Оксид галлия (Ga2O3) считается одним из самых перспективных материалов для высокотемпературной электроники. Он обладает высокой термической и химической стабильностью, что делает его отличным кандидатом для работы в выхлопных системах – в качестве лямбда-зондов или датчиков контроля горения, – объясняет заведующий лабораторией металлооксидных полупроводников ТГУ Алексей Алмаев. – Однако у чистого оксида галлия есть серьезный недостаток: крайне высокое электрическое сопротивление при невысокой чувствительности. Регистрировать полезный сигнал с такого материала чрезвычайно сложно. Чтобы повысить проводимость и сделать материал чувствительным к газам, в его структуру нужно ввести добавку – например, оксид олова (SnO2).

Но при этом возникает технологический барьер. Самый доступный и экономичный метод производства тонких пленок в микроэлектронике – магнетронное распыление, оно позволяет легко наносить покрытия на большие площади. Но точно контролировать концентрацию оксида олова при прямом напылении сложной смеси крайне трудно.

Чтобы обойти это ограничение, исследователи сформировали последовательную структуру: сначала нанесли слой оксида галлия, затем тонкий слой оксида олова, а сверху – еще один слой оксида галлия. После этого всю заготовку подвергли высокотемпературному отжигу. В процессе нагрева атомы олова и галлия начали взаимно перемешиваться, образовав стабильный композит с нужным уровнем проводимости.

Однако в ходе последующих испытаний нового материала мы увидели ещё одну проблему, – говорит Алексей Алмаев. – Напыление мы наносим на сапфировую подложку. Она высокотемпературная, стабильная при химическом воздействии, довольно демократичная по цене и производится в России. Но при отжиге из-за высокой температуры атомы алюминия диффундируют (проникают) в оксид галлия. В результате изменяется сопротивление, оно ещё больше увеличивается и проявляется нестабильность характеристик в процессе эксплуатации.

Для защиты чувствительного слоя от алюминия ученые добавили нижний барьерный слой из диоксида кремния (SiO2). Он заблокировал перемещение атомов из подложки и сохранил стабильные свойства датчика. Наряду с этим ученые смогли повысить селективность – способность прибора распознавать конкретный газ в сложной смеси. Для этого еще один слой диоксида кремния нанесли на поверхность структуры. В результате получилась законченная многослойная архитектура.

Разработанный датчик продемонстрировал высокий отклик и стабильность в условиях высокотемпературного нагрева. При этом он может регистрировать не только метан, но также пропан, бутан и ряд другие газов.

Новые датчики могут применяться в автомобилестроении – для оптимизации работы двигателей и контроль состава выхлопов, в энергетике – для мониторинга полноты сгорания топлива в котлах ТЭЦ и промышленных установках и в промышленности – для анализа газовых смесей в доменных печах и мусоросжигательных комплексах.

Работа опубликована в Materials Science & Engineering B. Исследования проводились на базе Центра «Перспективные технологии в микроэлектронике» ТГУ.
На фото пресс-службы ТГУ: ученый РФФ Алексей Алмаев и аспирант РФФ Никита Яковлев.

Источник: Минобрнауки России