Разработка физико-технологических основ получения пленок сульфида самария для тензорезисторов и исследование их параметров

Ханова, Анна Владиславовна

Разработка физико-технологических основ получения пленок сульфида самария для тензорезисторов и исследование их параметров тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

Ханова, Анна Владиславовна АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Киев МЕСТО ЗАЩИТЫ

2000 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.01 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Разработка физико-технологических основ получения пленок сульфида самария для тензорезисторов и исследование их параметров»

Автореферат диссертации на тему "Разработка физико-технологических основ получения пленок сульфида самария для тензорезисторов и исследование их параметров"

I . а (

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЕ! ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

ХАНОВА АННА ВЛАДИСЛАВОВНА

УДК 537.312.7 621.315.292

РАЗРАБОТКА ФИЗИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСНОВ ПОЛУЧЕНИЯ ПЛЕНОК СУЛЬФИДА САМАРИЯ ДЛЯ ТЕНЗОРЕЗИСТОРОВ И ИССЛЕДОВАНИЕ ИХ ПАРАМЕТРОВ

специальность - 01.04.01 - физика приборов, элементов и систем

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание научной степени кандидата физико-математических наук

Киев - 2000

Диссертацией является рукопись

Работа выполнена в Институте физики полупроводников HAH Украины

Научный руководитель: академик HAH Украины, доктор технических

наук, профессор Свечников Сергей Васильевич, Институт физики полупроводников HAH Украины, заведующий отделением

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Романкж Борис Николаевич, Институт физики полупроводников HAH Украины, ведущий научный сотрудник

доктор физико-математических наук, профессор Морозовский Николай Владимирович, Институт физики HAH Украины, ведущий научный сотрудник

Ведущая организация: Национальный технический Университет

Украины "Киевский политехнический институт", факультет электроники, кафедра микроэлектроники, г. Киев

Защита диссертации состоится 17 ноября 2000 г. в 14 час. 15 мин.

на заседании специализированного ученого совета К26.199.01 в Институте физики

полупроводников HAH Украины по адресу: 03028 Киев-28, проспект Науки, 45

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики

полупроводников HAH Украины по адресу: 03028 Киев-28, проспект Науки, 45

Автореферат разослан (G октября 2000 року

Ученый секретарь специализированного ученого совета

кандидат физико-математических наук Охрименко О.Б.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

тензорезисторов позволяет существенно (более, чем на порядок величины) повысить чувствительность тензорезисторных датчиков. Однако, традиционные полупроводниковые материалы (кремний, германий и т.п.) не находят широкого применения в тензометрии. Это связано, в первую очередь, со значительной нелинейностью характеристик и температурной нестабильностью.

В связи с этим возникает потребность в исследовании новых полупроводниковых материалов, которые могут найти применение в тензорезисторных датчиках механических величин. Одними из таких материалов являются редкоземельные полупроводники и, прежде всего, моносульфид самария. Он обладает наилучшими характеристиками для применения в тензометрии: рекордной тензочувствительностыо, высокой линейностью тензохарактеристики и относительно низким температурным коэффициентом сопротивления (ТКС). Кроме того, материалы на основе Бшв очень стойки к воздействию высоких температур, сильных магнитных полей, радиационного излучения.

Таким образом, возникает необходимость разработки методов изготовления чувствительных элементов из материалов на основе Этв и способов контроля их параметров. Наиболее простыми и удобными в изготовлении и применении представляются чувствительные элементы в виде тонких поликристаллических пленок редкоземельных полупроводников на основе ЗглЭ.

Основным методом получения пленок моносульфида самария в настоящее время является метод термического испарения в вакууме. Наряду с этим, известно получение пленок редкоземельных соединений термическим разложением хелатных металлоорганических соединений (МОС). Основными достоинствами этого метода являются низкая температура получения пленок (200-300°С), простота технологического оборудования, универсальность (возможность получать не только полупроводниковые, но и металлические и

диэлектрические пленки).

Помимо методов получения пленок на основе БтБ, важную роль в создании чувствительного элемента играют ' материал контактов и методы их формирования, влияющие на характеристики тензорезисторных пленок.

С учетом сказанного, разработку методов получения пленок моносульфида самария и исследования их свойств можно отнести к числу актуальных физико-технологических и научно-технических задач.

Связь работы с научными программами, планами, темами. Работа выполнялась в соответствии с планами научной деятельности Отделения оптоэлектроники Института физики полупроводников НАНУ в рамках научных тем "Физико-технологические и приборные исследования структур и сред для обработки и преобразования оптической информации" (номер государственной регистрации 348 01.86.0 074060) и "Исследование электронно-поляритонных явлений в твердотельных структурах на основе полупроводников А3В5 с микрорельефной поверхностью, разработка новых оптоэлектронных приборов и автоматизованых методов электрофизической диагностики материалов и структур опто- и микроэлектроники" (Номер государственной регистрации 0193 и 028658).

Цель работы и задачи исследования. Цель работы состояла в разработке химических методов получения пленок моносульфида самария, отработке вакуумной технологии, обеспечивающей изготовление промышленных образцов тензорезисторов, исследовании их электрофизических и тензорезистивных свойств. Объектом исследования были пленки БглЭ, полученные вакуумным и химическим методами. Предметом исследования - физико-технологические условия получения таких пленок, а также рекомбинационные и инжекционные процессы в них.

Для достижения поставленной цели использовались такие экспериментальные методы, как разложение хелатных серосодержащих МОС, вакуумный взрывной метод термического испарения моносульфида самария, измерение вольт-амперных характеристик (ВАХ) и расчетные методы, основанные на дифференциальном анализе ВАХ.

В соответствии с целью работы в ней решались следующие задачи:

- разработка метода получения пленок сульфидов самария химическим методом из МОС, включающая исследование процессов синтеза и пиролиза исходных соединений и исследование их свойств;

- доработка вакуумного метода получения пленок моносульфида самария;

- исследование электрофизических свойств пленок моносульфида самария, включающее определение их рекомбинационных параметров и разработку методов формирования омических и инжектирующих контактов к ним;

- разработка тензочувствительных пленочных структур на основе полупроводниковых пленок моносульфида самария.

Научная новизна полученных результатов. В результате проведенных исследований получены следующие новые результаты:

1. Впервые выбраны, синтезированы и исследованы исходные вещества для получения пленок сульфидов самария химическим методом Такими веществами являются Лс-комплексы самария 8т(Е{2МС32)з , Зт(Й2КС32)3 Ыру, Sm(Et2NCS2)¡ ркеп. Из них в результате гетерогенного пиролиза МОС получены пленки ряда сульфидов самария. Термическая деструкция дитиокарбамата самария при температуре 150°С - 300°С в зависимости от исходных веществ и условий пиролиза приводит к образованию преимущественно поликристаллических текстурированных пленок ряда сульфида самария от Бтвг до 3т23. Впервые из группы дитиокарбоматов получены поликристаллические пленки моносульфида самария кубической модификации. Поликристаллические пленки моносульфида самария кубической модификации получаются химическим методом при распылении 0,05 - 0,10 М раствора МОС в диапазоне температур 200 °С - 300 °С.

2. Исследованы и отработаны условия вакуумной технологии, обеспечивающей воспроизводимое получение пленок ЭтЗ с высокой тензочувствительностью. Варьирование температуры подложки в диапазоне 400°С - 600°С и температуры испарения в диапазоне 2500°С- 2700°С для вакуумного метода определяет тензочувствительность пленок Эшв в диапазоне 40-60.

3. Определены рекомбинационные параметры и механизмы токопрохождения в поликристаллических полупроводниковых пленках моносульфида самария. Показано, что рекомбинационный барьер в поликристаллических пленках ЭтЭ обусловлен рекомбинациониыми уровнями £¡=0,23 эВ; £г=0,17 эВ; с концентрациями дозаполнения КГ^Ю15 см"3, М2«1017 см"3, сечением захвата /[«10 й см3/с, /2=10"!г см3/с и временем жизни неосновных носителей на них т,« Ю-"8 с, т2«10*10 с. При этом в моносульфиде самария реализуется режим двойной инжекции носителей заряда с характерными степенями ВАХ аг =1,5 и а =2, свидетельствующими о бимолекулярной и мономолекулярной рекомбинации

носителей, соответственно. При увеличении уровня инжекции проявляется влияние непараболичности зоны проводимости, что приводит к увеличению степени ВАХ до 4.

4. Исследовано влияние материала контактов на свойства пленочных структур из моносульфида самария. Показано, что применение двухслойной металлизации (Сг+Со; Т1+№) контакта к БтЭ реализует стабильный, воспроизводимый, с низким сопротивлением омический контакт при Т1+№ и инжектирующий контакт при Сг+Со.

Практическое значение полученных результатов. Практическую ценность имеет большинство полученных в работе результатов. Ряд выводов и результатов являются важными для получения тонкопленочных тензорезисторов нового поколения на основе моносульфида самария с высокой тензочувствительностью и температурной стабильностью. В частности, разработан химический метод получения тензорезистивных пленок ряда сульфидов самария термическим разложением МОС, а также разработана серийно-пригодная технология, обеспечивающая получение промышленных образцов тензодатчиков на основе пленок Бшв. Исследование рекомбинационных и инжекционных процессов в пленках БшБ позволило создать омический и инжектирующий контакт к тонкопленочным структурам на основе моносульфида самария, отличающимся высокой воспроизводимостью, стабильностью и большим сроком службы.

Личный вклад соискателя. Диссертант принимала участие в формулировании направления исследований, в расчетах. Она самостоятельно проводила экспериментальные работы по синтезу и исследованию дитиокарбаматов, по получению пленок БтБ, измерению вольт-амперных характеристик, параметров тензорезисторов, формированию контактов, расчету параметров пленок БглЭ и структур на их основе.

Апробация результатов диссертации. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на X Всесоюзной конференции "Методы и средства тензометрии и их применение в народном хозяйстве" (Тензометрия-89), Свердловск, 1989 г. и на V Всесоюзной конференции по физике и химии редкоземельных полупроводников, Саратов, 1990 г.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 3 статьях в журналах по специальности и в тезисах 4 докладов на конференциях; получено 2 авторских свидетельства СССР и 2 патента России по заявкам на изобретения.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех

глав и заключения. Она изложена на 161 странице и включает 38 рисунков и 27 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы цель и задачи работы, показана научная новизна и практическое значение полученных результатов. Там же приведены данные, которые касаются ее апробации и опубликования основных результатов.

В первой главе дан обзор основных свойств моносульфида самария, а также известных методов получения поликристаллических пленок этого соединения.

Редкоземельные полупроводники (РЗП), содержащие редкоземельный элемент с незаполненной внутренней 41>оболочкой обладают рядом уникальных свойств. Как и прочие редклземельные элементы, самарий обладает переменной валентностью, вследствие чего образуется непрерывный ряд сульфидов от Зт2Э до ЭтЭг (несколько десятков соединений с различными свойствами). При этом каждое соединение, например, моносульфид самария, ЭтЭ, кубической модификации имеет переменную величину постоянной решетки, изменяющейся в пределах 5 %, что существенным образом сказывается на свойствах пленок. Вследствие этого одновременно он может быть и высокоомным полупроводником и иметь металлическую проводимость. Для РЗП характерно наличие фазового перехода металл-полупроводник, происходящего скачкообразно, а также высокой тензочувствительности, в том числе аномально высокой для ЭтЭ, который вследствие этого является наиболее перспективным для изготовления тензодатчиков. На основании экспериментальных данных по изучению фазового перехода полупроводник-металл и исследованию свойств полупроводниковых и металлических пленок БтБ показано отличие свойств пленок от свойств объёмных образцов.

На основании данных об известных методах получения полупроводниковых пленок монохалькогенидов лантаноидов и сульфидов некоторых металлов сделаны выводы о перспективности применения вакуумного метода взрывного испарения. Он позволяет получать поликристаллические пленки различных соединений РЗП, различного фазового состава, в том числе тензочувствительные на основе втБ. Однако требуется доработка метода с целью создания промышленной технологии изготовления тензорезисторов на основе пленок Бшв.

Несмотря на то, что известные химические методы получения пленок различных полупроводниковых материалов имеют ряд преимуществ перед вакуумными технологиями и широко используются на протяжении последних десятилетий, об их применении для получения пленок РЗП практически ничего не известно, по-видимому, из-за сложности обеспечения необходимого химического равновесия при их образовании. Вместе с тем известен низкотемпературный и технологичный химический метод получения пленок, преимущественно сульфидов металлов, основанный на термическом разложении хелатных металлоорганичеких соединений. Имеются все основания исследовать возможность применения его для получения пленок вшЭ и других сульфидов лантаноидов. Поэтому необходимо исследовать возможность разработки химического метода получения полупроводниковых пленок вшЭ путем разложения серусодержащих хелатных металлоорганических соединении самария.

Обращает на себя внимание практически полное отсутствие в литературе исследования инжекционных и рекомбинационных процессов и механизмов токопрохождения в монокристаллах и пленках ЭтЭ. Это обосновывает необходимость изучения рекомбинационных параметров пленок и влияния контактов на свойства полупроводниковых структур на основе Бтв.

Исходя из свойств моносульфида самария, показана перспективность применения тонких пленок этого соединения в качестве чувствительных элементов датчиков механических величин.

Рассмотрен метод диагностики полупроводниковых материалов, позволяющий на основе дифференциального анализа измеряемой ВАХ получать важнейшие параметры полупроводника и контактов к нему, таких как глубина и концентрация уровней в запрещенной зоне, время жизни неосновных носителей тока, высота и ширина приконтактного барьера, скорость поверхностной рекомбинации и др., а также разграничивать режимы монополярной и двойной инжекции, барьерной электропроводности и полевой ионизации уровней в запрещенной зоне полупроводника.

Дифференциальный анализ ВАХ основан на выявлении тонкой структуры кривой в виде зависимости от приложенного напряжения ее дифференциального наклона в двойном логарифмическом масштабе (степень ВАХ). Для идентификации режима токопрохождения вводится коэффициент

дискриминации (или коэффициент разграничения) <Эе=ре/еп€, который представляет собой отношение плотности объемного заряда к концентрации

носителей, определенных по точке максимума степени ВАХ, и является, по сути, эффективным коэффициентом прилипания. Для монополярной инжекции"(Зг»1, для двойной <Эе«1.

В заключение главы сформулированы цель и задачи работы.

Вторая глава посвящена разработке химического и вакуумного методов получения пленок моносульфида самария.

С целью выбора исходных веществ, обеспечивающих получение пленок сульфидов самария, определены требования, являющиеся необходимыми для осуществления гетерогенного пиролиза металлоорганических соединений с образованием таких пленок. В соответствия с этими требованиями рассмотрен ряд известных веществ и веществ, которые могут быть специально синтезированы, в результате чего установлено, что наиболее подходящими соединениями являются дитиокарбаматы самария, синтез которых может осуществляться двумя способами.

В результате проведенного впервые синтеза дитиокарбаматов самария из водных растворов соли самария и диэтилтиокарбамата натрия (сНсКа) было установлено, что они действительно образуются, но при условиях высокой концентрации реагентов (1,0 - 2,0 М) и избытке сНс№. Исследование полученных веществ показало, что термограммы дают температуры плавления и разложения 230°С и 380°С, соответственно, близкие к таковым именно для сис38т; на ИК-спектрах обнаружена характерная для сНс-комплексов полоса 1000 см"1; в продуктах разложения содержится элемент Бт. Однако установлено, что эти комплексы не являются единственными компонентами полученных веществ, а составляют только их часть. Вместе с ними в веществах содержатся непрореагировавший сНсКа, тиурамдисульфид, имеющий сходное строение с сИс-комплексами Бт, но не содержащими Эт, а также, вероятно, гидроокись самария, которая образуется в результате гидролиза в водной среде, по-видимому, недостаточно устойчивого комплекса сНс35т.

С целью устранения этих нежелательных примесей проведен другой способ синтеза: из спиртовых растворов тех же реагентов в среде аргона. В результате исследования термограм, ИК-спектров и элементного анализа продуктов термораспада установлено, что эти соединения в целом более чистые по сравнению с предыдущими и при некоторых условиях синтеза образуются вероятнее всего в виде единственного комплекса, а именно (Ис3Зт.

Гетерогенный пиролиз, проведенный в результате распыления раствора полученных исходных веществ в органическом растворителе пиридине на

нагретые до 200°С -300°С подложки показал, что образуются пленки, содержащие самарий и серу. Электронографические исследования полученных пленок обнаружили в большинстве случаев поликристаллическую фазу слоев (сЗ=0,05 - 0,70 мкм). При определенный условиях из некоторых соединений получены пленки моносульфида самария БтБ с величиной постоянной решетки а=0,57 нм. Наряду с этим для большинства остальных образцов, полученных в других условиях, помимо набора рефлексов основной фазы с а=0,57 нм, на электронограмах имеются дополнительные рефлексы, которые однозначно не идентифицируются. В результате элементного анализа пленок установлено, что многие из них содержат еще и кислород, т.е. они имеют дополнительную фазу оксисульфида самария, которая, по-видимому, находится в аморфном состоянии, т.к. электроннографическими методами не обнаруживается.

Поскольку полученные пленки в подавляющем большинстве являются высокоомными (Кпов=109-10п0м/п) и тензочувствительность в них не наблюдается, как это должно иметь место в полупроводниковой фазе БтБ, то с целью получения тензочувствительных элементов была доработана и усовершенствована известная вакуумная технология получения пленок вшБ. Это позволило улучшить тензочувствительные параметры пленок и использовать пленки при изготовлении тонкопленочных тензодатчиков, которые нашли применение в промышленности.

Третья глава посвящена исследованию электрофизических характеристик пленок моносульфида самария.

Исследования проводились методами, основанными на теории инжекционно-контактных явлений в полупроводниках.

Для низкоомного моносульфида самария преимущественно реализуется режим двойной инжекции носителей тока, поэтому конкретизация параметров проводилась на базе модели с рекомбинационным и глубоким уровнем и мелкими донорами, которые могут принимать участие в бимолекулярной рекомбинации. Для режима значительной инжекции носителей, когда приконтактная концентрация носителей пк значительно превосходит пе, можно определить рекомбинационные параметры локальных центров: грт - время жизни неосновных носителей относительно рекомбинационного г-центра, Ег - глубину г-центра, у - коэффициент рекомбинации на более мелкие центры.

Расчет, проведенный по экспериментальным ВАХ для образцов вшБ с различными контактами, показал, что во всех случаях <Эе=(10"8-н10"4) «1, т.е. имеет место режим двойной инжекции носителей тока. Об этом свидетельствует

и наличие характерных для двойной инжекции участков ВАХ с а=1,5 и а=2. Обнаружены два уровня в запрещенной зоне сульфида самария, один из них с точностью до термического потенциала при комнатной температуре кТ= 0,025 эВ совпадает с известным уровнем в сульфиде самария £=0,23 эВ. Значения коэффициента рекомбинации на более мелкие центры для уровня 0,17 эВ приближаются к коэффициенту межзонной рекомбинации. Значения см3/с для уровня с глубиной 0,23 эВ свидетельствуют об участии в рекомбинации и ближе расположенных к с- и и-зонам I- и э-состояний.

Далее определены параметры полупроводниковых пленок БтБ на сверхвысоких уровнях инжекции с учетом влияния нелинейных эффектов. На основе проведённых расчётов проанализированы условия возникновения резко сверхлинейных ВАХ в области начального изменения подвижности носителей заряда только за счёт темпа изменения подвижности основных носителей (Л -эффект). На экспериментальных ВАХ Л -эффект проявляется в виде резких скачков тока и соответствующих им высоких значений дифференциальной степени ВАХ (а(У}=с^1/й^У), определенных изменением дифференциальной степени зависимости подвижности носителей заряда от концентрации Расчет показал, что механизм возникновения А.-эффекта (воздействие электронно-дырочного рассеяния или непараболичности зоны проводимости) может быть определен при достижении уровней инжекции до п,и) и Ю17см"3.

В области сверхлинейной ВАХ (а>3) определены значения биполярной диффузионной длины и минимальной удельной проводимости 1^=9,6210"5 см и сг,=5,5610"2 Ом^см"1, а по участку с а «4, V «3 В и /«1'10"3А определена константа квадратичной рекомбинации в модели непараболичности зоны проводимости: у =1,4310"к см3/с.

Степень ВАХ а «4 свидетельствует, в основном, о воздействии непараболичности зоны проводимости ЯтЯ на неравновесные носители заряда.

Четвертая глава посвящена использованию пленок моносульфида самария в электронике. Для применения пленок в качестве тензочувствительных структур разработаны методы получения контактов к БтЗ на основе многослойной металлизации.

С целью легирования приповерхностного слоя проведено лазерное облучение пленок Бтв. Измерение вольт-амперных характеристик модифицированных лазерным излучением пленок показало, что в данном случае лазерное облучение

не приводит к заветному уменьшению сопротивления. Наоборот, поверхностное сопротивление пленки повышается на 5 порядков. Это связано, в первую очередь, с растрескиванием поверхности из-за значительного изменения объёма сульфида самария при изменении его фазового состава в результате испарения при облучении серы, имеющей меньшую энергию связи.

Сформулированы требования для металлов, применяющихся в качестве материалов контакта. Определено влияние контактов из различных металлов на токопрохождение в структурах из ЭтЭ. Выбраны металлы для формирования контактов.

Поскольку моносульфид самария очень чувствителен к механическим деформациям, то при формировании контакта необходимо до минимума уменьшить механические напряжения, возникающие при осаждении металлической пленки контактного материала. Кроме этого, моносульфид самария в присутствии кислорода окисляется, ввиду чего необходимо либо резко ограничить контакт с воздухом, либо использовать подслой сильного геттера. В качестве геттера использовался слой титана (для омического контакта) и хрома (для инжектирующего контакта), толщиной от 50 нм до 200 нм. Этот геттерный слой обеспечивает хорошую адгезию, низкое сопротивление и стабильность электрофизических характеристик. Геттерное действие титана и хрома заключается в снижении парциального давления кислорода при напылении, десорбцией хемисорбированного слоя окисла на поверхности сульфида самария в результате химической реакции. В качестве второго слоя контакта были выбраны никель (для омического контакта) и кобальт (для инжектирующего контакта). Они являются пластическими металлами, дают низкое сопротивление при толщинах от 300 нм до 800 нм, не подвержены коррозии, при циклических механических нагрузках двухслойная металлизация титан-никель и хром-кобальт не меняет своих электрофизических и механических характеристик. Напыление обоих слоев производилось при температурах подложки 100+200°С. При более низких температурах резко ухудшалась адгезия контакта, а при более высоких - увеличивалось механическое напряжение, оказывающее воздействие на тензорезистивную пленку моносульфида самария.

Полученные контакты отличаются высокой стабильностью, воспроизводимостью и большим сроком службы. При этом инжектирующий контакт предоставляет возможность управления характеристиками тензорезистора с помощью приложенного напряжения.

Определены метрологические характеристики полупроводниковых пленок на

основе ЭтЭ. Пленки, полученные методом взрывного испарения при температуре подложки от 400°С до 600°С и температуре испарителя от 2500-2700°С имели тензочувствительность К= 40-60. Это позволяет более, чем на порядок повысить выходной сигнал датчиков.

Сформулированы основные особенности топологии полупроводниковых тензорезисторов из БглЭ и показаны некоторые их преимущества перед фольговыми тензорезисторами. К их числу можно отнести малые размеры тензорезистора при любой величине сопротивления, равенство продольного и поперечного тензоэффекта, высокую чувствительность и возможность получения пленок с низким ТКС, а также использование фазового перехода полупроводник-металл для балансировки тензомоста.

ВЫВОДЫ

1. Впервые выбраны, синтезированы и исследованы исходные вещества для получения пленок сульфидов самария химическим методом. Показано, что

термическая деструкция дитиокарбамата самария в гомогенной среде при температуре 150°С - 300°С в зависимости от исходных веществ и условий пиролиза приводит к образованию преимущественно поликристаллических сульфидов самария от ЭтЭг до 3т23 и 3т233. В результате гетерогенного пиролиза МОС на подложке из дитиокарбоматов получены пленки ряда сульфидов самария. Показано, что распыление 0,05 - 0,1 М раствора МОС в диапазоне температур 200 °С-300 °С позволяет получить поликристаллические пленки вшБ кубической модификации.

2. Исследованы и отработаны условия вакуумной технологии, обеспечивающей воспроизводимое получение пленок ЭшБ с высокой тензочувствительностью. Установлено, что варьирование температуры подложки в диапазоне 400 °С - 600 "С, температуры испарения в диапазоне 2500 °С -2700 °С определяет тензочувствительность пленок ЭтЭ в диапазоне 60-80.

3. Впервые определены рекомбинационные параметры полупроводниковых пленок моносульфида самария. Показано, что рекомбинационный барьер в поликристаллических пленках Бшв обусловлен рекомбинационными уровнями £]=0,23эВ; £2=0,17 эВ; с концентрациями дозаполнения N1=1015 см"3, Ы2~1017 см"3, сечением захвата /¡«10"11 см3/с, ^«Ю"13 см3/с и временем жизни неосновных носителей на них т2» 10"8 с, т2~10"10 с. Показано, что токопрохождение в тонких

поликристаллических пленках SmS определяется двойной инжекцией носителей с характерными степенями ВАХ а=1,5 и ct=2, a при увеличении уровня инжекции проявляется влияние непараболичности зоны проводимости с а=4.

4. Выявлено влияние материала контактов на свойства пленочных структур из моносульфида самария. В результате созданы омический и инжектирующий контакт к тонкопленочным структурам на основе моносульфида самария. Показано, что в результате применения двухслойной металлизации (Cr+Co; Ti+Ni) контакта к SmS реализуется стабильный, воспроизводимый, с низким сопротивлением омический контакт при Ti+Ni и инжектирующий контакт при Сг+Со. Получены и исследованы пленочные полупроводниковые тензорезисторы из моносульфида самария с высокой тензочувствительностью и температурной стабильностью.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Володин HJM., Серова Е.А., Смертенко П.С., Ханова А .В. Процессы рекомбинации в тонкоплёночных структурах металл - моносульфид самария // ФТТ. - 1991. - Т. 33. - № 9. - С.2767-2770.

2. Володин Н.М., Федоренко Л.Л. Смертенко П.С., Ханова А.В. Особенности вольтамперных характеристик длинных полупроводниковых структур на сверхвысоких уровнях двойной инжекции // ФТП, - 1998. - Т. 32 - №12 -С.1476-1481.

3. N.M.Volodin, L.V.Zavyalova, A.I.Kirilov, S.V.Svechnikov, I.V.Prokopenko, A.V.Khanova. Investigation of growth conditions, crystal structure and surface morphology of SmS films fabricated by MOCVD technique // Semiconductor Physics, Quatum Electronics & Optoelectronics. 1999. - V2. - N 2. - P.78-83.

4. Володин H.M., Каминский B.B., Ханова AB- Особенности применения тензорезисторов на основе SmS в датчиках механических величин // X Всесоюзная конференция "Методы и средства тензометрии и их применение в народном хозяйстве "Тензометрия-89". (Свердловск). - М. — 1989. - С.44.

5. Домрачев Г.А., Суворова О.Н., Завьялова Л.В., Щупак Е.А., Ханова А.В. Получение плёнок сульфидов самария из летучих МОС. Тезисы доклада V Всесоюзной конференции по физике и химии редкоземельных полупроводников. - 4.2. - Саратов: Изд-во Саратовского университета. - 1990. - С.56.

6. Моин М.Д., Свечников C.B., Смертенко ПС., Ханова А.В. Морфология плёнок моносульфида самария, облучённых лазером // V Всесоюзная

конференция по физике и химии редкоземельных полупроводников. - 4.2. -Саратов: Изд-во Саратовского университета. - 1990. - С.57.

7. Володин Н.М., Смертенко П.С., Ханова A.B. Щепихин А.И. Влияние контактов на токопрохождение в плёнках моносульфида самария. Тезисы доклада V Всесоюзной конференции по физике и химии редкоземельных полупроводников. - 4.2. - Саратов: Изд-во Саратовского университета. - 1990. - С.58.

8. A.c. 1565304 СССР, МКИ H01L 21/66, G01R 31/26 Способ определения параметров неравновесных носителей заряда в инжекционных полупроводниковых структурах / Володин Н.М., Зюганов А.Н., Смертенко П.С., Федоренко Л.Л., Ханова A.B., Ярош Л.А - № 4411193/31-25; Заявлено 18.04.88.; не публ. - 4 с. ил.

9. Пат. 2069241 РФ, МКИ С30В 7/00, 29/46 Способ получения слоев полупроводникового халькогенида // Володин Н.М., Завьялова Л.В., Ханова A.B., Суворова О.Н., Серова Е.А., Щупак Е.А. - № 4832169/26; Заявлено 30.05.90; Опубл. 20.11.96, Бюл. № 32. - 5 с. ил.

10. A.c. 1829769 СССР, МКИ H01L 21/28 Способ изготовления омического контакта к моносульфиду самария / Володин Н.М., Смертенко П.С., Костюкевич Е.В., Ханова A.B., Ханов Ю.А. - № 4947007/25; Заявлено 20.06.91.; Опубл. 10.04.95. Бюл. № 13 - 6 с. ил.

11. Пат. 2089972 РФ, МКИ Н 01 L 21/283 Способ изготовления инжектирующего контакта к моносульфиду самария / Володин Н.М., Смертенко П.С., Костюкевич ЕЗ., Ханова A.B., Ханов Ю.А. - № 95120482; Заявлено 04.12.95.; Опубл. 10.09.97. Бюл. № 25 - 6 с. ил.

Аннотации

Ханова A.B. Разработка физико-технологических основ получения пленок сульфида самария для тснзорезисторов и исследование их параметров. -

Рукопись.

Диссертация на соискание степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.01 - физика приборов, элементов и систем. Институт физики полупроводников HAH Украины, Киев, 2000.

Диссертация посвящена разработке физико-технологических основ получения пленок сульфида самария для тензорезисторов и исследованию их параметров.

Для получения тонкопленочных тензочувствительных структур были использованы как химический метод разложения хелатных серосодержащих металло-органических соединений, так и вакуумный взрывной метод термического испарения моносульфида самария. Для исследования рекомбинационных параметров и разработки омического и инжекционного контактов к тензочувствительным структурам была использована теория инжекционно-контактных явлений.

Из синтезированных и исследованных ({^-комплексов самария Зт(Ег2МС32)3 , Зт(££^СБ2)3 Ыру, Зт(Ег2МС52)з ркеп в результате гетерогенного пиролиза МОС получены поликристаллические текстурированные пленки ряда сульфида самария от 3т32 до БтЗ. Определены условия для получения моносульфида самария кубической модификации, а также обеспечивающие воспроизводимое получение пленок Бшв с высокой тензочувствительностью вакуумной технологией.

Обнаружено, что рекомбинационный барьер в поликристаллических пленках Бшв обусловлен рекомбинационными уровнями £¡=0,23 эВ; Е2=0,17 эВ; с концентрациями дозаполнения И^Ю15 см"3, ]М2=1017 см"3, сечением захвата ^,«10"" см3/с, /2~10"13 см3/с и временем жизни неосновных носителей на них Т!» Ю-"8 с, г2»Ю"10 с. При этом в моносульфиде самария реализуется режим двойной инжекции носителей заряда с характерными степенями ВАХ а =1,5 и а =2. При увеличении уровня инжекции проявляется влияние непараболичности зоны проводимости, что приводит к увеличению степени ВАХ до 4.

Выявлено влияние материала контактов на свойства пленочных структур из моносульфида самария. В результате созданы омический и инжектирующий контакт к тонкопленочным структурам на основе моносульфида самария.

Определены метрологические характеристики полупроводниковых пленок на основе ЗшБ и сформулированы основные особенности топологии полупроводниковых тензорезисторов из вшЭ и показаны некоторые их преимущества перед металлическими фольговыми тензорезисторами.

Ключевые слова: пленка сульфида самария, металло-органическое соединение, рекомбинационный уровень, вольт-амперная характеристика, омический контакт, инжектирующий контакт, тензочувствительная структура.

Ханова Г.В. Розробка ф1зико-техиолог1чних основ отримання шпвок сульфвду самприо для тензорсзис ro)>iB i дослщження Ix параметр!в. - Рукопис.

Дисерташя на здобуття наукового ступени кандидата ф13ико-математичних наук за спещалыпстю 01.04.01 - физика приладив, елементо i систем. Гнститут ф1зики натвпровщнигав НАН Украши, Ки1в, 2000.

Дисертац1Я присвячена розробщ ф!зико-технолопчних основ отримання плшок сульф1ду самарпо для тензорезистор№ i докпдженню ix параметров.

Х1м1чним методом розпаду хелатних аркум^стячих метало-оргашчних сполук ¡3 синтезованих та дослщжених <1(с-комплекс1в самарш Sm(Ei2NCS2)3 , Sm(£t2NCS2)3 Ыру, Sm(£f2NCS2)3 phen отримано пол1кристал1чш текстуроващ гопвки ряду сульфиду самарда вщ SmS2 до SmS. Визначено умови для отримання шпвок моносульфвду самарио куб\чно! модифжацп, а також умови, яга. забезпечують ввдтворюване отримання вакуумною технолопею плавок SmS з високого тензочутлив'1Стю.

Дослужено рекомбшацшш параметри i мехашзми струмопереходу в тонкошпвкових структурах моносульфщу самарда, а також вплив матер1алу контакт1в на властивост1 дих структур.

Визначено метролопчш характеристики натвпроведникових шпвок на основ! SmS i сформульовано основш особливост! топологи нашвпроввдникових тензорезистор1в ¡з SmS i показано деяш ix переваги перед металевими фольговими тензорезисторами.

Ключов1 слова: плавка сульф\ду самарда, метало-оргашчна сполука, рекомбшахцйний ревень, вольт-амперна характеристика, ом1чний контакт, шжектуючий контакт, тензочутлива структура.

Khanova А.В. Development of physico-tcchnological bases of manufacturing of samarium sulphide films for tensoresistors and study of their parameters. -Manuscript.

Thesis for the scientific degree of candidate of physical and mathematical ;ciences, speciality 01.04.01 - physics of devices, elements and systems. Institute of Semiconductors Physics, National Academy of Science of Ukraine, Kyiv, 2000.

The manuscript is devoted to the development of physico-technological bases of manufactoring of samarium sulphide films for tensoresistors and study of their parameters.

By the chemical method of decomposition of sulphide containing chelate metalo-organic compounds the polycrystalline textured films of samarium sulphide line from SmS2 to SmS have been received from the synthesized and investigated dtc-complexes of samarium: Sm(£i2NCS2)j , Sm(££2NCS2)3 bipy, Sm(£t2NCS2)3 phen. Both the conditions for cubic monosulphide samarium manufacturing and ones for high tenzosensitive reproduce able SmS films obtained by vacuum techniques have been determined.

Recombination parameters, charge flow mechanisms and influence of a material of contacts in thin-film structures on the base of samarium monosulphide have been investigated.

Metrological characteristics of SmS semiconducting films have been determined, the main features of topology of SmS semiconducting tensoresistors or are formulated and some advantages of such tensoresistors in comparison with metal foil tensoresistor have been shown.

Key words: sulphide samarium film, metal-organic compound, recombination level, current-voltage characteristic, ohmic contact, injection contact, tensosensitive structure.

Ilifln. no «pyKy 10.10.2000. OopMar 60x84/16. Ilanip o4>ceTiniii. flpyn ofjiceiHHu. Ym. flpyK. apK. 0.93. 06n. bum,. apK. 1.02. Tup ax 100. 3aM. 429.

Cneiiiajjiaonaiia apyKapiw HayKOBHx acypHajuB HAH yKpaimi 01004, Khib-4, By3i. TepemeHKiBCBKa, 4.

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Ханова, Анна Владиславовна

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

1.1. Редкоземельные полупроводники, зонная структура, основные свойства, фазовый переход полупроводник-металл

1.2. Методы получения халькогенидов лантаноидов; кристаллическая структура, фазовый состав пленок; химические методы получения пленок полупроводниковых соединений и перспективы использования их для получения пленок SmS

1.3. Электрофизические параметры, тензорезистивный эффект в пленках моносульфида самария

1.4. Обобщенные подходы к решению задачи электропроводности и расчету физических параметров полупроводников

1.5. Выводы

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПОЛУЧЕНИЯ ПЛЕНОК

МОНОСУЛЬФИДА САМАРИЯ

2.1. Выбор исходных веществ

2.2. Синтез dtc-комплексов Sm и исследование их свойств

2.3. Исследование условий осаждения и свойств пленок сульфидов самария, полученных из dtc-комплекеов

2.4. Кристаллическая структура и морфология поверхности пленок

2.5. Выводы

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ

ХАРАКТЕРИСТИК ПЛЕНОК МОНОСУЛЬФИДА САМАРИЯ

3.1. Методика исследования

3.2. Рекомбинационные параметры полупроводниковых пленок моносульфида самария

3.3. Параметры полупроводниковых пленок моносульфида самария при сверхвысоких уровнях инжекции

3.4. Выводы

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА СТРУКТУР НА ОСНОВЕ ПЛЕНОК

МОНОСУЛЬФИДА САМАРИЯ КАК РАБОЧЕГО ТЕЛА

ТЕНЗОДАТЧИКОВ

4.1. Лазерная обработка пленок моносульфида самария 110 /

4.2. Разработка омического контакта к пленкам моносульфида самария

4.3. Разработка инжектирующего контакта к пленкам моносульфида самария

4.4. Основные свойства тензорезистивных пленок на основе моносульфида самария

4.5. Разработка тензочувствительных структур на основе полупроводниковых пленок моносульфида самария

Введение диссертация по физике, на тему "Разработка физико-технологических основ получения пленок сульфида самария для тензорезисторов и исследование их параметров"

Актуальность темы. Одно из важных направлений современной тензометрии связано с использованием новых материалов, способных повысить выходной сигнал тензорезисторных датчиков при улучшении их метрологических характеристик. В настоящее время при статических и динамических испытаниях, а также для оснащения датчиков механических величин, применяющихся в различных отраслях науки и техники, широко используются металлические тензорезисторы. Применение полупроводниковых тензорезисторов позволяет существенно (более чем на порядок) повысить чувствительность тензорезисторных датчиков. Однако, традиционные полупроводниковые материалы (кремний, германий и т.п.) не находят широкого применения в тензометрии. Это связано, в первую очередь, со значительной нелинейностью характеристик и температурной нестабильностью.

В связи с этим возникает потребность в исследовании новых полупроводниковых материалов, которые могут найти применение в тензорезисторных датчиках механических величин. Одними из таких материалов являются редкоземельные полупроводники и, прежде всего, моносульфид самария. Он обладает наилучшими характеристиками для применения в тензометрии: рекордной тензочувствительностыо, высокой линейностью тензохарактеристики и относительно низким температурным коэффициентом сопротивления (ТКС). Кроме того, материалы на основе SmS очень стойки к воздействию высоких температур, сильных магнитных полей, радиационного излучения.

Таким образом, возникает необходимость разработки методов изготовления чувствительных элементов из материалов на основе SmS и способов контроля их параметров. Наиболее простыми и удобными в изготовлении и применении представляются чувствительные элементы в виде поликристаллических пленок редкоземельных полупроводников на основе SmS.

Основным методом получения пленок моносульфида самария в настоящее время является метод термического испарения в вакууме. Наряду с этим, известно получение пленок редкоземельных соединений термическим разложением хелатных металлоорганических соединений (МОС). Основными достоинствами этого метода являются низкая температура получения пленок (200-^300°С), простота технологического оборудования, универсальность (возможность получать не только полупроводниковые, но и металлические и диэлектрические пленки).

Помимо методов получения пленок на основе SmS, важную роль в создании чувствительного элемента играют материал контактов и методы их формирования, влияющие на характеристики тензорезистивных пленок.

Связь работы с научными программами, планами, темами. Работа велась в соответствии с темами, выполняемыми в Отделении оптоэлектроники Института физики полупроводников НАНУ в рамках научных тем "Физико-технологические и приборные исследования структур и сред для обработки и преобразования оптической информации" (номер государственной регистрации 348 01.86.0 074060) и "Исследование электронно-поляритонных явлений в твердотельных структурах на основе полупроводников А3В5 с микрорельефной поверхностью, разработка новых оптоэлектронных приборов и автоматизированных методов электрофизической диагностики материалов и структур опто- и микроэлектроники" (номер государственной регистрации 0193 U 028658).

Цель работы и задачи исследования. Цель работы состояла в разработке химических методов получения пленок моносульфида самария, отработке вакуумной технологии, обеспечивающей изготовление промышленных образцов тензорезисторов, исследовании их электрофизических и тензорезистивных свойств. Объектом исследования были пленки SmS, полученные вакуумным и химическим методами. Предметом исследования - физико-технологические условия получения таких пленок, а также рекомбинационные и инжекционные процессы в них.

В соответствии с целью работы в ней решались следующие задачи:

- доработка вакуумного метода получения пленок моносульфида самария;

1. Впервые выбраны, синтезированы и исследованы исходные вещества для получения пленок сульфидов самария химическим методом. Такими веществами являются dtc-комплексы самария Sm(Et2NCS2)3, Sm(Et2NCS2)3 bipy, Sm(Et2NCS2)3 phen. Из них в результате гетерогенного пиролиза МОС получены пленки ряда сульфидов самария. Термическая деструкция дитиокарбамата самария при температуре 150°С - 300°С в зависимости от исходных веществ и условий пиролиза приводит к образованию преимущественно поликристаллических текстурированных пленок ряда сульфида самария от SmS2 до Sm2S. Впервые из группы дитиокарбоматов получены поликристаллические пленки моносульфида самария кубической модификации. Поликристаллические пленки SmS кубической модификации получаются МОС химическим методом при распылении 0,05-^0,1 М раствора МОС в диапазоне температур 200 °Сч-300 °С.

2. Исследованы и отработаны условия вакуумной технологии, обеспечивающей воспроизводимое получение пленок SmS с высокой тензочувствительностыо. Варьирование температуры подложки в диапазоне 400°С - 600°С и температуры испарения в диапазоне 2500°С - 2700°С для вакуумного метода определяет тензочувствительность пленок SmS в диапазоне 40-60.

3. Определены рекомбинационные параметры и механизмы токопрохождения в поликристаллических пленках моносульфида самария. Показано, что рекомбинационный барьер в поликристаллических пленках SmS обусловлен рекомбинационными уровнями £]=0,23эВ; Е2=0,17эВ; с концентрациями

153 п 113 дозаполнения Ni«10 см" , N2~10 см°, сечением захвата ^«10" см /с, п о g

Г2~Ш см /с и временем жизни неосновных носителей на них 10" с, х2«10"10с. При этом в моносульфиде самария реализуется режим двойной инжекции носителей заряда с характерными степенями ВАХ а =1,5 и а= 2, свидетельствующими о бимолекулярной и мономолекулярной рекомбинации носителей соответственно. При увеличении уровня инжекции проявляется влияние непараболичности зоны проводимости, что приводит к увеличению степени ВАХ до 4.

4. Исследовано влияние материала контактов на свойства пленочных структур из моносульфида самария. Показано, что применение двухслойной металлизации (Cr+Co; Ti+Ni) контакта к SmS реализует стабильный, воспроизводимый, с низким сопротивлением омический контакт при Ti+Ni и инжектирующий контакт при Сг+Со.

Практическое значение полученных результатов. Практическую ценность имеет большинство полученных в работе результатов. Ряд выводов и результатов являются важными для получения тонкопленочных тензорезисторов нового поколения на основе моносульфида самария с высокой тензочувствительностыо и температурной стабильностью. В частности, разработан химический метод получения тензорезистивных пленок ряда сульфидов самария термическим разложением МОС, а также разработана серийно-пригодная технология, обеспечивающая получение промышленных образцов тензодатчиков на основе пленок SmS. Исследование рекомбинационных и инжекционных процессов в пленках SmS позволило создать омический и инжектирующий контакт к тонкопленочным структурам на основе моносульфида самария, отличающимся высокой воспроизводимостью, стабильностью и большим сроком службы.

Личный вклад соискателя. Диссертант принимала участие в формулировании направления исследований, в расчетах. Она самостоятельно проводила экспериментальные работы по синтезу и исследованию дитиокарбаматов, по получению пленок SmS, измерению вольт-амперных характеристик, параметров тензорезисторов, формированию контактов, расчету параметров пленок SmS и структур на их основе.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 3 статьях в журналах по специальности и в тезисах 4 докладов на конференциях; получено 1 авторское свидетельство СССР и 2 патента России.

Заключение диссертации по теме "Приборы и методы экспериментальной физики"

4.6. Выводы

В свете применения пленок SmS для изготовления тензорезисторов сформулированы требования для металлов, применяющихся в качестве материалов контакта. Определено влияние контактов из различных металлов на токопрохождение в структурах из SmS. Выбраны металлы для формирования контактов.

С целью легирования приповерхностного слоя проведено лазерное облучение пленок SmS. Измерение вольт-амперных характеристик модифицированных лазерным излучением пленок показало, что в данном случае лазерное облучение не приводит к заметному уменьшению сопротивления, наоборот, поверхностное сопротивление пленки повышается на 5 порядков. Это связано, в первую очередь, с растрескиванием поверхности из-за значительного изменения объёма сульфида самария при изменении его фазового состава в результате выхода при облучении серы, имеющей меньшую энергию связи.

Установлено, что лазерное облучение поверхности SmS не приводит к легированию приповерхностного слоя, а вызывает существенное повышение сопротивления пленки.

Поскольку моносульфид самария очень чувствителен к механическим деформациям, то при формировании контакта необходимо до свести к минимуму механические напряжения, возникающие при осаждении металлической пленки контактного материала. Для решения этой задачи выбран двухслойный контакт с использованием в качестве геттера слоя титана (для омического контакта) и хрома (для инжектирующего контакта), толщиной от 50 нм до 200 нм. В качестве второго слоя контакта были выбраны никель (для омического контакта) и кобальт (для инжектирующего контакта). Они являются пластическими металлами, дают низкое сопротивление при толщинах от 300 нм до 800 нм, не подвержены коррозии. Напыление обоих слоев производится при температурах подложки 100-^200°С.

Полученные контакты отличаются высокой стабильностью и воспроизводимостью. При этом инжектирующий контакт предоставляет возможность управления характеристиками тензорезистора с помощью приложенного напряжения.

Пленки, полученные методом взрывного испарения при температуре подложки от 400°С до 600°С и температуре испарителя от 2500+2700°С имели тензочувствительность К= 40+60. Это позволяет более чем на порядок повысить выходной сигнал датчиков.

Сформулированы основные особенности топологии полупроводниковых тензорезисторов из SmS и показаны некоторые их преимущества перед металлическими тензорезисторами. К их числу можно отнести малые размеры тензорезистора при любой величине сопротивления, равенство продольного и поперечного тензоэффекта, высокую чувствительность и возможность получения пленок с низким ТКС, а также использование фазового перехода полупроводник-металл для балансировки тензомоста.

Результаты исследований докладывались на X Всесоюзной конференции "Методы и средства тензометрии и их применение в народном хозяйстве "Тензометрия-89" [114] и на V Всесоюзной конференция по физике и химии редкоземельных полупроводников [115]. Получены патенты РФ [116,117] на способы изготовления контактов к SmS.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Впервые обоснованно выбраны, синтезированы и исследованы исходные вещества для получения пленок сульфидов самария химическим методом. Показано, что термическая деструкция дитиокарбамата самария при температуре 150°0300°С в зависимости от исходных веществ и условий пиролиза приводит к образованию преимущественно поликристаллических текстурированных пленок ряда сульфида самария от SmS2 до SmS.

2. Впервые в результате гетерогенного пиролиза МОС из группы дитиокарбоматов получены пленки ряда сульфидов самария. Показано, что распыление 0,05-4-0,1 М раствора МОС в диапазоне температур 200°С-4-300°С позволяет получить поликристаллические пленки SmS кубической модификации.

3. Исследованы и отработаны условия вакуумной технологии, обеспечивающей воспроизводимое получение пленок SmS с высокой тензочувствительностью. Установлено, что варьирование температуры подложки в диапазоне 400°С-4-600°С, температуры испарения в диапазоне 2500°С-4-2700°С определяет тензочувствительность пленок SmS в диапазоне 40-60.

4. Апробирован комплекс методов определения объемных и контактных параметров полупроводниковых тензорезистивных структур, основанный на дифференциальном анализе статических вольт-амперных характеристик с использованием теории инжекционно-контактных явлений. Показано, что токопрохождение в тонких поликристаллических пленках SmS определяется двойной инжекцией носителей с характерными степенями ВАХ а=1,5 и а=2, а при увеличении уровня инжекции проявляется влияние непараболичности зоны проводимости с а=4.

5. Впервые определены рекомбинационные параметры полупроводниковых пленок моносульфида самария. Показано, что рекомбинационный барьер в поликристаллических пленках SmS обусловлен рекомбинационными уровнями £i=0,23 эВ; Е2=0,17 эВ; с концентрациями дозаполнения Ni«1015 см"3, N2«1017 см"3, сечением захвата «10"11 см3/с, ^»10'13 см3/с и временем жизни неосновных

О 1 Q носителей на них X]» 10" с,т2«10" с.

6. Выявлено влияние материала контактов на свойства пленочных структур из моносульфида самария. В результате созданы омический и инжектирующий контакты к тонкопленочным структурам на основе моносульфида самария. Показано, что применение двухслойной металлизации (Cr+Co; Ti+Ni) контакта к SmS реализует стабильный, воспроизводимый, с низким сопротивлением омический контакт при Ti+Ni и инжектирующий контакт при Сг+Со.

7. Получены и исследованы тонкопленочные тензорезисторы из моносульфида самария с высокой тензочувствительностыо и температурной стабильностью.

Анализируя результаты работы, можно сказать, что полностью подтверждена перспективность применения моносульфида самария в тензометрии и определены направления дальнейших исследований этого материала.

Методом взрывного испарения в вакууме можно получать тензорезисторы, пригодные для практического применения. В то же время химический способ получения пленок SmS из хелатных МОС представляется наиболее перспективным. Необходимы дальнейшие исследования в направлении разработки этого метода.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Ханова, Анна Владиславовна, Киев

1. Физические свойства халькогенидов РЗЭ / Голубков А.В., Гончарова Е.В.,

2. Жузе В.П. и др. Л.: Наука, 1973. -304 с.

3. Смирнов И.А., Оскотский B.C. Фазовый переход полупроводник-металл вредкоземельных полупроводниках (монохалькогениды самария) // УФН. -1978.- Т.124.- вып. 2. С.241-279.

4. Дагис Р.С. Электронное строение и свойства неметаллических редкоземельныхмонохалькогенидов // Электронная структура и оптические спектры полупроводников. Под. ред. Ю.Пожелы. Вильнюс, - 1987.- С.8-40.

5. Палатник J1.C., Набока М.Н. Тонкие полупроводниковые пленки на основе РЗЭ //

6. Редкоземельные полупроводники Баку: Элм. - 1981.- С.134-182.

7. Смирнов Б.Н., Голубков А.В., Смирнов И.А. Механические свойства SmS //

8. ФТТ,- 1976.- Т.18. №7,- С. 2097-2098.

9. Каминский В.В., Виноградов А.А., Капустин В.А., Смирнов И.А. Определениетипа и деформационного потенциала зоны проводимости в SmS // ФТТ. 1978.- Т.20. №9,- С. 2721-2725.

10. Масюкова Н.И., Фаберович О.В. Теоретическое исследование электроннойструктуры и электрофизических свойств моносульфида самария // ФТТ. 1993.- Т.35. № 1.- С.138-144.

11. A.Jayaraman, E.Bucher, F.D.Dernier, L.D.Longinotti. Temperature-induced explosivefirst-order electronic phase tranzition in Gd-doped SmS // Phys. Rev. Lett. 1973. -V.31. N 11. - P.700-703.

12. A.Jayaraman, V.Narayamurti, E.Busher, R.G.Maines. Continuous and discontinuoussemiconductor-metal transition in samarium monochalcogenides under pressure // Phys. Rev. Lett.- 1970.- V.25.- P.1430-1433.

13. Бжалава Т.Л., Жукова Т.Б., Смирнов И.А. и др. Металлическая фаза моносульфида самария, устойчивая при атмосферном давлении // ФТТ. 1974.- Т.16.- № 12,- С.3730-3732.

14. Жузе В.П., Голубков А.В., Гончарова Е.В. и др. Электрические свойства SmS // ФТТ, 1964,- Т.6.- С.268-271.

15. Васильев JI.H., Каминский В.В., Лани Ш. Деформационный механизм возникновения фазового перехода при полировке образцов SmS // ФТТ. 1997.- Т.39. №3,- С.577-579.

16. Шульман С.Г., Бжалава Т.Д., Жукова Т.Б. и др. Фазовый переход полупроводник-металл в тонких пленках SmS // ФТТ. 1975 г. - Т. 17. - № 10.- С. 2989-2992.

17. Погарев С.В., Куликова И.Н., Гончарова Е.В. и др. Исследование тонких пленок SmS с разными параметрами решетки // ФТТ. 1981. - Т. 23. - № 2. -С.434-439.

18. D.W.Pohl, R.Jaggi, K.Gisler, H.Weibel. Optical and electrical properties of metallic SmS films //Solid State Communs. 1975,- V.17.-N6.- P.705-708.

19. Ярембаш Е.И., Елисеев А.А. Халькогениды редкоземельных элементов. M.: Наука, 1975,- 257с.

20. Миронов К.Е., Камарзин А.А., Соколов В.В, Васильева И.Г. Полуторные халькогениды и оксихалькогениды редкоземельных металлов // Физика и химия редкоземельных полупроводников: Химия и технология. Свердловск: УНЦ АН СССР, - 1977.- С.3-27.

21. Елисеев А.А., Кузьмичева Г.М. Кристаллохимия сульфидов редкоземельных элементов // Кристаллохимия М.: ВИНИТИ - 1976. - T.l 1 - С.95-131.

22. R.Suryanarayanan, C.Paparoditis. Preparation, optical and magnetooptical properties of ytterbium chalcogenide thin films // Solid State Communs. 1970. - V.8.1. P.1853-1855.

23. Саровская O.A., Елисеев A.A., Пономарев H.M., Логинова Е.М. Система EuS // Тугоплавкие соединения редкоземельных элементов. Душанбе: Дониш. -1978. - С.195-202.

24. Гордиенко С.П., Феночка Б.Ф., Дроздова С.В. Испарение и термодинамические свойства моносульфидов самария и европия // Халькогениды. Выпуск 3. Киев: Наукова думка. - 1974. - С.49-54.

25. Палатник Л.С., Набока М.Н. Механизм формирования, фазовый состав и структура тонких пленок сульфидов редкоземельных металлов // Всесоюзнаяконференция по физике и химии редкоземельных полупроводников. Л. -1976.-С.28.

26. Набока М.Н., Мишнева Н.К., Терещенко Л.Д. Изменение фазового состава и структуры при отжиге пленок сульфидов и оксисульфидов церия, самария, тулия // Всесоюзная конференция по физике и химии редкоземельных полупроводников. Л. - 1976. - С. 46.

27. Набока М.Н., Терещенко Л.Д. Формирование и структура тонких пленок сульфидов РЗМ // Известия АН СССР. Неорганические материалы. 1980. -Т. 16. -№ 7. - С. 1179-1181.

28. C.Paparoditis, R.Suryanarayanan. Preparation of rare earth chalcogenide thin films by the co-evaporation technique // J. Crys. Growth. 1972. - V.13/14. - P.389-392.

29. R.Suryanarayanan. Optical study of semiconductor to metal transition in SmixLnxS and SmS.xAsx // Physica B+C. 1977. - V.86/88. - Pt 1. - P.227-228.

30. Набока М.Н. Структура и физические свойства тонких пленок на основе соединений редкоземельных элементов // Физика и химия редкоземельных полупроводников. Новосибирск: Наука СО. - 1990.- С.41-45.

31. Айхотжин С.А., Семилетов С.А. К образованию пленок полупроводниковых соединений при дискретном испарении в вакууме // Процессы роста и структура монокристаллических слоев полупроводников. Труды симпозиума, ч.1. -Новосибирск: Наука. - 1967. - С.54

32. Каминский В.В., Смирнов И.А. Редкоземельные полупроводники в датчиках механических величин // Приборы и системы управления. 1985. - №8. -С.22-24.

33. Разуваев Г.А, Грибов Б.Г., Домрачев Г.А., Саламатин Б.А. Металлоорганические соединения в электронике. М.: Наука, 1972. - 479 с.

34. Осаждение пленок и покрытий разложением металлоорганических соединений / Под ред. Г.А.Разуваева. М.: Наука. - 1981. - 332 с.

35. Трембовецкий Г.В., Мартыненко Л.И., Муравьева И.А. Твердофазный синтез аддуктов трис-ацетилацетонатов РЗЭ с ацетилацетонимином // Журнал неорганической химии. 1985. - Т.30. - № 5. - С. 1163-1168.

36. Дзюбенко Н.Г., Мартыненко Л.И. Свойства и строение аддуктов трис-ацетилацетонатов редкоземельных элементов с о-фенантролином // Журнал неорганической химии. 1986. - Т.31. -№ 7. - С. 1699-1705.

37. Kato Akira, Katayama Masauki, Mizutani Atsushi et al. ZnS:Sm grown by metalorganic chemical vapor deposition with CI codoping // J. Appl. Phys. 1995. -V.77. - N 9. - P.4616-4622.

38. Жаровский Л.Ф., Завьялова Л.В., Рахлин М.Я., Свечников С.В. Получение фоточувствительных пленок из хелатных металлоорганических соединений // Полупроводниковая техника и микроэлектроника. 1979. - вып. 23. - С.64-79.

39. Свечников С.В., Власенко Н.А., Завьялова Л.В., Савин А.К. Элекролюминесцентные излучатели на основе пленок ZnS, полученных изхелатных металлоорганнческих соединений // Журнал техн. физики. 1985. -Т.55. -№ 12. - С.2406-2408.

40. Zharovsky L.F., Zavyalova L.V., Svechnikov G.S. Metal-chalcogenides films prepared from chelate metal-organic compounds // Thin Solid Films. 1985. -V.128. -N 3-4. -P.241-249.

41. Ф.Розотти. Термодинамика образования комплексов ионов металлов в растворах // Современная химия координационных соединений. Под ред. Дж. Люиса и Р.Уилкинса. М.: ИЛ 1963.

42. Виноградов А.А., Каминский В.В., Смирнов И.А. Электрические свойства металлической фазы SmS, устойчивой при атмосферном давлении // ФТТ. -1985. -Т.27. С. 1121-1123.

43. Каминский В.В., Виноградов А.А., Володин Н.М. и др. Особенности электропереноса в поликристаллических пленках SmS // ФТТ. 1989. - Т.31. -№9.- С.153-157.

44. Каминский В.В., Володин Н.М., Жукова Т.Б. и др. Электрические свойства и особенности структуры поликристаллических пленок моносульфида самария // ФТТ, 1991.- Т.31.- № 1. - С.187-191.

45. Васильев J1.H., Каминский В.В., Курапов Ю.М. и др. Электропроводность тонких пленок SmS//ФТТ. 1996,- Т.38,- №3.- С.779-785.

46. Виноградов А.А., Гребинский С.И., Каминский В.В. и др. Исследование электропроводности и эффекта Холла в монохалькогенидах самария при одноосном сжатии//ФТТ. 1984,- Т.26. - С.402-408.

47. Щенников В.В., Степанов Н.Н., Смирнов И.А., Голубков А.В. Термо-э.д.с. и электросопротивление монохалькогенидов самария при сверхвысоком давлении//ФТТ. 1988,- Т.30. - №10,- С.3105-3110.

48. K.Iwamoto, K.Kimura, S.Takeuchi. Effects of plastic deformation on the electrical conductivity of SmS single crystals // Phil. Mag. B. 1988. V.57. - N 4. -P.467-472.

49. Гребинский С.И., Каминский B.B., Смирнов И.А., Шульман С.Г. Тензорезистивный эффект в поликристаллических пленках SmS // 3-я Всесоюзная конференция по физике и химии редкоземельных полупроводников (Тбилиси). М.: АН СССР,- 1983,- С.46.

50. Каминский В.В., Романова М.В. Тензочувствительность и температурный коэффициент сопротивления моносульфида самария // Приборы и системы управления. 1988. - № 8. - С.28-29.

51. Голубков А.В., Гончарова Е.В., Капустин В.А. Уточнение модели электропереноса в полупроводниковом SmS // ФТТ. 1980. - Т.22. - № 12. С.3561-3567.

52. Каминский В.В., Васильев Л.Н., Горнушкина Е.Д. и др. Влияние у -облучения на электрические параметры тонких пленок SmS // ФТП. 1995. - Т.29. - № 2.1. С.306-308.

53. Каминский В.В., Щелых А.И., Дедегкаев Т.Т. и др. Фазовый переход металл-полупроводник в SmS по действием лазерного облучения // ФТТ. 1975. -Т.17. -№5 - С.1546-1548.

54. Грачев А.И., Кухарский А.А., Каминский В.В. и др. Оптическая запись амплитудно-фазовых голограмм на пленках SmS // Письма в ЖТФ. 1976. -Т.2. -№ 14,- С.628-631.

55. Ламперт М., Марк П. Инжекционные токи в твердых телах. М.: ИЛ. - 1973. -416 с.

56. Зюганов А.Н., Свечников С.В. Инжекционно-контактные явления в полупроводниках. Киев: Наукова думка, 1981. - 256 с.

57. Стриха В.И. Контактные явления в полупроводниках. Киев: Вища школа. -1982.-256 с.

58. Родерик Э.Х. Контакты металл-полупроводник. М.: Радио и связь. - 1982. -208 с.

59. Зи С.М. Физика полупроводниковых приборов. М.: Мир. - 1984. - 456 с.

60. Као К., Хуанг В. Перенос электронов в твердых телах. М.: Мир. - 1984. -350 с.

61. Власкина С.И., Зюганов А.Н., Романенко В.Ф. и др. Исследование электрофизических характеристик и параметров инжекционных светодиодов на основе SiC //ОПТ. 1983.-№ 3. - С.49-56.

62. Завьялова Л.В., Иванов А.И., Свечников С.В. .и др. Исследование процессов токопрохождения в сернистокадмиевых фотоприемниках, полученных химическим методом // УФЖ. 1984. - Т.29. - № 11. - С. 1686-1691.

63. Власкина С.И., Зюганов А.Н., Смертенко П.С. и др. Влияние структуры на электрофизические параметры пленок карбида кремния на кремнии // УФЖ. -1989. Т.34. -N 4. - С.612-615.

64. A.G.Burak, V.K.Dubovoi, P.S.Smertenko et al. Electrophysical properties of silicon depending on thermal processing and neutron transmutation doping effects // Phys.Stat.Sol.(a). 1991. - V.129. - N 2. - P.K45-K49.

65. Горбач Т.Я., Свечников C.B., Смертенко П.С. и др. Эволюция вольт-амперных характеристик фотолюминесцирующего пористого кремния при химическом травлении// ФТП- 1997.-Т.31.-№ 12-С.1414-1418

66. M.Hasan, S.N.Misra, R.N.Kapoor. Substituted phenoxide and thiophenoxide derivatives of samarium // J. Chem. U.A.R. 1970. - V. 13. - № 2. - P.235-242.

67. M.Hasan, S.N.Misra, R.N.Kapoor. Preparation of thiocarboxylate and alkyl thioglycolate derivatives of samarium in nonaqueous medium // J. Chem. U.A.R. -1970.- V.13. -№ 3. P.353-359.

68. K.S.Gharia, M.Singh, S.Mathur et al. Substituted thiophenoxide derivatives of some lanthanides // Synth, and Reactiv. Inorg. and Metal-org. Chem. 1982. - V. 12. - N 4. - P.337-345.

69. H.C.Aspinoll, D.S.Bradley, U.B.Hussthouse et al. Lanthanide thiolate complexes: synthesis of Ln{n(SiMe3)2}(|~i-S Bu').2 (Ln = Eu, Gd, Y) and the X-ray crystal structure of the Gd-complex // Chem. Communs. 1985. -№ 22. - P. 1585-15 86.

70. Бочкарев M.H., Радьков Ю.Ф., Бочкарев Jl.H., Калинина Г.С. Химия элементоорганических соединений. Горький, Горьк.ун-т. - 1983. - С.30-32.

71. Бочкарев М.Н., Федорова У.А., Радьков Ю.Ф. и др. Присоединение двуокиси углерода к алкокси- и тиопроизводным лантаноидов // ДАН СССР. 1984. -Т.279. -№ 6. - С.1386-1389.

72. Радьков Ю.Ф., Федорова Е.А., Хорошев С.Я. и др. Взаимодействие БИС (бутилселенолята) иттербия и родственных соединений с двуокисью углерода // ЖОХ. 1985. - Т.55. - №10. - С.2153-2157.

73. B.Brzyska, G.Hubiska. Preparation and properties of yttrium, lanthanum and light lanthanide complexes with thiodiglicolic acid // Polish. J. Chem. 1987. - V.61. -N 7-12. -P.667-673.

74. Бырько В.М. Дитиокарбаматы. М.: Наука. - 1984. - 341с.

75. R.Bonati, R.Ugo. Organotin (IV) N,N-disubstituted dithiocarbamates //J. Organometal. Chem. 1967. - V.10.-N10. - P.257-268.

76. D.Brawn, S.Fietcher. The preparation and crystallographic properties of sertain lanthanide and actinide tribromides and tribromide hexahydrates // J. Chem. Soc. A. -1968. -N.8. P. 1889-1894.

77. Практикум по неорганической химии. Пер. с нем. М.: Мир. - 1979. -376 с.

78. Бочкарев М.Н, Каткова М.А., Хорошев С.Я, Макаренко Н.П. Эрбийорганические соединения с дендримерными лигандами // Известия РАН, сер. хим. 1996.-№1.-с.163-166.

79. Свечшков С.В., Смертенко П.С., Смирнов А.В., Спичак I.O. Диференцшний метод анал1зу штегральних характеристик // Украшський ф!зичний журнал. -1998. Т.43. - N 3. - С.374-377.

80. N.H.Fletcher. The high current limit for semiconductor junction devices // Proc.IRE.- 1967. V.45. - P.862-872.

81. E.O.Kane. Band structure of indium antimonide // J. Phys. Chem. Sol. 1957. - V.l. -P.249-261.

82. Ансельм А.И. Введение в теорию полупроводников. М.: Наука. - 1978.616 с.

83. Галкин Г.Н. Междузонные процессы рекомбинации в полупроводниках при высоких уровнях возбуждения // Труды ФИАН. 1981. - Т. 128. - С.3-64.

84. Двуреченский А.В., Качурин Г.А., Кидаев. Е.В., Смирнов JI.C. Импульсный отжиг полупроводниковых материалов. М.: Наука. - 1982 г. - 208 с.

85. Моин М.Д. Кинетика образования дефектов и испарения твердого тела под действием лазерного излучения // ФТТ. 1984. - Т.26. - № 9. - С.26-29.

86. Быоб Р. Фотопроводимость твердых тел. М.: ИЛ. - 1962. - 558 с.

87. Стриха В.И., Попова Г.Д., Бузанова Е.В. Физические основы изготовления омических контактов металл-полупроводник. I. // Полупроводниковая техника и микроэлектроника. 1976. - вып. 19. - С. 82-86.

88. Стриха В.И., Попова Г.Д., Бузанова Е.В. Физические основы изготовления омических контактов металл-полупроводник. II. Полупроводниковая техника и микроэлектроника. - 1976. - вып. 20. - С. 20-35.

89. Андреев В.М., Долгинов Л.М., Третьяков Д.Н. Жидкостная эпитаксия в технологии полупроводниковых приборов. М.: Сов. радио. - 1975. - 328 с.

90. Пат. 238434 ЧССР, МКИ Н 01 L 23/00. Омический контакт / Лани Ш. (ЧССР), Каминский В. (Россия).-№PV9300-83 от 16.04.85; Опубл. 15.05.87. 3 с. ил.

91. Фоменко B.C. Эмиссионные свойства материалов. Киев: Наукова думка. -1970.- 148 с.

92. Пат. 2024989 РФ, МКИ Н01 L 21/02. Способ изготовления омических контактов к полупроводниковым резисторам на основе моносульфида самария / Володин Н.М., Каминский В.В. -№ 4875406/21 Заявлено 22.10.90 ; Опубл. 15.12.94, Бюл. №23.

93. Смитлз К.Дж. Металлы. М.: Металлургия. - 1980. - 448 с.

94. Вагатов В.И. Интегральные тензопреобразователи. М.: Энергоатомиздат. -1983.- 136 с.

95. Тензометрия в машиностроении. Под. ред. Р.А.Макарова. М.: Машиностроение. - 1975. - 228 с.

96. А.с. 1384933 СССР, МКИ G 01 В 7/18. Способ балансировки резистивного моста электромеханического датчика / Володин Н.М., Девяткин С.И., Карягин В.П. и др. -№ 32357/25-28; Заявлено 9.01.81; Опубл. 30.03.88. Бюл. № 12. 2с. ил.