微納半導(dǎo)體陶瓷及其敏感元件研究.pdf

1、半導(dǎo)體陶瓷是一類具有半導(dǎo)體特性的無機(jī)非金屬多晶材料，其敏感元件在微電子、光電、激光等高技術(shù)領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，半導(dǎo)體陶瓷的微納化已成為近年來最為活躍的研究熱點(diǎn)之一。本文嘗試從半導(dǎo)體陶瓷粉體的納米化技術(shù)出發(fā)，系統(tǒng)地研究微納半導(dǎo)體陶瓷及其敏感元件的關(guān)鍵制備技術(shù)，探討微納尺度多晶半導(dǎo)體陶瓷的導(dǎo)電機(jī)理，以期為相關(guān)新型敏感元件的研制提供理論與實(shí)踐基礎(chǔ)。 論文首先研究了納米半導(dǎo)體陶瓷粉體的可控生長技術(shù)。在分析和探

2、討溶膠－凝膠法、聚合物網(wǎng)絡(luò)法及水熱法等液相合成方法的工藝原理及特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，通過大量實(shí)驗(yàn)研究和工藝參數(shù)優(yōu)化，成功制備出顆粒均勻、團(tuán)聚程度低、熱穩(wěn)定性好的納米氧化錫（可低至4.1 nm）及納米鈦酸鋇（小于40 nm）粉體，可較好滿足半導(dǎo)體陶瓷微納化發(fā)展的要求。 采用所獲得的納米氧化錫粉體，通過漿料配制、電極制作、絲網(wǎng)印刷、干燥及燒成等制備工藝研究，發(fā)展出對硫化氫氣體具有良好氣敏特性的納米氧化錫半導(dǎo)體陶瓷厚膜元件。結(jié)果表明，納米氧化

3、錫半導(dǎo)體陶瓷氣敏元件不僅具有較高的靈敏度和較低的工作溫度（約150℃），而且有著良好的選擇性和響應(yīng)－恢復(fù)特性，靈敏度與氣體濃度的關(guān)系遵循冪定律。采用聚合物網(wǎng)絡(luò)法合成的納米粉體制作的厚膜元件在保持較小的晶粒尺寸的同時(shí)，具有更為疏松、多孔和均勻的微觀結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出最優(yōu)的氣敏性能。 基于鈦酸鋇材料的特點(diǎn)及其半導(dǎo)化原理，探討了制備微晶熱敏半導(dǎo)體陶瓷的技術(shù)途徑。以溶膠－凝膠法合成的納米鈦酸鋇粉體為原料，選用釔和錳分別作為施、受主雜質(zhì)元素并適

4、當(dāng)提高二者的摻雜量，采用水基流延綠色成型工藝，通過適當(dāng)提高預(yù)燒溫度、降低燒結(jié)溫度的燒成方式實(shí)現(xiàn)施、受主的二次摻雜，抑制晶粒生長，成功獲得具有較為理想微晶結(jié)構(gòu)的鈦酸鋇半導(dǎo)體陶瓷片式熱敏元件。1280℃燒結(jié)所得典型樣品的晶粒尺寸約3.0 μm，室溫電阻率為360 ?·cm，升阻比達(dá)104。 論文還從理論上研究了晶粒尺寸對鈦酸鋇半導(dǎo)體陶瓷導(dǎo)電特性的影響。分析了鈦酸鋇半導(dǎo)體陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)及導(dǎo)電模型，采用十四面體晶粒模型計(jì)算出其電阻與晶粒