Учебное пособие 1612

УДК 621.372

Т.В. Свистова, А.А. Карионова

СИНТЕЗ МЕТАЛЛООКСИДНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЛЕНОК P-ТИПА ДЛЯ ГАЗОВОЙ СЕНСОРИКИ

В современном мире ни одно предприятие не обходится без газовых сенсоров. Они помогают фиксировать концентрацию газа в помещении и тем самым предотвращать чрезвычайные ситуации. Широко используются для детектирования газов различной природы газовые сенсоры резистивного типа с чувствительными элементами на основе металлооксидных материалов. Наибольшее распространение в качестве газочувствительных материалов для датчиков получили SnO2, WO3, ZnO, Cu2O, In2O3, Fe2O3 и др. Пленки оксидов меди (Cu2O, CuO), обладающие полупроводниковыми свойствами, можно применятьв качестве активных слоев газовых сенсоров для обнаружения оксидов азота и аммиака. Преимущества оксидов меди перед другими оксидами заключаются в их низкой стоимости, химической стойкости и простоте изготовления пленок.

Целью работы является синтез тонких пленок оксида меди CuOx p-типа золь-гель методом и исследование их электрофизических и газочувствительных свойств.

Для приготовления основного раствора использовались хлорид меди (CuCl2 2H2O), этиловый спирт (C2H5OH) и дистиллированная вода в соотношении 1 : 4 : 11. Затем к водно-спиртовому раствору СuCl2 добавляльсь этиленгликоль и лимонная кислота по каплям для закисления золя с целью образования вязкого раствора. Приготовленный раствор выдерживался в течение 24 часов для приобретения пленкообразующих свойств. Пленки CuOx наносились на кварцевую подложку методом погружения в течении 2 дней. Затем пленки проходили двухступенчатую термическую об-

работку: сушка при 100 °С в течение 1 часа и отжиг при 500 °С, 1 час.

Толщина пленок измерялась на интерференционном микроскопе МИИ-4 и имела величину 300 нм. Спектры оптического пропускания пленок измерялись с помощью спектрофотометра СПЕКС ССП-715-М. Удельное сопротивление пленок измерялось четырехзондовым методом и составило 35 Ом см.

10

УДК 538.975

Т.В. Свистова, А.О. Левченко

ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГЕТЕРОСТРУКТУР МЕТАЛООКСИД-КРЕМНИЙ

В настоящее время энергетика столкнулась с ситуацией истощения своей традиционной сырьевой базы (минерального и органического топлива). Сохранять высокие темпы развития энергетики, используя традиционные ископаемые источники энергии, становится все труднее. В мировой энергетике наметился устойчивый курс на разработку альтернативных (возобновляемых) источников энергии. Когда речь заходит об энергетике, базирующейся на возобновляемых источниках энергии (альтернативной энергетике), то в первую очередь упоминают именно солнечную энергетику.

Солнечная энергетика является не только беспроигрышным, но и безальтернативным выбором для человечества. Основная проблема солнечной энергетики - улучшение показателя преобразования падающего солнечного света в электроэнергию, то есть увеличение коэффициента полезного действия (КПД) солнечных элементов. Существуют различные пути повышения КПД солнечных элементов. К наиболее успешным направлениям их развития относится использование гетероструктур.

Цель работы - исследование фотоэлектрических свойств гетероструктур металлооксид-кремний, как перспективных структур для создания солнечных элементов.

В качестве объектов исследования выбраны гетероструктуры n-МеОх / p-Si на основе пленок ZnO:Al с содержанием алюминия от 1 до 6 % ат., синтезированные методом ионно-лучевого распыления составных керамических мишеней. В качестве полупроводниковых подложек гетероструктур использовались пластины монокристаллического кремния КДБ - 10 (111).

Проведены измерения электрофизических характеристик гетероструктур, таких как вольт-амперная характеристика и люксамперная характеристика. Исследуемые гетероструктуры обладают током короткого замыкания до 3,34 мкА и напряжением холостого хода до 50 мВ при освещенности в интервале 500 – 3000 Лк.

11

УДК 538.975

Т.В. Свистова, С.А. Ромасев

ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЗОВОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ПЛЕНОК ОКСИДОВ МЕДИ

Интенсивное развитие современной сенсорики требует широкого исследования и применения новых материалов и технологий. В связи с этим на протяжении последних двух десятилетий особое внимание уделяется многокомпонентным неорганическим оксидным материалам. Наиболее часто такие материалы, а именно оксиды меди, используются в виде тонких (до 0,3 мкм) пленок, имеющих нанокристаллическое строение и обладающих заданными оптическими и электрофизическими свойствами. Такие пленки используются для создания различных приборов электронной техники, включая сенсоры газов, в которых они применяются в качестве газочувствительного элемента.

Целью работы является исследование электрофизических свойств и газовой чувствительности пленок оксида меди и оценка возможности их применения в качестве чувствительного элемента датчика газа.

Пленки оксида меди были изготовлены золь-гель методом. Для приготовления золя использовались: дигидрат ацетата меди (Сu(CH3COO)2 ∙ 2H2O), пропанол, диэтаноламин. Пропанол и диэтаноламин выполняют роль растворителя и стабилизатора соответственно. В качестве подложек использовались предметные стекла для микропрепаратов, предварительно очищенные дистиллированной водой и пропанолом в ультразвуковой ванне. Пленки наносились центрифугированием (1500 об/с) с последующей сушкой при 250 оС и отжигом при

300, 400, 500 и 600 °С

Толщина пленок измерялась на интерференционном микроскопе МИИ-4. Поверхностное сопротивление пленок измерялось четырехзондовым методом и методом Ван дер Пау. Спектры пропускания пленок измерялись с помощью спектрофотометра СПЕКС ССП-715-М. По спектрам пропускания будут рассчитаны спектры поглощения и оценена ширина запрещенной зоны. Исследовались температурная зависимость сопротивления пленок и их газовая чувствительность к парам спирта, ацетона и аммиака.

12

УДК 538.975

Т.Г. Меньшикова, Ю.О. Пономарева

СИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ МЕТАЛЛООКСИДНЫХ ПЛЕНОК

Внаше время появился большой интерес к изучению газоанализаторов, так как большинство заболеваний происходит из-за загрязненного воздуха. Наиболее перспективными датчиками газа являются полупроводниковые на основе металлооксидных пленок.

Вданной работе будут исследоваться полупроводниковые

датчики газа на основе плёнок SnO2 + 1 % Si. Целью работы является изучение и улучшение газочувствительных свойств датчиков газа под воздействием оптической активации и катализаторов.

Вначале работы были выбраны газовые датчики по своим электрическим свойствам и внешнему виду. После провели исследование газовой чувствительности выбранных датчиков к парам этилового спирта (70 % раствор), ацетона и водного 10 %-го раствора аммиака.

После будет исследоваться определение значений и температура максимальной чувствительности к этим веществам, а также воздействие излучения маломощного (около 75 мВт) светодиода фиолетового цвета на газочувствительные характеристики датчика.

Из изученной ранее литературы было установлено, что с

помощью изменения поверхности плёнок SnO2 водным раствором солей нитрата серебра или дихлорида палладия можно улучшить их селективность и добиться снижения рабочих температур, тем самым уменьшив энергопотребление датчика. Кроме того, двойная активация адсорбционных процессов (катализатор + световой поток) приводит не только к снижению температуры, при которой проявляется максимальная чувствительность сенсора, но и к улучшению отклика газоанализатора в несколько раз. Будем стремиться улучшить результат наших исследований.

13

УДК 538.975

Т.Г. Меньшикова, Ю.В. Рукина

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ НА КАЧЕСТВО СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ИС

В настоящее время при производстве интегральных микросхем (ИМС) широкое распространение получили плазменные технологии. В их основе лежат процессы, происходящие в низкотемпературной неравновесной плазме и на границе взаимодействия такой плазмы с поверхностями различной природы. Данные процессы используются для удаления резиста, очистки поверхности подложек, травления рабочих слоев тонких пленок различного состава, а также с целью очистки поверхности корпусов ИМС.

Целью работы является исследование влияния плазменной обработки металлокерамических корпусов в различных средах и варьируемых технологических режимах на качество сварных соединений при изготовлении интегральных схем.

Обработка металлокерамических корпусов в низкотемпературной плазме в среде 90 % Ar + 10 % H2 перед операцией монтажа позволяет не только удалить органические загрязнения, но и уменьшить угол смачивания, что в свою очередь позволяет судить об улучшении растекания адгезива и повышения адгезионных характеристик.

В результате выполненных исследований установлено, что обработка в низкотемпературной плазме подложек и корпусов улучшает смачиваемость покрытия в 3,12 раза, тем самым снижает вероятность возникновения пустот в подкристальном пространстве. Улучшение смачиваемости в свою очередь приводит к повышению прочности соединения кристалл – корпус на 22 % при тестировании на сдвиг кристалла и на 17 % в среднем на отрыв Al проволочного вывода, что говорит о повышении качества и надежности производимой продукции.

14

УДК 538.975

С.И. Рембеза, Т.В. Свистова, А.С. Ханин

ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЗОВОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ МЕТАЛЛООКСИДНЫХ ПЛЕНОК К ГАЗАМ ОКИСЛИТЕЛЯМ И ВОССТАНОВИТЕЛЯМ

Пленки металлооксидных полупроводников, таких как диоксид олова SnO2, оксид цинка ZnO, диоксид титана TiO2, в н а- стоящее время нашли широкое применение в производстве газовых датчиков. Газовые датчики применяются для детектирования наличия в воздухе токсичных и взрывоопасных газов на химических, горнодобывающих, металлургических и других объектах, и в быту. Так же газовые датчики применяются для контроля концентрации газообразного вещества при проведении различных технологических процессов изготовления интегральных схем и дискретных приборов.

Целью работы является исследование газовой чувствительности пленок оксида цинка, легированных алюминием, и оценки их применимости в качестве основы для газового сенсора.

В данной работе сопротивление металлооксидных пленок измерялось методом Ван дер Пау, измерительный ток, величиной 0,1 А задавался источником питания Б5-47, напряжение на образце измерялось мультиметром UT33D. Температура контролировалась при помощи термопары типа хромель-алюмель. Полное сопротивление пленки рассчитывалось на основе поверхностного сопротивления по формуле:

где RABCD – поверхностное сопротивление пленки в прямом направлении, а RBCDA – поверхностное сопротивление пленки в поперечном направлении. Величина газовой чувствительности рассчитывалась как отношение полного сопротивления пленки на воздухе к сопротивлению пленки в атмосфере газа. Так же планируется автоматизировать процесс измерения при помощи аппаратнопрограммного комплекса LabVIEW.

15

УДК 538.975

В.И. Митрохин, А.А. Стёпкин

НЕУПРУГАЯ РЕЛАКСАЦИЯ

ВПОЛИКРИСТАЛИЧЕСКИХ ПЛЁНКАХ SnO2

Внастоящее время в быту широко используется природный газ. Он необходим для отопления, подогрева воды и приготовления пищи, и главным его плюсом является дешевизна. Но на самом деле за невысокой ценой скрывается неутешительная статистика: природный газ – один из самых взрывоопасных среди прочих газов.

Не секрет, что основным его компонентом является метан

(CH4), и его доля составляет от 70 до 98 % общего объема газа. Именно этот факт делает вероятность утечки крайне опас-

ной. Метан – ядовит, и для контроля его концентрации в окружающей среде используют детекторы, имеющие высокую чувствительность к определенным компонентам природного газа.

Такими детекторами выступают газовые датчики, способные оперативно обнаруживать опасные газы.

Целью данной работы является исследование неупругой релаксации в поликристаллических плёнках диоксида олова как перспективный способ улучшения чувствительности газовых датчиков.

Вкачестве объекта исследования выбрана кремниевая под-

ложка с нанесённой на неё поликристаллической плёнкой SnO2 с помощью метода магнетронного распыления. В качестве подложки

был использован монокристаллический кремний КДБ-10(111).

В процессе измерений использовался метод частотной модуляции - демодуляции электрических сигналов, пропорциональных амплитуде изгибных колебаний. Был также определен декремент затухания (внутреннего трения).

Измерения температурной зависимости внутреннего трения проводились в интервале температур от 30° до 300° по шкале Цельсия.

16

УДК 538.975

С.А. Акулинин, А.И. Строгонов

МЕМРИСТОРЫ В СТРУКТУРЕ БАЗОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НЕЙРОННЫХ СЕТЕЙ

Нейронная сеть – мощный метод машинного обучения и обработки больших объемов данных. Тем не менее, реализация алгоритмов обучения на архитектуре фон Неймана имеет ряд существенных недостатков: ограничение производительности и деградация сигнала в БИС и СБИС. На данный момент ведутся разработки сверхпроизводительных систем и схем с применением различных нанотехнологий и схемотехнических решений. Наряду с разработкой и уменьшением технологических процессов ведутся разработки новых приборов, таких как мемристоры. Мемристор – двухвыводной нелинейный элемент с возможностью сохранения информации посредством преобразования потока в заряд за счёт изменения своего сопротивления. Цель данной работы – создать архитектуру, исправляющую недостатки КМОП-технологии применительно к целям и задачам машинного обучения и обработки больших данных.

Приведены результаты генерации структурной схемы с точками коммутации мемристора в программе Verilog-to-Routing 8.0.0- rc1 с помощью инструмента basic_flow для мемристора с двумя ак-

равным 400 кОм, а включения 2 кОм. Получена новая архитектура – Синаптическая Нейронная Сеть (СНС). Схемотехнически, архитектура напоминает множество операционных усилителей, соединенных по схеме интегратора. С биологической точки зрения, данная архитектура напоминает нервные клетки – синапсы и нейроны. Частота работы составила 130 Гц. Время чтения и памяти составило 1 мс.

17

УДК 534.242

В.И. Митрохин, Е.Е. Хализов

МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ОПТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

Одной из основных проблем в системах оптической связи является обеспечение избирательности по частоте модуляции оптического сигнала и устранение вмешательства смежного канала, а также достижение высокого соотношения сигнал-шум.

В докладе изложены принципы и вариант конструктивного решения полупроводникового пьезоэлектрического резонатора с радикальными колебаниями круглой пластины, закреплённой в геометрическом центре двумя металлическими зажимами.

Устройство предназначено для селективного приёма оптических сигналов, инфракрасного и видимого диапазона. В качестве материала пластины использован монокристалл полуизолирующего

GaAs.

Конструктивно пластина GaAs с металлическими зажимами размещена в корпусе цилиндрической формы с дном, к которому прикреплены изолированные от него выходные электрические электроды. Высота открытого цилиндра обеспечивает защиту датчика от боковой засветки. Конструкция обладает повышенной виброустойчивостью.

Принцип действия фотоприёмника, основан на преобразовании энергетических импульсов в пульсирующую фотоЭДС, которая порождает механические колебания пластины посредством обратного пьезоэффекта. Возникающее радикальное колебание пластины, уже посредством прямого пьезоэффекта индуцирует электрические импульсы на металлические зажимы. Таким образом осуществляется преобразование модулированных оптических сигналов в электрическую, упругую и далее снова в электрическую энергию.

Фотопьезоэлектрический резонатора в качестве избирательного приемника оптических сигналов может обеспечить эффективную входную фильтрацию сигналов и защиту от мешающих воздействий, как естественных, так и искусственных помех.

18

УДК 621.319.4

Т.Г. Меньшикова, В.И. Шурупова

ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И ТЕХНОЛОГИЯ СОЗДАНИЯ ТОНКОПЛЕНОЧНОГО КОНДЕНСАТОРА

Внастоящее время из-за усложнения микросборок возникает потребность в миниатюризации компонентной базы и увеличения надёжности её элементов. На сегодняшний день тонкопленочные конденсаторы относятся к числу наиболее распространенных элементов гибридных и полупроводниковых схем. А большое количество вариаций их производства (керамические, плёночные, электролитические) позволяет подобрать необходимые параметры для конкретной микросборки.

Впредставленной работе рассмотрен технологический процесс изготовления тонкоплёночного конденсатора с основанием из керамической подложки П-1-е-Т-10000. Обкладки были получены методом магнетронного распыления меди и последующим гальваническим золочением. Завершающим этапом изготовления было скрайбирование на отдельные элементы заданного размера.

Врезультате были получены конденсаторы с габаритными размерами 1×2 мм и 2×2 мм. У 10 образцов каждого типоразмера будут измерены основные параметры – ёмкость и пробивное напряжение. Установлено, что для конденсаторов 1×2 мм средняя ём-

кость составила Сср1 = 261 пФ, для конденсаторов 2×2 мм средняя ёмкость равна Сср2 = 381 пФ.

19