肖特基二极管氢气传感器的试验研究

孙延玉, 周 岩, 程振乾, 李慧颖, 文吉延, 金鹏飞

(中国电子科技集团公司第四十九研究所,黑龙江 哈尔滨 150001)

0 引 言

随着化石能源诸如石油、煤炭造成的环境污染问题日益严重，人们越来越重视新能源特别是可再生能源的开发，氢气是一种新的清洁型能源，具有来源广泛，无污染等很多优点，备受产业界和学术界的关注。氢气在燃料电池、氢能汽车方面的应用日益广泛，但是其存在易泄露、易燃易爆等风险，为了解决这个难题，科学家开发很多检测氢气的方法，其中氢气传感器是最受重视的，因其具有体积小、重量小、成本低、响应快、可实时监测的特点，具有很大的市场占有量。

氢气传感器的研究受到了广泛关注，并相继推出了不同类型的氢气传感器。按照工作原理可分为催化燃烧型、半导体型、金属和合金电阻型[1]、光学型、电化学型[2,3]、肖特基二极管型等，每种传感器都有其优点和缺点。肖特基二极管氢气传感器是一种新型的氢气传感器，具有工作温度低、选择性好的特点，且可以利用微加工技术实现批量制造，可确保同一批次传感器的均一性和互换性[4]。由于肖特基二极管氢气传感器的诸多优点，国内外研究者展开了广泛的研究。钟德刚等人[5]采用NO直接氧化制备氮氧化物，并以该氮氧化物作为绝缘层制备高性能Si基MOS肖特基二极管式气体传感器，结果显示,传感器灵敏度高、重复性好、检测极限低，可以检测浓度约为10-6的氢气。王新华等人[6]通过溅射的方法制作了Pt/AlGaN/GaN背对背肖特基二极管，测试了该器件对氢气的响应，发现空气中的氧气对于器件电流的恢复有重要的作用。

1 工作原理

肖特基二极管氢气传感器是一种功函数型传感器，其工作原理是金属(Pt、Pd等)表面对氢气分子进行吸附，并催化使氢气分子发生解离变成氢原子，氢原子扩散到金属层内部，降低了金属的功函数，导致肖特基势垒高度下降，使二极管的电流/电压曲线发生漂移，正向电流增加。当环境中的氢气和扩散到金属层中的氢气达到平衡，肖特基二极管的I/V曲线漂移与氢气浓度成一定比例关系，从而达到检测的目的。

2 试验过程

2.1 器件制作过程

本试验采用基片为市售的双面(100)氧化硅片，二氧化硅氧化层厚度为300 nm，导电类型为n型，电阻为0.01～0.09 Ω·m。先通过光刻、腐蚀等工艺在硅片一面形成预设图形，再通过溅射工艺在图形表面附着金属敏感层，形成肖特基二极管膜层，如图1所示。

图1 肖特基二极管膜层

溅射工艺的工艺参数为：溅射功率为300 W，设备为MSP—300C磁控溅射台,溅射时间为10～40 min。

肖特基二极管氢气传感器的加热器通过厚膜工艺在氧化铝衬底上印刷厚膜电阻条制备。

将制备的肖特基二极管膜层和加热器分别进行引线焊接和烧结处理，并将肖特基二极管粘接在加热器背面，形成肖特基二极管氢气传感器。如图2所示。

图2 肖特基二极管氢气传感器

2.2 气敏性能测试过程

试验装置由标准气源、流量控制器、测试装置构成。标准气源由气体供应厂家配制，本试验选3个浓度点：10×10-6,5 000×10-6,10 000×10-6。气体流量计为浮子流量计，本试验控制流量为200 mL/min。测试装置包括供电电源、肖特基二极管氢气传感器安装腔室和电化学工作站，其中供电电源可实现对肖特基二极管膜层和加热器分别供电；电化学工作站可实现肖特基二极管电流/电压信号曲线的扫描及采集，扫描速率为0.01 V/s。安装腔室用于固定氢气传感器，并通过管道与流量计接通。

3 结果与讨论

3.1 加热功率对传感器输出的影响

根据热电子理论[7，8]肖特基二极管的电流/电压曲线复合如下公式

(1)

式中J为肖特基二极管净电流密度，A为有效理查德常数，T为热力学温度，q为单位电荷，φBn为势垒高度，k为玻尔兹曼常数，Va为所加载偏置电压。

由式(1)可见，温度对于传感器的输出有很大影响，而传感器部位的温度与传感器的加热功率有关，因此需要对传感器的加热功率进行考察。试验过程中利用外加热控制方法，通过控制加热电源的功率来控制传感器加热功率，测量不同功率下传感器输出。试验中在0～3.2 W之间选取了4个加热功率值，测试数据见图3所示。

图3 传感器输出与加热功率的关系

由图3可知，随着加热功率的逐渐增加，传感器在同一偏置电压和环境气氛中的输出逐渐升高，符合式(1)所体现的趋势。可见传感器工作时，加热温度越高，则输出越大，但随着加热功率的增大，传感器总功率会增大，不利于传感器低功耗应用的要求，因此,在进行敏感性能测试时选择加热功率为1.7 W。

3.2 传感器输出特性曲线

试验中设定传感器的加热功率为1.7 W，分别测试了氢气浓度在10×10-6,5 000×10-6,10 000×10-6三个浓度时的输出，肖特基二极管传感器在不同浓度氢气气氛下的输出曲线见图4(a)所示。

从图4可知，当偏置电压大于2 V时，传感器对于不同浓度的氢气的响应有明显的变化，偏置电压小于2 V时，电流变化近似成直线变化，偏置电压大于2 V后，输出电流迅速增大，符合肖特基二极管的电流—电压变化曲线。当外加电压为3.0 V时，氢气浓度为10×10-6时的输出电流为6.36×10-8A，氢气浓度为5 000×10-6时的输出电流为1.15×10-7A，氢气浓度为10 000×10-6使的输出电流为1.83×10-7A。

图4给出了传感器在不同偏置电压下的输出电流曲线，由图4(b)可见传感器具有良好的输出特性。

图4 传感器输出特性曲线

4 结 论

实验表明:以n型双面氧化硅片为衬底，通过溅射工艺和厚膜工艺制备的肖特基二极管氢气传感器对氢气具有较好的响应特性，其测量范围为(0～10 000)×10-6,该类型传感器采用半导体工艺制造作，具有测量范围宽、批次性好的优势，具有广阔的应用前景。