Вплив одновісної деформації та гідростатичного тискуна властивості тонких шарів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вплив одновісної деформації та гідростатичного тискуна властивості тонких шарів

А.О. Дружинін

Анотація

Досліджено тензометричні характеристики тонких шарів антимоніду індію, як нелегованих, так і легованих із різною концентрацією домішки телуру в широкому діапазоні деформацій (є = ± 1,3 х 10^-3 відн. од.) і температур (- 180 ^ + 100) °С. Найвищі значення коефіцієнта тензочутливості були одержані для зразків InSb п-типу провідності, легованих телуром до концентрації (47) х 10¹⁶ см^-3, на основі яких можуть бути створені чутливі елементи тензодатчиків. Також було вивчено вплив гідростатичного тиску до 5000 бар на тонкі шари InSb, як нелеговані, так і леговані телуром і цинком. Визначені значення коефіцієнтів гідростатичного тиску для цих шарів та їх температурні залежності в інтервалі температур (- 75 ^ + 80) °С. Найбільша чутливість до гідростатичного тиску виявлена в зразках InSb, легованих цинком (К₂₀°_С ~ 46). Дано рекомендації щодо застосування тонких шарів InSb як чутливих елементів датчиків тиску.

Ключові слова: тонкі шари антимоніду індію; тензорезистивні властивості; коефіцієнт тензочутливості, гідростатичний тиск

Aim of the work is to study the influence of uniaxial strain and hydrostatic pressure on the electrophysical properties in indium antimonide thin layers with different doping concentration for creation on their basis sensitive elements of mechanical sensors acting in the temperature range (- 60 - + 60) ⁰C.

Piezoresistive properties of undoped and doped by tellurium InSb thin layers were studied in wide range of strain (e = ± 1.4 x 10^-3 rel. un.) The samples with current contacts were fixed on the steel calibration beam. The resistance of the indium antimonide thin layers was measured at the operated current 1 mA.

The lowest temperature dependence of resistors on the basis of n-type conductivity InSb thin layers was revealed on the temperature dependences in range (- 180 - + 120)°C. The largest value of gauge factor K ~ - 46 at temperature 20⁰C were found in undoped samples of InSb with majority concentration (2 - 3)x10¹⁶ cm^-3. The n-type InSb thin layers doped by tellurium to concentration of (4 - 7) x 10¹⁶ cm^-3 with sufficiently high value of gauge factor (K₂₀°_c ~ - 35) and relatively weak its dependence on temperature has the most optimal characteristics for the creation of strain gauges.

The linear dependence of the resistance to the pressure of the InSb thin layers was found in the study of the effect of hydrostatic pressure up to 5 000 bar. The p-type conductivity InSb samples doped with zinc to concentration 1*10¹⁶см^-3have the greatest sensitivity to hydrostatic pressure (K₂₀°_c ~ 46) at positive temperatures. These layers could be used to create high-sensitivity pressure sensors, capable of operating in the temperature range (0 ^ + 60) °C. InSb samples with a concentration of charge carriers (2^3) *10¹⁶ cm^-3 should be used for a wider range of temperatures.

Keywords: indium antimonide thin layers; piezoresistive properties; gauge factor; hydrostatic pressure

Метою роботи є вивчення впливу одновісної деформації та гідростатичного тиску на електрофізичні властивостей тонких шарів антимоніду індію з різною концентрацією легуючої домішки для створення на їх основі чутливих елементів сенсорів механічних величин, дієздатних в інтервалі температур (- 60 ^ + 60) ⁰С.

У широкому діапазоні деформацій є = ± 1.4 х 10^-3 відн. од. було досліджено п'єзорезистивні властивості нелегованих та легованих телуром тонких шарів InSb п-типу провідності. Зразки із створеними струмовими контактами закріплювались на стальній калібрувальній балці. Опір тонких шарів антимоніду індію вимірювали при керуючому струмі 1 мА.

При дослідженнях температурних залежностей опору резисторів на основі тонких шарів InSb п-типу провідності, за температур (- 180 ^ + 120) 0С виявлено, що найменша температурна залежність отримана для зразків легованих телуром до концентрацій (1 ^ 1,5) х 1018 см-3. Встановлено, що найвищий коефіцієнт тензочутливості К20°С ~ - 46 при температурі 20 0С мають нелеговані зразки InSb з концентрацією основних носіїв заряду (2^3)х1016 см-3. Для створення тензорезисторів найбільш оптимальними характеристиками володіють тонкі шари InSb п-типу, леговані телуром до концентрації (4 ^ 7) х1016 см-3, які мають достатньо високі значення коефіцієнта тензочутливості (К20°С ~ - 35) і відносно слабку його залежність від температури. Тонкі шари InSb п-типу, леговані телуром до концентрації (47) х1016 см-3, які мають достатньо високі значення коефіцієнта тензочутливості (К20°С ~ - 35) і відносно слабку його залежність від температури володіють найбільш оптимальними характеристиками для створення тензорезисторів. антимонід тензометричний тиск шар

При дослідженні впливу гідростатичного тиску до 5000 бар на тонкі шари InSb виявлено лінійну залежність їх опору від тиску. Найбільшою чутливістю до гідростатичного тиску в області додатних температур характеризуються зразки InSb р-типу провідності, леговані цинком до концентрації 1х1016 см-3 (К20°С ~ 46). Такі шари можуть бути використані для створення високочутливих датчиків тиску, працездатних в інтервалі температур (0+ 60) ⁰С.

Для більш широкого інтервалу температур доцільно використовувати зразки InSb з концентрацією носіїв заряду (2 ^ 3) х10¹⁶ см^-3.

Ключові слова: тонкі шари антимоніду індію; тензорезистивні властивості; коефіцієнт тензочутливості, гідростатичний тиск

Piezoresistive characteristics of undoped and doped by tellurium with different concentration InSb thin layers were studied in wide range of strain (s = ± 1.3 x 10^-3 rel. un.) and temperature (- 180 ^ + 100) °C. The highest values of the gauge factor were obtained in n-type conductivity InSb thin layers doped by tellurium to concentration of (4 ^ 7) x 10¹⁶cm^-3. Sensitive elements of strain gauges could be created on the basis of such layers. The influence of hydrostatic pressure up to 5000 bar on electrophysical properties of undoped and doped by tellurium and zinc InSb thin layers were also studied. The values of the hydrostatic pressure coefficients for these layers and their temperature dependences were determined in the temperature range (- 75 ^ + 80) °C. The greatest sensitivity to hydrostatic pressure (K₂₀°_c ~ 46) was revealed in InSb samples doped with zinc. Recommendations for the use of InSb thin layers as sensitive elements of pressure sensors were given.

Keywords: indium antimonide thin layers; piezoresistive properties; gauge factor; hydrostatic pressure

Исследовано тензометрические характеристики тонких слоев антимо- нида индия, как нелегированных, так и легированных с разной концентрацией примеси теллура в широком диапазоне деформации (е = ± 1,3 х 10^-3 вщн. од.) и температур (- 180 ^ + 100) °С. Высокие значения коэффициента тензочувствительности были получены для образцов InSb п-типа проводимости, легированных теллуром с концентрацией (4 ^ 7) х 10¹⁶ см^-3, на основе которых могут быть созданы чувствительные элементы тензодатчиков. Также было изучено влияние гидростатического давления до 5000 бар на электрофизические свойства тонких слоев InSb, как нелегированные, так и легированные теллуром и цинком. Определены значения коэффициентов гидростатического давления для этих слоев и их температурные зависимости в интервале температур (- 75 ^ + 80) °С. Наибольшая чувствительность к гидростатическому давлению обнаружена в образцах InSb, легированных цинком (К₂₀°_С ~ 46). Даны рекомендации по применению тонких слоев InSb как чувствительных элементов датчиков давления.

Ключевые слова: тонкие слои антимонида индия; тензорезистивные свойства; коэффициент тензочувствительности, гидростатическое давление

Вступ

На сьогодні кремній і германій є основними матеріалами для створення на їх основі сенсорів механічних величин, завдяки високій тензочутливості цих матеріалів у широкому інтервалі температур [1]. Слід зауважити, що також створені сенсори механічних величин на базі напівпровідникових ниткоподібних кристалів, зокрема таких як кремній і германій [2]. Багатьма дослідженнями п'єзорезистивних властивостей мікро- та на- нокристалів кремнію і германію виявлено гігантські значення їх коефіцієнта тензочутливості за низьких температур [3-6]. Попередні роботи авторів [7, 8] довели, що ниткоподібні кристали Si, Ge і твердого розчину SiGe із концентрацією легуючої домішки в області переходу метал-діелектрик, є перспективними матеріалами для створення високочутливих сенсорів механічних величин, працездатних в області низьких температур. Як результат на основі цих кристалів були розроблені надчутливі сенсори механічних величин, працездатні при кріогенних температурах [2]. Проте технічний прогрес в області науки і техніки вимагає пошуку нових напівпровідникових матеріалів, придатних для проектування чутливих елементів датчиків, дієздатних в складних умовах експлуатації. В цьому плані сполуки А3В5 представляють значний інтерес щодо вивчення їх електрофізичних властивостей, а також як багато- обіцяючий модельний матеріал для вивчення магніто- та п'єзорезистентних ефектів у широкому інтервалі температур [9-12]. Сполуки А3В5 також розглядаються як перспективні матеріали сенсорної електроніки. У попередніх роботах авторів [13, 14] вивчався вплив гідростатичного тиску на властивості мікро- кристалів антимоніту галію п-типу. В результаті проведених досліджень було створено датчик гідростатичного тиску, дієздатний до 5000 бар.

Метою даної роботи є вивчення впливу одновісної деформації та гідростатичного тиску на тонкі шари антимоніду індію з різною концентрацією легуючої домішки на предмет їх використання для створення чутливих елементів сенсорів деформації та гідростатичного тиску.

Методика експерименту

Об'єктом досліджень були тонкі шари антимоніду індію, для отримання яких використовувався метод направленої кристалізації розплаву, стиснутого між підкладками. В результаті отримано тонкі шари InSb товщиною 10 ^ 30 мкм. Розміри досліджуваних чутливих елементів становили: довжина 1 ^ 2 мм, ширина 100 ^ 200 мкм і товщина 10 ^ 20 мкм. Омічні контакти і струмовиводи до чутливих елементів створювались методом імпульсного мікрозварювання золотого мікродроту.

Досліджувались три групи зразків:

• нелеговані зразки InSb з концентрацією основних носіїв заряду (2^3) х 10¹⁶ см^-3;

• зразки InSb з концентрацією телуру (4^7) х 10¹⁶ см^-3 - 1,5 х 10¹⁸ ст^-3 ;

• зразки InSb леговані цинком з концентрацією 1х 10¹⁶ ст^-3.

Для вивчення впливу одновісної деформації чутливі елементи на основі тонких шарів InSb закріплювались на сталевій градую- вальній балці, яка піддавалась деформації є = ± 1,3 х 10^-3 відн. од. у широкому інтервалі температур (- 150 ^ + 100) ⁰С. Дослідження характеристик чутливих елементів на основі тонких шарів антимоніду індію при вивченні впливу гідростатичного тиску до 5000 бар, проводились у спеціальному сосуді високого тиску, згідно методики, наведеній в роботі [13] . Струмовиводи чутливих елементів приварювались до герметичних клем в об'ємі поршня, після чого внутрішній об'єм сосуда під тиском заповнювали сумішшю гасу та трансформаторного масла. Опір зразків антимоніду індію вимірювався в інтервалі температур (-75 ^ +100) °С і тиску від 0 до 5000 бар.

Експериментальні результати та їх обговорення

Властивості тонких шарів антимоніду індію п-типу провідності досліджувались в широкому інтервалі температур (- 180 ^ + 100) ⁰С. На

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

рис. 1 представлено температурні залежності опору, як нелегованих зразків, так і легованих телуром до концентрації 4хЮ¹⁶з- 1.5><10¹⁸см"³.

Рис. 1. Температурні залежності відносної зміни опору нелегованих тонких шарів Іп8Ь (1) і з концентрацією телуру: (4^7)хЮ¹⁶ см^_3 (2);

Виявлено, що найменшу температурну залежність опору мають зразки ІпБЬ сильно леговані телуром до концентрації (1 з- 1,5) хЮ¹⁸ см ³, для яких температурний коефіцієнт опору (ТКО) у досліджуваному інтервалі температур становить приблизно 0,18 % хград¹.

В результаті досліджень тензорезистив- них властивостей тонких шарів ІпБЬ п-типу провідності в широкому діапазоні деформацій є = ± 1,3х10-з відн. од. і температур (- 150 ^ + 100) ⁰С виявлено лінійний характер залежності відносної зміни опору від деформації для всіх досліджуваних зразків (рис. 2). Розраховано значення коефіцієнта тензочут- ливості для цих зразків, температурні залежності яких наведено на рис. 3.

Зпідвіщенням концентрації домішки телуру значення коефіцієнта тензочутливос- ті зменшується за абсолютною величиною (рис. 3, криві 2 і 3). Для цих зразків на кривих температурної залежності коефіцієнта тен- зочутливості спостерігаються екстремуми в області температур (- 40 ^ 0) ⁰С і монотонна зміна коефіцієнта тензочутливості за абсолютною величиною по обидві сторони від виявленого екстремуму. Принципово відмінний характер має температурна залежність коефіцієнта тензочутливості для нелегова-них тонких шарів ІпБЬ п-типу провідності (рис.З, крива 1). За температури -ЗО °С відбувається інверсія знака коефіцієнта тензо- чутливості, зумовлена переходом до власної електропровідності.

Таким чином, в результаті проведених досліджень встановлено, що зразки ІпБЬ з концентрацією основних носіїв заряду (2"Л)х10¹⁶см³мають найвищий коефіцієнт тензочутливості К=-46 за температури 20"С, але, оскільки він має сильну температурну залежність, чутливі елементи на основі такого матеріалу доцільно використовувати за кімнатної температури. Чутливі елементи на основі InSb з концентрацією телуру (4^7)хі0¹⁶ см^-3 з коефіцієнтом тензочутли- вості К--35 можна використовувати для роботи у температурному інтервалі від - 100 °С до+ 80 °С.

Дослідженім впливу гідростатичного тиску до 5000 бар, на властивості тонких шарів антимоніду індію, легованих домішками телуру та цинку, проводилось в інтервалі температур (- 75 -^ + 100) °С . На рис. 4 наведено залежності відносної зміни опору зразків ІпБЬ від гідростатичного тиску за кімнатної температури для нелегованих зразків і для легованих відповідними домішками. Як видно з рис. 4, ці залежності практично лінійні для всіх зразків у всьому досліджуваному діапазоні тиску. Значення коефіцієнтів гідростатичного тиску за температури 20 °С, розраховані за результатами експериментальних даних для досліджуваних зразків становлять відповідно (19,4 ^ 27,2) х10^-5бар^-1 для нелегованих зразків, ~50 х10^-5бар^-1 для легованих Zn до 1х10¹⁶ см^-3 і (9,5 ^ 11,4)х1 ^-5 бар^-1 для легованих телуром до 1х10¹⁷ см^-3

Досліджено також температурні залежності коефіцієнта гідростатичного тиску в інтервалі температур від - 75 °С до + 60 °С для описаних вище трьох груп зразків ІпБЬ, результати яких наведені на рис. 5.

Рис. 4. Відносна зміна опору від гідростатичного тиску за температури 20 ⁰С для нелегованих тонких шарів Іп8Ь з концентрацієюносіїв (2 ^а 3)х10¹⁶ см ³( (1); з концентращєютелуруїхІО¹⁷см^_3 (2) і цинку 1х10^1бсм³(3).

Рис. 5. Температурні залежності коефіцієнта гідростатичного тиску нелегованихтонкин шарів Іп^-Ь (1); зконцентрацією телуруїх 10¹⁷см^_3(2)і цинку 1х10¹⁶ см^-3 (3).

З результатів проведених досліджень укліматичномудіапазонітомперезур

(з60_Д + 60) ⁰С нидно, щона кривій температурної залежності воефіцієнта гідроста- оичного ривку для нелеьвваних тонко« шарів InSb п-типу провідності за температури, близької до кімнатної, спостерігається максимум (рис. 5, крива 1). Максимальне значення коефіцієнта гідростатичного тиску для цих зразків досягає ~32 ^х15^-5 бар^-1.

Значно меншою чутливістю до гідростатичного тиску володіють тонкі шари InSb п-типу провідності, леговані телуром до концентрації 1х10¹⁷ см^-3. З характеру одержаної температурної залежності коефіцієнта гідростатичного тиску (рис. 5, крива 2), видно що в інтервалі температур (- 75 ^ - 20) ⁰С значення коефіцієнта гідростатичного тиску невелике і практично залишається незмінним, однак при підвищенні температури його значення монотонно зростають, досягаючи (13,5 ^ 16,5) хіо-⁵ бар^-1 за температури + 60 ⁰С. Ці зразки мають слабку залежність опору від температури в кліматичному діапазоні температур.

Чутливі елементи на основі тонких шарів InSb р-типу, леговані цинком з концентрацією 1х10¹⁶ см^-3, мають найвищу чутливість до гідростатичного тиску. На кривій температурної залежності коефіцієнта гідростатичного тиску спостерігається чітко виражений максимум за температури --+35⁰С (рис. 5, крива 3). Результат проведених досліджень доводить, що чутливі елементи на основі тонких шарів InSb легованих цинком доцільно використовувати для вимірювання тиску за фіксованих температур, або використовуючи спеціальні методи термокомпенсації.

ВИСНОВКИ

При дослідженнях температурних залежностей опору резисторів на основі тонких шарів InSb п-типу провідності, за температур (- 180 ^ + 120) ⁰С виявлено, що найменша температурна залежність отримана для зразків легованих телуром до концентрацій (1 ^ 1,5) х 10¹⁸ см^-3 . Встановлено, що найвищий коефіцієнт тензочутливості К - - 46 при 20⁰С мають нелеговані зразки InSb п-типу провідності з концентрацією основних носіїв заряду (2^3)х10¹⁶ см^-3. Для створення тензорезисторів найбільш оптимальними характеристиками володіють тонкі шари InSb п-типу, леговані телуром до концентрації (4^7)х10¹⁶ см^-3, які мають достатньо високі значення коефіцієнта тензочутливості (К₂₀°_С - - 35) і відносно слабку його залежність від температури.

При дослідженні впливу гідростатичного тиску до 5000 бар на тонкі шари InSbвиявлено лінійну залежність їх опору від тиску. Найбільшою чутливістю до гідростатичного тиску в області додатних температур характеризуються зразки InSbр-типу провідності, леговані цинком до 1х10¹⁶ см^-3 (К₂₀°_С ~ 46). Такі шари можуть бути використані для створення високочутливих датчиків тиску, працездатних в інтервалі температур 0 ^ +60⁰С. Для більш широкого інтервалу температур доцільно використовувати зразки InSbз концентрацією носіїв заряду (2^3)х10¹⁶ см^-3.

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

[1] . П. І. Баранский, А. В. Федосов, Г. П. Гайдар. Фізичні властивості кристалів кремнію та германію в полях ефективного зовнішнього впливу. Надстир'я, Луцьк. 280 c. (2000).

[2] . А. О. Дружинін, І. Й. Мар'ямова,

О.П. Кутраков. Датчики механічних величин на основі ниткоподібних кристалів кремнію, германію та сполук А³В⁵. Львівська Політехніка, Львів. 232 с. (2015).

[3] . I. Maryamova, A. Druzhinin, E. Lavits- ka, I. Gortynska, and Y. Yatzuk. Low temperature semiconductor mechanical sensors // Sensors and Actuators A, 85, pp. 153-157 (2000).

[4] . J. S. Milne, S. Arscott, C. Renner, and A.

B. H. Rowe. On giant piezoresistance effects in silicon nanowires and microwires // Phys. Rev. Lett., 105, p. 226802 (2010).

[5] . P. Neuzil, C. C. Wong, and J. Re- boud. Electrically controlled giant piezoresistance in silicon nanowires // Nano Lett., 10, pp. 1248-1252 (2010).

[6] . S. V Luniov, O. V Burban, P. F. Nazar- chuk, A. I. Zimych Influence of electron-phonon interaction on piezoresistance of single crystals n-Ge // Journal of Advances in Physics, 7(3), pp. 1931-1938 (2015)

[7] . A. A. Druzhinin, I.I. Maryamova, O.P. Kutrakov, N.S. Liakh-Kaguy, T. Palewski. Strain induced effects in p-type silicon whiskers at low temperatures // Functional Materials, 19(3), pp. 325-329 (2012).

[8] . A.A. Druzhinin, I. P. Ostrovskii, Yu. N. Khoverko, N. S. Liakh-Kaguy, A. M. Vuytsyk. Low temperature characteristics of germanium whiskers // Functional Materials, 21(2), pp.130136 (2014).

[9] . Luke Glenn Harris. Design and Fabrication of a Piezoresistive Tactile Sensor for Ergonomic Analyses. The University of Guelph, Ontario, Canada. 105 p. (2014)

[10] .A. Lцffler, J. P. Reithmaier, A. Forchel, A. Sauerwald. Influence of the strain on the formation of GalnAs/GaAs quantum structures // Journal of Crystal Growth, 286(1), pp. 6-10

[11] .D. Kriegner, C. Panse, B. Mandl,

K.A. Dick, M. Keplinger. Unit cell structure of crystal polytypes in InAs and InSb nanowires // Nano Lett., 11(4), pp. 1483-1489 (2011).

[12] .P. Chang, X. Liu, L. Zeng, G. Du. Hole mobility in InSb-based devices: Dependence on surface orientation, body thickness, and strain // Solid-State Electronics, 113, pp. 68-72 (2015).

[13] .А. А. Дружинин, И. И. Марьямова, А. П. Кутраков, Н. С. Лях- Кагуй. Датчики гидростатического давления на основе микрокристаллов антимонида галлия // Технология и конструирование в электронной аппаратуре, № 4, cc. 19-23 (2015).

[14] .A. A. Druzhinin, I. I. Maryamova, O. P. Kutrakov. GaSb whiskers in sensor electronics // Functional Materials, 23(2), pp. 206-211 (2016).

Размещено на Allbest.ru