Чутливий елемент мікроелектронного терморезистивного сенсора для вимірювання кріогенних температур в сильних магнітних полях

Корисна модель відноситься до напівпровідникових сенсорів фізичних величин і може використовуватись в кріогенній, авіакосмічній техніці та кріоенергетиці для вимірювання кріогенних температур до температури рідкого гелію включно. Відомі чутливі елементи терморезистивних перетворювачів для вимірювання низьких температур виконані з металів - міді або платини, але їх температурний коефіцієнт опору (ТКО) невисокий: для чутливого елемента з міді він становить ТКОCu»0,43%.град-1, а для чутливих елементів з платини TKOPt»0,39%.град-1 [Датчики. Справочник под ред. З.Ю. Готры и О.И. Чайковского. Львов, изд. «Каменяр», 1995, С.79]. Найбільш близьким до пропонованого є чутливий елемент мікроелектронного сенсора для вимірювання кріогенних температур, до температури рідкого гелію включно, який містить шар нерекристалізованого полікремнію, легованого бором [A. Druzhinin, Е. Lavitska, I. Maryamova, Y. Khoverko. Laser recrystallized SOI layers for sensor applications at cryogenic temperatures. F. Balestra et al. (eds.) Progress in SOI structures and Devices Operating at Extreme Conditions. Kluwer Acad. Publishers. Printed in the Netherlands. 2002. - P. 233-237]. Однак при досить високому значенню температурного коефіцієнту опору такого чутливо го елемента на основі нерекристалізованого шару полікремнію, легованого борм, з концентрацією носіїв 2,4х1018см -3, його магнітоопір має сильну немонотонну залежність від магнітного поля, що не дає можливості забезпечити стабільність параметрів, і, відповідно, точність вимірювання температури в сильних магнітних полях. В основу корисної моделі поставлено завдання створення чутливого елемента мікроелектронного терморезистивного сенсора для вимірювання кріогенних температур, працездатного в сильних магнітних полях, при одночасному збереженню високої чутливості до температури, тобто високого значення температурного коефіцієнта опору при кріогенних температурах до температури рідкого гелію включно, що забезпечує точність вимірювання параметрів. Поставлене завдання вирішується тим, що чутливий елемент терморезистивного мікроелектронного сенсора для вимірювання кріогенних температур в сильних магнітних полях, який містить шар полі кремнію, легований бором, згідно корисної моделі, рекристалізований лазером з концентрацією носіїв заряду (4-5)х1017см -3 при кімнатній температурі. Полікристалічний матеріал складається з окремих монокристалів або зерен, з'єднаних між собою, так званими, границями зерен, які являють собою розупорядковані області товщиною порядку декількох атомних шарів. Наявність границь зерен призводить до виникнення вловлювачів носіїв заряду (пасткових центрів), а також центрів рекомбінації та розсіювання. Підвищене розсіювання знижує рухливість зарядів, що погіршує функціонування приладів. Аналогічно впливає захоплення носіїв заряду вловлювачами (пастками). Ці негативні впливи можна звести до мінімуму за рахунок лазерної рекристалізації полікремнієвого шару, що веде до зменшення загальної поверхні границь зерен. Застосування лазерної рекристалізації та вибір концентрації носіїв заряду (4-5)х1017см -3, згідно корисної моделі, забезпечує одночасно достатньо високу чутливість до температури, стабільність роботи чутливого елементу мікроелектронного терморезистивного сенсора та призводить до підвищення точності вимірювання температури в сильних магнітних полях при кріогенних температурах. На Фіг.1 наведено залежності відносної зміни опору від індукції магнітного поля при температурі рідкого гелію відповідно для чутливого елемента на основі шару нерекристалізованого полікремнію, легованого бором, з концентрацією носіїв 2,4х1018см -3 при кімнатній температурі (крива 1) і на основі шарів рекристалізованого лазером полікремнію, легованого бором, з концентрацією носіїв (4-5)х1017см -3 при кімнатній температурі (крива 2), а на Фіг.2 наведено температурну залежність опору чутливи х елементів на основі рекристалізованих лазером шарів полікремнію, легованих бором, з концентрацією носіїв (4-5)х1017см -3. Чутливий елемент терморезистивного мікроелектронного сенсора для вимірювання кріогенних температур до температури рідкого гелію включно в сильних магнітних полях містить шар рекристалізованого лазером полікремнію, легованого бором, з концентрацією носіїв, яка дорівнює (4-5)х1017см -3 пpи кімнатній температурі. Як видно з наведеного Фіг.1 відносна зміна опору чутливи х елементів на основі шарів рекристалізованого лазером полікремнію, легованого бором з концентрацією носіїв (4-5)х1017см -3 має слабку монотонну залежність від індукції магнітного поля. Для таких чутливи х елементів опір монотонно зростає зі збільшенням індукції манітного поля, відносна зміна опору під впливом магнітного поля з індукцією В£7Т не перевищує 2,2% (крива 2, Фіг.1), в той час як для чутливого елемента на основі шарів нерекристалізованого полікремнію, легованого бором, з концентрацією носіїв 2,4х1018см -3, опір чутливого елемента має немонотонну залежність від індукції магнітного поля: при В£2Т опір чутливого елемента зменшується зі збільшенням індукції, а при В£2Т починає досить сильно зростати (крива 1, Фіг.1). Саме слабка залежність опору від індукції магнітного поля у поєднанні з високою чутливістю до температури в області кріогенних температур (Фіг.2) має принципове значення для чутли вих елементів мікроелектронних терморезистивних сенсорів і дозволяє використовува ти такі чутливі елементи в терморезистивних сенсорах, призначених для вимірювання кріогенних температур до температури рідкого гелію включно в сильних магнітних полях. Температурний коефіцієнт опору (ТКО) таких чутливи х елементів в діапазоні температур 4,2-50К дорівнює »2,4%.град-1, а в діапазоні 4,2-120К їх ТКО»-2,08%.град-1 (Фіг.2), що в кілька разів перевищує ТКО мідних та платинових чутливи х елементів терморезистивних перетворювачів. Таким чином, виготовлення чутливого елемента мікроелектронного терморезистивного сенсора з шаром рекристалізованого лазером полікремнію, легованого бором, з концентрацією носіїв (4-5)х1017см -3 при кімнатній температурі забезпечує вимірювання кріогенних температур до температури рідкого гелію включно в сильних магнітних полях при достатньо високому значенню температурного коефіцієнту опору.