ZnO电导气敏薄膜元件的开发

摘要：在Si/SiO2/Al2O3衬底上用高能溅射ZnO/1%CeO2粉末研制出ZnO薄膜气敏元件。介绍了研制元件的工艺和芯片结构；给出了元件的电导气敏特性：气敏特性曲线和热特性，酒敏特性，测试了元件温度气敏特性。

关键词：ZnO薄膜 溅射反应温度

The exploitation of ZnO thin film gas sensor

Pan Yingfei[1]Geng Ningning [1]She Guangrong[1] Qiu Nianyuan [2]

[1]Jinan SemiconductInstitute,Jin an 250014 China

[2]School of physics Shandong University ,Ji nan 250011 China

Abrastract

The ZnO thin filmgas sensorwas fabricatedby highenergy sputter ZnO/1%CeO2 powder on the substrate Si/SiO2/Al2O3. The technical processes and the structure of the chipwas presented.The conductance gas sensing properties of the sensor was given:the cures of gases sensing, the thermal performance ,and the alcoholsensitive properties. The temperation gas sensing property of the sensor was tested.

Key word：

ZnO thin film sputterreaction temperation change

中图分类号：TB43文献标识码： A

1、前言

ZnO是一种具有良好气敏特性，而且是被最早研究的金属氧化物半导体。

早在50年前，气敏元件创始人T.Seiyama就提出用ZnO薄膜来研制气体传感器【1】。

目前，国内外虽然有很多人用不同的方法研制ZnO薄膜，然而没有可实用的ZnO气敏元件，主要原因是ZnO与衬底（一般用Al2O3）结合不稳定。

1968年，日本 人Tagushi发明了瓷管烧结型TGS元件（Tagushi gas sensor）【2】,只有SnO2元件，而无ZnO元件；原因是烧结热能kT太小（T=1200KKT=0.1eV ）, ZnO难以牢固地结合在瓷管（Al2O3）上。

1988年，西欧首次将硅微电子工艺移植到金属氧化物薄膜气敏元件的研制【3】，但没有生产出ZnO薄膜元件，原因是用一般的方法（溅射）所提供的与衬底结合能力太低，元件不稳定。

上世纪90年代初，我们也用Si微电子工艺在Al2O3衬底上用电压为1000V溅射做出两种薄膜气敏元件，一种是SnO2,另一种 是ZnO【4】；测试结果表明：ZnO元件很不稳定，原因是溅射能量太低，ZnO难以在Al2O3上结合牢固。

最近 我们用“高能溅射”：电压V>2000V,工作气体Ar压PAr

本文的第1部分分析介绍研制ZnO薄膜气敏元件的关键: ZnO与衬底Al2O3的结合；第2部分是 研制元件的工艺和芯片的结构；第3部分是测试，介绍了ZnO元件的电导气敏特性和温度气敏特性的测试结果；第4部分是结论和展望。

2、元件的工艺和芯片结构

2.1工艺

2.1.1工艺流程

(1)(2)

(3)(4)

2.1.2工艺说明

（1）绝缘衬底Si/SiO2/Al2O3制备：用热氧化在Si片表面生长SiO2(5000),再用溅射在SiO2上生成Al2O3(5000)。这种绝缘衬底保证了良好的绝缘特性。

（2）一次光刻：在Al2O3上进行溅射Pt生成叉指电极和加热器（见图1）。Pt膜厚约1000

（3）二次光刻：用高能（电压V>2000V, PAr

（4）点焊：用金丝球焊机，焊出加热器和电极。

2.2 元件芯片结构

3测试

3.1电导气敏特性

3.1.1气敏特性曲线IG~t0

图2ZnO/1%CeO2元件气敏特性

说明：

a)IG:气敏电流

b)to：元件工作温度

c)由图2可见ZnO/1%CeO2薄膜元件是一种选择性好的酒敏（C2H5OH）元件，工作温度to :450~500

图1

1、气敏层ZnO/CeO22、Al2O3层3、SiO2层

4、Pt/Ti复合膜W形加热器5、Pt/Ti复合膜6、键合盘

3.1.2元件热特性和酒敏特性测试记录（见表1）

表1 ZnO/1%CeO2薄膜气敏元件热特性和酒敏特性测试记录

型号(编号) 热特性 气敏特性 备注

Vh

(v) Ih

(mA) Ph

(mv) t°

(℃) I0

(μA) IG

(μA) IG’

(μA) Sn Sl τs

(s) τc

(s) IG：100ppm [C2H5OH]空气中的气敏电流

IG’：100ppm （气油汽）空气中的气敏电流

灵敏度Sn：IG/I0

选择性Sl：IG/IG’

测试电压VT： 3v

预热：Ph一般在270~275mw，时间2~5分钟

Z(112) 6.8 37 255 535 6 84 14 14 6.0

Z(107) 6.8 38.5 258 540 14 188 36 14 5.2

Z(104) 6.8 38.5 262 540 11 131 26 12 5.1

Z(60) 10.5 24 250 520 23 280 150 12 1.9

Z(53) 10.5 24 248 520 22 29 75 13 3.9

Z(52) 10.5 24.5 257 525 29 330 70 11 4.7

Z(55) 10.5 25 250 520 14 178 54 13 3.3

3.2温度气敏特性

3.2.1反应温度trea的概念

还原气体R与气敏金属氧化物表面吸附氧负离子O-的氧化反应将产生两种宏观效应：（1）电导增加G；（2）芯片温度升高trea

R+O-RO-RO+e

trea G

3.2.2 trea与气体浓度C的关系

显然还原气体浓度C越大，则反应温度trea

越大。通过试验，图3给出了1#，2#，3#，4#

元件trea随C变化的曲线。

4.结论和展望

（1）用高能溅射ZnO/1%CeO2粉末，能研制出性能良好的酒（C2H5OH）敏元件。

(2)要使ZnO薄膜元件用的好、能生产，还要进行一些工作：第一要研制元件的稳定性；第二要提高工艺的成品率。

参考文献

（1）T.Seiyama,A.Kato,K.Fujushi Anewdetector forgaseouscomponentusing semiconductor thinfilmAnalChem.1962,34,1052~1053

(2) N.TagushiU.S. patent #3676820 Jully 11 1972

(3) D.Grimsel An integrated low-power thin film CO gas sensor on silicon Sensors and Actuators1988 13301-313

(4) Li Jianming Liu wenliLv HonglangQiu Nanyuan Powdersputteringplane thinfilm SiO2/CeO2alcoholsensor ActaEleatronica24(5)1996114-116