НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”

ЛяХ-КАГУЙ Наталія Степанівна

УДК 625.315.592

Низькотемпературні характеристики ниткоподібних кристалів

Si1-хGeх і їх застосування для створення елементної бази

сенсорів температури та деформації

05.27.01 – твердотільна електроніка

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Львів 2004

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі напівпровідникової електроніки Національного університету ”Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: | доктор технічних наук, професор

Дружинін Анатолій Олександрович,

Національний університет ”Львівська політехніка”,

професор кафедри напівпровідникової електроніки

Офіційні опоненти: |

доктор фізико-механічних наук, професор,

головний науковий співробітник

Баранський Петро Іванович,

Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України (м. Київ).

доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Ащеулов Анатолій Анатолієвич,

Інститут термоелектрики НАН та МОН України,

завідувач відділу термоелектричних явищ (м.Чернівці).

Провідна установа: |

Науково-виробниче підприємство “Карат”

Міністерства промислової політики України (м.Львів).

Захист відбудеться 21 січня 2005 р. о 14годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.12 при Національному університеті “Львівська політехніка” за адресою: 79013, м. Львів, вул. Ст. Бандери, 12.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного університету “Львівська політехніка” 79013, м. Львів, вул. Професорська,1.

Автореферат розісланий 20 грудня 2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Заячук Д.М. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Прогрес сучасної науки і техніки значною мірою визначається станом розроблення сенсорів, серед яких чільне місце посідають сенсори теплових і механічних величин. У той же час для задоволення постійно зростаючих потреб сучасної техніки потрібні високочутливі швидкодійні мініатюрні сенсори, працездатні в складних умовах експлуатації: в різних температурних інтервалах, зокрема при кріогенних температурах, у сильних магнетних полях, а також в умовах високих навантажень. Проблему створення таких сенсорів можна вирішити тільки за допомогою технологій високого рівня з використанням перспективної елементної бази.

На цей час вже створено низку сенсорів фізичних величин на основі об’ємних кристалів, працездатних, переважно, в інтервалі кліматичних або підвищених температур, у той час як проблема низькотемпературних вимірювань за допомогою малоінерційних приладів залишається невирішеною. Ниткоподібні кристали (НК) завдяки вдалому поєднанню “зручних” геометричних розмірів, морфології й особливостей фізичних властивостей дають змогу певною мірою вирішити цю проблему. Створені на їх основі сенсори є перспективними для застосування в тих галузях людської діяльності, де необхідні малі розміри і маса, висока міцність, чутливість і стабільність параметрів.

Крім того, напівпровідникові мікрокристали твердого розчину Si1-хGeх з різним вмістом германію, вирощені з газової фази у формі ниток, завдяки досконалості кристалічної структури, яка наближається до ідеальної, є унікальним матеріалом як для дослідження фізичних властивостей напівпровідників, так і для створення мініатюрних високочутливих сенсорів. Однак розроблення сенсорів на основі НК твердого розчину Si1-хGeх, працездатних в екстремальних умовах експлуатації (наднизькі температури, високі рівні деформації та сильні магнетні поля), вимагає глибокого вивчення зовнішніх чинників на властивості мікрокристалів. Крім того, зміна властивостей кристалів під впливом температурного, деформаційного та магнетного полів є не лише потужним інструментом дослідження електронної структури кристалів, але й одночасно основою для створення широкого спектра приладів – напівпровідникових сенсорів теплових і механічних величин.

В області кріогенних температур перенесення носіїв заряду в легованих напівпровідниках і, відповідно, деформаційно-стимульовані ефекти набувають специфічного характеру, відмінного від цих властивостей за кімнатної та підвищених температур, що впливатиме на характеристики створених на основі НК низькотемпературних сенсорів.

На початку виконання дисертаційної роботи окремі дослідження НК твердого розчину Si1-хGeх р-типу провідності були недостатніми для створення сенсорів теплових та механічних величин, працездатних в області низьких температур, та розширення їх функціональних можливостей. Проведені для НК Si1-хGeх електрофізичні дослідження в умовах кріогенних температур та в сильних магнетних полях підтверджують сподівання щодо стабільності роботи сенсорів, створених на їх основі, в області низьких температур. Тому актуальність таких досліджень продиктована вимогами, які висувають щодо надійності роботи сенсорів фізичних величин в екстремальних умовах. Передбачається, що розроблені на основі НК твердого розчину Si1-хGeх сенсори, завдяки своїй мініатюрності, високій чутливості, широкому інтервалу робочих температур, температурній стабільності, знайдуть широке застосування в різних галузях народного господарства України, де існує потреба в низькотемпературних сенсорах теплових і механічних величин. Зокрема сенсори деформації, тиску, рівня рідини, тощо, можна використати в кріоенергетиці, кріогенній техніці в системах охолодження надпровідних магнітів, авіаційно-космічній техніці, а також у наукових дослідженнях в умовах кріогенних температур.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась відповідно до напрямків наукової діяльності кафедри напівпровідникової електроніки Національного університету ”Львівська політехніка” за темами Міністерства освіти і науки України: “Розробка фізичних і технологічних основ створення сенсорів фізичних величин нового покоління для різних температурних діапазонів на основі КНІ- структур і напівпровідникових мікрокристалів” (номер держреєстрації 0100U000499, 2000–2001 рр.); “Розробка фізичних і технологічних основ створення елементної бази сенсорів фізичних величин, працездатних в складних умовах” (номер держреєстрації 0102U001197, 2002–2003 рр.), а також у рамках міжнародного наукового співробітництва з Міжнародною лабораторією сильних магнітних полів та низьких температур (м. Вроцлав, Польща).

Мета та задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є встановлення закономірностей зміни характеристик ниткоподібних кристалів твердого розчину Si1-хGeх р-типу провідності за низьких температур, дії деформації та магнетного поля і створення елементної бази сенсорів температури і деформації на їх основі.

Для досягнення цієї мети необхідно було вирішити наступні задачі:

- на основі дослідження морфології та властивостей НК Si1-хGeх, вирощених у легуючій системі з домішками бору та золота, а також способу виготовлення контактів встановити оптимальні характеристики НК для створення чутливих елементів сенсорів теплових та механічних величин, працездатних в умовах низьких температур;

- дослідити вплив деформації на електропровідність НК твердого розчину Si1-хGeх за низьких температур і створити елементну базу сенсорів деформації з високою чутливістю до вимірюваного параметра;

- дослідити температурні залежності опору НК Si1-хGeх та створити елементну базу сенсорів температури на їх основі з терморезистивним принципом дії;

- вивчити вплив температури на поведінку термо-ЕРС НК Si1-хGeх з різним ступенем легування та створити елементну базу сенсорів температури для кріогенних температур з термоелектричним принципом дії;

- вивчити магнетоопір НК твердого розчину Si1-хGeх та дослідити вплив магнетного поля як дестабілізуючого фактора на характеристики чутливих елементів низькотемпературних сенсорів.

Об’єкт дослідження. Ниткоподібні кристали твердого розчину Si1-хGeх р-типу провідності з різним вмістом германію і ступенем легування, та створені на їх основі чутливі елементи сенсорів температури і деформації.

Предмет дослідження. Низькотемпературні п’єзорезистивні та термоелектричні характеристики НК Si1-хGeх та чутливих елементів сенсорів при дії деформації та магнетного поля.

Методи дослідження:

- оптична та електронна мікроскопія;

- мікрозондовий аналіз;

- вимірювання п’єзорезистивних характеристик НК Si1-хGeх в області кріогенних температур із використанням сучасних метрологічних засобів;

- дослідження основних параметрів і характеристик чутливих елементів низькотемпературних сенсорів у широкому інтервалі деформацій за дії магнетного поля.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що вперше на основі комплексного дослідження низькотемпературних характеристик НК твердого розчину Si1-хGeх встановлено закономірності їх зміни при дії деформації і магнетного поля та створено елементну базу сенсорів температури і деформації для області низьких температур:

- в області низьких температур встановлено домінуючий характер стрибкової провідності в НК Si1-хGeх з різним вмістом германію і ступенем легування та визначено енергії активації стрибкової провідності та їх зростання під впливом деформації, що важливо для прогнозування характеристик сенсорів;

- виявлено гігантський п’єзорезистивний ефект (К = (33,5)104) в області низьких температур у зразках НК Si1-хGeх, легованих поблизу фазового переходу метал-діелектрик (ПМД), який пояснюється зміною механізму провідності під впливом деформації, що використано для створення надчутливих сенсорів деформації;

- у сильнолегованих НК твердого розчину Si1-хGeх виявлено максимум у температурній залежності термо-ЕРС при дії деформації в області гелієвих температур, пов’язаний зі зміною густини станів у верхній і нижній зонах Хаббарда;

- встановлено кореляцію між величинами магнетоопору, в т.ч. від’ємного магнетоопору, коефіцієнта тензочутливості НК Si1-хGeх та їх ступенем легування при температурі 4,2 К, що дало змогу визначити оптимальні параметри для створення елементної бази сенсорів деформації, стійких до дії сильних магнетних полів і працездатних в області низьких температур.

Практичне значення роботи полягає в тому, що результати досліджень використано для створення сенсорів фізичних величин:

- розроблено оригінальний спосіб визначення коефіцієнта термо-ЕРС НК твердого розчину Si1-хGeх з різним вмістом германію та ступенем легування в інтервалі температур (4,2200 К);

- створено елементну базу низькотемпературних надчутливих сенсорів деформації з використанням виявленого гігантського п’єзорезистивного ефекту;

- створено елементну базу сенсорів температури з терморезистивним і термоелектричним принципом дії для низьких температур;

- запропоновано конструктивне виконання сенсорів температури з використанням високих рівнів термічної деформації стискання, що дозволяє підвищити їх чутливість і розширити робочий інтервал температур.

На основі створеної елементної бази сенсорів теплових і механічних величин виготовлено чутливі елементи сенсорів температури та деформації, які знайшли практичне використання. Так, чутливі елементи сенсорів температури використано у термоелектричних перетворювачах і термоперетворювачах опору для низьких температур у НВО “Термоприлад” (м. Львів). Елементну базу сенсорів температури для кріогенного діапазону застосовують в Міжнародній лабораторії сильних магнітних полів і низьких температур (м. Вроцлав, Польща). Крім цього, елементну базу сенсорів температури та деформації використовують для виконання наукових досліджень у НДЦ “Кристал”, а також у навчальному процесі кафедри напівпровідникової електроніки Національного університету ”Львівська політехніка”.

Особистий внесок здобувача в отриманні наукових результатів. Особиста участь автора полягає в обґрунтуванні задач і методів досліджень, підготовці зразків НК твердого розчину Si1-хGeх та проведенні експериментальних досліджень, участі у виготовлені елементної бази та розробленні конструкції сенсорів і дослідженні їх характеристик, узагальненні результатів, розробленні практичних рекомендацій, підготовці публікацій та участі в міжнародних конференціях. Постановка задач та інтерпретація результатів проведені зі співавторами наукових праць.

Апробація основних результатів досліджень. Основні результати дисертації доповідались та обговорювались на наступних наукових конференціях: Міжнарод. конференція з фізики і технології тонких плівок (МКФТТП-VIII), Івано-Франківськ, Україна, 2001; E-MRS 2002 Spring meeting, Strasbourg, France, 2002; X Intern. Forum on Thermoelectricity, Chernivci, Ukraine, 2002; Intern. Conference on Solid State Crystals Materials, Science and Applications (ICSSC), Zakopane, Poland, 2002; Международ. конференция по физике электронных материалов (ФИЭМ’02), Калуга, Россия, 2002; IV Міжнарод. школа-конференція “Актуальні проблеми фізики напівпровідників”, Дрогобич, Україна, 2003; VIII Міжнарод. конференція “Температура-2003”, Львів, Україна, 2003; 4-ая Международ. науч.-техн. конф. “Микроэлектронные преобразователи и приборы на их основе”, Баку-Сумгаит, Азербайджан, 2003; E-MRS 2003 Fall Meeting, Warshawa, Poland, 2003; Second Intern. SiGe Technology and Device Meeting (ISTDM 2004), Frankfurt, Germany, 2004; VIII Konferencja Naukowa Czujniki Optoelektroniczne i Elektroniczne, Wroclaw, Poland, 2004; та доповідались на щорічних наукових конференціях Національного університету “Львівська політехніка”, 2001 – 2004.

Публікації. Основні результати дисертації викладені в 22 наукових публікаціях, з них у фахових журналах – 11, матеріалах конференцій – 9, заявках на патенти України – 2.

Структура та обсяг дисертації. Робота складається зі вступу, п’ятьох розділів, висновків, списку використаних джерел та додатку. Загальний обсяг дисертаційної роботи становить 179 сторінок тексту, в тому числі 66 рисунків, 9 таблиць і 203 бібліографічних найменувань.

Основний зміст

У вступі обґрунтовано актуальність дисертаційної роботи, визначено мету та основні завдання, відзначено наукову новизну та практичне значення. Дано відомості про зв’язок роботи з науковими темами, апробацію роботи, особистий внесок дисертанта, публікації, об’єм і структуру дисертації.

Перший розділ присвячений стану вивчення властивостей та практичному застосуванню НК твердого розчину Si1-хGeх в порівнянні з елементарними напівпровідниками Si, Ge, а також постановці задач дисертаційних досліджень.

Проведено аналіз терморезистивних і термоелектричних властивостей об’ємних зразків Si, Ge і твердого розчину Si1-xGex в порівнянні з НК цих напівпровідників. Проаналізовано дослідження впливу температури на процеси провідності, згаданих вище кристалів із різним ступенем легування, pазом із поясненням на основі відомих теорій механізмів домішкової провідності в області низьких температур. Вивчення стрибкової провідності дозволяє з’ясувати залежність від температури механізмів перенесення носіїв заряду в невпорядкованих системах, де провідність реалізується локалізованими на домішкових атомах носіями заряду.

Проаналізовано результати досліджень впливу деформації та магнетного поля на властивості Si, Ge та Si1-xGex. Деформація спричиняє перебудову енергетичного спектра елементарних напівпровідників Si та Ge. Це спричиняє істотне збільшення ефективної маси електронів, зменшення радіуса Бора та локалізація електронів на домішкових атомах, однак у кремнії збільшення ефективної маси електронів при великих одновісних напруженнях зв’язано з непараболічністю -долин, а в германії – L–-інверсією типу абсолютного мінімуму.

Існують проблеми щодо створення елементної бази сенсорів теплових та механічних величин працездатних в області низьких температур і сильних магнітних полів, пов’язані з недостатнім вивченням низькотемпературних п’єзорезистивних і термоелектричних властивостей НК Si1-хGeх. Отже актуальність цих досліджень зумовлена вимогами щодо надійності роботи сенсорів фізичних величин в екстремальних умовах експлуатації (наприклад, у кріоенергетиці й авіаційно-космічній техніці).

Описано можливості створення на основі НК Si, Ge і твердого розчину Si1-xGex елементної бази сенсорів теплових і механічних величин, працездатних в інтервалі низьких температур і стійких до дії сильних магнетних полів, а також приведено характеристики відомих сенсорів. Описано переваги НК Si1-хGeх як об’єкта для виготовлення чутливих елементів перетворювачів фізичних величин матеріалу над іншими напівпровідниками.

Огляд літературних джерел обґрунтовує актуальність поставленої задачі.

У другому розділі розглянуто технологічні особливості вирощування НК твердого розчину Si1-хGeх р-типу провідності, легованих бором та золотом, із наперед заданими параметрами. Вирощено НК Si1-хGeх (x = 0,010,11) кристалографічної орієнтації <111> вирощені методом газотранспортних реакцій завдовжки 310 мм та діаметром 2080 мкм, які призначені для дослідження механізмів домішкової провідності, п’єзоопору та магнетоопору.

Одержано НК твердого розчину Si1-хGeх з оптимальними параметрами (складом, концентрацією домішки та геометричними розмірами) для виявлення впливу деформації та магнітного поля в області низьких температур на характеристики матеріалу з метою створення на їх основі елементної бази сенсорів фізичних величин. При дослідженні параметрів платинових контактів до мікрокристалів виявлено, крім лінійних, також “С”-подібні ВАХ для зразків, діаметр мікродроту контакту яких сумірний із шириною грані НК а 40 мкм, що пов’язано, насамперед, з ефектами сильного електричного поля в області контакту та виникненням термо-ЕРС гарячих носіїв заряду. На основі проведеного аналізу для практичного застосування вибрано НК твердого розчину Si1-хGeх діаметром d 40 мкм, контакти яких є омічними і параметр нелінійності не перевищує 1%.

Вплив деформації на властивості НК Si1-хGeх досліджено в інтервалі температур (4,2300 К).1 За допомогою консольної балки (пружного елемента), виготовленої з інварного сплаву, задавалися послідовний ряд деформацій обох знаків, як стискання, так і розтягу 1,2610-3 відн. од., прикладених до того ж самого зразка, що дозволило порівняти їх вплив та одержати додаткову інформацію щодо деформаційно-стимульованих ефектів, які мають місце в НК Si1-xGex при низьких температурах, а також промоделювати роботу сенсора деформації з широким робочим діапазоном.

Для дослідження п’єзорезистивного ефекту використовували метод закріплення НК Si1-xGex на спеціально підібрані підкладки (мідь, алюміній, кварц). Внаслідок різниці коефіцієнтів температурного розширення матеріалу підкладки та твердого розчину Si1-хGeх при охолодженні до температури рідкого гелію, створювались деформації в інтервалі (+ 4,710-4 ч – 4,310-3 відн. од.). Описана методика проведення вимірювань в інтервалі сильних магнетних полів (014 Тл), що дозволило досліджувати вплив магнетного поля на властивості НК Si1-xGex в умовах низьких температур.

Розроблено оригінальний спосіб для визначення коефіцієнта термо-ЕРС НК за допомогою чотирьохконтактного методу, що дозволяє вимірювати температуру, а також градієнт температури вздовж осі НК Si1-хGeх в інтервалі (10120 К) з точністю порядка 0,03 мВ/К. НК складається з трьох частин, утворених чотирма точковими контактами. Частина кристала між парою контактів являє собою терморезистор, а частина кристала між двома іншими контактами – термоелемент. Частину кристала використовували як гілку розігріву, через яку пропускали стабілізований струм і створювали градієнт температури в термоелектричній гілці, в якій вимірювали термо-ЕРС. Відстань між контактами, де вимірювали градієнт температури (термоелектрична гілка) на порядок більша порівняно з відстанями між іншими контактами і становить приблизно 10 мм, що дозволяло уникнути впливу самих контактів на значення вимірюваної величини термо-ЕРС.

Проаналізовано характеристики вихідних експериментальних зразків НК твердого розчину Si1-хGeх з оптимальними геометричними розмірами та складом для дослідження їх низькотемпературних п’єзорезистивних і термоелектричних властивостей. Встановлено, що для низькотемпературних досліджень оптимальні характеристики мають НК Si1-хGeх, леговані домішками бору та золота з вмістом германію х = 0,010,05, який визначали методом мікрозондового аналізу. Однак основна увага була зосереджена на зразках зі ступенем легування близьким до фазового ПМД (Nc = 7,8·1018 cм-3, сс = 0,009 Ом·см), як з металевого, так і з діелектричного боків, з метою подальшого створення на їх основі елементної бази сенсорів температури та деформації.

Дослідження зразків при низьких температурах і сильних магнітних полях виконували у Міжнарод-ній лабораторії сильних магнітних полів та низьких температур (м. Вроцлав, Республіка Польща).

Третій розділ присвячений вивченню впливу деформації стискання та розтягування на електропровідність і термо-ЕРС НК Si1-хGeх, а також створенню на їх основі елементної бази низькотемпературних сенсорів деформації та дослідженню їх характеристик.

В інтервалі температур (4,2300 К) досліджували п’єзоопір НК Si1-xGex (x = 0,010,1) р-типу провідності зі ступенем легування, що відповідає діелектричному боку ПМД. Встановлено, що за температури Т > 40 K спостерігали класичну поведінку п’єзоопору: опір зростає при деформації розтягування та зменшується – при стискання; а в області низьких температур Т 40 K виявлено аномальний ефект – опір експоненційно зростає незалежно від знаку деформації, що пояснюються суттєвою зміною густини станів у верхній і нижній зонах Хаббарда під впливом деформації (рис. 1, а, б, криві 3).

Рис. 1. Залежність відносної зміни опору НК Si1-xGex від деформації при температурах: 300 K (1); 77 K (2); 4,2 K (3): а) розтягування; б) стискання.

Для НК Si1-хGeх зі ступенем легування близьким до фазового ПМД з діелектричного боку 300 K = (0,0160,018) Омсм в інтервалі кріогенних температур виявлено гігантський п’зорезистивний ефект. Величина п’єзорезистивного ефекту оцінювали за коефіцієнтом тензочутливості:

(1)

де – зміна питомого опору зразка під дією деформації; 0 – питомий опір недеформованого зразка; – відносна деформація.

Рис. 2. Температурна залежність коефіцієнта тензочутливості для НК Si1-хGeх (х = 0,01) з питомим опором 300 K = 0,018 Ом·см за різних величин деформації: 1 – ( = - 4,310-3 відн. од.); 2 – ( = - 3,810-3 відн. од.); 3 – ( = + 4,710-4 відн. од.).

При зниженні температури коефіцієнт тензочутливості різко зростає, досягаючи при температурі 4,2 К значення (33,5)104 (рис. 2).

Аналіз температурної залежності електропровідності НК Si1-хGeх при деформуванні вказує, що при кріогенних температурах (Т 77 K), електропровідність легованих напівпровідників можна записати як суму трьох доданків із відповідними енергіями активації Еі:

, (2)

де Е1 - енергія активації основного домішкового стану (акцепторного);

Е2 – енергія активації стрибкової провідності по двічі зайнятих домішкових станах (по А+-зоні для напівпровідників легованих акцепторними домішками);

Е3 – енергія активації стрибкової провідності з незалежними або корельованими стрибками по парах домішкових центрів.

Ідентифікація одержаних енергій активації провадилась з урахуванням їх величини, температурної області спостереження та ступеня легування зразків (табл. 1). Як правило, в певній області температур за даного ступеня легування електропровідність визначається однією з трьох складових енергій активації виразу (2).

Виявлено, що в НК Si1-xGex величина п’єзорезистивного ефекту в області низьких температур залежить від співвідношення Е1, Е2 та Е3. Тут Е2 сумірна за величиною з Е3 і слабо залежить від деформації. Встановлено, що величини енергії активації стрибкової провідності, Е2 та Е3 , монотонно зростають із деформацією, чим і пояснюється експоненційний хід п’єзоопору за низьких температур.

Таблиця 1

Енергії активації НК Si1-xGex з різним ступенем легування і величиною деформації

Відносна деформація

, відн. од. | Енергія активації Еі , меВ

(х=0,03)

300 K = 0,025Омсм | (х = 0,03)

300 K = 0,012Омсм | (х = 0,01)

300 K = 0,018 Омсм

Е2 | Е 3 | Е2 | Е 3 | Е2 | Е 3

0 | 3,6 | 0,1 | 1,35 | 0,1 | 1,6 | 0,09

-3,8Ч10-3 | 4,7 | 0,2 | 1,7 | 0,12 | 2,5 | 0,1

-4,3Ч10-3 | 4,9 | 0,2–– | 2,8 | 0,1

4,7Ч10-4 | 3,5 | 0,1–– | 1,0 | 0,02

Промодельовано роботу сенсора деформації в межах величин деформації 1,2610-3 відн. од. за допомогою пружного елемента (консольної балки) та вибрано оптимальні параметри вихідних експериментальних зразків, придатних для створення елементної бази сенсорів механічних величин на основі НК твердого розчину Si1-xGex.

На основі аналізу результатів досліджень встановлено основні переваги використання НК твердого розчину p-Si1-xGex як елементної бази сенсорів деформації:

- розміри НК відповідають розмірам чутливих елементів сенсорів деформації;

- унікальна механічна міцність НК, зумовлена їх структурною досконалістю; дозволяє розширити діапазон вимірювання пружних деформацій;

- напрямок росту кристалів <111>, який відповідає з максимальним тензоефектом у Si1-xGex р-типу провідності на основі кремнію, дозволяє реалізувати максимальну тензочутливість для цього матеріалу;

- можливість легування НК домішками безпосередньо в процесі їх вирощування дозволяє одержати НК зі заданими параметрами, а відповідно, і підібрати оптимальні параметри створених на їх основі сенсорів деформації.

Високі значення коефіцієнта тензочутливості, одержані при кріогенних температурах у НК Si1-xGex (х = 0,01) зі ступенем легування близьким до ПМД (300 K = 0,018 Омсм) було використано для створення елементної бази надчутливих сенсорів деформації (коефіцієнт тензочутливості К = 3,5104) з робочим діапазоном деформацій 1,2610-3 відн. од., працездатних при температурі 4,2 К.

На основі сильнолегованих НК твердого розчину Si1-xGex (х = 0,03) з питомим опором 300 K = 0,008 Омсм розроблено елементну базу сенсорів деформації (К = 200) з широким робочим діапазоном, як деформацій (1,410-3) відн. од., так і температур (4,2300)К (рис. 3); слаболеговані зразки з питомим опором 300 K = 0,025 Омсм можна рекомендувати для застосування в системах контролю рівня деформації.

Рис. 3. Деформаційні характеристики сенсора деформації, створеного на основі сильнолегованих НК Si1-xGex (х = 0,03) з питомим опором 300 K = 0,008 Омсм за температур: 300 K (1); 77 K (2); 4,2 K (3).

Запропоновано конструктивне виконання сенсора деформації, яке полягає у закріпленні чутливих елементів НК твердого розчину Si1-xGex на спеціально підібраних підкладках. У цьому випадку підкладка виступає проміжною ланкою, яка передає деформацію від об’єкту до НК. В результаті тензорезистор отримає додаткову зовнішню деформацію з боку підкладки, знак якої буде протилежним до знаку попередньої зовнішньої деформації підкладки. Таке конструктивне рішення дозволяє вимірювати деформації в інтервалі 510-3 відн. од.

У четвертому розділі досліджено терморезистивні та термоелектричні властивості НК твердого розчину Si1-xGex (х = 0,010,1) з різним ступенем легування, а також створено елементну базу сенсорів температури на їх основі, працездатні в області низьких температур, і вивчено їх характеристики.

На основі дослідження терморезистивних властивостей НК твердого розчину Si1-xGex (х = 0,010,1) зі ступенем легування, що відповідає діелектричному боку ПМД, виявлено лінійну температурну залежність опору в інтервалі температур (4,250)K. Це дозволило створити елементну базу сенсорів температури, де як чутливий елемент використано НК Si1-xGex (х = 0,01) з питомим опором 300 K = 0,018 Омсм, закріплений на мідній підкладці. Такі чутливі елементи сенсорів температури мають параметри: робочий інтервал – (4,250)K; температурний коефіцієнт опору (ТКО) = 616 %/K, температурна чутливість – 1,25104 Ом/K (при Т = 7 K).

Установлено, що при створенні елементної бази сенсорів температури шляхом закріплення чутливого елемента на спеціально підібрані підкладки, які забезпечують високі рівні термічної деформації стискання з боку підкладки (наприклад, мідь = - 3,810-3 відн. од.), підвищується температурна чутливість від 300 до 1,25104 Ом/K та розширюється інтервал робочих температур від (4,230)K до (4,250)K.

При дослідженні термоелектричних властивостей НК твердого розчину Si1-xGex виявлено, що в інтервалі підвищених температур (300500)K характер температурних залежностей коефіцієнта Зеєбека істотно залежить від положення у забороненій зоні рівнів золота і ступеня їх заповнення. При підвищенні температури в НК Si1-xGex (х = 0,02) заповнення рівня з енергією 0,54 еВ приводить до зміни знаку коефіцієнта Зеєбека, а отже, такі НК непридатні для використання як чутливих елементів сенсорів температури. В той час як для зразків зі складом х 0,05 або х 0,03, які були попередньо леговані комплексом домішок бор-золото, при заповнені рівня з енергією 0,35 eВ коефіцієнт Зеєбека становить порядка 1 мВ/K, які слабо залежить від температури, а отже, такі НК можна використати для вимірювання різниці температур із високою точністю (0,5 K). Досліджували розмірні залежності коефіцієнта Зеєбека. Виявлено, що НК Si1-xGex проявляють властивості характерні об’ємним зразкам: не спостерігали перенесення носіїв заряду шляхом тунелювання, оскільки довжина їх вільного пробігу менша від діаметра НК. Отже, розмірна залежність коефіцієнта Зеєбека НК Si1-xGex (x = 0,010,11) р-типу провідності не пов’язана з проявом квантово-розмірного ефекту.

Вивчено вплив деформації на термо-ЕРС НК Si1-хGeх у низькотемпературній області. На рис. 4 зображено температурні залежності коефіцієнта Зеєбека НК Si1-xGex (x = 0,01), 300 K = 0,018 Омсм при різних величинах деформації.

Спостерігали деякі особливості температурних залежностей коефіцієнта Зеєбека:

- при температурах (Т > 40 К) спостерігали класичну поведінку коефіцієнта Зеєбека: збільшується при розтягуванні та зменшується при стисканні;

- при температурах (Т 40 К) – коефіцієнт Зеєбека, як і коефіцієнт тензочутливості різко зростає, і при Т = 4,2К для зразка, деформованого мідною підкладкою досягає 24 мВ/К, що на два порядки більше порівняно з недеформованим НК. Це можна пояснити істотною зміною густини станів у верхній і нижній зонах Хаббарда за дії деформації стискання в області низьких температур.

Рис. 4. Температурна залежність коефіцієнта Зеєбека НК Si1-xGex (x = 0,01), 300 K = 0,018 Омсм для: 1 – недеформованого зразка ( = 0); 2 – деформованого зразка (=-3,810-3відн.од.); 3 – деформованого зразка(=+4,710-4відн.од.).

Комплексне дослідження термоелектричних властивостей НК Si1-xGex дозволило створити елементну базу сенсорів для вимірювання температури та різниці температур на основі кристалів складу х = 0,05 та питомим опором 300 K = 0,025 Омсм (довжина 11 мм, діаметр 50 мкм) із чотирма точковими контактами. Чутливий елемент закріплено на алюмінієвій підкладці ( = - 4,310-3 відн. од.): робочий діапазон температур (1560)K. Уведенням нових конструктивних елементів, зокрема розташуванням контактів та прикладанням високих рівнів термічної деформації до чутливого елемента, вдалось підвищити чутливість і покращити стабільність вимірювання температури та різниці температур на порядок порівняно з відомими сенсорами.

Оскільки низькотемпературні сенсори теплових і механічних величин, як правило, у більшості випадків використовують у присутності сильних магнітних полів, важливим є вивчення впливу магнітного поля як дестабілізуючого фактора роботи таких сенсорів в області низьких температур.

П’ятий розділ присвячений вивченню магнетоопору НК твердого розчину Si1-хGeх р-типу провідності в інтервалі (014)Тл, а також створенню на їх основі сенсорів, стійких до дії сильних магнетних полів.

Досліджували магнетоопір і п’єзомагнетоопір НК Si1-xGex (х = 0,010,11) р-типу провідності зі ступенем легування, що відповідає обом бокам ПМД в області низьких температур. Встановлено, що магнітоопір істотно залежить від ступеня легування, а також типу та величини деформації зразків. Під дією деформації в НК Si1-xGex реалізується стрибкова провідність з енергіями активації Е2 та Е3, що приводить до зменшення абсолютної величини магнетоопору в інтервалі температур (4,230)K.

Встановлено, що зі зміною ступеня легування відбувається зміна характеру залежності магнітоопору з магнетним полем. У сильнолегованих зразках НК твердого розчину Si1-xGex, в яких проявляється металевий тип провідності (N Nc) з низьким вмістом германію, спостерігали експоненційний характер зміни магнетоопору, пов’язаний зі збільшенням електрон-електронної взаємодії у сильнолегованих НК (рис. 5, а), а у слаболегованих зразках з концентрацією носіїв заряду (N < Nc), що відповідає діелектричному боку ПМД при температурі 4,2 K виявлений квадратичний закон зміни магнітоопору з полем і в основному визначається провідністю по локалізованих станах А+-верхньої зони Хабаррда з енергією активації Е2 (рис. 5, б).

Рис. 5. Магнетоопір НК твердого розчину Si1-xGex (х = 0,03) при фіксованих температурах для зразків з питомим опором: а) 300 K = 0,008 Омсм; б) 300 K = 0,012 Омсм.

У НК твердого розчину Si1-xGex р-типу провідності при слабших магнетних полях в інтервалі низьких температур (710)K виявлено аномальний позитивний (ПМО) та від’ємний магнетоопори (ВМО). Аналіз температурної залежності електропровідності НК показав, що область існування ВМО відповідає стрибковій провідності по делокалізованих станах А+-верхньої зони Хаббарда (рис. 5, б, вставка).

Досліджено характер зміни ВМО і ПМО під дією одновісної деформації стискання та розтягування в НК Si1-xGex. Виявлено різкий стрибок ВМО та ПМО при високих рівнях деформації обох знаків (1,08·10-2ч1,4·10-2) відн. од., поява якого пояснюється феромагнітним впорядкуванням спінів в умовах слабкої локалізації носіїв заряду на іонах домішки бору. Висота стрибка зростає за експонентою при збільшенні рівня прикладеної деформації і становить (0,5?3)%, залежно від ступеня легування зразка.

Досліджували вплив магнетного поля з індукцією 14 Тл як дестабілізуючого фактора роботи сенсорів при температурі рідкого гелію.

Рис. 6. Залежності параметрів НК Si1-хGeх (x=0,03) від питомого опору при температурі 4,2 К: магнетоопір (1); коефіцієнт тензочутливості (2).

Залежність максимальної величини магнетоопору (В = 14 Тл) від рівня легування (питомого опору) чутливого елемента наведена на рис. 6 (крива 1). НК з високими значеннями коефіцієнта тензочутливості (рис. 6 (крива 2)) (300 K = 0,0140,016 Омсм) можна використовувати як чутливі елементи термометрів лише за умови відсутності магнітного поля, оскільки максимум коефіцієнта тензочутливості відповідає максимуму магнетоопору зразків. Натомість НК з 300 K = 0,025 Омсм практично нечутливі до впливу магнітного поля. Цікаво, що вплив деформації ( = - 4,310-3 відн. од.) зумовлює в них появу магнетоопору на рівні 0,1 % при В = 14 Тл. Водночас такі зразки мають досить високий коефіцієнт тензочутливості К = (12)103. Отже, їх можна рекомендувати для використання як чутливих елементів сенсорів, стійких до дії магнетного поля.

У додатку наведено документи про використання результатів дисертаційної роботи.

Основні результати роботи та висновки

У результаті проведення дисертаційних досліджень розв’язано наукову задачу встановлення закономірностей зміни характеристик легованих напівпровідникових НК твердого розчину Si1-хGeх р-типу провідності при низьких температурах, дії деформації і магнітного поля та створено елементну базу сенсорів температури і деформації на їх основі.

Отримано такі основні результати:

1. Одержано та досліджено НК твердого розчину Si1-хGeх з оптимальними параметрами, зокрема складом, концентрацією домішки та геометричними розмірами, для виявлення впливу деформації та магнітного поля в області низьких температур на характеристики матеріалу з метою створення на їх основі елементної бази сенсорів фізичних величин. При дослідженні параметрів платинових контактів до мікрокристалів виявлено, крім лінійних, також “С”-подібні ВАХ для НК Si1-хGeх з відповідним співвідношенням діаметра кристалів і товщини контактів, що пов’язано з ефектами сильного електричного поля в області контакту та виникненням термо-ЕРС гарячих носіїв. На основі проведеного аналізу для практичного застосування вибрано НК твердого розчину Si1-хGeх діаметром d 40 мкм, контакти яких є омічними (параметр нелінійності не перевищує 1%). Розроблено оригінальну методику визначення коефіцієнта Зеєбека НК твердого розчину Si1-хGeх в інтервалі температур (4,2200)К.

2. В області низьких температур встановлено домінуючий характер стрибкової провідності в НК Si1-хGeх з різним вмістом германію і ступенем легування та визначено енергії активації стрибкової провідності, наприклад для кристалів зі ступенем легування близьким до ПМД з діелектричного боку (300 K = 0,012 Омсм) в інтервалі температур: (4,210)K – енергія активації стрибкової провідності з незалежними стрибками по парах домішкових центрів Е3 ~ 0,1 меВ; (1025)K – енергія активації стрибкової провідності по А+-зоні Е2 ~ 1,35 меВ.

3. Досліджено вплив деформації на температурні залежності опору НК твердого розчину Si1-хGeх з різним ступенем легування і вмістом германію та виявлено гігантський п’єзорезистивний ефект при температурі 4,2 К в зразках, легованих поблизу ПМД, в яких коефіцієнт тензочутливості сягає (33,5)104. На основі таких НК Si1-xGex (x = 0,01) зі ступенем легування, що відповідає близькості до фазового ПМД (Na 6Ч1018 см-3, 300 K = 0,018 Омсм) та високим коефіцієнтом тензочутливості К = 3,5104 (при Т = 4,2 К) створено елементну базу надчутливих сенсорів деформації, працездатних при температурі 4,2 К з робочим діапазоном деформацій 1,2610-3 відн. од.

4. Створено елементну базу сенсорів деформації, працездатних у широкому інтервалі температур (4,2300)К з робочим діапазоном деформацій 1,410-3 відн. од. на основі сильнолегованих НК Si1-xGex (x = 0,03) з металевим типом провідності (300 K = 0,008 Омсм).

5. За результатами дослідження термоелектричних властивостей виявлено, що при температурі 4,2 К під дією деформації стиску ( = - 3,810-3 відн. од.) в НК Si1-хGeх (x = 0,01) з 300 K = 0,018 Омсм спостерігається аномальне збільшення коефіцієнта Зеєбека (до 24 мВ/К) і виявлено максимум в його температурній залежності, що пояснюється зміною густини станів у верхній і нижній зонах Хаббарда при високих рівнях деформації стиску в інтервалі температур (4,240)К.

6. На основі НК Si1-xGex (x = 0,01) з 300 K = 0,018 Омсм створено чутливі елементи сенсорів температури з терморезистивним принципом дії для інтервалу температур (4,230)К із температурною чутливістю 300 Ом/K (при Т = 7 K); елементну базу сенсорів температури з термоелектричним принципом дії на основі НК твердого розчину Si1-xGex (х = 0,05), 300 K = 0,025 Омсм для одночасного вимірювання температури та різниці температур в інтервалі (1560)K.

7. Встановлено, що конструктивне виконання сенсора температури, яке полягає у закріпленні чутливого елемента на спеціально підібрані підкладки (тут – мідну), з використанням високих термічних деформацій стискання з боку підкладки ( - 3,810-3 відн. од.), приводить до підвищення температурної чутливості сенсора від 300 до 1,25104 Ом/K та розширення інтервалу робочих температур (4,250)К.

8. У слабких магнетних полях (00,3)Тл в інтервалі низьких температур (710) K, а також при накладанні деформаційного поля в НК Si1-xGex (х = 0,010,11) р-типу виявлено аномальний позитивний та від’ємний магнетоопір, що пояснюються стрибковою провідністю по делокалізованих станах верхньої зони Хаббарда.

9. Встановлено кореляцію між величинами магнетоопору, в тому числі від’ємного магнітоопору, коефіцієнта тензочутливості НК Si1-хGeх та їх ступенем легування при температурі 4,2 К. На основі дослідження впливу магнітного поля як дестабілізуючого фактора роботи низькотемпературних сенсорів встановлено, що НК твердого розчину Si1-xGex (х = 0,03) з питомим опором 300 K = 0,025 Омсм придатні для створення елементної бази сенсорів деформації, стійких до дії сильних магнетних полів, зміна їх опору в полі з індукцією до 14 Тл не перевищує 1%.

10. На основі створеної елементної бази сенсорів теплових і механічних величин виготовлено чутливі елементи сенсорів температури і деформації, які використовують у НВО “Термоприлад” (м.Львів), Міжнародній лабораторії сильних магнетних полів та низьких температур (м.Вроцлав, Польща) і НДЦ “Кристал” кафедри напівпровідникової електроніки Національного університету ”Львівська політехніка”.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Druzhinin A., Ostrovskii I., Lavitska E., Liakh N., Palewski T. Studies of piezoresistance in Si-Ge whiskers at cryogenic temperatures // Proc. SPIE. – 2003. – Vol. 5136. – P. 243–248.

2. Дружинин А.А., Островский И.П., Лях Н.С. Миниатюрные сенсоры температуры на основе нитевидных кристаллов Si-Ge // Термоэлектричество. – 2003. – № 2. – С. 58–63.

3. Буджак Я.С., Дружинин А.А., Островский И.П., Лях Н.С. Термоэлектрические єффекты в нитевидных кристалах германия // Термоэлектричество. – 2003. – № 1. – С. 37–42.

4. Варшава С.С., Лях Н.С., Стасюк Н.М. Нелінійні ефекти в точкових контактах метал-кремній, метал-кремній-германій // Фізика і хімія твердого тіла. – 2001. – Т. 2, № 4. – С. 727–734.

5. Дружинін А.О., Островський І.П., Лях Н.С. Магнітоопір ниткоподібних кристалів Ge-Si // Фізика і хімія твердого тіла. – 2003. – Т. 4, № 3.