LibRar.Org.Ua — Бібліотека українських авторефератів

Загрузка...

Головна Електроніка. Обчислювальна техніка → Фізичні основи напівпровідникових приладів екстремальної електроніки

закономірностей і особливостей у змінах структурних, електрофізичних, термо-, магніто- і тензорезистивних властивостей сильно легованих і сильно компенсованих (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,

- встановлення взаємозв'язку електрофізичних та теплофізичних властивостей з конструктивно-технологічними параметрами і термометричними характеристиками (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.

Для досягнення поставленої мети за допомогою комплексних досліджень, включаючи теоретичні (у тому числі математичне моделювання) і експериментальні, у тому числі структурні (електронографія, оже-електронна мікроскопія, іскрова мас-спектрометрія), оптичні (електровідбивання), фотоелектричні (фотоерс), електрофізичні і гальваномагнітні (ефект Холла, п'єзоопір і п'єзомагнітоопір, вимірювання вольт-амперних (ВАХ), вольт-температурних і тензометричних характеристик в широкому діапазоні температур, електричних полів, деформацій і магнітних полів) методи дослідження, дослідження стабільності і надійності в умовах впливу механічних навантажень, вібрації, термоциклування, тиску, кліматичних факторів, опромінення гама-квантами Со60, розв'язувались наступні основні наукові задачі:

1. Вибір матеріалів і розробка фізико-технологічних методів створення ЧЕ приладів екстремальної електроніки.

2. Встановлення взаємозв'язку кристалічної структури, типу провідності і рівня легування з технологічними режимами одержання плівок Ge.

3. Встановлення впливу процесів дифузії домішок на границі розділу фаз гетероструктури Ge-GaAs на хімічний склад, рівень легування плівок і ступінь компенсації домішок.

4. Визначення ролі високого рівня легування і внутрішніх механічних напружень у формуванні гальваномагнітних і тензоелектричних властивостей і температурної чутливості гетероепітаксійних плівок Ge.

5. Встановлення взаємозв'язку електрофізичних властивостей і конструктивно-технологічних параметрів p-n-структур Si із граничними характеристиками діодних сенсорів температури (ДСТ) на основі аналізу дифузійного механізму струмопереносу для оптимізації технології сенсорів.

6. Виявлення і дослідження особливостей низькотемпературного струмопереносу в сильно легованих кремнієвих діодних структурах для розробки способів керування вольт-температурними характеристиками і чутливістю ДСТ.

7. Розробка теплофізичної моделі ДСТ з урахуванням усіх його конструктивних елементів, технології створення, трансформації форми і розмірів області тепловиділення при зміні домінуючих механізмів струмопереносу в діапазоні високих/низьких температур, і встановлення граничної точності виміру.

8. Розробка радіаційно стійких ДСТ на основі дослідження інжекційних явищ у сильно легованих р-n-структурах Si.

9. Створення нових типів плівкових германієвих сенсорів фізичних величин (дискретних, модульних і функціональних) і кремнієвих мікроелектронних термодіодних сенсорів з поліпшеними характеристиками.

Наукова новизна. В результаті комплексних теоретичних і експериментальних досліджень, спрямованих на створення фізичних основ напівпровідникових приладів екстремальної електроніки, при реалізації поставлених вище задач вперше отримані наступні наукові результати:

1. Виявлено особливості гальваномагнітних властивостей гетероепітаксійних плівок: залежність рівня легування, енергії активації і типу провідності від технологічних режимів одержання; немонотонна залежність електрофізичних параметрів від товщини плівки; сильна активаційна залежність провідності в області середніх/високих температур (значення енергії активації досягає півширини забороненої зони Ge); високі значення питомого опору r субмікронних плівок, зумовлені легуванням зростаючої плівки компонентами підкладки в процесі їх дифузії на границі розділу гетероструктури Ge-GaAs. Розроблено фізико-технологічні методи створення гетероепітаксійних плівок Ge на GaAs із властивостями СЛСК напівпровідників.

2. Встановлено, що температурна чутливість СЛСК плівок Ge на GaAs обумовлена механізмами стрибкової провідності зі змінною довжиною стрибка в області температур 4.2 К < T < 100 К і перколяційноїпровідності в області температур 400 К > T > 100 К, що обґрунтовує вибір технології створення плівкових германієвих терморезисторів з більш широким діапазоном температур і стійких до впливу магнітного поля.

3. Визначено вплив механічних напружень на формування гальваномагнітних і деформаційних властивостей кристалів і плівок p-Ge. Показано, що температурні залежності рухливості, поперечного магнітоопору і його анізотропії пояснюються теорією деформаційних ефектів у р-Ge з урахуванням внутрішніх механічних напружень у гетероепітаксійних плівках.

4. Встановлено кореляцію між п'єзогальваномагнітними властивостями і фізико-технологічними умовами одержання плівок Ge на GaAs, що дозволило оптимізувати режими створення плівкових кріогенних тензорезисторів з розширеним діапазоном робочих деформацій, лінійністю та слабкою магнітопольовою і температурною залежністю параметрів.

5. Запропоновано і експериментально підтверджено самоузгоджений метод розрахунку граничних характеристик ДСТ в умовах домінування механізму дифузійного струмопереносу, що визначає взаємозв'язок електрофізичних властивостей і конструктивно-технологічних параметрів p-n-структур з вольт-температурними характеристиками і чутливістю ДСТ.

6. Запропонована і розрахована модель низькотемпературного струмопереносу в n++-р+-діодній структурі Si з урахуванням неомічної моттівської провідності в базі і тунельного струму крізь потенціальний бар'єр гетеропереходу, що утворюється внаслідок асиметричного звуження ширини забороненої зони напівпровідника, викликаного високими і різними рівнями легування емітера і бази. Знайдені параметри моделі добре пояснюють експериментальні вольт-температурні характеристики і рекордно високу чутливість ДСТ (-180 мВ/К) в області гелієвих температур. Результати моделювання використані для оптимізації кріогенних ДСТ.

7. Запропонована і розрахована теплофізична модель ДСТ з урахуванням трансформації форми і розмірів області тепловиділення при зміні домінуючих механізмів струмопереносу в діапазоні високих/низьких температур і конструктивно-технологічних особливостей сенсора. Обґрунтовано вибір конструкції і робочих режимів широкодіапазонних і прецизійних ДСТ.

8. Експериментально виявлено немонотонні струмові залежності транспортних диференціальних характеристик у сильно легованих р-n-структурах Si до і після гама-опромінення Со60, що обумовлені конкуренцією генераційно-рекомбінаційної і дрейфової компонент струму стосовно дифузійного струму неосновних носіїв. Запропоновано метод визначення часу життя неосновних носіїв заряду в базі і ефективного часу рекомбінації в області просторового заряду (ОПЗ) р-n-переходу сильно легованих діодних структур.

Практична цінність результатів роботи. На основі отриманих в роботі наукових результатів розроблено нові типи мікроелектронних сенсорів:

- широкодіапазонні плівкові германієві терморезистори, що у порівнянні з відомими аналогами мають більш широкий діапазон робочих температур, велику чутливість і мало підвладні впливу магнітного поля;

- плівкові германієві тензорезистори, що у порівнянні з відомими аналогами мають більш високу чутливість, більш широкий діапазон робочих деформацій і температур, слабку температурну залежність електричних характеристик в області гелієвих температур;

- інтегральні вимірювальні перетворювачі температури, деформації і магнітного поля на основі гетероепітаксійних плівок Ge і структур Ge-GaAs, що дозволили підвищити точність виміру фізичних величин в умовах їх одночасного впливу;

- новий клас функціональних датчиків і нові способи одночасного виміру температури і деформації, температури і магнітного