微纳半导体陶瓷及其敏感元件研究

论文摘要

半导体陶瓷是一类具有半导体特性的无机非金属多晶材料,其敏感元件在微电子、光电、激光等高技术领域获得了广泛的应用。随着微电子技术的飞速发展,半导体陶瓷的微纳化已成为近年来最为活跃的研究热点之一。本文尝试从半导体陶瓷粉体的纳米化技术出发,系统地研究微纳半导体陶瓷及其敏感元件的关键制备技术,探讨微纳尺度多晶半导体陶瓷的导电机理,以期为相关新型敏感元件的研制提供理论与实践基础。论文首先研究了纳米半导体陶瓷粉体的可控生长技术。在分析和探讨溶胶—凝胶法、聚合物网络法及水热法等液相合成方法的工艺原理及特点的基础上,通过大量实验研究和工艺参数优化,成功制备出颗粒均匀、团聚程度低、热稳定性好的纳米氧化锡(可低至4.1 nm)及纳米钛酸钡(小于40 nm)粉体,可较好满足半导体陶瓷微纳化发展的要求。采用所获得的纳米氧化锡粉体,通过浆料配制、电极制作、丝网印刷、干燥及烧成等制备工艺研究,发展出对硫化氢气体具有良好气敏特性的纳米氧化锡半导体陶瓷厚膜元件。结果表明,纳米氧化锡半导体陶瓷气敏元件不仅具有较高的灵敏度和较低的工作温度(约150℃),而且有着良好的选择性和响应—恢复特性,灵敏度与气体浓度的关系遵循幂定律。采用聚合物网络法合成的纳米粉体制作的厚膜元件在保持较小的晶粒尺寸的同时,具有更为疏松、多孔和均匀的微观结构,表现出最优的气敏性能。基于钛酸钡材料的特点及其半导化原理,探讨了制备微晶热敏半导体陶瓷的技术途径。以溶胶—凝胶法合成的纳米钛酸钡粉体为原料,选用钇和锰分别作为施、受主杂质元素并适当提高二者的掺杂量,采用水基流延绿色成型工艺,通过适当提高预烧温度、降低烧结温度的烧成方式实现施、受主的二次掺杂,抑制晶粒生长,成功获得具有较为理想微晶结构的钛酸钡半导体陶瓷片式热敏元件。1280℃烧结所得典型样品的晶粒尺寸约3.0μm,室温电阻率为360Ω·cm,升阻比达10~4。论文还从理论上研究了晶粒尺寸对钛酸钡半导体陶瓷导电特性的影响。分析了钛酸钡半导体陶瓷的微观结构及导电模型,采用十四面体晶粒模型计算出其电阻与晶粒尺寸存在反比关系,进而讨论了微晶钛酸钡半导体陶瓷的晶界特性。研究认为,微晶钛酸钡半导体陶瓷晶界钡缺位向晶粒体内的扩散形成的势垒层很薄,因而存在壁垒效应使得材料晶粒电阻率上升;同时,量子隧穿效应引起的隧穿电流易导致元件升阻比及耐电压性能的降低。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 半导体陶瓷微纳化发展趋势
• 1.2 半导体陶瓷的特性及其研究前沿
• 1.3 氧化锡气敏半导体陶瓷研究进展
• 1.4 钛酸钡热敏半导体陶瓷研究进展
• 1.5 论文主要研究内容及结构
• 2 半导体陶瓷粉体材料纳米化技术研究
• 2.1 纳米粉体材料合成方法及特点
• 2.2 溶胶—凝胶法合成纳米钛酸钡粉体
• 2.3 聚合物网络法制备纳米氧化锡粉体
• 2.4 水热法制备纳米氧化锡粉体
• 2.5 本章小结
• 3 纳米氧化锡半导瓷的气敏特性及相关机理
• 3.1 纳米氧化锡厚膜元件制备与表征
• 3.2 纳米氧化锡厚膜元件的气敏性能
• 3.3 纳米氧化锡半导瓷气敏特性的理论分析
• 3.4 微观结构的影响及等效模型
• 3.5 本章小结
• 4 微晶钛酸钡半导瓷及其片式热敏元件
• 4.1 微晶钛酸钡半导瓷的特点与技术
• 4.2 微晶钛酸钡热敏半导瓷的掺杂改性
• 4.3 微晶钛酸钡热敏半导瓷的烧成
• 4.4 片式微晶钛酸钡半导瓷热敏元件
• 4.5 本章小结
• 5 微晶钛酸钡半导体陶瓷的导电机理
• 5.1 钛酸钡半导瓷微观结构及导电模型
• 5.2 钛酸钡半导体陶瓷的晶界特性
• 5.3 微晶钛酸钡半导瓷的电导与晶界势垒
• 5.4 微晶钛酸钡半导瓷的尺寸效应
• 5.5 本章小结
• 6 全文总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录 1 攻读博士学位期间发表的论文目录
• 附录 2 攻读博士学位期间的科研情况