Фізичні основи напівпровідникових приладів екстремальної електроніки

Отримані теоретичні і експериментальні результати використані для оптимізації параметрів кріогенних ДСТ.

У п'ятому розділі досліджені теплофізичні властивості кремнієвих ДСТ з метою визначення їх граничної точності вимірювання в залежності від умов теплообміну із середовищем виміру. Теплофізичний розрахунок проведений з урахуванням усіх конструктивних елементів сенсора і технології створення ЧЕ. Обґрунтовано необхідність і внесені зміни в стандартну планарну дифузійну технологію виготовлення діодних структур для створення стабільних і взаємозамінних ЧЕ з розширеним діапазоном робочих температур (4.2-500 К).

Представлено результати дослідження стабільності ДСТ, отримані після термоциклування при вимірі в реперних точках (потрійна точка води, температура затвердіння індію, температура плавлення галію) на обладнанні робочого еталона одиниці температури ВЕТ-34-18-87 (УкрЦСМ). Наведені дані свідчать, що довгострокова стабільність розроблених ДСТ знаходиться на рівні одиниць мК. Показано, що вихід ЧЕ, у яких розкид величини прямої напруги не перевищує ±1 мВ, що відповідає взаємозамінності ЧЕ ±0.5 К, складає ~60%. Отримані результати свідчать про розробку технології стабільних і взаємозамінних ЧЕ для широкодіапазонних ДСТ.

Тривимірний розрахунок виконаний методом кінцево-елементного аналізу з урахуванням залежності теплофізичних характеристик окремих елементів ДСТ від температури, а також припливу і відтоку тепла по струмових виводах. Математична модель записана для всіх областей розбивки, розходження фізичних властивостей яких враховуються залежностями питомої теплоємності, густини та коефіцієнта теплопровідності від координат.

Розглянуто три випадки, що відрізняються умовами теплообміну ДСТ із середовищем виміру: 1) теплообмін з нерухомим повітрям з коефіцієнтом тепловіддачі =3 Втм^-2к^-1; 2) теплообмін з нерухомою рідиною з =310² Втм^-2к^-1; 3) тепловий контакт нижньої частини керамічного корпусу з металевою поверхнею з =310⁴ Втм^-2к^-1 (майже ідеальний контакт), а інша поверхня знаходиться в умовах теплообміну з нерухомим повітрям з =3 Втм^-2к^-1.

Аналіз експериментальних даних показав, що в діапазоні 77-500 К струмоперенос у дослідженій діодній структурі визначається в основному дифузійним і генераційно-рекомбінаційним струмами і вся прикладена напруга падає на ОПЗ р-n-переходу, що і є областю тепловиділення. Відповідно до розрахунку перегрів ДТ має максимальне значення на осі обертання і монотонно спадає в усі сторони від неї. В залежності від робочих струмів і умов теплообміну визначені величини ДТ сенсора.

При гелієвих температурах областю тепловиділення є база діода, у якій вільні носії струму виморожені і її опір перевищує опір р-n-перехода. За рахунок джоулевого розігріву температура підвищується практично тільки в області бази діода.

Проведений теплофізичний розрахунок з урахуванням зміни домінуючих механізмів струмопереносу з температурою показав, що робочий струм 1 мкА дозволяє істотно знизити перегрів ДТ сенсора. Встановлено, що умови теплообміну (які визначають значення в) істотно впливають на ДТ, як і величина робочого струму і температура середовища виміру.

Для визначення одного з найбільш невизначених параметрів теплообміну, коефіцієнта в, вирішено зворотну задачу теплообміну. Представлено результати експериментального дослідження і моделювання конструкції, до складу якої увійшли два ідентичних ЧЕ. Через один з них (“нагрівач”) пропускали постійний струм для розігріву ЧЕ, який знаходився поруч і виконував функцію вимірювача температури. Обраний робочий струм (1 мкА) дозволив виключити вплив джоулевого саморозігріву на результати виміру (ДТ 0.01 К). Експериментальні значення перегріву ДТ під впливом теплової потужності нагрівача використані в теплофізичному розрахунку для визначення ефективного значення в. Одержано: = 18 Втм^-2к^-1 при Т = 77 К, = 7.5 Втм^-2к^-1 при Т = 283 К.

Отримані дані використані для створення кремнієвих прецизійних широкодіапазонних ДСТ.

Шостий розділ присвячений дослідженню особливостей інжекційних явищ у сильно легованих n-p-структурах Si в умовах впливу опромінення з метою розробки радіаційно-стійких ДСТ.

Аналіз струмових залежностей диференційного фактора ідеальності, m=(q/k_BT)(dU/dlnI), отриманих з вимірів прямих ВАХ в інтервалі температур 200-390 К до і після опромінення g-квантами Co⁶⁰ (потужність дози 200 рад/с, температура опромінення не перевищувала 320 K), показав наступне:

1. У широкому інтервалі струмів відхилення m від ідеальності для неопромінених структур m(I) - 1 T дm(I) << 1. Це вказує на те, що домінуючим у діодній структурі є дифузійний механізм струмопереносу. Залежністі m(I) до і після опромінення мають характерний мінімум m_min, величина якого збільшується із ростом дози опромінення D.

2. Зі збільшенням I залежність m(I) має лінійний характер. Нахил цієї залежності трохи зростає з дозою опромінення.

3. Точка перетинання С залежностей m(I) до і після опромінення відповідає струму I _ 100 мкА. В околі точки C фактор ідеальності і диференціальний опір мало піддані впливу радіації.

Для пояснення виявлених немонотонних залежностей m(I) запропонована модель, в яку одночасно включені три механізми струмопереносу: дифузійний і генераційно-рекомбінаційний струми неосновних носіїв, і струм псевдовисокої інжекції, коли концентрація інжектованих носіїв набагато менше рівноважної концентрації дірок, але значно перевищує рівноважну концентрацію електронів у базі n_pо << Dn << p_pо. Оцінки показали, що впливом послідовного опору бази на ВАХ діода можна знехтувати.

Для аналізу ВАХ при збільшенні I прийняті до уваги: (i) перерозподіл прикладеної U між падінням напруги на ОПЗ U_o і базі діода U_! внаслідок впливу градієнта електричного поля E; (ii) дрейфова компонента струму, яка викликана полем E; (iii) модифікація розподілу концентрації неосновних носіїв в базі, викликана впливом поля E, в порівнянні з розподілом носіїв у дифузійному механізмі струмопереносу.

Для розрахунку дрейфово-дифузійного струму знайдено просторовий розподіл концентрації неосновних носіїв n(x) в базі і вирішене нелінійне диференціальне рівняння другого порядку для n(x). У параметричній формі отримана залежність m(I): m(I) = 1 + I/I₁ + (I₂/I)^1/2, де характеристичні струми I_1,2 дорівнюють I₁ = 3p_po²I_DS/2n_i², I₂ = I_RS²/4I_DS (I_DS,RS - дифузійний і рекомбінаційний струми насичення, n_i - концентрація власних носіїв). Сума в правій частині виразу для m(I) розділяє дифузійний струм з m=1, струм псевдовисокої інжекції (другий доданок), і генераційно-рекомбінаційний струм (третій доданок). З порівняння двох останніх доданків випливає, що при I > (I₁²I₂)^1/3 перший з них переважає. Асимптотична поведінка m(I) визначається лінійною залежністю m(I) 1 + (I/I₁) з характеристичним нахилом tg 1/I₁ при зростанні I і залежністю m(I) 1 + (I₂/I)^1/2 при зменшенні I. Для I (I₁²I₂)^1/3 обидві складові приблизно рівні, і виникає мінімум у залежності m(I), що визначається конкуренцією додаткових компонентів струму до дифузійного струму.

Вимірювання ефекту Холла і провідності в тестових базових структурах показали, що в межах використаних доз опромінення аж до 10⁷ рад концентрація введених радіаційних дефектів не перевищує ~10¹⁵ см^-3 і відсутній істотний вплив радіації на густину носіїв струму і основні механізми розсіювання. Отже, основним критичним параметром радіаційної стійкості досліджених діодних структур є час життя неосновних носіїв t.

Запропоновано метод визначення часу життя неосновних носіїв заряду в базі t_n і ефективного часу рекомбінації в ОПЗ р-n-переходу t_r сильно легованої діодної структури Si. З аналізу ВАХ отримано вирази для t_n і t_r: t_n = (1.5qSp_poD_n^1/2tgj)^1/2, t_r = 3Wt_n^1/2/4(2D_n)^1/2(dm_min)^3/2, де S - ефективна площа переходу, W - товщина ОПЗ, dm_min - відхилення m від одиниці, D_n - коефіцієнт дифузії неосновних носіїв, tgj - характеристичний нахил залежності m(I) при I > I_min.

Згідно розрахунку до опромінення t_r^o > t_n^o ~ 5·10^-8 с. Оскільки фосфор є ефективним гетером для металевих домішок, з урахуванням дифузійного профілю легування його ефективна концентрація в ОПЗ вище, ніж в базі діода. Це призводить до перерозподілу металевих домішок у кремнієвих шарах, і до зменшення ефективності рекомбінації в ОПЗ у порівнянні з рекомбінацією в базі діода. Після опромінення t_n зменшується незначно, оскільки значення коефіцієнта радіаційного пошкодження мале: K_t = 2Ч10^-10cм²Чс^-1.

Більш істотне зменшення t_r після опромінення, приблизно на порядок, може бути пов'язане з додатковим ефективним впливом E-центрів (комплекс V+P), перетин захоплення яких s_n~10^-14 cм², на рекомбінаційні властивості в ОПЗ. Іншою причиною більш значного зменшення t_r після опромінення може бути зміна зарядового стану рекомбінаційних центрів в ОПЗ у порівнянні з базою, що можливо, якщо енергетичні рівні домінуючих рекомбінаційних центрів у забороненій зоні в ОПЗ розташовані нижче квазірівня Фермі для дірок.

У режимі псевдовисокої інжекції характеристичний нахил m(I) змінюється як tgj ~ (t_n)^1/2, отже, t_n після опромінення трохи нижче, ніж до опромінення. З іншого боку, m_min ~ (t_n/t_r²)^1/3. Така комбінація t приводить до збільшення значення m_min після опромінення. Сукупність змін tgj і m_min після опромінення приводить до того, що повинна існувати точка перетину C кривих m-I до і після опромінення. Розраховані значення струму і фактора ідеальності, що відповідають точці C, становлять: I_C = 1.1Ч10^-4 A і m_C = 1.13, що погоджується з експериментальними даними.

Експериментально показано, що температурна похибка DT, яка викликана впливом гама-квантів Со⁶⁰ на ДСТ, не перевищує 0.03 К при дозі опромінення до 10⁶ рад , а зі збільшенням дози до 10⁷ рад - 0.5 К. В околі точки C (I 100 мкА) фактор ідеальності найменш чутливий до впливу опромінення. Це вказує на збереження домінуючого дифузійного механізму струмопереносу в діодній структурі. Струм насичення I_DS мало підданий впливу радіації, тому що час життя, рухливість і концентрація носіїв у базі при опроміненні практично не змінюються. У той же час більш значні зміни t_r в ОПЗ не можуть привести до помітної зміни ТМХ, тому що внесок генераційно-рекомбінаційного струму в повний струм малий. Це основна причина радіаційної стійкості ДСТ у дослідженому діапазоні температур і використаному робочому струмі.

У сьомому розділі узагальнені і систематизовані аспекти практичного застосування в екстремальній електроніці приладів, розроблених нами на основі проведених комплексних фізико-технологічних досліджень. Серед них нові типи плівкових мікроелектронних германієвих сенсорів: широкодіапазонні терморезистори, кріогенні тензорезистори, модульні і багатофункціональні вимірювальні перетворювачі температури, деформації і магнітного поля, і термодіодні кремнієві сенсори.

Показано, що застосування розроблених плівкових германієвих сенсорів у термоядерній енергетиці дозволило знайти особливості протікання процесів у надпровідних магнітних системах при гелієвих температурах, які були недоступні для спостереження за допомогою інших датчиків. Отримані дані важливі для підвищення рівня контролю експлуатаційних характеристик і надійної роботи систем керування і захисту установки “ТОКАМАК-15”.

Показано, що застосування розроблених кремнієвих ДСТ для температурного моніторингу об'єкта “Укриття” (IV блок ЧАЕС) на відстані 300 метрів об'єкта виміру від системи реєстрації дозволило підвищити рівень температурного контролю і збільшити стійкість системи до впливу радіації.

При заправці ракет-носіїв “Зеніт-3SL” (проект “Морський старт”) вперше проведений вимір температури рідкого кисню з використанням розроблених ДСТ. Показано, що застосування нового типу мікроелектронних датчиків дозволяє підвищити точність вимірювання і визначити ряд основних характеристик ракети.

Акти використання розроблених приладів (29 актів) представлені в Додатку А.

ВИСНОВКИ

Викладені в дисертаційній роботі результати досліджень основних закономірностей і особливостей у змінах структурних, електрофізичних, термо-, магніто- і тензорезистивних властивостей СЛСК гетероепітаксійних плівок Ge з урахуванням перебудови їх енергетичної структури під впливом границі розділу Ge-GaAs і внутрішніх механічних напружень в умовах впливу температури, деформації і магнітного поля, і взаємозв'язку електрофізичних та теплофізичних властивостей з конструктивно-технологічними параметрами і ТМХ сильно легованих p-n-структур Si з урахуванням внеску в струмоперенос складових різної природи (дифузійного, генераційно-рекомбінаційного, тунельного та стрибкової провідності) в умовах впливу температури, електричного поля і радіації, дозволили отримати інформацію про нові, вперше виявлені нами фізичні процеси у цих напівпровідникових структурах в умовах впливів, близьких до граничних для напівпровідників, і розробити фізичні основи напівпровідникових приладів екстремальної електроніки.

З застосуванням комплексних експериментальних (включаючи структурні, електрофізичні, гальваномагнітні, оптичні і фотоелектричні) та теоретичних (у тому числі математичне моделювання) досліджень вперше виявлено ефект дифузії компонентів підкладки GaAs та встановлена його роль у формуванні електрофізичних властивостей гетероепітаксійних плівок Ge; встановлено вплив внутрішніх механічних напружень на гальваномагнітні, деформаційні і тензорезистивні ефекти в плівках Ge; з'ясовано механізм температурної чутливості СЛСК плівок Ge; виявлено ефект трансформації області тепловиділення при зміні домінуючих механізмів струмопереносу в кремнієвих ДСТ; встановлено вплив рівня легування емітера і бази кремнієвого діоду на низькотемпературну чутливість ДСТ; виявлено ефект радіаційної стійкості кремнієвого ДСТ.

Нижче сформульовані основні наукові результати і висновки.

1. Створено фізичні основи мікроелектронних напівпровідникових приладів екстремальної електроніки, а саме:

- виявлено основні закономірності і особливості у змінах структурних, електрофізичних, термо-, магніто- і тензорезистивних властивостей сильно легованих і сильно компенсованих гетероепітаксійних плівок Ge з урахуванням перебудови їхньої енергетичної структури під впливом границі розділу Ge-GaAs і внутрішніх механічних напружень в умовах впливу температури, деформації і магнітного поля;

- встановлено взаємозв'язок електрофізичних, теплофізичних властивостей з конструктивно-технологічними параметрами і термометричними характеристиками сильно легованих p-n-структур Si з урахуванням варіації вкладу в струмоперенос складових різної природи (дифузійної, генераційно-рекомбінаційної, тунельної і стрибкової провідності) в умовах впливу температури, електричного поля і радіації.

2. Розроблено фізико-технологічні методи одержання сильно легованих і сильно компенсованих гетероепітаксійних плівок Ge на напівізолюючих підкладках GaAs, що забезпечують керування кристалічною структурою, типом провідності, рівнем легування, ступенем компенсації домішок і електрофізичними властивостями плівок за рахунок дифузії компонентів підкладки в плівку, що нарощується, на границі розділу фаз. Встановлено механізми струмопереносу, відповідальні за температурну чутливість монокристалічних плівок. Обґрунтовано вибір технології створення широкодіапазонних плівкових германієвих термометрів опору з розширеним діапазоном температур, стійких до впливу магнітного поля. Показано ефективність використання теорії деформаційних ефектів у р-Ge для пояснення температурних залежностей рухливості, поперечного магнітоопору і його анізотропії в плівках.

3. Показано, що відмінності тензорезистивних властивостей гетероепітаксійних плівок Ge і кристалів Ge обумовлені присутністю внутрішніх механічних напружень у плівках. Уточнено значення константи деформаційного потенціалу з урахуванням анізотропії закону дисперсії дірок у кристалах р-Ge. Проаналізовано пєзогальваномагнітні властивості плівок і обґрунтована технологія створення кріогенних тензорезисторів з розширеним діапазоном робочих деформацій, лінійністю деформаційної характеристики і слабкою магнітопольовою і температурною залежністю параметрів.

4. На основі аналізу дифузійного механізму струмопереносу і встановленого критерію визначення максимальної температури, що може бути вимірювана діодним сенсором, запропоновано і експериментально підтверджено самоузгоджений метод розрахунку, якій визначає взаємозв'язок електрофізичних і конструктивно-технологічних параметрів p-n-структур з характеристиками ДСТ з Ge, Si, GaAs.

5. Розроблена й експериментально підтверджена теоретична модель низькотемпературного струмопереносу в кремнієвих n⁺⁺-р⁺-структурах з рекордно високою термочутливістю при гелієвих температурах. Обґрунтовано і реалізовано способи керування термометричними характеристиками, що розширюють функціональні можливості застосування кріогенних сенсорів.

6. Розроблена теплофізична модель кремнієвого ДСТ з поліпшеними характеристиками з урахуванням усіх його конструктивних елементів, технології створення, трансформації форми і розмірів області тепловиділення при зміні домінуючих механізмів токопереноса в діапазоні високих/низьких температур. Визначено ефективні значення коефіцієнта тепловіддачі широкодіапазонного діодного сенсора.

7. Виявлені та теоретично досліджені особливості інжекційних явищ у сильно легованих р-n-структурах Si, що виявляються до і після гама-опромінення Co⁶⁰ у струмових залежностях їх диференціальних характеристик. Запропоновано метод визначення часу життя неосновних носіїв заряду в базі і ефективного часу рекомбінації в області просторового заряду р-n-переходу. Визначено оптимальні робочі режими діодного сенсора, при яких вплив радіації на його термометричні характеристики мінімальний. Реалізовано ДСТ з високою радіаційною стійкістю до гамма-опромінення.

8. Розроблена технологія та виготовлені стабільні і взаємозамінні кремнієві ДСТ з розширеним робочим діапазоном і оптимізованими характеристиками.

9. Фізично обґрунтовані і реалізовані нові типи мікроелектронних приладів для екстремальної електроніки. Розроблено германієві плівкові широкодіапазонні терморезистори, кріогенні тензорезистори, перетворювачі Холла, модульні і функціональні датчики, які знайшли застосування в термоядерній енергетиці, випробовуваннях виробів електронної техніки й ін. Розроблені кремнієві ДСТ застосовані в ракетно-космічній техніці, атомній і тепловій енергетиці й ін.

Отримані в дисертації нові результати важливі для науки та виробництва. В наукових дослідженнях їх варто використовувати при вивченні фізичних явищ у тонких плівках, структурах з p-n-переходами і гетеропереходами. На практиці їх необхідно застосовувати при розробці і створенні приладів низькотемпературної і високотемпературної електроніки, нового покоління мікроелектронних сенсорів фізичних величин і технології їх виготовлення.

Достовірність результатів підтверджується комплексністю проведених досліджень з застосуванням сучасних експериментальних методів і методик, використанням атестованих приладів, відтворюваністю результатів досліджень, оцінкою похибки експериментів, комп'ютерним моделюванням фізичних явищ, що добре узгоджується з теоретичними розрахунками та існуючими уявленнями про природу фізичних процесів в досліджених структурах, організацією вимірювань термометричних характеристик на розробленому метрологічному атестованому стенді, узгодженням результатів з даними інших авторів при їх наявності в літературних джерелах, високим міжнародним рейтингом і impact-фактором наукових видань, у яких опубліковані основні роботи по темі дисертації, у тому числі закордонних (“ФТП”, “Phys. Stat. Sol.”, “Sensors and Actuators”, “Приборы и системы управления”) і видань України (“Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics”, Український фізичний журнал), а також широкою апробацією матеріалів роботи на вітчизняних і міжнародних конференціях.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ В РОБОТАХ:

1. Бердниченко П.Е. Стриха В.И., Тхорик Ю.А., Шварц Ю.М. Поверхностные электронные состояния в гетеропереходах Ge-GaAs // ФТП. - 1978. - Т. 12, в. 11. - С. 2266-2268.

2. Mitin V.V., Tkhorik Yu.A., Shvarts Yu.M. Anisotropy of the transverse magnetoresistance in p-Ge films on GaAs//Phys. Stat. Sol. (a).-1979.-Vol.51,N3.-P.133-135.

3. Митин В.В., Тхорик Ю.А., Шварц Ю.М. Влияние механических напряжений на гальваномагнитные эффекты в гетероэпитаксиальных пленках р- германия // ФТП. - 1979. - Т. 18, в. 2. - С. 234-238.

4. Gorbachuk N.T, Mitin V.V., Tkhorik Yu.A., Shvarts Yu.М. Piezo Hall Effect in p-Germanium // Physica Statys Solidi (в). - 1980. - Vol. 100, N 1. - P. 309-314.

5. Горбачук Н.Т., Митин В.В., Тхорик Ю.А., Шварц Ю.М. Об определении констант деформационного потенциала полупроводников типа р-германия из температурной зависимости пьезосопротивления // ФТП. - 1981. - Т. 15, в. 4. - С. 649-653.

6. Горбачук Н.Т., Протас И.М., Шварц Ю.М. Легирование гетеродиффузией пленок германия на арсениде галлия // УФЖ. - 1984.- Т. 29, №4. - С.619-621.

7. Горбачук Н.Т., Митин В.В., Тхорик Ю.А., Шварц Ю.М. Пьезогальваномагнитные свойства пленок германия на арсениде галлия и перспективы использования их в качестве тензорезисторов // УФЖ. - 1984. - Т. 29, №12. - С. 1850-1854.

8. Горбачук Н.Т., Шварц Ю.М. Влияние деформации на величину магнитосопротивления в объемном p-Ge разной степени легирования и пленках p-Ge на арсениде галлия // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника. - 1984. - Вып. 6. - С. 88-92.

9. Кичигин Д.А., Миронов О.А., Митин В.В., Тхорик Ю.А., Чистяков С.В., Шварц Ю.М. Кинетические эффекты в гетероэпитаксиальных пленках p-Ge при низких температурах // Электронная техника. Сер. 6. Материалы. - Вып.5(190).-1984. - С.41-44.

10. Митин В.Ф., Тхорик Ю.А., Шварц Ю.М. Термометрические характеристики пленок сильно легированного и сильно компенсированного германия // УФЖ. - 1986. - Т. 31, №1. - С. 105-107.

11. Гарбар Н.П., Матвеева Л.А., Митин В.Ф., Тхорик Ю.А., Харман Р., Шварц Ю.М., Шроубек З. Сильно легированные и сильно компенсированные пленки германия // ФТП. - 1987. - Т. 21, в. 3. - С. 393-399.

12. Гарягдаев Г., Гордиенко В.В., Гринь В.Ф., Дякин В.В., Рахымов Х., Тхорик Ю.А., Хвостов В.А., Шварц Ю.М., Шейнкман М.К. Влияние отжига на спектральные характеристики монокристаллов полуизолирующего GaAs // УФЖ.- 1987. - Т. 32, № 12. - С. 1858-1863.

13. Митин В.Ф., Корытцев С.В., Шварц Ю.М., Тхорик Ю.А. Измерительные датчики на основе пленок германия на арсениде галлия // Приборы и системы управления. - 1989. - №7. - С. 29-30.

14. Горбачук Н.Т., Шварц Ю.М., Гордиенко В.В., Тхорик Ю.А. Исследование пленок германия на арсениде галлия в целях создания на их основе криогенных тензорезисторов // Приборы и системы управления. - 1989. - №8. - С. 35-36.

15. Гордиенко В.В., Сакидон П.А., Ражба И.А., Шварц Ю.М., Абилов Г.С., Дубровин Л.Л., Тхорик Ю.А. Пленочные германиевые тензорезисторы для криогенных температур // Приборы и системы управления. - 1991.- №8.- С.23- 25.

16. Шеховцов Л.В., Саченко А.В., Шварц Ю.М. Поперечная фотоэдс в гетероэпитаксиальной структуре // ФТП. - 1995. - Т. 29, в. 3. - С. 566-573.

17. Шварц Ю.М., Кундзич А.Г., Сакидон П.А., Гресько В.А., Даниленко Н.П., Каряев М.А., Кладченко В.Г., Тарковский В.В. Микроэлектронные термодиодные датчики в теплоэнергетике // Энергетика и электрофикация. - 1997. - №2(178). - С. 3-7.

18. Венгер Е.Ф., Кулиш Н.Р., Шварц Ю.М. Влияние сопротивления линии связи на термометрическую характеристику кремниевых сенсоров температуры // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника. - 1997. - Вып. 32. - С. 83-86.

19. Shwarts Y.M., Smertenko P.S., Sokolov V.N., Shwarts M.M. Some peculiarities of low temperature conductivity of silicon diodes // J.Phys. IV France. - 1998.- №8. - Pr3-75-78.

20. Shwarts Yu.M., Borblik V.L., Kulish N.R., Sokolov V.N. Silicon diode temperature sensor without a kink of the response curve in cryogenic temperature region // Sensors and Actuators A. - 1999. - №76. - P. 107-111.

21. Kulish N.R., Shwarts Yu.M., Borblik V.L., Venger E.F., Sokolov V.N. Self-consistent method for optimisation of parameters of diode temperature sensors // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. - 1999. - Vol.2, N 2. - P. 15-27.

22. Shwarts Yu.M., Kondrachuk A.V., Shwarts M.M., Shpinar L.I. Non-ohmic Mott conductivity and thermometric characteristics of heavily doped silicon structures // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. - 2000. - Vol. 3, N 3. - P. 400-405.

23. Shwarts Yu.M., Borblik V.L., Kulish N.R., Venger E.F., Sokolov V.N. Limiting characteristics of diode temperature sensors // Sensors and Actuators A. - 2000. - N 86. - P. 197-205.

24. Круковский П.Г., Шварц Ю.М., Круковский С.П. Анализ погрешностей измерения кремниевого датчика температуры // Промышленная теплотехника. - 2002. - Т. 24, №2-3.- С. 154-159.

25. Sokolov V.N., Shwarts Yu.M. Effect of nonuniform doping profile on termometrical performance of diode temperature sensors // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. - 2002. - Vol. 5, N 2. - P. 201-211.

26. Shwarts Yu.M., Sokolov V.N, Shwarts M.M., Venger E.F. Radiation resistant silicon diode temperature sensors // Sensors and Actuators A. - 2002. - N 88. - P. 271-279.

27. Borblik V.L., Venger E.F., Shwarts Yu.M. Effect of mechanical stress on operation of diode temperature sensors // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. - 2002. - Vol. 5, N 3. - P. 322-327.

28. Borblik V.L., Venger E.F., Shwarts Yu.M. About manifestation of the piezojunction effect in diode temperature sensors // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. - 2003. - Vol. 6, N 1. - P. 97-101.

29. Shwarts Yu.M., Sokolov V.N, Shwarts M.M., Venger E.F. Peculiarities of injected phenomena in heavily doped silicon structures and developing radiation-resistance diode temperature sensors // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. -2003. - Vol. 6, N 2. - P. 233-237.

32. Иващенко А.Н., Шварц Ю.М. Аппроксимация термометрических характеристик кремниевых диодных сенсоров температуры // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника. - 2003. - Вып. 38. - С. 61-70.

33. Борблик В.Л., Венгер Е.Ф., Шварц Ю.М. О проявлении пьезодиодного эффекта в диодных сенсорах температуры // Фотоэлектроника. - Одесса: Астропринт. - 2003. - С. 136-140.

34. Терморезистор: А.с. 887945 СССР, МКИ G01K 7/24 / Ю.А. Тхорик, Ю.М. Шварц, В.В. Митин, Д.А. Кичигин, О.А. Миронов, С.В. Чистяков (СССР). - № 2745097/18-10; Заявлено 27.02.79; Опубл. 07.12.81, Бюл. №45. - 2 с.

35. Способ определения температуры и деформирующего усилия: А.с. 932282 СССР, МКИ G01K 7/16/ Н.Т. Горбачук, В. В. Митин, Ю.А. Тхорик Ю.А., Ю.М. Шварц (СССР). - № 2964110/18-10; Заявлено 23.07.80; Опубл. 30.05.82, Бюл. №20. - 4 с.

36. Способ измерения деформации в магнитном поле: А.с.1511590 А1 СССР, МКИ G01В 7/18/ В.Ф. Митин, Ю.М. Шварц, С.В. Корытцев (СССР). - № 4247562/25-28; Заявлено 20.05.87; Опубл. 30.09.89, Бюл. №36. - 3 с.

37. Пат. 29305А Україна, МКІ G01 K 7/00. Пристрій для вимірювання температури: Пат. 29305А Україна, МКІ G01 K 7/00 / Ю.М. Шварц (Україна); ІФН НАНУ. - № 98052367; Заявл. 07.05.98; Опубл. 16.10.2000, Бюл. №5-11. - 1с.

38. Пат. 31389А Україна, МКІ G01 K 7/00. Пристрій для вимірювання температури: Пат. 31389А Україна, МКІ G01 K 7/00 / Ю.М. Шварц (Україна); ІФН НАНУ. - № 98084500; Заявл.19.08.98; Опубл. 15.12.2000, Бюл.№7-11.- 1 с.

39. Shwarts Yu.M., Venger E.F., Kulish N.R., Borblik V.L. Prospects of utilisation of the space purpose temperature sensors for public and commercial use // Proc. XXXV Space Congress. Session IIIB “Technology, development and utilisation in space”. - Cocoa Beach, Florida (USA). - 1998. - P. 17-22.

40. Shwarts Yu.M., Borblik V.L., Kulish N.R., Venger E.F. Silicon diode temperature sensor with nearly linear response curve down to helium temperatures // Proc. of the XII European Conference on Solid-State Transducers and the 9^th UK Conference on Sensors and their Applications. - Vol. 2. - Southampton (UK). - 1998. - P. 933-936.

41. Shwarts Yu.M., Kulish N.R., Borblik V.L., Venger E.F. On limitingly high temperature measurable by diode sensor // Conf. Proc. Second Intern. Conf. on Advanced Semiconductor Devices and Microsystems (ASDAM^98). - Smolenice Castle (Slovakia).- 1998. - P. 239-242.

42. Shwarts Yu.M., Venger E.F., Shwarts M.M., Borblik V.L. Temperature sensors applicable to operate under space conditions // Proc. of the Tenth Conf. on Sensors and their Applications. - Cardiff (Wales). - 1999. - P. 253-257.

43. Shwarts Yu.M., Borblik V.L., Kulish N.R., Venger E.F., Sokolov V.N. Novel Method for Optimization of Diode Temperature Sensors // Book of Abstracts the 13^th European Conf. on Solid- State Transducers. - Session 13P : Physical Sensors and Systems. - The Hague (The Netherlands). - 1999. - P. 403-406.

44. Shwarts Yu.M., Kondrachuk A.V., Shwarts M.M., Shpinar L.I. The influence of nonohmic effects of low-temperature hopping conductivity on the temperature response curves of Si planar resistors // IV European Workshop on Low Temperature Electronics. - Noordwijk (The Netherlands). - 2000.- P. 71-75.

45. Круковский П.Г., Шварц Ю.М. Тепловой анализ погрешностей измерения кремниевых датчиков температуры в диапазоне 4.2-500 K // IV Минский междунар. форум “Тепломассообмен ММФ-2000”. - Том 3 “Теплопроводность и задачи оптимизации теплообмена”. - Минск (Беларусь). - 2000. - C. 398-401.

46. Shwarts Yu.M., Sokolov V.N., Shwarts M.M., Fyodorov I.A., Venger E.F. Advanced silicon diode temperature sensors with minimised self heating and noise for cryogenic applications // Conf. Proc. The Third Intern. Conf. on Advanced Semiconductor Devices and Microsystems (ASDAM^2000). - Smolenice Castle (Slovakia). - 2000. - P. 351-354.

47. Shwarts Yu.M., Kondrachuk A.V., Shwarts M.M., Shpinar L.I., Venger E.F. The effect of heterojunction properties of the diode temperature sensors on low temperature current transfer and temperature response curves // Conf. Proc. The Third Intern. Conf. on Advanced Semiconductor Devices and Microsystems (ASDAM^2000). - Smolenice Castle (Slovakia). - 2000. - P. 453-456.

48. Shwarts Yu.M., Kondrachuk A.V., Shwarts M.M., Shpinar L.I. Model of the low-temperature current transfer in the diode temperature sensors // IV European Workshop on Low Temperature Electronics. - Noordwijk (The Netherlands). - 2000. - P. 65-69.

49. Shwarts Yu.M., Sokolov V.N., Shwarts M.M., Fyodorov I.A., Venger E.F. Silicon Diode Temperature Sensor for cryogenic application // The MTEC International Conf. on Sensors & Transducers. - NEC. - Birmingham (UK). - 2000. - P.1-10.

50. Shwarts Yu.M., Sokolov V.N, Shwarts M.M., Venger E.F. Temperature sensors with high irradiation resistance for atomic application (technology, design, experiment, theory, application) // Digest of technical papers of the XI International Conf. on Solid- State Sensors and Actuators. - Session 4B2: Flow & Thermal Sensors. - Munich (Germany). - 2001. - P. 1500-1503.

51. Shwarts Yu.M., Sokolov V.N, Shwarts M.M., Venger E.F. Temperature sensors for extreme electronics // In Temperature: Its measurement and control in science and industry. - Vol. 7, Part 2. - edited by D.C. Ripple et al., AIP Conference Proceedings, Melville, New York (USA). - 2003. - P. 1127-1132.

52. Borblik V.L., Shwarts Yu.M., Shwarts M.M. About Mott's nature of heavily doped silicon diode conductivity at low temperatures // Sixth European Workshop on Low Temperature Electronics. - Noordwijk (The Netherlands). - 2004.- P. 295-300.

АНОТАЦІЯ

Шварц Ю.М. Фізичні основи напівпровідникових приладів екстремальної електроніки. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.10 - фізика напівпровідників діелектриків. - Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України, Київ, 2004.

В дисертації представлено результати комплексних досліджень основних закономірностей і особливостей у змінах структурних, електрофізичних, термо-, магніто- і тензорезистивних властивостей сильно легованих сильно компенсованих гетероепітаксійних плівок Ge. Враховано перебудови їх енергетичної структури під впливом границі розділу Ge-GaAs і внутрішніх механічних напружень в умовах впливу температури, деформації і магнітного поля. Встановлено взаємозв'язок електрофізичних та теплофізичних властивостей з конструктивно-технологічними параметрами і термометричними характеристиками сильно легованих p-n-структур Si з урахуванням зміни домінуючих механізмів струмопереносу в умовах впливу температури, електричного поля і радіації. Фізично обґрунтовані, реалізовані і застосовані в натурних умовах експлуатації нові типи мікроелектронних приладів для екстремальної електроніки.

Ключові слова: фізика напівпровідників, екстремальна електроніка, Ge, Si, Ge-GaAs, гетероструктура, плівки, p-n-перехід, струмоперенос, електрофізичні властивості, сенсор, температура, деформація, радіаційна стійкість.

ABSTRACT

Shwarts Yu. M. Physical bases of semiconductor devices for extreme electronics.- Manuscript.

Thesis for a doctor sciences degree of physical and mathematical sciences by speciality 01.04.10 - physics of semiconductors and insulators. - V. Lashkaryov Institute of Semiconductor Physics of Ukrainian National Academy of Science, Kyiv, 2004.

In this thesis the results of investigations of the basic regularities and peculiarities of changes in structural, electrophysical, thermo-, magnito- and tensoresistive properties of heavily doped and heavily compensated heteroepitaxial films Ge are presented. Transformation of energy structure of these films under influence of Ge-GaAs interface and internal mechanical strain under influence of temperature, deformation and magnetic field were taken into account. The correlation between electrophysical, thermophysical properties and design-technological parameters and thermometric characteristics are established for heavily doped p-n-structure of Si with taking into account the change of dominant mechanisms of current flow under influence of temperature, electrical field and irradiation. New types of microelectronic devices for extreme electronics are substantiated, realized and applied in real operational conditions.

Key words: semiconductor physics, extreme electronics, Ge, Si, Ge-GaAs, heterostructure, films, p-n-junction, current flow, electrophysical properties, sensor, temperature, deformation, radiation resistance.

АННОТАЦИЯ

Шварц Ю.М. Физические основы полупроводниковых приборов экстремальной электроники. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук по специальности 01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков. - Институт физики полупроводников им. В.Е. Лашкарева НАН Украины, Киев, 2004.

В диссертации разработаны физические основы микроэлектронных полупроводниковых приборов экстремальной электроники, а именно: выявлены основные закономерности и особенности в изменениях структурных, электрофизических, термо-, магнито- и тензорезистивных свойств сильно легированных гетероэпитаксиальных пленок (ГП) Ge с учетом перестройки их энергетической структуры под влиянием границы раздела Ge-GaAs и внутренних механических напряжений (ВМН) при воздействии температуры, деформации и магнитного поля; установлена взаимосвязь электрофизических, теплофизических свойств с конструктивно-технологическими параметрами и термометрическими характеристиками (ТМХ) сильно легированных p-n-структур Si с учетом вариации вклада составляющих разной природы (диффузионной, генерационно-рекомбинационной, туннельной и прыжковой проводимости) в токоперенос в условиях влияния температуры, электрического поля и радиации.

Исследованы зависимости уровня легирования, энергии активации и типа проводимости ГП Ge от технологических режимов их получения. Показано, что немонотонная зависимость электрофизических параметров от толщины пленок, сильная активационная зависимость проводимости в области средних/высоких температур, высокие значения удельного сопротивления субмикронных пленок обусловлены легированием растущей пленки компонентами подложки в процессе их диффузии на границе раздела гетероструктуры Ge-GaAs. Разработаны физико-технологические методы создания ГП Ge со свойствами сильно легированных сильно компенсированных полупроводников (СЛСКП).

Установлено, что температурная чувствительность СЛСК пленок Ge обусловлена механизмами прыжковой проводимости с переменной длиной прыжка в области температур 4.2 К<T<100 К и перколяционной проводимостью в области 400 К>T>100 К. Обоснован выбор технологии создания пленочных германиевых терморезисторов с расширенным диапазоном температур, устойчивых к влиянию магнитного поля.

Показано, что температурные зависимости подвижности, поперечного магнитосопротивления и его анизотропии объясняются теорией деформационных эффектов в р-Ge с учетом ВМН в ГП, которые снимают вырождение валентной зоны и изменяют соотношение и роль легких и тяжелых дырок в исследованных эффектах. Определено значение константы деформационного потенциала с учетом анизотропии закона дисперсии дырок в кристаллах р-Ge. Установлена корреляция между условиями получения ГП Ge и их пьезогальваномагнитными свойствами, что позволило оптимизировать режимы создания пленочных криогенных тензорезисторов с расширенным диапазоном рабочих деформаций, линейностью и слабой магнитополевой и температурной зависимостью параметров.

Предложен и экспериментально подтвержден самосогласованный метод расчета предельных характеристик диодного сенсора температуры (ДСТ) в условиях доминирования диффузионного механизма токопереноса. Определена взаимосвязь электрофизических свойств и конструктивно-технологических параметров p-n-структур с вольт-температурными характеристиками и чувствительностью ДСТ.

Предложена и рассчитана теоретическая модель низкотемпературного токопереноса в кремниевых n⁺⁺-р⁺-структурах с учетом неомической моттовской проводимости в базе и туннельного тока через потенциальный барьер гетероперехода, который возникает вследствие асимметричного сужения ширины запрещенной зоны полупроводника, вызванного высокими и разными уровнями легирования эмиттера и базы. Параметры модели хорошо объясняют экспериментальные ТМХ и рекордно высокую чувствительность (-180 мВ/К) в области гелиевых температур.

Разработана теплофизическая модель кремниевого ДСТ с продвинутыми характеристиками. Трехмерный расчет выполнен методом конечно-элементного анализа с учетом всех его конструктивных элементов, технологии создания, трансформации формы и размеров области тепловыделения при изменении доминирующих механизмов токопереноса в диапазоне высоких/низких температур.

Обнаружены и теоретически исследованы особенности инжекционных явлений в сильно легированных р-n-структурах Si, которые проявляются до и после гамма-облучения Co⁶⁰ в токовых зависимостях их дифференциальных характеристик. Предложен метод определения времен жизни неосновных носителей тока в базе и эффективного времени рекомбинации в области пространственного заряда диода. Определены оптимальные рабочие режимы сенсора, при которых влияние радиации на характеристики ДСТ минимально.

Физически обоснованы и реализованы новые типы микроэлектронных приборов для экстремальной электроники: германиевые пленочные широкодиапазонные терморезисторы, криогенные тензорезисторы, преобразователи Холла, модульные и функциональные датчики применены в термоядерной энергетике, испытаниях изделий электронной техники и др. Кремниевые диодные сенсоры температуры применены в ракетно-космической технике, атомной и тепловой энергетике и др.

Ключевые слова: физика полупроводников, экстремальная электроника, Ge, Si, Ge-GaAs, гетероструктура, пленки, p-n-переход, токоперенос, электрофизические свойства, сенсор, температура, деформация, радиационная стойкость.

Размещено на Allbest.ru