[发明专利]一种宽带隙肖特基二极管氢气传感器芯体及其制备方法在审

专利信息
申请号: 201410611721.6 申请日: 2014-11-04
公开(公告)号: CN104374817A 公开(公告)日: 2015-02-25
发明(设计)人: 陈浩;谢贵久;景涛;曹勇全;陈伟;龚星;袁云华;靳建军 申请(专利权)人: 中国电子科技集团公司第四十八研究所
主分类号: G01N27/414 分类号: G01N27/414
代理公司: 长沙正奇专利事务所有限责任公司 43113 代理人: 马强
地址: 410111 湖南*** 国省代码: 湖南;43
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摘要:
搜索关键词: 一种 宽带 隙肖特基 二极管 氢气 传感器 及其 制备 方法
【说明书】:

技术领域

发明涉及一种氢气传感器芯体,尤其涉及一种宽带隙肖特基二极管氢气传感器芯体及其制备方法。

背景技术

氢气作为一种高燃烧效率的清洁能源,已经在航空航天、车辆和船舶等的助推系统中得到了广泛应用;同时,氢气作为一种重要的还原性气体和载气,在化工、电子、医疗等领域也发挥着极其重要的作用。但是,氢气是一种易燃易爆的危险气体,在空气中的含量位于4-75%之间时,遇到明火即爆炸。氢气分子直径非常小且无色、无味,在生产、储存、运输和使用的过程中易泄漏且不易察觉,从而带来非常大的安全隐患,威胁人身财产安全。因此,发展用于检测环境中氢气浓度和氢气泄漏的高灵敏度的氢气传感器,已经成为了人们日益关注的问题,高性能的氢气传感器的研制目前也成为了传感器研究领域的重点之一。

目前的氢气传感器主要是以钯或者钯合金材料为主的电阻型氢气传感器以及以肖特基二极管、MOS电容和MOS晶体管等为主的半导体型氢气传感器。相比于电阻型氢气传感器,半导体型氢气传感器普遍具有响应速度快、检测氢气浓度下限低和灵敏度大等优点。

氢气传感器的芯体是氢气传感器的核心组件,主要用来检测氢气浓度。氢气传感器的芯体通常包括三层:基片、介质层、氢气敏感层。利用氢气敏感层与基片之间的电势差的变化来检测氢气。基片使用半导体材料,通常使用硅片,氢气敏感层通常使用金属钯及其合金,介质层的研究主要集中在二氧化硅和三氧化二铝等氧化物材料中,这类材料制成的氢气传感器芯体响应时间长,检测氢气的浓度下限值高。

发明内容

本发明目的是,提供一种宽带隙肖特基二极管氢气传感器芯体及其制备方法,以克服现有技术中氢气传感器芯体响应时间长,检测氢气的浓度下限值高的缺陷。

本发明的技术方案之一是,提供所述宽带隙肖特基二极管氢气传感器芯体,依次包括基片、介质层和氢气敏感层,所述介质层为二氧化铪薄膜。

进一步地,所述二氧化铪薄膜的厚度为2~20 nm。

进一步地,所述氢气敏感层为金属钯镍合金。

进一步地,所述基片为N型硅片。

进一步地,所述N型硅片的电阻率为0.1~20 Ω·cm。

本发明的技术方案之二是,提供上述宽带隙肖特基二极管氢气传感器芯体的制备方法,依次包括以下步骤:

a.先清洗基片表面,再去除基片表面的氧化层;

b.再在基片表面制备二氧化铪薄膜;

c.在二氧化铪薄膜上制备氢气敏感层。

进一步地,所述步骤b中制备二氧化铪薄膜的方法为磁控溅射、离子束溅射或脉冲激光沉积。

进一步地,所述步骤c中制备氢气敏感层的方法为磁控溅射、离子束溅射、脉冲激光沉积、热蒸发或电子束蒸发。

二氧化铪的k值高达25,带隙宽度也高达5.8 eV,溅射沉积的二氧化铪薄膜与硅基片之间具有化学稳定稳定性,且与硅基片之间具有化学稳定稳定性,与硅基片之间不产生任何中间层。此外,较大的带隙有利于降低漏电流,与Si的能带补偿较大。因此,高k 值和宽带隙的二氧化铪薄膜是一种很好的肖特基二极管氢气传感器的介质层材料。

本肖特基二极管氢气传感器的工作原理为:氢气吸附于钯镍合金氢气敏感层的表面后,在其催化作用下,氢气分子分解产生氢原子,氢原子扩散通过金属膜,达到金属-介质层界面处。在界面电荷的吸引下,氢原子被吸附在金属-介质层的界面处,形成以偶极层,该偶极层将改变钯镍合金的功函数,导致肖特基二极管的势垒降低,肖特基二极管的I-V特性发送漂移。因此,在恒定电流下测试,输出电压的漂移即为传感器对氢气的响应信号,且随着氢气浓度的加大,输出电压的漂移值也响应增大。

本发明的有益效果:该肖特基二极管氢气传感器芯体的响应时间小于20 s,能够检测得氢气浓度下限为50 ppm,表明其在氢气传感器领域具有潜在的应用价值。

附图说明

图1为本发明提供的宽带隙肖特基二极管氢气传感器芯体的剖面图。

具体实施方式

以下结合图1对本发明作进一步具体说明。如图1所示,所述的一种宽带隙肖特基二极管氢气传感器的芯体包括电阻率为2~4 Ω·cm的磷掺杂N型硅的基片1,基片1表面设置二氧化铪薄膜制成的介质层2,介质层2表面设置钯镍合金(其中,13.6 wt%的镍, 86.4 wt%的钯)的薄膜制成的氢气敏感层3。

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