Спосіб виготовлення терморезистора

Реферат: Спосіб виготовлення терморезистора включає осадження термочутливої плівки монокристалічного германію у вакуумі на підкладку із напівізолюючого арсеніду галію. Термочутливу плівку осаджують зі швидкістю VVn, при якій у плівці відбувається релаксація пружних напружень шляхом утворення крупномасштабного рельєфу на поверхні плівки і випадкових нанонеоднорідностей в об'ємі, до товщини ddr, де товщина dr дорівнює характерному розміру типової флуктуації електростатичного потенціалу, пов'язаного із композиційним безладдям, причому терморезистор виконаний розміром 0, 150,10,03 мм з гнучкими металевими балочними електричними виводами шириною 0,1 мм та товщиною 0,006 мм. UA 95630 U (12) UA 95630 U UA 95630 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Запропонована корисна модель належить до засобів діагностики, моніторингу, контролю і вимірювання локального та просторового розподілу температури, а також теплових потоків контактним та безконтактним (болометричним) методом. Запропонована корисна модель може бути використана в ролі чутливого елемента у електронних вимірювальних системах для визначення температури та її просторового розподілу, зокрема, як чутливий елемент для термочутливих матриць неохолоджуваних тепловізорів. Основними областями використання запропонованої корисної моделі є енергетика, кріогенна і високотемпературна техніка, фізика низьких та високих температур, ракетно-космічна і спеціальна техніка, комунальне господарство, медицина, екологія і т.п. Розвиток нових технологій та автоматизація виробничих процесів не можливі без використання датчиків різних фізичних величин. Температура є однією із фундаментальних характеристик у термодинаміці та одним із найважливіших параметрів у різноманітних технологічних процесах. До найбільш поширених на даний час робочих засобів вимірювання температури належать термопари, термометри опору (металічні та напівпровідникові) та діодні сенсори температури. Якщо не розглядати зразкові термометри, що використовуються у лабораторних умовах для калібрування інших термометрів, то основною тенденцією розвитку практичної термометрії є мікромініатюризація термометрів, підвищення термочутливості та просторової роздільної здатності, зменшення чутливості до магнітного поля та підвищення радіаційної стійкості. Це пов'язано із використанням таких термометрів у екстремальній електроніці, що працює при низьких та високих температурах, за умов впливу сильних магнітних і електромагнітних полів та високих рівнів іонізуючого випромінювання, а також в сучасних тепловізійних приладах. Як відомо, термопари, металічні терморезистори і діодні сенсори температури більш чутливі до магнітних та електромагнітних полів у порівнянні із напівпровідниковими терморезисторами, а також поступаються їм за радіаційною стійкістю і температурною чутливістю. Тому найбільш перспективними чутливими елементами систем вимірювання температури, що можуть задовольнити вищенаведені вимоги, є напівпровідникові терморезистори. Відомі напівпровідникові терморезистори, що виготовляються із композиційного вуглецю (1420 К) [1-3], плівок оксинітриду цирконію [3,4], плівкового (0,03-400 К) [5] та об'ємного германію (0,03-273 К) [6, 7], а також оксиду рутенію (0,03-30 К) [2, 3]. Найближчим технічним рішенням є плівковий германієвий терморезистор [5], прототип корисної моделі. Терморезистор виготовляється методом осаджування германію у вакуумі на підкладку із напівізолюючого арсеніду галію товщиною від 1 до 3 мкм з відносно великою швидкістю осадження більш ніж 0,3 нм/с. Недоліком прототипу є слабка температурна чутливість в області температур вище 200 К, а саме у прототипі термочутливість, тобто -1 температурний коефіцієнт опору TKO = (V/R)(dR/dT) менший ніж -1 %·К при 300 К. Крім того, прототип має відносно невеликий опір при температурах більших за 300 К (менш ніж 50 Ом), що зменшує точність визначення температури, яка становить близько 0,1 К при кімнатній температурі та більш високих температурах включно до 600 К. Мінімальний розмір прототипу (терморезистора) становить 0,3×0,3×0,15 мм, що не забезпечує необхідну малу інерційність і високу просторову роздільну здатність теплових полів при використанні у термочутливих матрицях неохолоджуваних тепловізорів та інших потребах і завданнях сучасної мікрокалориметрії. Задачею запропонованої корисної моделі є збільшення температурної чутливості до -1 5,6 %·К та опору до 50 кОм при 300 К при збереженні широкого діапазону температур, який вимірюється терморезистором (200-600 К, тобто -73-+327 °C), а також більша мікромініатюризація чутливого елемента до 0,15×0,1×0,03 мм для забезпечення більш високої просторової роздільної здатності теплових полів, що дозволяє використовувати такий терморезистор (завдяки високій термочутливості, малим розмірам та малій інерційності) в гібридних матрицях тепловізорів, а також для дослідження фундаментальних властивостей рідин та газів в умовах турбулентних потоків та інших потреб і завдань сучасної мікрокалориметрії. Поставлена задача вирішується тим, що застосовується спосіб виготовлення терморезистора, який включає осадження термочутливої плівки монокристалічного германію у вакуумі на підкладку із напівізолюючого арсеніду галію, який відрізняється тим, що термочутливу плівку осаджують зі швидкістю VVr, при якій у плівці відбувається релаксація пружних напружень шляхом утворення крупномасштабного рельєфу на поверхні плівки і випадкових нанонеоднорідностей в об'ємі, до товщини ddr, де товщина dr дорівнює характерному розміру типової флуктуації електростатичного потенціалу, пов'язаного із композиційним безладдям. 1 UA 95630 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Авторами встановлено, що більшу температурну чутливість у широкому діапазоні температур можна одержати у монокристалічному випадково нанонеоднорідному напівпровіднику, у якому реалізовано двовимірну перколяційну електропровідність. Такі умови, зокрема, можуть задовольняти тонкі плівки сильно легованого і сильно компенсованого монокристалічного германію. Покажемо, що це дійсно так. У монокристалічному випадково нанонеоднорідному напівпровіднику існують крупномасштабні флуктуації електростатичного потенціалу, які модулюють енергетичні зони напівпровідника, призводячи до появи потенціального рельєфу і глибоких хвостів густини станів у забороненій зоні напівпровідника. Основними характеристиками потенціального рельєфу є: амплітуда γ та просторовий масштаб r, які залежать від характеристик випадкового поля. Енергетична схема такого напівпровідника наведена на фігурі 1, де Ес - енергія дна зони провідності у випадку відсутності випадкового електростатичного потенціалу, нижня суцільна лінія εF - рівень Фермі, штрих-пунктирна εр - рівень протікання. Заштриховані області - зайняті електронами озера. Потенціальний рельєф призводить до наявності областей із вільними носіями заряду у ямах потенціального рельєфу та діелектричних областей, у яких носії заряду відсутні. У цьому випадку провідність має перколяційну природу і характеризується рівнем протікання ε р [8]. За високих температур (T>250К для досліджених плівок Ge) електропровідність плівок Ge здійснюється термоемісією носіїв заряду із рівня Фермі εF на рівень протікання і характеризується енергією активації 1  p  F . При зниженні температури стає більш вигідним тунелювання носіїв заряду в околі ε F у сусідні ями рельєфу потенціалу, що призводить до зменшення ε1. Характерною фундаментальною рисою перколяційних систем є те, що поріг протікання ε р залежить від розмірності простору [9-13]. Тривимірний потенціальний рельєф (d>>r) знижує εр. (3) (2) Для 3D потенціалу εр =-0,68 γ, а для 2D рельєфу (dr) εр =0, що відповідає середньому значенню Е(r) (фігура 1). Таким чином, необхідно брати до уваги, що у тривимірному випадку енергія активації ε1=0,68 γ, а у двовимірному випадку ε1=γ. Отже, у випадково нанонеоднорідному перколяційному, зокрема, сильно легованому і повністю компенсованому Ge із 3D потенціальним рельєфом енергія активації електропровідності не повинна перевищувати ε1=0,68 (Eg/2) = 0,25 eV, де Eg/2=0,37 eV при 300 К [14, 15]. Таким чином, авторами встановлено, що у плівках германію для збільшення температурної чутливості, тобто енергії активації електропровідності, що дорівнює половині ширини забороненої зони германію (0,37 еВ), недостатньо отримати випадково нанонеоднорідні, зокрема, повністю компенсовані плівки. Лише у випадку двовимірної перколяційної провідності можливе одержання максимально високої термочутливості. Таким чином, для реалізації двовимірної перколяційної електропровідності товщина плівки германію d повинна бути меншою або рівною товщині dr, де товщина dr дорівнює характерному розміру типової флуктуації електростатичного потенціалу. Авторами виявлено, що у випадково нанонеоднорідних плівках германію на арсеніді галію двовимірна перколяція (ddr) може спостерігатися тільки при товщинах менших ніж 150 нм. Авторами також встановлено, що у плівках германію на арсеніді галію може відбуватися релаксація пружних напружень шляхом утворення крупномасштабного рельєфу на поверхні плівки та випадкових нанонеоднорідностей. Для цього швидкість осадження плівок германію V повинна бути меншою чи дорівнювати швидкості Vr, при якій у плівці відбувається релаксація пружних напружень. Авторами виявлено, що для виготовлення випадково нанонеоднорідних плівок германію на арсеніді галію з крупномасштабними флуктуаціями електростатичного потенціалу швидкість осадження V повинна бути менша ніж 0,03 нм/с. Дійсно, на фігурі 2 наведені зображення поверхні з використанням атомно-силової мікроскопії для плівок Ge на GaAs товщиною 100 нм, отриманих при різних швидкостях осадження - 0,35 нм/с (а) та 0,02 нм/с (б). Як видно із рисунків, рельєф поверхні плівок значно відрізняється. Середньоквадратичне значення шорсткості поверхні становить 0,5 нм і 14 нм, відповідно, для плівки, отриманої зі швидкістю осадження 0,35 нм/с та 0,02 нм/с. Електронна мікроскопія з високою роздільною здатністю також виявляє в об'ємі плівки Ge, яка виготовлена із малою (0,02 нм/с) швидкістю осадження, випадкові нанонеоднорідності (фігура 3). Нами також було виявлено, що плівки Ge на GaAs є пружно стисні, та внутрішні механічні напруження у плівках залежать від швидкості осадження. На фігурі 4 наведені значення внутрішніх механічних напружень у плівках Ge на GaAs в залежності від швидкості осадження для плівок товщиною 130 нм. Як видно, внутрішні механічні напруження у плівках зменшуються 8 8 від 6,7×10 до 2×10 Па (більше ніж у три рази) при зменшенні швидкості осадження від 0,37 до 2 UA 95630 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 0,025 нм/с. Отримані результати дозволяли припустити, що у таких плівках Ge на GaAs відбувалася релаксація пружних напружень через утворення крупномасштабного рельєфу на поверхні плівки та випадкових нанонеоднорідностей. Дослідження оптичних характеристик показало, що поглинання світла у плівках Ge залежить від їх швидкості осадження. Експеримент показав, що при енергіях E