Полупроводниковый магниторезистор и способ его изготовления

(505 Н 01 1 43/08, 43/00 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ О С(71) Киевский технологический институт легкой промышленности(56) Лавров В. В. и др, Магниторезистивные преобразователи для измерения сильных магнитных полей, - Измерительная техника, 1977, М 3, с. 80-82.Горбачук Н. Т. и др, Пьезогальваномагнитные свойства пленок германия на арсе- дине галлия и перспективы использования их в качестве тензорезисторов. УФЖ, 1984, т. 29, М 12, с. 1850-1854.(54) ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ МАГНИТОРЕЗИСТОР И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ(57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении величины индукции магнитного поля в условиях криогенных температур. Изобретение относися к измерительной технике и может быть использовано при измерении величины магнитного поля в условиях криогенных температур.Известен магниторезистор на основе сплава 1 пЯЬ-М-ЯЬ. Диапазон рабочих температур 4.2-30 К. Фсрма магниторезистора - меандр диаметром б 30-50 мкм. Чувствительный элемент наклеен на подложку из ситала диаметром 100 мкм. Размер активной области 1 хЗ мм, габариты 2 х 4 х 0,5 мм . Электрическое сопротивление магни 3торезистора Во = 10-50 Ом, допустимая мощность рассеивания 5 мВт. Магнитосонротивление,(МС) исследовано в области полей 0,3-6 Тл Характеристики достаточноЯ 2 1728903 А 1 Цель изобретения - повышение точности измерения индукции магнитйого поля в диапазоне температуры 4.2-30 К. Полупроводниковый магниторезистор содержит подложку из полуизолирующего арсенида галлия и магниторезистивный слой из монокристаллической пленкй германия толщиной 5 мкм. Концентрация Мр свободных носителей заряда в пленке (8,0+ 0,2) 10 см, плотность Й 9 структурныхдефектов(6,00,3) 10 см .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 Т осуществляют по зависимости Т = (Т, - Т,)3"з 4"о +Т, где Т - температура подложки, Т - комнатная температура. 2 с.п. ф-лы, 1 табл. 2 ил. линейны в полях свыше 1 Тл, однако в области 2-2,5 Тл монотонность их несколько на. рушается. При 4,2 К чувствительность Л В/К Л В 4,4 Тли при значениях В2,5 - 3 Тл постоянна в пределах 1-2 ф; Температурный коэффициент чувствительности (ТЧ К) 0,05 0/град. Существует такое направление вектора В 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.5 10 15 20 25 30 40 45 50 55 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 6 10 см для пленок осажденных при 773 К и 2 10 см 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 Ое - ОаАз 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 1. При температурах жидкого гелия для таких пленок существует ориентационная зависимость магнитосопротивления, которая по величине не менее 200/,. Наибольший магниторезистивный эффект наблюдается в пленках полученных при температуре подложки Тп = 773 К, и составляет 45 10 в поле В = 1,2 Тл, температуре 100 К и при В и (где и 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 Т 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 Й 1. 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 токапитания магниторезистора.На фиг, 1 приведена конструкция магниторезистора; на фиг. 2 - кривые зависимостей относительного сопротивления Ьйо/Й 0 пленок (В 0 - 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, магниточувствительную 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 0,03 х 1,0 х 4,0 мм. Величина электрического сопротивления магниторезистора, изготовленного из образца 1 (см. табл.) при Т=300 К равно 360,0 Ом.На фиг. 2 представлены магнитополевые зависимости сопротивления при Т.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 10 см, а в пленках 5 и 6 10 см . Кривые 1,3,5 построены для-гВ , а кривые 2, 4, 6 для ВЧ, Максимальные отклонения в величине МС наблюдались при сравнении ВД и Ви.Технологические режимы полученияпленок и их параметры приведенны в таблице.Сущность изобретения состоит в следующем.При получении пленок Ое на ОаАз происходит автолегирование пленок компонентами подложки Аз и Оа. 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 Ое. Одноникшими при установленном режиме охлаждения, определяются законом- зТ:(ТТ) е з 41 о +Т где с - время, приводит к практически независящей величине МС от взаимной ориентации В и 1; В указанном режиме получения пленок, концентрация дырок, измеренная с помощью эффекта Холла, при 300 К равна (8,0+.0,2) 101 см з, а плотность структурных дефектов, определенная с помощью рентгеновской металлографии и травления, равна (6,0 р.0,3) 1 0 смПовышение температуры осаждения приводит к более интенсивной диссоциации и улетучиванию Оа и Аз, и улучшению совершенства пленки, Такие пленки, охлажденные по режиму 2 (табл,), обладают меньшими значениями Ир при сохраняющейся плотности Мд (фиг. 2, кривые 3,4). Изменение режима в сторону увеличения средней скорости охлаждения Чор = Тп - Тй 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 охлажз дение по закону Т = (Тп-Тк) е " " + +Т приводит к концентрации Ив = 80 02)х х 10" см и Иц=(6,0+0,3) 10 см .П р и м е р. Предложенный способ использован для изготовления магниторезисторов для области криогенных температур, Подложка из полуизолирующего арсенида галлия с удельным сопротивлением р 10 Ом см нагревалась в вакууме 10 Па. Пленка германия осаждалась испарением германия и-типа ог 40 Ом см) из графитового тигля, Температура осаждения пленок германия на подложку, режим охлаждения структуры Ое-ОаААв 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 10 Па и одновременного выключения питания испарителя и нагревателя подложки,5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Полупроводниковый магниторезистор работает следующим образом.Вначале проводят градуировку магниторезистора, 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 Во = 485.7 Ом. Затем включают магнитное поле и измеряют зависимость величины магнитосопротивления от индукции магнитного поля ЬВо/Во(В). Для изготовленных нами из образцов 1 магниторезисторов градуировочные кривые для Т = 4,2 К представлены на фиг. 1 (кривые 1 и 2), Для повышения точности измерения в качестве градуировочной кривой ЬВо/ВоВ) нужно брать усредненную между В)1 и Ь) кривую, т.е. зависимость Лйо, ЛРоВ (/2. В этом случае погрешВо Воность за счет несовпадения ориентации Е) св одной из ориентаций относительно не превышает й 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 Вв, В нашем опыте оно оказалось равным Вв = =494,0 Ом. Величина магнитосопротивления равна (Вв-Во/В):100 = 2,5 , используя градуировочную кривую, устанавливают, что индукция магнитного поля равна В =3,1 Тл.Практически не зависящая от взаимной ориентации В и ) 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 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. Полуп ро водн иковый магниторезистор, содержащий подложку из полуизолирующего арсенида галлия имагниточувствительный слой толщиной 5 мкм из монокристаллической пленки германия дырочной проводимости, содержащей дислокации,отл ич а ющийсятем, что, с целью повышения точности измерения ин- дукции магнитного поля в диапазоне температур 4.2-30 К, магниточувствительный слой имеет концентрацию йр дырок (8,0+0,2) 10 см з, а плотность йд дислокаций(6,0+0,3) 10 см.2. Способ изготовления полупроводникового магниторезистора, включающий осаждение пленки германия на нагретую подложку из арсенида галлия путем термического испарения германия в вакууме и равномерное охлаждение, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что осаждение проводят притемпературе Тп от 703 до 718 К, а охлаждение до комнатной температуры Тк осуществляют по зависимостиЬ,Та Составитель Н. Горбашева Техред М,Моргентал рректор Л, Патай едактор С. роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 10 аказ 1411 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5