RU2659903C1 - Способ формирования структуры сенсора газообразных токсичных веществ на основе пленок графена - Google Patents
Способ формирования структуры сенсора газообразных токсичных веществ на основе пленок графена Download PDFInfo
- Publication number
- RU2659903C1 RU2659903C1 RU2017106230A RU2017106230A RU2659903C1 RU 2659903 C1 RU2659903 C1 RU 2659903C1 RU 2017106230 A RU2017106230 A RU 2017106230A RU 2017106230 A RU2017106230 A RU 2017106230A RU 2659903 C1 RU2659903 C1 RU 2659903C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- graphene
- toxic substances
- sensor structure
- sensor
- films
- Prior art date
Links
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 42
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 42
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 21
- 231100000614 poison Toxicity 0.000 title claims abstract description 7
- 239000003440 toxic substance Substances 0.000 title claims abstract description 7
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 7
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims abstract description 7
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 7
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 6
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 5
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 5
- 238000001465 metallisation Methods 0.000 claims abstract description 5
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 claims abstract description 5
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 claims abstract description 4
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 claims abstract description 4
- 239000002360 explosive Substances 0.000 claims abstract description 4
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 claims abstract description 4
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 claims abstract description 4
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims abstract description 3
- 230000003321 amplification Effects 0.000 claims abstract 2
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 claims abstract 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 abstract description 9
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 7
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 abstract description 2
- 231100000331 toxic Toxicity 0.000 abstract description 2
- 230000002588 toxic effect Effects 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 238000004870 electrical engineering Methods 0.000 abstract 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 abstract 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 12
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 7
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 5
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 3
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N Nitric oxide Chemical compound O=[N] MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 2
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 description 2
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 2
- 230000002378 acidificating effect Effects 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012159 carrier gas Substances 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000010790 dilution Methods 0.000 description 1
- 239000012895 dilution Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 238000004321 preservation Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 238000005476 soldering Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 1
- 238000010561 standard procedure Methods 0.000 description 1
- 238000000859 sublimation Methods 0.000 description 1
- 230000008022 sublimation Effects 0.000 description 1
- 238000002207 thermal evaporation Methods 0.000 description 1
- 239000002341 toxic gas Substances 0.000 description 1
- 238000002061 vacuum sublimation Methods 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)
Abstract
Изобретение относится к полупроводниковой технике. Сущность изобретения заключается в формировании структуры сенсора газообразных токсичных веществ на основе пленок графена. Техническим результатом является достижение предела чувствительности графена к разнообразным токсичным газообразным веществам. Согласно изобретению пленки графена на поверхности карбида кремния получают термодеструкцией. Травление пленки графена производят ионно-лучевым методом с использованием маски фоторезиста, металлизацию электродов осуществляют методом взрывной фотолитографии, затем напыляют на омические контакты никелевое покрытие с последующим формированием топологии усиления контактных площадок. Способ может быть использован в процессе промышленного производства сенсоров на основе графена.
Description
Изобретение относится к способам, специально предназначенным для изготовления и обработки приборов на твердом теле. Изобретение также относится к формированию слоев графена на подложках карбида кремния.
Известны способы изготовления сенсоров газообразных токсичных веществ на основе пленок графена, предусматривающие получение пленки графена на поверхности карбида кремния термодеструкцией, с последующим нанесением омических контактов («Сверхчувствительный газовый сенсор на основе графена», А.А. Лебедев, С.П. Лебедев, С.Н. Новиков, В.Ю. Давыдов, А.Н. Смирнов, Д.П. Литвин, Ю.Н. Макаров, B.C. Левицкий. Журнал технической физики, 2016, том 86, вып. 3). Пленки графена, выращенные методом сублимации в вакууме, проявляют P-тип проводимости. Оксид азота (NO2) является сильным окислителем, эффективно захватывающим электроны с поверхности, на которую адсорбируется. Поэтому его адсорбция на поверхности графена уменьшает концентрацию электронов и увеличивает концентрацию дырок. При этом удельное сопротивление уменьшается, что позволяет использовать сенсор на основе графена для мониторинга окружающей среды.
Однако в рассматриваемой работе не приводятся исследования, касающиеся влияния конструкции и технологии получения омических контактов, оказывающих влияние на работу сенсора при различных условиях.
Известен способ формирования структуры сенсора газообразных токсичных веществ на основе пленок графена, включающий получение пленки графена на поверхности карбида кремния, травление пленки графена и нанесение омических контактов (Патент US 9178032, «Gas sensor and manufacturing method thereof», filled: Jan. 24, 2014; Date of Patent Nov. 3, 2015).
Известный способ позволяет изготавливать сенсоры на основе графена, которые могут быть широко использованы в мобильных устройствах, однако предлагаемый широкий спектр материалов, которые согласно известному способу могут быть использованы в процессе изготовления сенсора, не позволяют сформировать омические контакты к графену, обладающие линейными вольт-амперными характеристиками и имеющие хорошую адгезию как к графену, так и к подложке, а также обеспечить сохранение исходной структуры графена на всех этапах формирования прибора в целом, что в итоге не позволяет получить сенсор с высокой чувствительностью.
Задачей создания изобретения является формирование структуры газового сенсора, позволяющей достигнуть предела чувствительности графена к разнообразным токсичным газообразным веществам.
Поставленная задача решается за счет того, что в способе формирования структуры сенсора газообразных токсичных веществ на основе пленок графена, включающем получение пленки графена на поверхности карбида кремния термодеструкцией, химическую обработку пленки графена и нанесение омических контактов, травление пленки графена осуществляют ионно-лучевым травлением с использованием маски фоторезиста, затем осуществляют металлизацию электродов методом взрывной фотолитографии, напыляют никелевое покрытие, формируют топологию усиления контактных площадок, а затем осуществляют финишную химическую обработку.
Предлагаемый способ позволяет обеспечить сохранение исходной структуры графена на всех этапах формирования сенсора, а также сформировать омические контакты к графену, обладающие линейными вольт-амперными характеристиками. Полученные предлагаемым способом омические контакты имеют хорошую адгезию как к однослойному графену, так и к карбиду кремния. В целом, структура сенсора, изготовленного с использованием предлагаемого способа, характеризуется высокой стабильностью и устойчива к последующим технологическим операциям, в частности нагреву до температуры 300°C, пайке или сварке омических контактов, погружению полученной структуры в различные некислотные и нещелочные жидкости.
Предлагаемый способ предусматривает возможность осуществления дополнительных технологических операций с применением фотошаблонов, что позволяет увеличить чувствительность сенсора к определенным типам газов. Это, в частности, достигается за счет формирования на поверхности графена металлических пленок определенной формы.
Была изготовлена партия структур сенсора газообразных токсичных веществ на основе пленок графена. При изготовлении структур сенсора использовались образцы со следующими параметрами: подложка - 6H-SiC i-типа проводимости, толщиной 360 мкм; толщина эпитаксиальных слоев графена составляла 1-2 монослоя.
Топология требуемых структур была создана с применением стандартной процедуры процесса контактной фотолитографии с использованием специально разработанного комплекта фотошаблонов. Минимальные размеры задавались на уровне 5 мкм, что исключало применение жидкостных методов травления.
Формирование топологии графенового базиса структур проводилось методом ионно-лучевого («сухого») травления пленок с использованием маски фоторезиста марки AZ-1518 при следующих условиях процесса: рабочее давление в камере - 2-3 миллибар, энергия аргонового пучка - 50 эВ, ток пучка - 0,5 мА/см2. Формирование топологии подзатворного окисла и металлизации электродов графеновых сенсорных структур проводилось с использованием метода взрывной фотолитографии.
Металлизация электродов структур была получена методом термического испарения в вакууме. В качестве металлизации была использована трехслойная композиция - Ti/Au/Ni. Подслой Ti толщиной 
напылялся с целью повышения адгезии основного металлического покрытия Аu, толщина которого составляла 0,3 мкм. Ni-покрытие толщиной 0,3 мкм необходимо для усиления контактных площадок структур.
Для измерения чувствительности сенсора была использована система смешивания и подачи газовых смесей, позволяющая изменять коэффициент разбавления в пределах 1:1-1:105, обеспечивая выходную концентрацию детектируемого газа от 0,1 ppb (одна часть на миллиард) до 10 ppm (одна часть на миллион). В качестве газа-носителя использовался очищенный воздух.
Чувствительность сенсора (г) была выражена в процентах и определялась как относительное изменение сопротивления образца при наличии в газовой смеси регистрируемого газа:
где R - сопротивление сенсора при подаче газа,
R0 - исходное сопротивление при отсутствии детектируемого газа в потоке поступающего воздуха.
Были определены относительные изменения сопротивления сенсора на основе графена при наличии NO2 в газовой смеси при 20°C.
Как было показано ранее, пленки графена, выращенные методом сублимации в вакууме, проявляют p-тип проводимости. NO2 является сильным окислителем, эффективно захватывающим электроны с поверхности, на которую адсорбируется. Поэтому его адсорбция на поверхности графена уменьшает концентрацию электронов и увеличивает концентрацию дырок. В случае материала p-типа это приводит к уменьшению удельного сопротивления. Для концентрации NO2 10 ppb амплитуда отклика датчика составила около 3% при воздействии газовой смеси в течение 1 часа. Такая чувствительность сенсоров вполне достаточна для мониторинга окружающей среды.
Предлагаемый способ формирования структуры сенсора газообразных токсичных веществ на основе пленок графена может быть использован в процессе промышленного производства сенсоров на основе графена
Claims (1)
- Способ формирования структуры сенсора газообразных токсичных веществ на основе пленок графена, включающий получение пленки графена на поверхности карбида кремния термодеструкцией, химическую обработку пленки графена и нанесение омических контактов, отличающийся тем, что травление пленки графена осуществляют ионно-лучевым травлением с использованием маски фоторезиста, затем осуществляют металлизацию электродов методом взрывной фотолитографии, напыляют никелевое покрытие, формируют топологию усиления контактных площадок, а затем осуществляют финишную химическую обработку.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017106230A RU2659903C1 (ru) | 2017-02-22 | 2017-02-22 | Способ формирования структуры сенсора газообразных токсичных веществ на основе пленок графена |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017106230A RU2659903C1 (ru) | 2017-02-22 | 2017-02-22 | Способ формирования структуры сенсора газообразных токсичных веществ на основе пленок графена |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2659903C1 true RU2659903C1 (ru) | 2018-07-04 |
Family
ID=62815573
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017106230A RU2659903C1 (ru) | 2017-02-22 | 2017-02-22 | Способ формирования структуры сенсора газообразных токсичных веществ на основе пленок графена |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2659903C1 (ru) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2716038C1 (ru) * | 2018-12-26 | 2020-03-05 | Акционерное общество "Государственный Ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт химии и технологии элементоорганических соединений" (АО "ГНИИХТЭОС") | Активный элемент на основе графена для газоанализаторов электропроводного типа |
| RU2745636C1 (ru) * | 2020-06-26 | 2021-03-29 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) | Газовый сенсор и газоаналитический мультисенсорный чип на основе графена, функционализированного карбонильными группами |
| RU2780953C1 (ru) * | 2022-01-23 | 2022-10-04 | Общество с ограниченной ответственностью "ГрафСенсорс" | Мульти-графеновый газовый сенсор на основе производных графена и способ его изготовления |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2143678C1 (ru) * | 1998-04-29 | 1999-12-27 | Открытое Акционерное Общество Центральный научно-исследовательский технологический институт "Техномаш" | Полупроводниковый газовый сенсор и способ его изготовления |
| US20130164859A1 (en) * | 2010-03-30 | 2013-06-27 | The Trustees Of The University Of Pennsylvania | Dna-decorated graphene chemical sensors |
| US20140231933A1 (en) * | 2013-02-15 | 2014-08-21 | Electronics And Telecommunications Research Institute | Gas sensor and manufacturing method thereof |
| RU2535235C2 (ru) * | 2009-08-07 | 2014-12-10 | Гардиан Индастриз Корп. | Электронное устройство, включающее в себя слой(и) на основе графена, и/или способ его изготовления |
-
2017
- 2017-02-22 RU RU2017106230A patent/RU2659903C1/ru active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2143678C1 (ru) * | 1998-04-29 | 1999-12-27 | Открытое Акционерное Общество Центральный научно-исследовательский технологический институт "Техномаш" | Полупроводниковый газовый сенсор и способ его изготовления |
| RU2535235C2 (ru) * | 2009-08-07 | 2014-12-10 | Гардиан Индастриз Корп. | Электронное устройство, включающее в себя слой(и) на основе графена, и/или способ его изготовления |
| US20130164859A1 (en) * | 2010-03-30 | 2013-06-27 | The Trustees Of The University Of Pennsylvania | Dna-decorated graphene chemical sensors |
| US20140231933A1 (en) * | 2013-02-15 | 2014-08-21 | Electronics And Telecommunications Research Institute | Gas sensor and manufacturing method thereof |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| А.А. Лебедев и др. "Сверхчувствительный газовый сенсор на основе графена", статья, Журнал технической физики, 2016, том. 6, вып. 3. * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2716038C1 (ru) * | 2018-12-26 | 2020-03-05 | Акционерное общество "Государственный Ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт химии и технологии элементоорганических соединений" (АО "ГНИИХТЭОС") | Активный элемент на основе графена для газоанализаторов электропроводного типа |
| RU2745636C1 (ru) * | 2020-06-26 | 2021-03-29 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) | Газовый сенсор и газоаналитический мультисенсорный чип на основе графена, функционализированного карбонильными группами |
| RU2780953C1 (ru) * | 2022-01-23 | 2022-10-04 | Общество с ограниченной ответственностью "ГрафСенсорс" | Мульти-графеновый газовый сенсор на основе производных графена и способ его изготовления |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6687862B2 (ja) | ガスセンサ及びその使用方法 | |
| Fan et al. | Chemical sensing with ZnO nanowire field-effect transistor | |
| Park et al. | Fabrication of a highly sensitive chemical sensor based on ZnO nanorod arrays | |
| US9472675B2 (en) | Method of manufacturing n-doped graphene and electrical component using NH4F, and graphene and electrical component thereby | |
| Kim et al. | Organic vapour sensing by current response of porous silicon layer | |
| JP7203439B2 (ja) | 低温度で高感度なガスセンサ装置およびその製造方法 | |
| RU2659903C1 (ru) | Способ формирования структуры сенсора газообразных токсичных веществ на основе пленок графена | |
| KR20150142269A (ko) | 그래핀 나노리본의 제조방법 및 이에 의해 제조된 나노리본을 포함하는 센서 | |
| KR20160130927A (ko) | 가스센서 및 그 제조방법 | |
| JP6810345B2 (ja) | ガスセンサ及びガス検知システム | |
| Jha et al. | CVD grown cuprous oxide thin film based high performance chemiresistive ammonia gas sensors | |
| KR101463958B1 (ko) | 그래핀 기반 수소센서 및 그 제조방법 | |
| Nath et al. | In search of quantum-limited contact resistance: understanding the intrinsic and extrinsic effects on the graphene–metal interface | |
| Sharma et al. | Recent progress on group III nitride nanostructure-based gas sensors | |
| Yang et al. | Enhancing gas sensing properties of graphene by using a nanoporous substrate | |
| Fobelets et al. | Ammonia sensing using arrays of silicon nanowires and graphene | |
| US9977002B2 (en) | Nanoporous structures by reactive ion etching | |
| KR102014069B1 (ko) | 그래핀 기준전극 제조 방법 | |
| KR20120100536A (ko) | 은이 도핑된 산화아연 나노선을 갖는 가스 센서 및 그 제조 방법 | |
| US9373506B2 (en) | Method for treating surface of diamond thin film, method for forming transistor, and sensor device | |
| CN103848416A (zh) | 一种修饰石墨烯薄膜的方法 | |
| KR100971587B1 (ko) | 정렬된 나노와이어의 제조방법 및 나노와이어 응용소자 | |
| Li et al. | Graphene quantum dots modified silicon nanowire array for ultrasensitive detection in the gas phase | |
| Fan et al. | Chemical sensing with ZnO nanowires | |
| Baek et al. | WO 3-MoS 2 Mixture-Based Gas Sensor for NO 2 Detection at Room Temperature |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PD4A | Correction of name of patent owner | ||
| QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20200826 Effective date: 20200826 |