ГЛАВА 2
ТЕНЗОРЕЗИСТИВНЫЕ СВОЙСТВА гетероэпитаксиальных ПЛЕНОК ГЕРМАНИЯ В СТРУКТУРЕ
Ge-GaAs
Введение
В основе работы полупроводниковых приборов, предназначенных для измерения
деформации или давления, лежит тензорезистивный эффект или эффект
пьезосопротивления. Под влиянием внешней нагрузки происходит деформация
полупроводника, в результате которой изменяются расстояние между атомами,
структура энергетических зон и важнейшие характеристики полупроводника - ширина
запрещенной зоны, проводимость, концентрация, подвижность носителей заряда,
время релаксации и др. [74]. Поскольку для полупроводников характерны высокая
чувствительность не только к деформации, но и к температуре, для уменьшения
влияния последней при создании тензодатчиков, способных работать в широком
диапазоне температур, включая низкие температуры, выбирают сильно легированные
кристаллы и пленки [78-80]. При этом принципиально новые возможности открывает
использование монокристаллических пленок на изолирующей подложке. Они обладают
высокой чувствительностью к деформации и, как показано в Главе 1, разработанная
технология позволяет управлять в широких пределах электрическими и
конструктивными характеристиками пленок.
Большие надежды в области полупроводниковой тензометрии были связаны с
использованием сильно легированных пленок Si на изолирующей подложке из
сапфира, важнейшими преимуществами которых являются высокая чувствительность,
стабильность и технологичность Si [80]. Наилучшие результаты для пленок Si
получены в диапазоне средних–высоких температур (173 К<Т<473 К), однако при
более низких температурах они находят меньшее применение из-за влияния
термических напряжений, вызванных температурной зависимостью теплофизических
параметров ЧЭ и механических свойств изоляции ЧЭ от упругой мембраны из сапфира
[80].
Несмотря на значительную конкуренцию со стороны Si, преимущество при создании
приборов для низких температур имеют пленки Ge, поскольку их чувствительность к
деформации велика, и они обладают более низким уровнем шумов, радиационной
стойкостью и высоким быстродействием [81]. Однако отсутствие фундаментальных
исследований сдерживало разработку актуальных для тензометрии пленочных
полупроводниковых криогенных тензорезисторов.
В работах, посвященных пленкам Ge на изолирующих подложках из стекла, слюды,
керамики [82-92], исследование их тензорезистивных свойств носило односторонний
эмпирический характер. Основное внимание уделялось определению технических
характеристик пленочных тензорезисторов (температурной зависимости
чувствительности к деформации, линейности деформационной характеристики).
Анализ результатов этих исследований показывает, что из-за низкого структурного
совершенства и сильного влияния термических напряжений поликристаллические или
аморфные пленки обладают невысокими тензометрическими свойствами. Их
характеризует узкий диапазон рабочих деформаций и температур, нелинейность
деформационной характеристики, нестабильность параметров и др.
Одним из важнейших результатов проведенного в Главе 1 исследования является
разработка метода получения монокристаллических сильно легированных пленок Ge
на изолирующих монокристаллических подложках GaAs. Метод позволяет варьировать
в довольно широких пределах свойствами пленок Ge (структурой, проводимостью,
уровнем легирования, степенью компенсации и величиной внутренних механических
напряжений). Такие пленки представляют научный интерес для углубленного
изучения тензорезистивного эффекта в гетероэпитаксиальных структурах и их
практического использования в полупроводниковой тензометрии. Отметим, что
гетероструктура Ge-GaAs представляет собой удобный модельный объект для
сравнения деформационных свойств пленок и кристаллов p-Ge.
Как следует из теоретических представлений, развитых в [22,23,64,89],
вследствие присутствия в пленках внутренних механических напряжений
значительной величины (~0.1-1 ГПа) структура их валентных зон должна отличаться
от структуры валентных зон недеформированного кристалла, и наличие этих
напряжений должно существенно влиять на гальваномагнитные свойства пленок.
Упругая деформация приводит к снятию вырождения зон легких и тяжелых дырок (в
центре валентной зоны при k=0) и образованию при сильной деформации отдельных
анизотропных эллипсоидов вращения для каждой из зон. В результате в зависимости
от величины деформации:
(i) происходит существенное перераспределение дырок между зонами и,
следовательно, изменяется их концентрация,
(ii) изменяется эффективная масса и анизотропия легких и тяжелых дырок и,
следовательно, изменяются подвижности и времена релаксации дырок.
Эти изменения должны проявляться в особенностях деформационных эффектов при
изучении пьезосопротивления, пьезохоллэффекта, пьезомагнитосопротивления и
влиять на тензорезистивные свойства пленок. Рассмотрению тензорезистивных
свойств пленок Ge на GaAs и посвящена настоящая глава.
2.1. Технология, образцы и методики
Исследованные пленки получали методом термического испарения Ge (r~40 ОмЧсм) в
вакууме ~2.7Ч10-4 Па на подложки из i-GaAs с r»107 ОмЧсм и толщиной dп»300 мкм.
Подложки имели кристаллографическую ориентацию (100) и (111). Пленки толщиной
от 1 до 20 мкм осаждали при температуре подложки Тo от 350оС до 620оС со
скорость осаждения ~1 нм/с.
Образцы для исследования пьезосопротивления (ПС) имели геометрические размеры
8ґ0.7ґ0.3 мм3.
Для сравнения тензоэффекта в пленках и кристаллах были изготовлены образцы из
монокристаллических слитков р-Ge, выращенных по методу Чохральского.
Кристаллографическую ориентацию слитков контролиро
- Київ+380960830922