Vol. 50 (2014), Issue 6, p. 1-5

Влияние электроискровой обработки поверхности полупроводникового чувствительного слоя сенсора газа на его электрофизические свойства

Богданов С.А., Захаров А.Г., Писаренко И.В.

Abstract

УДК 53.087.4

Исследуются особенности модификации состава и структуры поверхности кремния электроискровой обработкой (ЭИО) для формирования чувствительного слоя (ЧС) сенсора газа. Методами атомно-силовой микроскопии, динамической спектроскопии глубоких уровней и вольт-фарадных характеристик изучаются электрофизические свойства кремния, прошедшего обработку электроискровым разрядом с энергией 0,4 Дж никелевым электродом с последующим отжигом в атмосфере азота при температуре 1000°С в течение одного часа. Показано, что ЭИО кремния никелевым электродом приводит к развитому микрорельефу поверхности, изменяя более чем в восемь раз значение высоты неровности и более чем в 11 раз шероховатость поверхности. При этом происходит увеличение плотности поверхностных состояний на порядок до 10¹³ см^-2 эВ^-1. Кроме того, в запрещенной зоне кремния обнаружены акцепторные глубокие энергетические уровни (ГУ) с энергиями ионизации 0,24, 0,34, 0,40, 0,55 эВ. Возникающий на поверхности полупроводника изгиб энергетических зон (обусловленный неравномерным распределением ГУ, сформированных ЭИО, а также высокой плотностью поверхностных состояний) и развитый микрорельеф поверхности будут существенно влиять на сорбционные процессы на поверхности ЧС сенсоров газов, их чувствительность и селективность.

Ключевые слова: сенсор газа, чувствительный слой, селективность, газовая чувствительность, морфология поверхности, электроискровая обработка, глубокий энергетический уровень, атомно-силовая микроскопия, динамическая спектроскопия глубоких энергетических уровней, плотность поверхностных состояний.

This work is devoted to the research of composition and structure modification features of the silicon surface under the electrical discharge machining (EDM) for the gas sensor sensitive layer generation. Atomic force microscopy, dynamic spectroscopy of deep-lying levels and voltage-capacitance characteristics methods were used for the study of electrophysical properties of silicon subject to the EDM with the energy of 0.4 J by the nickel electrode and then annealed in the nitrogen atmosphere at the temperature of 1000°С within an hour. It is shown that the EDM of silicon by the nickel electrode gives an advanced surface micro relief, changing the values of the irregularity height more than 8-fold and of roughness more than 11-fold. This results in the increase in the values of the density of the surface states by the order of magnitude to 10¹³ cm^-2 eV^-1. In addition, in the forbidden zone of silicon, the acceptor deep-lying levels with ionization energies of 0.24 eV, 0.34 eV, 0.4 eV and 0.55 eV were discovered. The bend of the energy bands, arising on the semiconductor surface, which is caused by the non-uniform distribution of deep-lying levels, generated during the EDM and the high density of surface states, as well as the advanced surface micro relief, have a significant impact on sorption processes on the surface of sensitive layers of gas sensors, their sensitivity and selectivity.

Keywords: gas sensor, sensitive layer, selectivity, gas sensitivity, surface morphology, electrical discharge machining, deep-lying level, atomic force microscopy, dynamic spectroscopy of deep-lying levels, density of surface states.

Download full-text PDF. 3059 downloads

Menu

Vol. 50 (2014), Issue 6, p. 1-5

Влияние электроискровой обработки поверхности полупроводникового чувствительного слоя сенсора газа на его электрофизические свойства

Abstract