Калинина Л.Н., Литвинов А.В., Николаев И.Н.

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

Модель механизма чувствительности МДП – сенсоров к газам

Чувствительность МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) - структуры типа Pd-SiO₂-Si к водороду была открыта в [1]. Эта работа привлекла внимание многих исследователей, поэтому в научной литературе появилось множество статей на данную тему. Были обнаружены чувствительности МДП-структур к другим газам, в частности, к H₂S, NO₂, NH₃, CO. Авторы объясняли чувствительность МДП - структур протеканием на поверхности металла -катализатора химических реакций, в результате которых выделяются атомы водорода, изменяющие работу выхода электрона из полупроводника за счет образуемого ими дипольного слоя. Однако, прямых доказательств наличия химических превращений на поверхности палладия не существовало. Кроме того, эффекты деградации характеристик МДП - сенсоров и эффекты «интерференции» чувствительностей не нашли объяснения в данной модели. По этим причинам возникла необходимость пересмотра существующих представлений о процессах взаимодействия МДП - структур с различными газами.

На рис.1 показана схема МДП - сенсора. МДП - сенсор представляет собой конденсатор электроемкостью С, обкладками которого являются пленка металла и полупроводниковая пластина. Для изготовления МДП - сенсоров нами используется лазерная технология напыления пленок. На пластину кремния толщиной 0,4 мм, покрытую слоем SiO₂ толщиной 0,1 мкм, с помощью излучения твердотельного лазера напыляется металлическая пленка толщиной около 30 нм. Атомы и ионы напыляемого металла глубоко проникают в диэлектрик, так как их кинетическая энергия при лазерном напылении достигает десятков - сотен электронвольт [2]. Поэтому граница раздела между металлом и диэлектриком представляет собой переходный слой толщиной около 10 нм с переменным стехиометрическим составом [3].

Принцип действия МДП - сенсора состоит в следующем. Под действием газа C-V - характеристика (рис.2) смещается влево или вправо по оси V в зависимости от сорта газа. При фиксированном напряжении смещения, V_см, измеряется ∆С. Изменение электроемкости МДП - сенсора однозначно связано с концентрацией газа в атмосфере.

Основываясь на результатах многочисленных экспериментов, проведенных в нашей лаборатории, была разработана модель механизма чувствительности МДП - сенсоров к газам [4]. Молекулы измеряемого газа адсорбируют на поверхности металлического электрода и диффундируют по межкристаллитным порам к границе раздела металл-диэлектрик, где захватываются и удерживаются центрами захвата (ловушками). Ловушки представляют собой нанокластеры состоящие из атомов металла и диэлектрика [5]. Было показано, что ловушки захватывают только те молекулы газа, которые обладают собственным дипольным моментом. При их захвате происходит перераспределение заряда в нанокластере, в результате чего изменяется величина диэлектрической проницаемости переходного слоя металл-диэлектрик. Как следствие этого и изменяется электроемкость МДП - сенсора, которая фиксируется электронной схемой газоанализатора. Поскольку переходный слой имеет переменный стехиометрический состав, то имеется целый набор различных ловушек. Свойства ловушек (энергия активации, необходимая молекуле для отрыва от ловушки, и сечение захвата – вероятность захвата ловушкой молекулы газа) определяются типом атомов, из которых она состоит. В свою очередь, свойства ловушек определяют метрологические характеристики МДП - сенсора (чувствительность, быстродействие и т.д).

Предложенная модель удовлетворительно объясняет полученные к настоящему времени экспериментальные результаты, в частности, эффекты «интерференции» чувствительностей при воздействии на сенсор нескольких газов и эффекты памяти от предыдущего воздействия газа на сенсор. На основе модели были предложены способы преодоления недостатков МДП - сенсоров, что открыло возможность широкого практического использования МДП - сенсоров в качестве чувствительных элементов газоанализаторов. Выявленная взаимосвязь между метрологическими характеристиками МДП - сенсоров и составом переходной области, открывает новый эффективный метод поиска создания МДП - сенсоров с уникальными метрологическими характеристиками.

Литература.

1. I.Lundstrom, M.S.Shivaraman, C.Svensson and L.Lundkvist, Hydrogen sensitive MOS field-effect transistor, Applied Physics Letters, 1975, v.26, p.55.

2. Ю.А.Быковский, В.Г.Дегтярев, Н.Н.Дегтяренко, В.Ф.Елесин, И.Д.Лаптев, В.Н.Неволин, Кинетические энергии ионов лазерной плазмы, Журнал технической физики, 1972, том XLII, №3, с.658.

3. Е.В.Жованик, В.С.Куликаускас, И.Н.Николаев, Структура переходной области Pd-Si(111) при лазерном напылении палладия, Физика и химия обработки материалов, 1998, №6, с.42.

4. И.Н.Николаев, А.В.Литвинов, Е.В.Емелин, Механизм чувствительности МДП-сенсоров к концентрациям газов, Датчики и системы, 2006, №7, стр. 66.

5. И.Н.Николаев, Л.Н.Калинина, А.В.Литвинов, Новый тип центров захвата для молекул с дипольными моментами в диэлектриках, Физика твёрдого тела, 2009г., том 51, №6, стр.1065.