多晶半導(dǎo)體敏感陶瓷制備與傳感機(jī)制模型定量研究.pdf_第1頁(yè)
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1、半導(dǎo)體敏感元件作為傳感器領(lǐng)域的重要分支,正在經(jīng)歷著微型化和集成化的革命。本文以此為背景,制備了性能優(yōu)異的納米SnO2氣敏薄膜和細(xì)晶片式BaTiO3基PTC陶瓷,研究了多晶半導(dǎo)體敏感材料晶粒尺寸下降到微米-納米級(jí)別時(shí)引發(fā)的尺寸效應(yīng)和材料敏感機(jī)理的改變,并致力于將敏感機(jī)理的定量表達(dá)。
  本文首先采用溶膠凝膠法在氧化鋁和單晶硅上制備了納米SnO2薄膜,其晶粒尺寸為15-25nm。通過(guò)對(duì)Cu摻雜量、工作溫度、燒結(jié)溫度等工藝參數(shù)的研究,發(fā)

2、現(xiàn)薄膜可以在室溫下工作,對(duì)H2S的響應(yīng)可高達(dá)3648。提高工作溫度可以改善薄膜的恢復(fù)特性,在120℃時(shí)可以顯示出良好的恢復(fù)性,響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間為2秒和532秒。薄膜在150℃下的靈敏度為0.6。氣溶膠輔助氣相沉積法制備的薄膜在室溫下即可具有完全的恢復(fù)特性,響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間為60秒和90秒,并且具有很好的選擇性。該方法制備的薄膜可以檢測(cè)低濃度H2S氣體,并且對(duì)H2S氣體非常敏感,靈敏度高達(dá)0.9。
  另一方面,本文使用流延工藝和還原-再氧

3、化的燒結(jié)工藝制備了片式BaTiO3基PTC陶瓷。實(shí)驗(yàn)以制備細(xì)晶和低室溫電阻率的陶瓷為目標(biāo),研究了制備工藝、材料組分和再氧化效應(yīng)多陶瓷性能的影響。陶瓷平均晶粒尺寸為1.15μm,具有727Ω·cm的室溫電阻率和3.3個(gè)數(shù)量級(jí)的PTC效應(yīng)。SiO2添加量為0.5%的陶瓷顯示出較好的綜合性能。研究發(fā)現(xiàn)SiO2助燒劑對(duì)陶瓷性能的影響十分復(fù)雜,室溫電導(dǎo)率、晶粒體載流子密度和晶界受主密度具有類似的變化規(guī)律,各種樣品的收縮率大體相同,PTC效應(yīng)則隨著

4、SiO2的添加量而下降。再氧化效應(yīng)的研究顯示,室溫電阻率與再氧化溫度呈先增大后減小的趨勢(shì),而PTC效應(yīng)則隨著再氧化溫度單調(diào)上升。阻抗分析表明再氧化的主要作用在于提高晶界電阻,而晶粒體電阻受再氧化的影響很小。估算受主密度在2×1012-6×1012cm-2之間,與其它結(jié)果相比較低。
  基于實(shí)驗(yàn)事實(shí),本文嘗試在受主功能模型、轉(zhuǎn)換功能模型和效用因子三個(gè)方面對(duì)材料敏感機(jī)理進(jìn)行定量和半定量的分析。在受主功能模型方面,本文研究了降溫速率和退

5、火對(duì)薄膜氣敏特性的影響,應(yīng)用肖特基勢(shì)壘模型分析其原因,建立了氧空位擴(kuò)散方程,并通過(guò)方程的解定量的描述了氧空位在降溫過(guò)程中在晶粒中穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的密度分布,據(jù)此提出SnO2晶粒中的氧空位梯度分布模型,并用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模型的有效性。
  在晶?;ヂ?lián)的轉(zhuǎn)換功能模型方面,探討了晶界電導(dǎo)隧穿效應(yīng)對(duì)材料電性能的影響。根據(jù)SnO2薄膜的阻溫特性,求解一維勢(shì)壘的薛定諤方程求得SnO2晶粒間電子隧穿的概率,這種效應(yīng)在縫隙小于0.1nm時(shí)是比較明顯的,

6、且概率大于1%。之后基于BaTiO3陶瓷室溫電阻率隨再氧化溫度的變化趨勢(shì),討論了鐵電體的尺寸效應(yīng)和氧空位對(duì)鐵電性能的影響,提出了再氧化過(guò)程中鐵電補(bǔ)償?shù)闹亟C(jī)制,并得出結(jié)論,對(duì)于流延工藝制備的BaTiO3陶瓷來(lái)說(shuō),750-800℃之間的某一溫度為再氧化過(guò)程中氧進(jìn)入晶格的臨界溫度。
  在效用因子方面,本文對(duì)氣體擴(kuò)散理論進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,并根據(jù)SnO2薄膜響應(yīng)與氣體濃度的非線性關(guān)系和薄膜電阻的冪定律,對(duì)氣體擴(kuò)散模型的線性假設(shè)表達(dá)式進(jìn)行了

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