Deep Silicon Barrier Structure as Chemical Sensor for Detection of Hydrochloric Acid Salt Solutions

Abstract

У роботі розглянуто можливість виявлення солей соляної кислоти за допомогою кремнієвих сенсорних структур з фотоелектричним принципом перетворення. Запропоновані структури реалізують принцип перетворення, що відрізняється від принципу, який застосовано у відомих структурах типу LAPS (потенціометричний сенсор із світловою адресацією). Основою таких пристроїв є "глибока" кремнієва бар'єрна структура. У запропонованій схемі сигналом датчика є фотострум через бар'єрну структуру, індукований світлом із області сильного поглинання кремнію. Це дозволяє отримувати максимальні зміни фотоструму внаслідок зміни швидкості рекомбінації на робочій поверхні. Слід зазначити, що запропонована структура дозволяє більш просту технічну реалізацію, ніж структури LAPS. Експериментально досліджено декілька аналітів (хлоридів), які містять метали з різною відносною електронегативністю (Fe, Zn та Al). Експериментально показано, що залежність фотоструму від напруги поляризації (напруга, яка змінює приповерхневий вигин зон) є інформативною для виявлення таких аналітів. В рамках моделі Стівенсона-Кейса отримані результати можна пояснити якісно. Основною причиною, яка дозволяє виявлення таких аналітів, є вплив локального електростатичного поля адсорбованих іонів на параметри рекомбінації поверхні кремнію.

The possibility of the detection of hydrochloric acid salts by silicon sensory structures with photovoltaic principle of transformation has been considered in this work. The proposed structures realize transducer principle that differs from the well-known conventional LAPS (light-addressable potentiometric sensors). The basis of such devices is a "deep" barrier silicon structure. In the proposed scheme, the sensor signal is the photocurrent through the barrier structure induced by light in the range of high absorption. It allows receiving maximum changes of photocurrent due to changes of recombination rate on working surface. It should be noted that the proposed structure allows simpler technical realization than conventional LAPS. Several analytes (chlorides), containing different metals with various relative electronegativity (Fe, Zn and Al), were experimentally investigated. It has been experimentally shown that dependences of photocurrent on polarization voltage (the voltage that changes the surface band bending) is very informative for the detection of such analytes. Within the framework of the Stevenson-Keyes model, the obtained results can be explained qualitatively. The principal reason allowing the detection is the influence of the local electrostatic field of adsorbed ions on the recombination parameters of the silicon surface.