Способ изготовления датчика для анализа сероводорода в газовой среде

 

Изобретение относится к полупроводниковой сенсорной технике. Технический результат изобретения - снижение рабочей температуры датчика, упрощение технологии изготовления. Сущность: способ включает напыление газочувствительного слоя фталоцианина меди на монокристаллическую пластинку из арсенида галлия и его легирование кислородом в низком вакууме. В результате чего получают датчик на основе гетероперехода n-GaAs/p-CuPc. 2 ил.

Изобретение относится к полупроводниковой сенсорной технике и может быть использовано для изготовления недорогих и простых в изготовлении датчиков для определения концентрации сероводорода в газовой среде.

Известен способ использования ячейки сэндвич на основе окисла полупроводника, нанесенного на электрод из Аu, для определения концентрации газа (J.Appl/ Phys/ 2001, 90, № 4, с.1883-1886). Недостатками датчика, полученного этим способом, являются сложность в измерении емкости датчика и обязательное использование при этом высоких температур до 200С.

Известен способ изготовления датчика газа Н₂S на основе SnO₂, легированного ZrO₂ (H₂S gas detection by ZrO₂ dopped SnO₂. /Kanefusa Shinji //"IEEE Trans. Electron Devices", 1988, 35, № 1, 65-69), который заключается в нанесении на подложку газочувствительной пасты, содержащей до 5% гидрофобной или гидрофильной соли кремнезема в качестве связующей и смеси от 0,3 до 5% ZrO₂ и SnO₂. Рабочая температура датчика 175С.

Недостатками датчика, полученного этим способом, являются использование дорогостоящих материалов SnO₂, ZrO₂ и высокая рабочая температура.

Известен способ изготовления тонкопленочного датчика газа (патент RU 2172951, кл. G 01 N 27/12, 2001), принятый за прототип, который заключается в следующем.

На ситалловую подложку с растровыми электродами в вакууме наносится термической возгонкой тонкий слой (20 нм) СuРс, очищенного химическими методами. После напыления слой СuРс подвергается легированию кислородом в низком вакууме.

Недостатками датчика, полученного этим способом, являются сложность изготовления и высокая рабочая температура (150С).

Изобретение направлено на снижение рабочей температуры датчика, упрощение технологии изготовления.

Способ изготовления датчика для анализа сероводорода в газовой среде включает нанесение газочувствительного слоя фталоцианина меди на монокристаллическую пластинку из арсенида галлия, легирование кислородом в низком вакууме. Датчик выполнен на основе гетероперехода n-GaAs/p-CuPc, причем на n-область подается положительный потенциал.

На фиг.1 изображен полупроводниковый датчик газа сероводорода, где 1 - верхний пористый электрод; 2 - слой фталоцианина меди; 3 - монокристаллическая пластинка из арсенида галлия; 4 - нижний омический электрод. На фиг.2 представлена зависимость отношения сопротивления датчика в газовой среде к сопротивлению датчика в воздухе R_г/R₀ от концентрации сероводорода С, при интенсивности излучения E=3 Вт/м².

Предлагаемый способ изготовления датчика газа заключается в следующем.

На монокристаллическую пластинку из GaAs (3), легированную оловом, которая играет роль донора, после травления ее в растворе H₂O₂:NH₄OH:H₂O (1:1:3), в вакууме (не хуже 10^-3 Па) напыляется нижний омический электрод из соединения Ge+Au (4). Затем на противоположную поверхность этой пластинки в том же вакууме при температуре 343 К напыляется тонкий слой (менее 20 нм) СuРс, очищенного только химическими методами. Испарение вещества происходит при температуре 700С из кварцевого тигля, расположенного на расстоянии 5 см от подложки (пластина n-GaAs). Т.к. слой СuРс (2), полученный из химически очищенного вещества, обладает проводимостью n-типа, он подвергается легированию кислородом воздуха при низком вакууме, при этом слой СuРс становится областью проводимости р-типа. На легированный слой СuРс напыляется верхний пористый электрод из серебра (1). Серебряный электрод создает хороший омический контакт с пленкой СuРс в отличие от других металлов, таких как Аl, Сu. Пористым электрод должен быть с целью проникновения через поры молекул газа H₂S. Сплав Ge+Au создает очень хороший омический контакт с монокристаллической пластинкой n-GaAs в отличие от других материалов.

На границе n-GaAs и р-СuРс создается анизотипный гетеропереход, чувствительный к молекулам газа Н₂S.

Молекулы газа, прошедшие через пористый электрод из Ag, воздействуют на сопротивление барьера, т.к. толщина пленки СuРс совпадает с толщиной барьера в этом слое (примерно 17 нм). Молекулы H₂S отдают электроны и взаимодействуют с дырками в слое СuРс, концентрация последних уменьшается, при этом сопротивление возрастает. Для определения зависимости сопротивления перехода от концентрации газа к датчику подводится обратное напряжение, т.е. на n-область подается положительный потенциал. Это необходимо, т.к. при обратном смещении в токе участвуют неосновные носители заряда барьера гетероперехода. В то же время датчик, основанный на гетеропереходе, при обратном смещении обладает более высокой стабильностью, чем при прямом смещении. Датчик может работать как на темновом токе, так и при небольших интенсивностях излучения, при этом фототок больший, чем темновой, при данном напряжении.

Испытания датчика проводились при температуре t=22C, обратном смещении U=0,4 В и интенсивности излучения E=3 Вт/м².

Изготовление датчика сероводорода предлагаемым способом позволяет уменьшить рабочую температуру до 20С и упростить процесс изготовления датчика.

Формула изобретения

Способ изготовления датчика для анализа сероводорода в газовой среде, включающий напыление пленки фталоцианина меди (CuPc), отличающийся тем, что датчик выполнен на основе гетероперехода n-GaAs/p-CuPc путем напыления CuPc на монокристаллическую пластинку GaAs n-типа с последующим легированием пленки CuPc кислородом при низком вакууме для получения CuPc р-типа.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2