СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МАГНИТОРЕЗИСТОРОВ Советский патент 1994 года по МПК H01L29/82 

Изобретение относится к области изготовления полупроводниковых приборов, а именно к способам изменения физических параметров полупроводника в магнитном поле с использованием давления.

Целью изобретения является улучшение температурной и полевой характеристик магниторезистора.

При создании давления в области фазового перехода полупроводника P_tпроисходит образование и рост зародышей новой фазы, вследствие чего материал становится двухфазным. Выдержка в течение 8-24 ч после создания давления от P_t до P_t + 0,2 ГПа и фиксации положения пуансонов приводит к стабилизации степени превращения и соответственно электрических свойств. Этому способствует сброс давления при переходе части образца полупроводникового материала в более плотную фазу высокого давления, а также сам характер фазового перехода.

Электрические свойства полупроводникового материала определяются комбинацией электрических свойств фаз высокого и низкого давления. Так, например, фаза низкого давления селенида ртути имеет низкое удельное сопротивление ρ_o = 10^-4 Ом ˙ см и положительный температурный коэффициент сопротивления, фаза высокого давления - удельное сопротивление ρ_o = 10² - -10³ Ом ˙ см и большой отрицательный температурный коэффициент сопротивления. Двухфазный селенид ртути имеет высокое удельное сопротивление ρ_o= 0,1-10,0 Ом ˙см и температурный коэффициент сопротивления меньший, чем у каждого из фаз. Температурную зависимость сопротивления фаз низкого и высокого давления можно описать зависимостью
ρ = ρ_o˙ exp(-B/T), где ρ_o - константа, Ом ˙ см;
Т - температура от 200 до 300 К;
B - коэффициент, принимающий значения B = 400 К для исходной фазы и B = -4000 К для фазы высокого давления P > P_t + 0,2 ГПа. Для двухфазного материала (согласно предложенному способу) температурный коэффициент B = 90 - 150 К.

Чувствительность полупроводника к магнитному полю определяется областями с низким сопротивлением, поэтому она остается высокой. В магнитном поле 2 Тл изменение сопротивления исходной фазы составляет несколько процентов, а у двухфазного материала около 1% . Однако с учетом того, что удельное сопротивление двухфазного материала в 10³-10⁵ раз выше, чем у исходного материала, абсолютная величина изменения сопротивления в магнитном поле у двухфазного образца больше, чем у каждой из фаз.

На фиг. 1 показана схема устройства для реализации способа; на фиг. 2 (для первого образца) и фиг. 3 (для второго образца) показаны зависимости сопротивления селенида ртути от времени выдержки образцов под давлением. Цифрами у кривых указано давление в ГПа. Цифры в скобах указывают величину установившегося после выдержки давления. Давление уменьшается на 0,03 ГПа из-за объемного эффекта превращений некоторой части образца, что способствует стабилизации свойств селенида ртути. Светлыми точками отмечены результаты второго цикла повышения давления. На фиг. 4 показаны температурные зависимости удельного сопротивления третьего-пятого образцов селенида ртути. (Для третьего образца при давлениях 0,35 и 0,76 ГПа масштаб сопротивления взят в 10³ раз больше, чем при давлении 0,87 ГПа, для четвертого образца давление соответствует 0,67 ГПа, для пятого - 0,86 ГПа). На фиг. 5 показана зависимость сопротивления селенида ртути от магнитной индукции при выдержке третьего образца при давлениях P < P_t и времени менее 8 ч. На фиг. 6 показана зависимость сопротивления селенида ртути от магнитной индукции при выдержке третьего образца при давлении 0,85 ГПа, пятого образца при давлении 0,86 ГПа. Величина ρ (0) определена при отсутствии магнитного поля.

Устройство (фиг. 1) содержит образец 1 селенида ртути; корпус - камеру 2 высокого давления, термостат 3, термопару 4, датчик 5 давления, полюса 6 электромагнита, датчик 7 магнитной индукции, например датчик Холла, регистрирующий прибор 8, переключатель 9, источник 10 питания образца.

П р и м е р реализации способа.

Для изготовления магниторезистора испытывают образцы селенида ртути со следующими значениями удельного сопротивления ρ₁ и концентрации электронов N при Т = 293 К.

ρ₁, Ом ˙ см N, см^-3 первый образец 1,2 ˙ 10^-4 0,4 ˙ 10¹⁸ второй образец 6,0 ˙ 10^-4 0,5 ˙ 10¹⁸ третий образец 1,4 ˙ 10^-4 7,0 ˙ 10¹⁸ четвертый и пятый образцы 5,4 ˙10^-4 2,0 ˙10¹⁸
Магниторезистор представляет собой герметичный корпус-камеру высокого давления, изготовленную из термообработанного титанового сплава ВТЗ-1. Изменение температуры в ней осуществляют в пенопластовом термостате 3 в парах жидкого азота, температуру измеряют медно-константовой термопарой 4. Передающей давление средой является смесь керосина и трансформаторного масла в отношении 4: 1. Давление измеряют с помощью манганинового датчика 5. Магнитную индукцию создают электромагнитом 6 и измеряют датчиком Холла типа ДХ-602, изготовленным из сурьмянистого индия n-типа. В качестве регистрирующего прибора используют потенциометр ПДП 4-002. Для изменения режима работы применяют переключатель 9. Источник 10 питания состоит из батареи типа "Бакен" и магазина сопротивления Р33. Сопротивление образца селенида ртути измеряют с помощью потенциометра Р363-1 и цифрового вольтметра В7-21. Образец 1 селенида ртути, размещенный в камере, имеет форму параллелепипеда размерами 0,7х0,7х5,0 мм. Грани образца отполированы и протравлены до снятия нарушенного слоя. Токовые контакты, припаянные к торцам образца, изготовлены из медного провода диаметром 0,05 мм, а четыре потенциальных контакта, припаянные к граням, - из медного провода диаметром 0,03 мм (пайка осуществлена легкоплавким индиевым припоем).

Подготовку магниторезистора к работе выполняют в следующей последовательности.

С помощью пуансонов (на фиг. 1 не показаны) в камере высокого давления создают давление в интервале от P_t до P_t + 0,2 ГПа, где P_t - давление фазового перехода селенида ртути, равное 0,74-0,80 ГПа. Положение пуансонов фиксируют и выдерживают образец при установленном давлении в течение 8-24 ч. Так, первый образец выдерживают при давлении 0,96 ГПа в течение 15 ч, второй - при давлении 0,93 ГПа в течение 15 ч, третий образец - при 0,87 ГПа в течение 24 ч, четвертый - при 0,85 ГПа в течение 17 ч, пятый - при давлении 0,89 ГПа в течение 5600 ч. Экспериментальные данные (фиг. 2 и 3) показывают, что стабилизация свойств наступает - через 8-24 ч выдержки. Давление в процессе выдержки уменьшается на 0,03 ГПа из-за объемного эффекта превращения некоторой части образца. Сброс давления способствует стабилизации превращения и свойств селенида ртути.

После обработки сопротивление селенида ртути увеличивается в 10³ - 10⁵ раз. На фиг. 4 показано, что температурный коэффициент сопротивления третьего и пятого образцов становится в 3 раза меньше минимального коэффициента для исходной фазы. Температурную зависимость удобно представить в виде
ρ = ρ_o˙ exp(-B/T), где ρ_o - постоянный коэффициент, определяемый экспериментальным путем.

ρ_o = 0,1 - 10,0 Ом ˙ см; Для первого - пятого образцов коэффициент ρ_o имеет соответственно следующие значения, в Ом ˙ см: 0,60; 0,10; 0,18; 0,69; 7,0; Т - температура в диапазоне 200-300 К; В - коэффициент, равный 90-150 К.

Зависимость сопротивления от магнитной индукции при данных условиях обработки остается высокой (фиг. 6). Поскольку сопротивление селенида ртути становится в 10³ - 10⁵ раз выше, абсолютная величина изменения сопротивления в магнитном поле выше, чем для исходного материала. Так, для третьего образца изменение удельного сопротивления в поле 2 Тл составляет при давлениях, меньших P_t, 1˙ 10^-5 Ом ˙ см, а при указанном способе 1˙ 10^-3 Ом ˙ см (фиг. 4 - 6). Из фиг. 4-6 также видно, что примерно такие же значения имеет магнитосопротивление пятого образца. Таким образом, чувствительность магниторезистора, изготовленного по данному способу, повышается (на два порядка) по сравнению с исходным полупроводниковым материалом (селенидом ртути).

При обработке давлением от P_t + 0,2 до P_t + 0,5 ГПа не удается достигнуть стабильных значений сопротивления. Если после выдержки при давлении от P_t до P_t + 0,2 ГПа снизить давление до значений, меньших P_t, то также не удается достичь стабильности. Температурные зависимости сопротивления при этом имеют гистерезис (см. фиг. 4 четвертый образец).

Эффективность предложенного способа изготовления магниторезистора заключается в уменьшении температурного коэффициента сопротивления в 3-4 раза и возрастании чувствительности к магнитному полю на два порядка и более. Улучшение электрофизических характеристик достигается созданием и стабилизацией в исходном полупроводниковом образце областей фазы высокого давления. Изменяя давление, можно управлять работой магниторезистора. (56) Заявка ФРГ N 2410091, кл. H 01 L 29/84, 1977.

Iwanowski R. I. и др. Электронная подвижность и рассеяние электронов в кристаллах ртуть-кадмий-селен. J. Phys. Chem. Sol. 1978, v. 39, N 10, р. р. 1059-1070.

Щенников В. В. и др. ТермоЭДС гексагонального селенида ртути. - "Физика и техника полупроводников", 1982, т. 15, N 4, с. 715-717.

Изобретение относится к области изготовления полупроводниковых приборов, а именно к способам изменения физических параметров полупроводника в магнитном поле с использованием давления. Цель изобретения - улучшение температурной и полевой характеристики магниторезистора. Цель изобретения достигается при изготовлении магниторезистора, состоящего из образца полупроводникового материала, размещенного в герметичном корпусе - камере высокого давления. В камере создают давление от P_t до P_t+0,2 ГПа, где P_t - давление фазового перехода, фиксируют положение пуансонов камеры и выдерживают образец под давлением 8 - 24 ч, после чего приступают к измерению магнитного поля. Приведены характеристики магниторезистора с образцом из селенида ртути. По сравнению с известными магниторезисторами предложенный способ позволяет в 3 - 4 раза уменьшить температурный коэффициент сопротивления и повысить на два порядка и более чувствительность к магнитному полю за счет создания и стабилизации в полупроводниковом материале областей фазы высокого давления. 1 з. п. ф-лы, 6 ил.

1. СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МАГНИТОРЕЗИСТОРОВ, включающий формирование контактов на образце полупроводникового материала, размещение образца в герметичном корпусе - камере высокого давления и создание в камере давления в области фазового перехода P_t, отличающийся тем, что, с целью улучщения температурной и полевой характеристик магниторезисторов, в камере высокого давления создают давление в диапазоне P_t < P < P_t + 0,2 ГПа, фиксируют положение пуансонов и выдерживают образец под этим давлением в течение (2,88 - 8,64) · 10⁴ с. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве полупроводникового материала используют селенид ртути.