xxiii πανελληνιο ÏƒÏ Î½ÎµÎ´ÏÎ¹Î¿ Ï†Ï ÏƒÎ¹ÎºÎ·Ï‚ στερεας καταστασης & επιστημης ...

Τρανζίστορ Επίδρασης Πεδίου με Λεπτό Υμένιο ZnO ως Ενεργό Υλικό για Εφαρμογές
Χημικών Αισθητήρων
Φ. Φαρμάκης 1* , Α. Σπηλιώτης 2 , Κ. Αλεξάνδρου 1 , Χ. Τσάμης 1 , Μ. Κομπίτσας 3 , Ι. Φασάκη 3
1 Ινστιτούτο Μικροηλεκτρονικής, Ε.Κ.Ε.Φ.Ε. Δημόκριτος, Αγία Παρασκευή, 15310 Αθήνα
2 Ινστιτούτο Επιστήμης Υλικών, Ε.Κ.Ε.Φ.Ε. Δημόκριτος, Αγία Παρασκευή, 15310 Αθήνα
3 Ινστιτούτο Θεωρητικής και Φυσικής Χημείας, Εθνικό Ίδρυμα Ερευνών, 11635 Αθήνα
*farmakis@imel.demokritos.gr
Τα ημιαγώγιμα οξείδια μετάλλων χρησιμοποιούνται ευρέως ως αισθητήρες αερίων λόγω της εγγενούς τους ευαισθησίας σε
αέρια όπως το μονοξείδιο του άνθρακα, το υδρογόνο, το μονοξείδιο του αζώτου και οι υδρογονάνθρακες. Ανάμεσα σε όλα
τα συγκεκριμένα υλικά, το οξείδιο του ψευδαργύρου παρουσιάζεται ως ένα από τα πιο δημοφιλή κυρίως λόγω της καλής του
ποιότητας ακόμα και σε χαμηλή θερμοκρασία εναπόθεσης. Αυτό το χαρακτηριστικό του δίνει την δυνατότητα της
χρησιμοποίησής του πάνω σε φθηνά και εύκαμπτα υποστρώματα [1]. Επιπλέον, η πολυκρυσταλλική του φύση συμβάλει
στην αύξηση της ενεργούς επιφάνειας του αισθητήρα. Έτσι, χρησιμοποιώντας διατάξεις επίδρασης πεδίου, είναι πιθανή η
επίτευξη ικανοποιητικής ανίχνευσης αερίων ακόμη και σε χαμηλές θερμοκρασίες λειτουργίας και επομένως η κατασκευή
αισθητήρων χαμηλής ισχύος για την ολοκλήρωσή τους σε ασύρματα δίκτυα αισθητήρων. Στην συγκεκριμένη εργασία
παρουσιάζεται η μελέτη πάνω σε τρανζίστορ επίδρασης πεδίου τα οποία χρησιμοποιούν ως ενεργό υλικό λεπτό υμένιο
οξειδίου του ψευδαργύρου. Το τελευταίο εναποτέθηκε με παλμικό λέιζερ. Τέλος παρουσιάζονται οι ηλεκτρικές μετρήσεις
σε περιβάλλον μονοξειδίου του άνθρακα.
Κατασκευάστηκαν τρανζίστορ επίδρασης πεδίου κάτω πύλης με ενεργό υλικό το ZnO. Αρχικά αναπτύχθηκε ένα θερμικό
οξείδιο του πυριτίου πάχους 100 nm στους 1000 °C πάνω από δισκίδιο πυριτίου μικρής ειδικής αντίστασης.
Πραγματοποιήθηκε επιμετάλλωση (Ti/Au) της κάτω επιφάνειας με RF-sputtering ενώ εγχαράχθηκαν στην πάνω επιφάνεια
μεταλλικές επαφές Ti/Au με τη βοήθεια της διαδικασίας lift-off. Εν συνεχεία, εξαχνώθηκαν ηλεκτρόδια παλλαδίου και με τη
διαδικασία lift-off και με λιθογραφία e-beam δημιουργήθηκε η δομή των πλεγμένων ηλεκτροδίων όπως αυτά φαίνονται στο
“Σχήμα 1”. Κατασκευάστηκαν διαφορετικές δομές όπου η απόσταση μεταξύ των ηλεκτροδίων μεταβαλλόταν από 300 nm
μέχρι 2 μm, έτσι ώστε αποκτηθούν τρανζίστορ με διαφορετικά μήκη πύλης. Ως ενεργό υλικό, αναπτύχθηκε υμένιο ZnO
πάχους 50 nm με τη βοήθεια της εναπόθεσης με παλμικό λέιζερ σε θερμοκρασία δωματίου, ενώ η εγχάραξή του για τη
δημιουργία των «νησιών» (islands) πάνω από τα πλεγμένα ηλεκτρόδια έγινε με διαδικασία lift-off. Μελετήθηκε και
βελτιστοποιήθηκε η ηλεκτρική συμπεριφορά των τρανζίστορ σαν συνάρτηση της θερμικής ανόπτησης. Μετρήσεις με AFM
κατέδειξαν την πολυκρυσταλλική δομή του ZnO με μέσο μέγεθος κρυσταλλιτών περίπου 30-35 nm εξαρτώμενο από τις
συνθήκες θερμικής ανόπτησης και μέση τραχύτητα περίπου 15 nm (“Σχήμα 2”).
Πραγματοποιήθηκαν ηλεκτρικές μετρήσεις σε τρανζίστορ διαφορετικών μηκών πύλης. Στο “Σχήμα 3” παρουσιάζονται οι
χαρακτηριστικές μεταφοράς για δύο τρανζίστορ με μήκη πύλης 0.6 μm και 2 μm αντίστοιχα. Παρατηρήθηκε ότι ακόμα και
για τις υπο-μικρονικές διατάξεις ο λόγος ρεύματος “ON” προς το ρεύμα “OFF” είναι σημαντικός, αν και όπως είναι γνωστό
το ρεύμα περιορίζεται σημαντικά από το φράγμα δυναμικού Schottky που λαμβάνει χώρα στη διεπιφάνεια μεταξύ του
παλλαδίου και του οξειδίου του ψευδαργύρου (εξαιτίας της υψηλής διαφοράς ανάμεσα στο έργο εξόδου του παλλαδίου και
την ηλεκτρονική συνάφεια του οξειδίου του ψευδαργύρου). Οι πρώτες ηλεκτρικές μετρήσεις που αφορούν στη λειτουργία
της διάταξης ως αισθητήρα αερίων παρουσιάζονται στο “Σχήμα 4”. Παρατηρούμε ότι, στην περίπτωση συγκέντρωσης
μονοξειδίου του άνθρακα ίση με 250 ppm παρουσία συνθετικού αέρα, το ρεύμα του απαγωγού μειώνεται κατά 10% από την
τιμή που είχε στο συνθετικό αέρα. Περισσότερη έρευνα σε διαφορετικά περιβάλλοντα και συνθήκες θα λάβει χώρα στο
προσεχές μέλλον για να διαπιστωθεί περαιτέρω η λειτουργία και η ικανότητα ανίχνευσης αερίων των συγκεκριμένων
διατάξεων.
[1] Pearton S.J., J. Vacc. Sci. Technol. B22, (2004), 932.
Το έργο συγχρηματοδοτείται κατά 75% της Δημόσιας Δαπάνης από την Ευρωπαϊκή ΄Ενωση – Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο και κατά 25%
της Δημόσιας Δαπάνης από το Ελληνικό Δημόσιο – Υπουργείο Ανάπτυξης – Γενική Γραμματεία ΄Ερευνας και Τεχνολογίας καθώς και από
τον Ιδιωτικό Τομέα στο πλαίσιο του Μέτρου 8.3 του Ε.Π. Ανταγωνιστικότητα – Γ΄ Κοινοτικό Πλαίσιο Στήριξης.
23