Полупроводниковый магниторезистор и способ его изготовления Советский патент 1992 года по МПК H01L43/08 H01L43/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении величины магнитного поля в условиях криогенных температур.

Известен магниторезистор на основе сплава InSb-Ni-Sb. Диапазон рабочих температур 4.2-30 К. Ферма магниторезистора - меандр диаметром d 30-50 мкм. Чувствительный элемент наклеен на подложку из ситала диаметром 100 мкм. Размер активной области 1x3 мм2, габариты 2x4x0,5 мм . Электрическое сопротивление магниторезистора RO 10-50 Ом, допустимая мощность рассеивания 5 мВт. Магнитосоя- ротивление.(МС) исследовано в области полей 0,3-6 Тл. Характеристики достаточно

линейны в полях свыше 1Тл, однако в области 2-2,5 Тл монотонность их несколько нарушается. При 4.2 К чувствительность AR/R А В 4,4 и при значениях В 2.5 - 3 Тл постоянна в пределах 1-2%. Температурный коэффициент чувствительности (ТЧК) 0,05 %/град. Существует такое направление вектора § магнитной индукции, при котором магниторезистИвность достигает наибольшего значения. В этой связи рассмотренный магниторезистор не может быть использован для измерения магнитного поля без предварительной ориентации его в пространстве относительно В, а значит, не обеспечивает высокой точности измерений.

XI

ю

00

ю о

CJ

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является тензорезистор из пленки германия р-типа проводимости на подложке полуизолирующего арсенида галлия.

Пленки имеют толщину 5,0 мкм. Концентрация носителей тока, полученная из холловских измерений, составляет величину б- 1017 для пленок осажденных при 773 К и 2 108 для пленок осажденных при 623 и 893 К. Незначительное отличие в коэффициентах термического расширения германия и арсенида галлия приводит к тому, что в широком диапазоне температур в системе Ge - GaAs термические напряжения малы, что дает возможность использовать пленки в широком диапазоне температур. Магнитосопротивление пленок измерено в диапазоне температур 77 - 300 К. Для измерения магнитосопротивления необходимо ориентировать магнитное поле В перпендикулярно току Т. При температурах жидкого гелия для таких пленок существует ориентационная зависимость магнитосопротивления, которая по величине не менее 20%. Наибольший магниторе- зистивный эффект наблюдается в пленках полученных при температуре подложки Тп 773 К, и составляет 45 в поле В 1,2 Тл, температуре 100 К и при В.п (где п нормаль к пленке).

Способ изготовления таких пленок заключается в термическом осаждении германия в вакууме на нагретую подложку арсенида галлия. Температура подложки постоянна и выбиралась в пределах 623-895 К. Технология получения предусматривает предварительный отжиг подложки в течение 900-1200 с при температуре осаждения или более высокой. Скорость осаждения 10 А/с. Толщина пленок 5 мкм. Охлаждение от температуры осаждения до комнатной температуры Тк проводится плавно в течение 3600 с. Пленка имеют р-тип проводимости, который обусловлен легированием из подложки галлием, а также структурными дефектами.

При Тп 623 К получаются поликристаллические пленки, а при более высоких Тп переходят в монокристаллические с увеличением легирования их мышьяком и галлием из подложки. Максимальная величина магнитосопротивления наблюдается в пленках, полученных при Тп 773, для которых и наиболее высокая подвижность носителей тока. При этом Щл. Таким образом рассмотренные конструкция и способ получения пленок германия на полуизолирующем арсениде галлия не приводят к

созданию магниторезистора, позволяющего измерять индукцию магнитного поля, не ориентируя предварительно преобразователь относительно В , а значит, не обеспечивают необходимой точности измерения величины магнитной индукции в диапазоне температур 4.2-30 К.

Цель изобретения - повышение точности измерения индукции магнитного поля в

диапазоне температур 4.2-30 К путем создания магниторезистора, чувствительность которого к магнитному полю не зависит от взаимной ориентации вектора В магнитной

индукции и тока 1 питания магниторезистора.

На фиг. 1 приведена конструкция магниторезистора; на фиг. 2 - кривые зависимостей относительного сопротивления AR0/Ro

пленок (Ro - электрическое сопротивление пленки) от величины В магнитного поля при температуре Т 4.2 К для пленок толщиной 5 мкм. ..

Магниторезистор (фиг. 1) содержит

подложку 1, изготовленную из полуизолирующего арсенида галлия, магниточувстви- тельную пленку 2,. изготовленную из германия р-типа проводимости, контактные площадки 3, изготовленные из индия, и измерительные выводы 4, изготовленные из медной проволоки диаметром 0,1 мм. Размеры магниторезистора 0,03x1,0x4,0 мм3. Величина электрического сопротивления магниторезистора, изготовленного из образца 1 (см. табл.) при К равно 360,0 Ом.

На фиг. 2 представлены магнитополе- вые зависимости сопротивления при Т-4.2 К для пленок толщиной 5 мкм, полученных

при Тп 713 К (кривые 1,2), Тп 733 К (3,4) и Тп 683 К (5,6). Концентрация дефектов в пленках, МС которых изображено кривыми 1-4, составляет 6 106 см , а в пленках 5 и

& см 2 кРивые 1 построены для Bji, а кривые 2, 4, 6 для ВИ. Максимальные отклонения в в личине МС наблюдались при сравнении Bii и .

Технологические режимы получения пленок и их параметры приведенны в табли- це.

Сущность изобретения состоит в следующем.

При получении пленок Ge на GaAs происходит автолегирование пленок компонен- тами подложки As и Ga. Мышьяк и галлий являются донорной и акцепторной примесями для германия. Кроме того, процесс роста пленки сопровождается возникновением структурных дефектов, которые также могут создавать акцепторные уровни в Ge. Одновременное присутствие указанных источников свободных носителей тока приводит к значительной компенсации К Nfl/NA(NA- концентрация доноров, NA - концентрация акцепторов) и возникновение прыжковой проводимости при низких температурах. При этом оставшиеся носители тока локализованы на примесных атомах и кинетиче- ские эффекты в пленке начинают определяться волновой функцией локализованных состояний.

Воздействие магнитного поля приводит к изменению электрического сопротивле- ния пленки RO, которое определяется выражением

. , +ARrm Ro R Ш R UUl где AR/R(4J - поперечная составляющая магнитосопротивления, обусловленная движением носителей тока вдоль электрического поля и при наличии перпендикулярно направленной вектору скорости Г составляющей вектора магнитной индук- ции В;

A R/R(n ) - составляющая магнитосопротивления, обусловленная прыжковой проводимостью (изменением волновой функции носителей тока при воздействии маг- нитного поля), величина которой не зависит оториентации В относительно направления тока.

В пленках, полученных приТп 713 К, концентрация нескомпенсированной ак- цепторной примеси при Т 300 К составляет 8,1 1017 , плотность структурных дефектов 6,2 -10е . Высокая концентрация примеси и структурных дефектов (дислокации, вакансии и т.д.) приводит к сильному уменьшению подвижности// носителей тока и соответственно к уменьшению составляющей магнитосопротивления AR/R(X которая пропорциональна /и . Это приводит к тому, что вклад AR/R(J в МС становится незначительным, поэтому в указанных пленках, как видно из фиг. 2 (кривые Д,2), отличие в величинах МС при В Г и В:Ч не превышает 1 % в поле 6 Тл.

Концентрация носителей тока и струк- турных дефектов выбраны равными (8,0±0,2) -1017 и (6,0 ±0,3) -106см 2 соответственно по следующим причинам. Установлено: при уменьшении концентрации носителей тока и концентрации структур- ных дефектов ниже указанных разница между AR/R(i) и AR/R(fl) заметно увеличивается, что обусловлено увеличение подвижности носителей тока /г, а следовательно, и AR/R(J). Увеличение концентрации дырок также приводит к росту

разницы между AR/RQ и AR/R(/J, что связано с появлением при низких температурах вклада металлической проводимости, при которой также возрастает поперечное маг- нитосопротивление. Приведенные доводы подтверждаются фиг. 2. Кривые 3, 4 приведены для пленок полученных при Тп 733 К. Для них Np 5,2 . 1017 , Ng 6,0 -106 . Разница между продольным и поперечным МС при В 6 Тл достигает 11%. Для пленок, полученных при 683 К, Np 1018см 3 и Ng 2,0 -10 , что привело к отличию МС в зависимости оториентации В, равному 6%. Для образцов 4 (табл. 3) отличие в МС при В.Н и В Тсоставляет ТО%.

Таким образом только магниторези- стор, изготовленный из пленки с концентрациями Np (8,0±0,2) -1017 см 3 и Ng (6,0± ±0,3)-10 см , позволяет измерять величину индукции магнитного поля В независимо от ориентации ее вектора относительно L

Физическая сущность предлагаемого способа состоит в следующем.

При нагревании арсенида галлия его поверхность начинает диссоциировать на атомы мышьяка и галлия. Интенсивность диссоциации возрастает при повышении температуры. При этом благодаря большей летучести As поверхность подложки может насыщаться избыточным галлием. Пленки германия, осажденные на такую подложку легируются компонентами подложки. Кроме того пленки, как правило, имеют большое количество структурных дефектов, которые также дают вклад в формирование электрофизических свойств пленок. Образование структурных дефектов.зависит от температуры осаждения. Наиболее: совершенные монокристаллические плёнки образуются при Тп 773 К. При температурах 653 К и ниже происходит рост поликристаллических пленок.

Установлено, что на плотность структурных дефектов влияет и скорость охлаждения пленки от температуры осаждения до комнатной температуры Тк. Это связано, как с разницей в коэффициентах, термического расширения Ge и GaAs, приводящих к возникновению дислокаций несоответствия, так и с возникновением термодефектов при быстром понижении температуры. Всем перечисленным комплексом фиксаторов определяются свойства пленок.

Установлено также, что именно при Тп 703-718 К образуется то необходимое количество Ga и As для создания компенсации и свободных носителей тока, которые затем вместе со структурными дефектами, возникшими при установленном режиме охлаждения, определяются законом

Т П-п-Тк). е-1 34 10 3 . где t - время, приводит к практически независящей величине МС от взаимной ориентации В и ГГВ указанном режиме получения пленок, концентрация дырок, измеренная с помощью эффекта Холла, при 300 К равна (8,0±0,2) -10 , а плотность структурных дефектов, определенная с помощью рентгеновской металлографии и травления, равна (6,0 ±0,3) -106см 2.

Повышение температуры осаждения приводит к более интенсивной диссоциации и улетучиванию Ga и As, и улучшению совершенства пленки, Такие пленки, охлажденные по режиму 2 (табл.), обладают меньшими значениями Np при сохраняющейся плотности Ng (фиг. 2, кривые 3,4). Изменение режима в сторону увеличения средней скорости охлаждения VCp Tn - Tk/t приводит к резко неоднородному распределению структурных дефектов по толщине пленки.

Понижение температуры осаждения при режиме 2 последующего охлаждения приводит к появлению мозаичной монокристалличности в пленках, увеличению плотности структурных дефектов, скоплению примеси на границах мозаичных зерен, что не позволяет получить необходимые параметры пленки.

Таким образом, только получение пленки при Тп 703-718 К и последующее охлаж-з

дение по закону Т (ТП-ТК) -е 10 + +ТК приводит к концентрации Np (8,0±0,2)х х1017см 3и Ng (6,0±0,3) -10е см .

Пример. Предложенный способ использован для изготовления магниторези- сторов для области криогенных температур. Подложка из полуизолирующего арсенида галлия с удельным сопротивлением р 10 Ом -см нагревалась в вакууме Па. Пленка германия осаждалась испарением германия п-типа (р 40 Ом -см) из графитового тигля. Температура осаждения пленок германия на подложку, режим охлаждения структуры Ge-GaAs и параметры полученных пленок указаны в таблице. Для изменения режимов охлаждения в вакуумную камеру после осаждения пленки подают небольшие порции инертного газа (азот, гелий). Охлаждение по режиму 2 (табл.) осуществляют после понижения давления в камере за счет добавления азота до достижения вакуума Па и одновременного выключения питания испарителя и нагревателя подложки.

Полупроводниковый магниторезистор работает следующим образом.

Вначале проводят градуировку магни- торезистора. Для этого измеряют с помощью омметра, подключенного к выводам 4, величину его электрического сопротивления при рабочей температуре (Т из диапазона 4.2-30 К) и в отсутствие магнитного поля. В нашем случае при 4.2 К R0 485.7 Ом. Затем включают магнитное поле и измеряют зависимость величины магнитосопро- тивления от индукции магнитного поля ARo/Ro(B). Для изготовленных нами из образцов 1 магниторезисторов градуировоч- ные кривые для Т 4.2 К представлены на фиг. 1 (кривые 1 и 2). Для повышения точности измерения в качестве градуировочной кривой ARq/Ro B) нужно брать усредненную между и Bui кривую, т.е. зависимость

А ГУ) i- Д ГУ ,т г-1

-р- (4 -Б- 00/2. В этом случае погрешность за счет несовпадения ориентации Вс одной из ориентации относительно Гне превышает ±0,5% при Т 4.2 К и поле В 6,0 Тл.

Измерение неизвестной величины В с помощью магниторезистора производят следующим образом. Вносят магниторезистор в магнитное поле. Омметром измеряют величину электрического сопротивления RB. В нашем опыте оно оказалось равным RB 494,0 Ом. Величина магнитосопротивле- ния равна (RB-Ro/Ri):100 2,5%, используя градуировочную кривую, устанавливают, 5 что индукция магнитного поля равна В 3,1 Тл.

Практически не зависящая от взаимной ориентации В и i величина МС позволяет существенно повысить точность измерения индукции магнитного поля и проводить измерения без предварительной ориентации В относительно осей магниторезистора.

Магниторезисторы могут быть использованы для измерения магнитного поля в устройствах криогенной сверхпроводящей технике, электроэнергетики и т.д. Применение магниторезистора позволяет с высокой точностью измерять величину магнитного поля в местах, где неизвестно направление 0 вектора В

Таким образом предлагаемые технические решения позволяют повысить точность измерения индукции магнитного поля в условиях, когда неизвестна ориентация вектора индукции магнитного поля.

Формула изобретения

1. Полупроводниковый магниторезистор, содержащий подложку из полуизолирующего арсенида галлия и

0

5

0

5

0

0

5

5

магниточувствительный слой толщиной 5 мкм из монокристаллической пленки германия дырочной проводимости, содержащей дислокации, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения индукции магнитного поля в диапазоне температур 4.2-30 К, магниточувствительный слой имеет концентрацию Np дырок (8,0±0,2) -1017см 3, а плотность Ng дислокаций (6,0±0,3)-106 .

2. Способ изготовления полупроводникового магниторезистора, включающий

0

осаждение пленки германия на нагретую подложку из арсенида галлия путем термического испарения германия в вакууме и равномерное охлаждение, отличающийся тем, что осаждение проводят при температуре Тп от 703 до 718 К, а охлаждение до комнатной температуры Т осуществляют по зависимости

т- г-,, -г . -VWMO

Т (Тп-Тк) е4 Тк,

где Т - температура в данный момент времени, t - время.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении величины индукции магнитного поля в условиях криогенных температур. Цель изобретения - повышение точности измерения индукции магнитного поля в диапазоне температуры 4.2-30 К. Полупроводниковый магниторезистор содержит подложку из полуизолйрующего арсенида галлия и магниторезистивный слой из монокристаллической пленки германия толщиной 5 мкм. Концентрация Np свободных носителей заряда в пленке (8,0± 0,2)-1017 , плотность Ng структурных дефектов (6,0±0,3) 106см 2. Способ изготовления магниторезистора состоит в осаждении путем термического испарения в вакууме Германия на нагретую до Тп 703-718 К подложку из арсенида галлия. Осаждение ведут со скоростью 10 А/с. Охлаждение от температуры получения Тп до комнатной температуры Тк осуществляют по зависимости Т (Тп - Тк) -1,34 (Л С +Тк, где Тр - температура под- с ложки, Тк - комнатная температура. 2 с.п. ф-лы, 1 табл. 2 ил.

з-ил 1

2

ФИГ. 2