Спосіб отримання магніточутливого мікросенсора

Реферат: Спосіб отримання магніточутливого мікросенсора включає одержання напівпровідникового домішкового монокристалу, піддавання його ізотермічному відпалу та з'єднання після охолодження до кімнатної температури з двома парами контактів. Домішковий монокристал виготовляють з речовини n-типу провідності, та додатково опромінюють його потоком високоенергетичних електронів, а ізотермічний відпал здійснюють після опромінення при температурі 125…135 °C протягом 2,5…3,5 години. UA 118459 U (12) UA 118459 U UA 118459 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до вимірювальних технологій, створюваних на базі напівпровідникової електроніки, і може бути використана при виготовленні сенсорів магнітного поля, при створенні систем позиціонування і навігації, в автомобілебудуванні, медицині, ІЧоптиці. Відомий спосіб отримання монокристалу германію (Ge) з розплаву методом Чохральського з додатковою термообробкою. За такою технологією отримують монокристали виключно для використання в ІЧ-оптиці. Мета термічної обробки монокристалу у цьому способі полягає у підвищенні оптичної стійкості та оптичної однорідності і зменшенні оптичних втрат. Термообробку (відпал) монокристалу Ge проводять при температурі нагріву до 450 °C, витримці при такій температурі декілька діб та при подальшому охолодженні до кімнатної температури з градієнтом 2 °C/хв. [Gafni G., Azoulay M., Shilph C. Et al. Large Diameter Germanium Single Crystals for Infrared Optics // Optical Engineering. 1989. - V.28. № 9. - P. 1003-1007]. Недоліком такого способу є обмеженість сфери використання отриманого монокристалу, навіть при використанні у галузі ІЧ-оптиці. Через невдало підібрані параметри відпалу отриманий монокристал має високі щільності дислокацій, особливо нерівномірність їх розподілення, що не дозволяє отримати потрібні оптичні параметри та достатньо невелике розсіювання випромінювання. Відомий також спосіб отримання кристалів оптичного Ge легованого сурмою (Sb), у яких 13 14 -3 концентрація електрично активних атомів сурми становить 110 -510 см . При таких концентраціях електрично активних донорних атомів величина питомого опору матеріалу лежить у межах 5-40 Омсм. Такі кристали (зазначені далі як кристали Ge:Sb) мають високе значення прозорості у інфрачервоному спектральному діапазоні: коефіцієнт оптичного -1 поглинання у спектральному діапазоні довжин хвиль від 2 до 11 мкм становить 0,02-0,03 см . Зазначене легування сурмою забезпечує такі властивості германію, що зумовлюють його високу оптичну прозорість: 1) достатньо високу електропровідність n-типу, внаслідок чого не відбуваються притаманні германію р-типу переходи за участю підзон валентної зони, які призводять до збільшення коефіцієнта поглинання інфрачервоного випромінювання принаймні на порядок порівняно з германієм n-типу; 2) найменшу, порівняно з іншими відомими та вивченими донорними домішками (As, P, тощо), величину домішкового розсіювання. Таку технологію використовують всі виробники оптичного германію, зокрема відомі [з кн. Грамацкий В. И., Макаренко А. П., Блохина Г. С, Каплунов И. А., Смирнов Ю. М., Оптические свойства легированных кристаллов гармания // Электрон. Процессы в кристаллах и тонк. Слоях. Физ. Науки.: Межвуз. / Сб. - Кишинев, 1990. - С. 31-36] промислові фірми. Величина прозорості цього матеріалу у інфрачервоному спектральному діапазоні задовольняє технічним вимогам багатьох типів інфрачервоних приладів та систем. Недоліками такого складу монокристалу, які проявляються при застосуванні кристалів оптичного германію для створення новітніх приладів і систем інфрачервоної техніки, є недостатній рівень однорідності розподілу оптичного пропускання по об'єму кристалу, а також недостатньо високе значення направленого оптичного пропускання випромінювання у інфрачервоному спектральному діапазоні, яке визначається величиною малокутового розсіювання цього випромінювання. Зазначені недоліки виникають у кристалах Ge: Sb як наслідок неоднорідностей розподілу домішкових атомів в об'ємі германію, а також порушень структури кристалічної ґратки у вигляді макро- та мікронеоднорідностей. Такі макро- та мікронеоднорідності існують у кристалах Ge:Sb у вигляді скупчень дислокацій, домішкових включень, порушень періодичності кристалічної ґратки, тощо. Притаманна кристалам Ge:Sb значна величина малокутового розсіювання інфрачервоного випромінювання, яка у багатьох випадках не є визначальним фактором при виготовленні дискретних оптичних елементів інфрачервоної техніки (лінз, вікон, тощо), є принципово важливим параметром при виготовленні багатоелементних оптичних систем (наприклад об'єктивів), оскільки наявність такого розсіювання призводить до зменшення роздільної здатності систем інфрачервоної техніки, виготовлених на основі кристалів Ge:Sb. Найбільш близьким до способу отримання магніточутливого мікросенсора є магнітний мікросенсор, спосіб отримання якого включає виготовлення домішкового монокристалу зі сполук 3 5 третьої та п'ятої груп елементів таблиці Менделєєва (А В ) електронного типу провідності та з'єднання з двома парами контактів. При цьому монокристал легують хромом (Сr) та марганцем 16 17 3 (Мn) з кількісним вмістом легатури 510 …510 см , а після одержання монокристалу до нього під'єднують холлівські та струмові контакти [Див. патент України на винахід № 52636 МКЛ G01R 33/06, H01L 43/06, 2003 p.]. Суттєвим недоліком такої технології отримання магнітного мікросенсора є низька радіаційна стійкість та недостатня магнітна чутливість через невдало підібрані параметри та операції техпроцесу. 1 UA 118459 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Задачею, на вирішення якого спрямована корисна модель, що заявляється, є підвищення магнітної чутливості та розширення сфери застосування шляхом зміни операцій технологічного процесу. Поставлену задачу вирішують таким чином. У відомому способі отримання магніточутливого мікросенсора, що включає виготовлення напівпровідникового домішкового монокристалу, піддавання його ізотермічному відпалу та з'єднання після охолодження до кімнатної температури з двома парами контактів, згідно з корисною моделлю, що заявляється, домішковий монокристал виготовляють з речовини n-типу провідності, та додатково опромінюють його потоком високоенергетичних електронів, а ізотермічний відпал здійснюють після опромінення при температурі 125…135 °C протягом 2,5…3,5 години. Спосіб реалізують наступним чином. З довідника Бараночнікова М.Л. "Микромагнитоэлектроника. Т. 2. Справочные сведения о наиболее известных и распространенных изделиях микромагнитоэлектроники. - М., 2002.-691 с." відомі технічні характеристики багатьох напівпровідникових приладів, зокрема датчиків Холла, які виготовлені різними вітчизняними та закордонними виробниками. Як слідує з аналізу даних характеристик, всі датчики Холла, в яких магніточутливим елементом є монокристал германію, мають магнітну чутливість, яка змінюється в межах від 5 до 770 мВ/Тл. Для даного випадку магнітна чутливість 100 мВ/Тл та більших значень відповідає, як правило, датчикам Холла з робочим струмом більшим, ніж 10 мА. Запропонований нами спосіб отримання магніточутливого мікросенсора на базі монокристалу n-Ge має магнітну чутливість 350 мВ/Тл при силі струму I=1 мА через зразок та товщину холлівської пластинки в напрямку магнітного поля d=0,9 мм. Оскільки товщина детектора Холла в датчиках Холла складає, як правило, 0,2-0,3 мм, а струм може змінюватись від одиниць до десятків міліампер, то зміна даних параметрів дозволяє підвищити магнітну чутливість в десятки разів. Вказаний технічний результат був досягнутий за рахунок опромінення домішкового 14 -3 монокристалу n-Ge, легованого домішкою Sb, концентрацією 510 см , потоком електронів 15 2 Ф=510 ел./см , з енергією 10 МеВ, та подальшого ізотермічного відпалу при температурі t=125-135 °C протягом 2,5-3,5 годин. При температурі відпалу вище 135 °C, магнітна чутливість n-Ge зменшувалась. На графіках, що додаються, надані залежності напруги Холла від варіації параметрів технологічного процесу. Так, на фіг. 1 дана залежність напруги Холла при кімнатній температурі для опромінених монокристалів n-Ge після термообробки протягом 1 год. для різних температур відпалу t, °C: 1-130; 2-160; 3-175; 4 - невідпалений зразок. На фіг. 2 дано залежність напруги Холла при кімнатній температурі для опромінених монокристалів n-Ge після ізотермічного відпалу при t=130 °C, для різних часових інтервалів відпалу tв, год.: 1-1; 2-3; 3-5, а на фіг. 3 - залежність напруги Холла при кімнатній температурі для неопромінених монокристалів n-Ge. Зростання напруги Холла при температурі відпалу t=130 °C (лінія 1 на фіг. 1) пояснюється збільшенням концентрації радіаційних дефектів, що належать А-центрам. При температурі відпалу t=130 °C, для часу відпалу не менше 2,5 годин, спостерігається зростання магнітної чутливості (фіг. 2). Це пов'язано з домінуючим над відпалом при даній температурі процесом генерації А-центрів за рахунок відпалу ядер областей розвпорядкування (ще одного типу радіаційних дефектів, утворених в n-Ge при електронному опроміненні). Збільшення часу термічної обробки більше 3,5 год., при температурі вище 130 °C, призводить до зменшення магнітної чутливості (фіг. 2). Такий ефект пояснюється зменшенням концентрації областей розвпорядкування і відповідно вакансій, з яких можуть бути утворені нові А-центри. Таким чином, при температурі відпалу 125-135 °C, протягом 2,5-3,5 годин, генерується максимально можлива концентрація А-центрів, які є акцепторами. Це пояснює отримане при кімнатній температурі значне зростання сталої Холла і відповідно магнітної чутливості n-Ge, порівняно з неопроміненими зразками (фіг. 3): від 10 мВ/Тл до 350 мВ/Тл. Як слідує з графіків на фіг. 1-3, залежності холівської напруги від індукції зовнішнього магнітного поля є лінійними, що є важливим чинником при конструюванні на основі n-Ge магнітних сенсорів, зокрема датчиків Холла. Отже, опромінений високоенергетичними електронами n-Ge, який додатково пройшов ізотермічний відпал, може бути перспективним матеріалом для створення на його основі високочутливих датчиків магнітного поля. Основними перевагами таких датчиків є висока порогова чутливість (за рахунок високої магнітної чутливості) та вища, порівняно з датчиками, в яких використовується неопромінений германій, радіаційна стійкість до різного роду випромінювань. 60 2 UA 118459 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 Спосіб отримання магніточутливого мікросенсора, що включає одержання напівпровідникового домішкового монокристалу, піддавання його ізотермічному відпалу та з'єднання після охолодження до кімнатної температури з двома парами контактів, який відрізняється тим, що домішковий монокристал виготовляють з речовини n-типу провідності, та додатково опромінюють його потоком високоенергетичних електронів, а ізотермічний відпал здійснюють після опромінення при температурі 125…135 °C протягом 2,5…3,5 години. 3 UA 118459 U Комп’ютерна верстка О. Гергіль Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4