a temperature of 1100 ° C for 1 hour.
3. Аналогично примеру 1.3. Analogously to example 1.
4. Термический отжиг полученной структуры проводят в течение 60 минут на воздухе при температуре 400°С.4. Thermal annealing of the obtained structure is carried out for 60 minutes in air at a temperature of 400 ° C.
Пример 3.Example 3
1. Аналогично примеру 1.1. Analogously to example 1.
2. Полученную двухслойную структуру электрохимически окисляют в электролите состава HCl:Н2О 1: 7 при плотности тока 20 мА/см2 в течение 6 минут. На второй стадии образец подвергают отжигу в атмосфере влажного кислорода при температуре 1100°С в течение 1 часа.2. The resulting two-layer structure is electrochemically oxidized in an electrolyte of the composition HCl: H 2 O 1: 7 at a current density of 20 mA / cm 2 for 6 minutes. In the second stage, the sample is annealed in a humid oxygen atmosphere at a temperature of 1100 ° C for 1 hour.
3. Аналогично примеру 1.3. Analogously to example 1.
4. Термический отжиг полученной структуры проводят в течение 60 минут на воздухе при температуре 450°С.4. Thermal annealing of the obtained structure is carried out for 60 minutes in air at a temperature of 450 ° C.
В Таблице показана относительная газовая чувствительность S при экспозиции в NO2 и дегазации на воздухе при комнатной температуре, рассчитанная из вольт-амперных характеристик, полученных с помощью LCR-Meter Agilent Е4980А. При взаимодействии газочувствительного элемента с диоксидом азота его сопротивление увеличивается благодаря увеличению сопротивления слоя SnOx, покрывающего стенки пор макропористого кремния, что обусловлено акцепторной природой молекул NO2 и электронным типом проводимости оксида олова.The table shows the relative gas sensitivity S when exposed to NO 2 and degassed in air at room temperature, calculated from the current-voltage characteristics obtained using the LCR-Meter Agilent E4980A. When a gas-sensitive element interacts with nitrogen dioxide, its resistance increases due to an increase in the resistance of the SnO x layer covering the pore walls of macroporous silicon, which is due to the acceptor nature of NO 2 molecules and the electronic type of conductivity of tin oxide.
За счет того, что перед стадией высокотемпературного отжига двухслойную структуру окисляют в электролите, полученный газочувствительный элемент обладает высокими диэлектрическими характеристиками окисленного мезопористого кремния (напряжение пробоя больше 15 В), в то время как в структуре, полученной в прототипе, существуют токи утечки даже при малых напряжениях, что может снижать чувствительность структуры.Due to the fact that, before the high-temperature annealing stage, the two-layer structure is oxidized in the electrolyte, the obtained gas-sensitive element has high dielectric characteristics of oxidized mesoporous silicon (breakdown voltage is greater than 15 V), while leakage currents exist in the structure obtained in the prototype even at low voltages, which can reduce the sensitivity of the structure.
Для оптимизации кристаллической структуры нестехиометрического диоксида олова проводится отжиг при температуре 350-450°С. Термическая обработка приводит к увеличению зернистости пленки чувствительного слоя (фиг.), что в свою очередь увеличивает количество межзеренных границ, на которых и происходит изменение сопротивления пленки при адсорбции молекул NO2.To optimize the crystal structure of non-stoichiometric tin dioxide, annealing is carried out at a temperature of 350-450 ° C. Heat treatment leads to an increase in the graininess of the film of the sensitive layer (Fig.), Which in turn increases the number of grain boundaries at which the film resistance changes upon adsorption of NO 2 molecules.
Газочувствительный элемент на основе многослойной структуры пористого кремния на изоляторе и SnOx, изготовленный предлагаемым способом, имеет следующие типичные характеристики:The gas-sensitive element based on the multilayer structure of porous silicon on the insulator and SnO x manufactured by the proposed method has the following typical characteristics:
1. Получен на основе макропористого кремния с захороненным мезопористым слоем, последующее окисление которого обеспечивает надежную изоляцию чувствительного слоя от проводящей подложки.1. Obtained on the basis of macroporous silicon with a buried mesoporous layer, the subsequent oxidation of which ensures reliable isolation of the sensitive layer from the conductive substrate.
2. В макропористом слое кремния наблюдаются поры диаметром от 0,5 до 1,5 мкм, глубина пор достигает 13 мкм. Толщина захороненного мезопористого слоя составляет 9 мкм. После температурной обработки наблюдается окисление стенок макропор на толщину 200-300 нм. Захороненный мезопористый слой окисляется на всю толщину.2. In the macroporous silicon layer, pores with a diameter of 0.5 to 1.5 μm are observed, the pore depth reaches 13 μm. The thickness of the buried mesoporous layer is 9 μm. After heat treatment, oxidation of the walls of macropores to a thickness of 200-300 nm is observed. A buried mesoporous layer is oxidized to its entire thickness.
3. Пленка SnOx покрывает поверхность макропор равномерно на всю глубину пор. Пленка имеет поликристаллическую структуру с размером кристаллитов 120-200 нм. Толщина пленки оксида олова ~200 нм.3. The SnO x film covers the surface of the macropores evenly over the entire pore depth. The film has a polycrystalline structure with a crystallite size of 120-200 nm. The tin oxide film thickness is ~ 200 nm.
4. Относительная газовая чувствительность к NO2 при комнатной температуре составляет 0,39-0,84.4. The relative gas sensitivity to NO 2 at room temperature is 0.39-0.84.
Таким образом, как следует из примеров и таблицы, использование предложенного способа обеспечивает повышение чувствительности газочувствительного элемента к NO2 при комнатной температуре.Thus, as follows from the examples and the table, the use of the proposed method provides an increase in the sensitivity of the gas-sensitive element to NO 2 at room temperature.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017145003A RU2674406C1 (en) | 2017-12-20 | 2017-12-20 | METHOD FOR OBTAINING GAS-SENSITIVE ELEMENT BASED ON MULTI-LAYERED STRUCTURE OF POROUS SILICON ON THE INSULATOR AND SnOX |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017145003A RU2674406C1 (en) | 2017-12-20 | 2017-12-20 | METHOD FOR OBTAINING GAS-SENSITIVE ELEMENT BASED ON MULTI-LAYERED STRUCTURE OF POROUS SILICON ON THE INSULATOR AND SnOX |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2674406C1 true RU2674406C1 (en) | 2018-12-07 |
Family
ID=64603860
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017145003A RU2674406C1 (en) | 2017-12-20 | 2017-12-20 | METHOD FOR OBTAINING GAS-SENSITIVE ELEMENT BASED ON MULTI-LAYERED STRUCTURE OF POROUS SILICON ON THE INSULATOR AND SnOX |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2674406C1 (en) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6134946A (en) * | 1998-04-29 | 2000-10-24 | Case Western Reserve University | Nano-crystalline porous tin oxide film for carbon monoxide sensing |
| RU2379784C1 (en) * | 2008-12-02 | 2010-01-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный университет" | Method of making thin films containing nanostructured tin dioxide |
-
2017
- 2017-12-20 RU RU2017145003A patent/RU2674406C1/en active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6134946A (en) * | 1998-04-29 | 2000-10-24 | Case Western Reserve University | Nano-crystalline porous tin oxide film for carbon monoxide sensing |
| RU2379784C1 (en) * | 2008-12-02 | 2010-01-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный университет" | Method of making thin films containing nanostructured tin dioxide |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Болотов В.В. и др. Получение двухслойных структур "композит на изоляторе" на основе пористого кремния и SnOx. Физика и техника полупроводников, 2014, том 48, вып.3, стр.412-416. Болотов В.В. и др. Исследование электрофизических и газочувствительных свойств слоев. Физика и техника полупроводников, 2012, вып. 1, стр.109. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4629665B2 (en) | Method and apparatus for sensing hydrogen gas | |
| Gong et al. | Highly ordered nanoporous alumina films: Effect of pore size and uniformity on sensing performance | |
| Grimes | Synthesis and application of highly ordered arrays of TiO 2 nanotubes | |
| Yan et al. | Room temperature gas sensing properties of porous silicon/V2O5 nanorods composite | |
| US20190339227A1 (en) | Room temperature hydrogen gas sensor | |
| JPH10505911A (en) | Gas detection method and apparatus | |
| Moon et al. | Glancing angle deposited WO3 nanostructures for enhanced sensitivity and selectivity to NO2 in gas mixture | |
| JP2005315874A (en) | Gas sensor chip and manufacturing method therefor | |
| Dwivedi et al. | MoO3/nano–Si heterostructure based highly sensitive and acetone selective sensor prototype: a key to non-invasive detection of diabetes | |
| KR20190122489A (en) | Hydrogen gas sensor and method for manufacturing the same | |
| RU2532428C1 (en) | Manufacturing method of gas sensor with nanostructure, and gas sensor on its basis | |
| Hadiyan et al. | Sub-ppm acetone gas sensing properties of free-standing ZnO nanorods | |
| Wei et al. | High-performance spin-coated aluminum oxide dielectric fabricated by a simple oxygen plasma-treatment process | |
| Qin et al. | KOH post-etching-induced rough silicon nanowire array for H2 gas sensing application | |
| Fahad et al. | Thin films of tungsten oxide based on NH3 and NO2 gas sensors | |
| RU2674406C1 (en) | METHOD FOR OBTAINING GAS-SENSITIVE ELEMENT BASED ON MULTI-LAYERED STRUCTURE OF POROUS SILICON ON THE INSULATOR AND SnOX | |
| JP4739326B2 (en) | Integrated separator for electrolytic capacitors | |
| Bieberle-Hütter et al. | The impact of etching during microfabrication on the microstructure and the electrical conductivity of gadolinia-doped ceria thin films | |
| Oksanich et al. | Effect of the porous silicon layer structure on gas adsorption | |
| Zhang et al. | Atomic layer deposited SnO2/ZnO composite thin film sensors with enhanced hydrogen sensing performance | |
| Martins et al. | Room temperature dc and ac electrical behaviour of undoped ZnO films under UV light | |
| TW201327841A (en) | Thin film transistor and method for fabricating thin film transistor | |
| Bal | Room-temperature acetone sensing by sulfonated copper phthalocyanine (TsCuPc)-modified ZnO films | |
| KR20100108732A (en) | Thin film for detecting gases, gas sensor including the same and method of fabricating thin film for detecting gases | |
| KR101297809B1 (en) | Membrane for sensing hydrogen ion concentration and method for manufacturing the same |