.RU

Исследование ионнолегированных

Исследование ионнолегированных

арсенидогаллиевых структур и

преобразователей Холла на их основе



Г.Ф.Карлова, Л.П. Умбрас, М.С. Егунов


Исследовались тонкие активные слои

n

+

-

n

-

n

i

-

типа, изготовленные методом ионной имплантации кремния в полуизолирующие подложки арсенида галлия.

П

редставлены результаты исследования электрофизических параметров этих структур. Показана возможность получения преобразователей Холла на их основе

. Зависимость холловского напряжения (

U

х

)

от магнитной индукции В при В‹1,2 Тл была линейной не хуже 1%, а остаточное напряжение

составляло

не более 0.01 U

х

. На основе преобразователя Холла разработан датчик тока на 10 А с чувствительностью 0.6 В/А и линейностью не хуже 1%.



Введение

Интерес разработчиков аппаратуры к чувствительным и стабильным датчикам магнитного поля обусловлен как широким развитием автоматизации и микроэлектроники, поскольку датчики являются первичным звеном в восприятии информации от объекта измерений, так и необходимостью измерения самой величины индукции магнитного поля. Порог срабатывания датчика определяется отношением остаточного напряжения Uост (сигнала с холловских зондов в отсутствие магнитного поля) к выходному напряжению Uх (сигналу с холловских зондов при наличии магнитного поля). В [1] разработан арсенидогаллиевый датчик магнитного поля на основе эпитаксиальных структур. Дальнейшее развитие этого направления - создание магнитоуправляемых интегральных схем с

Г.Ф.Карлова-ведущий научный сотрудник ОАО «НИИПП»(тел. (382-2) 48-82-48, факс (382-2)55-50-89, E-mail:karlovagf@yandex.ru)

Л.П. Умбрас-ведущий инженер технолог ОАО «НИИПП»(тел. (382-2) 48-82-48, факс (382-2)55-50-89)

М.С. Егунов-начальник отдела ОАО «НИИПП»(тел. (382-2) 48-82-24, факс (382-2)55-50-89, E-mail:egunov@sibmail.com)

элементной базой на основе ПТШ - представляет значительные трудности, так как для их реализации требуется материал с субмикронной толщиной. Во-вторых, сравнительно высока себестоимость структур, полученных эпитаксиальным методом. Технология ионного легирования по созданию субмикронных структур для преобразователей

Холла (ПХ) позволит, на наш взгляд, преодолеть эти трудности.

В работе представлены результаты исследования электрофизических параметров ионнолегированных структур на основе арсенида галлия и преобразователей Холла из этих структур, а также показана возможность разработки датчика тока на основе полученных преобразователей.

Методика эксперимента

В работе были получены структуры типа n+-n-ni , где n- концентрация носителей заряда в активном слое, n+ - концентрация носителей заряда в контактном слое и ni - концентрация носителей заряда в подложке. Имплантацию кремния проводили на установке "Везувий-5” в полуизолирующие нелегированые подложки GaAs с ориентацией (100) и удельным сопротивлением более 107 Ом·см с последующим отжигом в атмосфере арсина при температуре 1123 К. Предварительно профили концентрации внедрённых ионов кремния рассчитывали, используя распределение Гаусса [2]

N(x) = (D/ (2p )1/2·Rp )· exp[-(x-Rp)2 / 2·Rp 2], (1)

где D- доза имплантации, x- текущая координата, Rp - проективный пробег ионов,

Rp- среднеквадратичное отклонение пробегов ионов (страгглинг). Пробег и страгглинг определяли по теории Линхарда- Шарфа-Шийотта [2]. Для установления экспериментальных закономерностей изменения профилей распределения при различных режимах имплантации использовался набор энергий ионов от 20 до 130 кэВ при дозе 3,75 ·1012 см-2 и набор доз имплантации от 2,5·1012 см-2 до 2·1013 см-2 при энергии ионов 130 кэВ, а также двойная имплантация.

На изготовленных слоях проводились измерения профиля концентрации носителей и подвижности методом Ван- дер -Пау при послойном стравливании при комнатной температуре, а также на профилометре ЕДК-6817 с ртутным зондом малого диаметра и температурные измерения n и m в температурном интервале 85-400 К.

Основные экспериментальные результаты работы

1. Полученные структуры имели следующие параметры: n+ = (1-2)·1018 cм-3, d+ = 70 - 80 нм, n = (1,3 - 3)·1017 cм-3, dn = 250 - 300 нм, m = 2600 -3200 см2/В·с, R= 400 Ом/квадрат.

2. Параметры преобразователей Холла (ПХ): входное Rвх и выходное Rвых сопротивления, удельная чувствительность γ, остаточное напряжение Uост, рабочий ток I- зависят от режимов имплантации (энергия, доза) ионов кремния и от состояния границы раздела n - слой - подложка.

3. Увеличение концентрации в n - слое уменьшает толщину области объёмного заряда, обусловленного поверхностным потенциалом, приводит к уменьшению Rвх, увеличению диапазона рабочих токов, уменьшению Uост и уменьшению чувствительности

4. Наличие в структуре ПХ n+ - cлоя, кроме уменьшения контактного сопротивления, экранирует ещё поверхностный потенциал, что, в целом, приводит к улучшению параметров ПХ.

5. Наличие на границе раздела n - ni центров захвата приводит к уменьшению чувствительности ПХ, что следует из анализа релаксационных кривых, снятых на изготовленных структурах с помощью установки “ГРАН-6”.

6. Основной вклад в величину Uocт вносит несимметрия сопротивления омических контактов.

7. Наблюдаемый на ВАХ участок насыщения может быть обусловлен влиянием эффекта обратного управления по подложке, а также влиянием ловушек на поверхности активного слоя.

Обсуждение экспериментальных результатов

На рисунке 1 представлены профили внедрённых с дозой D= 3,75 ×1012 см-2 и энергией 130 кэв ионов Si (сплошная кривая–расчётная в соответствии с (1) и распределение концентрации электрически активных носителей после отжига обозначены точками).

Расхождение экспериментальной и расчётной кривых объясняется диффузией внедрённых ионов во время отжига при температуре 1123 К.


Рис. 1. Распределение концентрации носителей заряда по глубине (сплошная кривая–расчёт, точки - эксперимент

Из температурной зависимости слоевой концентрации следует, что она почти не меняется вплоть до 400 К и составляет 1,5·1012 см-2. Изменение подвижности с температурой в диапазоне до160 К объясняется рассеянием на ионах примеси , а в области Т>160 К - рассеянием на акустических фононах, что согласуется с расчётными температурными зависимостями для GaAs, приведёнными в [3]. Однако абсолютная величина её ниже и при комнатной температуре составила 3,5·103 см2/В·с, что говорит о наличии значительного числа дефектов в полученных слоях арсенида галлия.

Для изучения влияния глубоких центров на границе плёнка-подложка исследуемые структуры помещались в СВЧ-резонатор отражательного типа, работающий на частоте 38 Ггц. Измерение проводимости при освещенности структуры со стороны плёнки (или подложки) светодиодами видимого диапазона излучения и приложении смещения к n + - n или n–ni переходу фиксировалось по пропорциональному изменению отражённой от резонатора СВЧ- мощности. Из анализа релаксационных кривых следует, что длинновременная релаксация фотопроводимости связана с перезарядкой глубокого уровня (ГУ), расположенного в n - i – переходе. Освещение (инжекция в n - ni переход дырок) вызывает его перезарядку. На этих же структурах с помощью установки ЕДK 68-07 измерялся по вольт-фарадной характеристике профиль концентрации носителей заряда по толщине эпитаксиального слоя, и на границе плёнка-подложка обнаружен пик, появление которого можно связать с локализованными на границе раздела глубокими центрами подобно [4]. Этому пику соответствует пик на фотопроводимости при подаче обратного смещения на структуру. Исследование границы раздела плёнка- подложка с помощью релаксационных кривых проводимости показало, что эти дефекты обусловлены качеством полуизолирующих подложек.

Важнейшим параметром ПХ является остаточное напряжение. Оно связано с сопротивлением планарных омических контактов. Как показано в [ 5],

Uост = I×r конт / ch (d/Lt), (2)

где r конт - приведённое контактное сопротивление в [ Ом∙см2], d- толщина плёнки, Lt = (r конт /Rпов ) ½ - так называемая длина затухания, Rпов –поверхностное сопротивление в [Ом/квадрат] полупроводниковой плёнки под контактом.

В зависимости от глубины проплавления будет изменяться величина rконт,, а, следовательно, и Uост . Величина контактного сопротивления определяется также состоянием границы раздела между сплавной и несплавной областями, а также состоянием границы металл-полупроводник.

В работе проведен цикл исследований rконт в зависимости от технологических режимов вплавления напыленных контактов (максимальная температура отжига, время отжига, градиент температуры при отжиге), поверхностной обработки эпитаксиальных пластин и атмосферы отжига контактов. Изменяя технологические режимы вплавления контактов и измеряя rконт на специально изготовленных образцах методом Кокса [3], мы получили зависимость rконт от максимальной температуры с минимумом, который сдвигается в зависимости от атмосферы отжига.


Рис.3. Распределение концентрации носителей заряда по глубине в зависимости от режима имплантации (кривая 1- 130 кэВ, 4x10 см -2 и 50 кэВ, 5x10 12 см-2;кривая 2- 130 кэВ, 3x1012 и 50 кэВ, 3x10 12 см-2)

В атмосфере водорода минимум приведенного контактного сопротивления ниже, чем в атмосфере азота Показано, что приведенное контактное сопротивление зависит от концентрации носителей заряда в активной области, хотя на всех исследуемых структурах был низкоомный контактный слой. Минимальная величина rконт для концентрации носителей заряда n= 2∙1017 см- 3 и d=0.4мкм составила 4∙10-6 Ом×см 2 ; при этом Uост = 0.4 мВ, Ux =40 мВ и Uост / Ux =0.01. Несимметрия rконт в кристаллах для датчиков приведёт к возникновению Uост в датчике магнитной индукции.

Нами обнаружено также, что низкое остаточное напряжение в ПХ можно получить только в случае резкого профиля концентрации носителей на границе плёнка- подложка, что иллюстрируется рис.2, где приведены профили концентрации для двух режимов имплантации (кривая 1- 130 кэВ, 4·1012 см-2 и 50 кэВ, 5∙1012 см-2; кривая 2-130 кэВ, 3·1012 см-2 и 50 кэВ, 3·1012 см-2 ). Для первого режима величина остаточного напряжения не превышала 0,1 мВ.

На всех исследованных образцах измерялись вольт-амперные характеристики (ВАХ). Они были линейными также лишь в диапазоне напряжений на токовых контактах U до некоторого значения Uп, которому соответствует предельный ток Iп. При U>Uп ВАХ выходит, как правило, на насыщение. Причём, участок насыщения наступает тем раньше, чем меньше величина (n·d). В соответствии с [3] ток насыщения

Iнас=Nd· q·Aакт ·Vнас, (3)

где Aакт - толщина активной части канала. Из формулы (3) следует, что при уменьшении концентрации примеси в активной области уменьшается ток насыщения.

На полученных структурах изготовлены преобразователи Холла. по традиционной арсенидогаллиевой технологии. С целью уменьшения остаточного напряжения в конструкции кристалла для преобразователя Холла в отличие от [1] вытравлены вместе с полуизолирующей подложкой участки структуры за пределами активной области. В этом случае основная причина Uост исключается. Во-вторых, вместо термокомпрессии входных и выходных выводов, что приводит к дополнительному увеличению остаточного напряжения, изготовлены балки к электрическим токовым и холловским выводам из осаждённого золота, которые привариваются к внешним выводам без нарушения кристалла. И для уменьшения общей толщины преобразователей Холла уменьшена толщина кристалла до 80-100 мкм, а также использована подложка из фольгированного полиимида, толщина которого составляет 40-50 мкм.

Конструкция преобразователя в этом случае имеет вид, представленный на рис.3 (а-для выводов в разные стороны, б-для выводов в одну сторону). Сверху кристалл может заливаться компаундом или помещаться в стандартный корпус типа SOT-8. Общая толщина преобразователя, залитого компаундом, составила 0,2 мкм.


Рис.3. Конструкция преобразователя Холла на полиимидной основе с выводами в разные стороны (а) и в одну сторону (б)

Изготовленные таким образом датчики магнитной индукции имели удельную чувствительность g=200-560 В/А×Тл. Зависимости выходного напряжения от магнитной индукции были линейными и имели коэффициент нелинейности при В‹ 1,2 Тл не хуже 1 %. Остаточное напряжение для структур с резким профилем было не более 0,01 Uх.

Конструкция датчика магнитной индукции на полиимидной основе позволила существенно повысить чувствительность системы преобразователь Холла-ферритовое кольцо при разработке датчика тока. На основе полученного преобразователя Холла разработан датчик тока на 10 А (без намотки витков ) с чувствительностью 0.6 В/А и линейностью не хуже 1%.

Заключение

На основании проведённых исследований можно сделать следующие выводы:

1 Проведённые расчёты профилей концентрации носителей заряда для ионнолегированных структур соответствуют экспериментально полученным результатам.

2 Показано, что профиль концентрации носителей заряда, обеспечивающий низкое остаточное напряжение, должен быть резким на границе плёнка-подложка.

3 Найдены режимы отжига внедрённых ионов, обеспечивающие низкие значения rконт.

4 ВАХ полученных структур были линейными лишь в определённом интервале напряжений, а далее выходили на насыщение. Насыщение обусловлено влиянием эффекта обратного управления по подложке, а также влиянием ловушек на поверхности активного слоя.

5 Оценки величины тока насыщения согласуются с расчётом.

6 Проведённые исследования показали возможность создания преобразователей Холла методом ионного легирования с достаточно высокой чувствительностью за счёт тонких субмикронных слоёв (γ=560 В/А ∙Тл), с низким остаточным напряжением и коэффициентом нелинейности при В‹ 1,2 Тл не хуже 1%.

7 На основе полученных преобразователей Холла разработан датчик тока на 10 А, имеющий чувствительность 0,6 В/А и линейность не более 1%.

Список литературы

1 Патент .N2262777. Датчик магнитного поля./ Г.Ф. Карлова, Л.П. Пороховниченко, Л.П. Умбрас (РФ)-заявка N 2004116142/28 от 27.05.04; Опубл.20.10.2005.-Бюл.N29

2 Риссел Х., Руге И. Ионная имплантация.-М.: Наука, 1983, 360 с. 4.

3 Шур М. Современные приборы на основе арсенида галлия-М.: Мир, 1991.

4 И.А. Чернов, О.М. Асанов, Л.П. Пороховниченко.// Изв. Вузов.Физика.№11.С.112-114

5 Карлова Г.Ф., Кагадей В.А., Умбрас Л.П., Ханин А.В. Материалы конференции "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления".Гурзуф,май, 1999, с.87-88.

Г. Ф. Карлова окончила радиофизический факультет Томского Государственного университета и аспирантуру при ТГУ; специалист по физике и технологии полупроводниковых приборов, опубликовано около 60 научных трудов.

Л.П. Умбрас – окончила физико-технический факультет Томского Государственного университета, ведущий технолог полупроводниковых приборов; опубликовано около 20 научных трудов..

М.С. Егунов окончил радиофизический факультет Томского Государственного университета, разработчик полупроводниковых приборов, специалист по радио- и СВЧ -электронике; опубликовано около 30 научных трудов.

Дадаць дакумент у свой блог ці на сайт 2010-07-19 18:44 Читать похожую статью
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • © Помощь студентам
    Образовательные документы для студентов.