肖特基二極管氫氣傳感器的試驗(yàn)研究

孫延玉, 周 巖, 程振乾, 李慧穎, 文吉延, 金鵬飛

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十九研究所,黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

隨著化石能源諸如石油、煤炭造成的環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，人們越來越重視新能源特別是可再生能源的開發(fā)，氫氣是一種新的清潔型能源，具有來源廣泛，無污染等很多優(yōu)點(diǎn)，備受產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界的關(guān)注。氫氣在燃料電池、氫能汽車方面的應(yīng)用日益廣泛，但是其存在易泄露、易燃易爆等風(fēng)險(xiǎn)，為了解決這個難題，科學(xué)家開發(fā)很多檢測氫氣的方法，其中氫氣傳感器是最受重視的，因其具有體積小、重量小、成本低、響應(yīng)快、可實(shí)時(shí)監(jiān)測的特點(diǎn)，具有很大的市場占有量。

氫氣傳感器的研究受到了廣泛關(guān)注，并相繼推出了不同類型的氫氣傳感器。按照工作原理可分為催化燃燒型、半導(dǎo)體型、金屬和合金電阻型[1]、光學(xué)型、電化學(xué)型[2,3]、肖特基二極管型等，每種傳感器都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。肖特基二極管氫氣傳感器是一種新型的氫氣傳感器，具有工作溫度低、選擇性好的特點(diǎn)，且可以利用微加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)批量制造，可確保同一批次傳感器的均一性和互換性[4]。由于肖特基二極管氫氣傳感器的諸多優(yōu)點(diǎn)，國內(nèi)外研究者展開了廣泛的研究。鐘德剛等人[5]采用NO直接氧化制備氮氧化物，并以該氮氧化物作為絕緣層制備高性能Si基MOS肖特基二極管式氣體傳感器，結(jié)果顯示,傳感器靈敏度高、重復(fù)性好、檢測極限低，可以檢測濃度約為10-6的氫氣。王新華等人[6]通過濺射的方法制作了Pt/AlGaN/GaN背對背肖特基二極管，測試了該器件對氫氣的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)空氣中的氧氣對于器件電流的恢復(fù)有重要的作用。

1 工作原理

肖特基二極管氫氣傳感器是一種功函數(shù)型傳感器，其工作原理是金屬(Pt、Pd等)表面對氫氣分子進(jìn)行吸附，并催化使氫氣分子發(fā)生解離變成氫原子，氫原子擴(kuò)散到金屬層內(nèi)部，降低了金屬的功函數(shù)，導(dǎo)致肖特基勢壘高度下降，使二極管的電流/電壓曲線發(fā)生漂移，正向電流增加。當(dāng)環(huán)境中的氫氣和擴(kuò)散到金屬層中的氫氣達(dá)到平衡，肖特基二極管的I/V曲線漂移與氫氣濃度成一定比例關(guān)系，從而達(dá)到檢測的目的。

2 試驗(yàn)過程

2.1 器件制作過程

本試驗(yàn)采用基片為市售的雙面(100)氧化硅片，二氧化硅氧化層厚度為300 nm，導(dǎo)電類型為n型，電阻為0.01～0.09 Ω·m。先通過光刻、腐蝕等工藝在硅片一面形成預(yù)設(shè)圖形，再通過濺射工藝在圖形表面附著金屬敏感層，形成肖特基二極管膜層，如圖1所示。

圖1 肖特基二極管膜層

濺射工藝的工藝參數(shù)為：濺射功率為300 W，設(shè)備為MSP—300C磁控濺射臺,濺射時(shí)間為10～40 min。

肖特基二極管氫氣傳感器的加熱器通過厚膜工藝在氧化鋁襯底上印刷厚膜電阻條制備。

將制備的肖特基二極管膜層和加熱器分別進(jìn)行引線焊接和燒結(jié)處理，并將肖特基二極管粘接在加熱器背面，形成肖特基二極管氫氣傳感器。如圖2所示。

圖2 肖特基二極管氫氣傳感器

2.2 氣敏性能測試過程

試驗(yàn)裝置由標(biāo)準(zhǔn)氣源、流量控制器、測試裝置構(gòu)成。標(biāo)準(zhǔn)氣源由氣體供應(yīng)廠家配制，本試驗(yàn)選3個濃度點(diǎn)：10×10-6,5 000×10-6,10 000×10-6。氣體流量計(jì)為浮子流量計(jì)，本試驗(yàn)控制流量為200 mL/min。測試裝置包括供電電源、肖特基二極管氫氣傳感器安裝腔室和電化學(xué)工作站，其中供電電源可實(shí)現(xiàn)對肖特基二極管膜層和加熱器分別供電；電化學(xué)工作站可實(shí)現(xiàn)肖特基二極管電流/電壓信號曲線的掃描及采集，掃描速率為0.01 V/s。安裝腔室用于固定氫氣傳感器，并通過管道與流量計(jì)接通。

3 結(jié)果與討論

3.1 加熱功率對傳感器輸出的影響

根據(jù)熱電子理論[7，8]肖特基二極管的電流/電壓曲線復(fù)合如下公式

(1)

式中J為肖特基二極管凈電流密度，A為有效理查德常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度，q為單位電荷，φBn為勢壘高度，k為玻爾茲曼常數(shù)，Va為所加載偏置電壓。

由式(1)可見，溫度對于傳感器的輸出有很大影響，而傳感器部位的溫度與傳感器的加熱功率有關(guān)，因此需要對傳感器的加熱功率進(jìn)行考察。試驗(yàn)過程中利用外加熱控制方法，通過控制加熱電源的功率來控制傳感器加熱功率，測量不同功率下傳感器輸出。試驗(yàn)中在0～3.2 W之間選取了4個加熱功率值，測試數(shù)據(jù)見圖3所示。

圖3 傳感器輸出與加熱功率的關(guān)系

由圖3可知，隨著加熱功率的逐漸增加，傳感器在同一偏置電壓和環(huán)境氣氛中的輸出逐漸升高，符合式(1)所體現(xiàn)的趨勢?？梢妭鞲衅鞴ぷ鲿r(shí)，加熱溫度越高，則輸出越大，但隨著加熱功率的增大，傳感器總功率會增大，不利于傳感器低功耗應(yīng)用的要求，因此,在進(jìn)行敏感性能測試時(shí)選擇加熱功率為1.7 W。

3.2 傳感器輸出特性曲線

試驗(yàn)中設(shè)定傳感器的加熱功率為1.7 W，分別測試了氫氣濃度在10×10-6,5 000×10-6,10 000×10-6三個濃度時(shí)的輸出，肖特基二極管傳感器在不同濃度氫氣氣氛下的輸出曲線見圖4(a)所示。

從圖4可知，當(dāng)偏置電壓大于2 V時(shí)，傳感器對于不同濃度的氫氣的響應(yīng)有明顯的變化，偏置電壓小于2 V時(shí)，電流變化近似成直線變化，偏置電壓大于2 V后，輸出電流迅速增大，符合肖特基二極管的電流—電壓變化曲線。當(dāng)外加電壓為3.0 V時(shí)，氫氣濃度為10×10-6時(shí)的輸出電流為6.36×10-8A，氫氣濃度為5 000×10-6時(shí)的輸出電流為1.15×10-7A，氫氣濃度為10 000×10-6使的輸出電流為1.83×10-7A。

圖4給出了傳感器在不同偏置電壓下的輸出電流曲線，由圖4(b)可見傳感器具有良好的輸出特性。

圖4 傳感器輸出特性曲線

4 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)表明:以n型雙面氧化硅片為襯底，通過濺射工藝和厚膜工藝制備的肖特基二極管氫氣傳感器對氫氣具有較好的響應(yīng)特性，其測量范圍為(0～10 000)×10-6,該類型傳感器采用半導(dǎo)體工藝制造作，具有測量范圍寬、批次性好的優(yōu)勢，具有廣闊的應(yīng)用前景。