CC BY
54
ВолковВ.Ск.т.н., БариновИ.Н., к.т.н., ДарвинВ.Ю.
Пензенский государственный университет
ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ТЕНЗОРЕЗИСТИВНОГО ЭФФЕКТА В ПЛЕНКАХ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО АЛМАЗА P-ТИПА ПРОВОДИМОСТИ
При финансовой поддержке в форме гранта Президента РФ для государственной поддержки молодых российских ученых-кандидатов наук МК-472.2011.8.
Тонкие алмазные пленки привлекают к себе все большее внимание благодаря таким уникальным свойствам, как чрезвычайно высокая твердость, высокая теплопроводность, прозрачность в широком оптическом диапазоне, большое удельное сопротивление. Кроме того, алмазные пленки со специально введенными примесями могут использоваться в качестве полупроводниковых материалов.
Важный шаг в получении и использовании алмазных материалов был сделан с развитием технологии роста алмазных материалов из газовой фазы, не требующей высокого давления. Именно плазменные "тонкоплёночные" технологии позволяют получать плёнки высокого качества. В этом процессе атомы углерода, образующиеся в объеме плазмы при диссоциации молекул углеводородов, чаще всего метана СН4, при определенных условия конденсируются на поверхности подложки в кристаллическую решетку алмаза. Среда с высоким содержанием химически активных радикалов и ионов создается с помощью возбуждения в газовой смеси какого-либо типа разряда - тлеющего, микроволнового, дугового или других. Из всего разнообразия видов газового разряда наибольшее распространение в технологии синтеза алмазных пленок нашли дуговой разряд в потоке протекающего между электродами газа, микроволновый разряд, и сильноточный тлеющий разряд.
Одна из важных проблем при получении покрытий данным способом связана со стабильностью свойств плёнки при нормальных условиях после её охлаждения (адгезия, например). Установлено, что для синтеза плёнок оптимальная температура подложки (Мо, Si ): Тп = 1070-1300К.
Стандартная блок-схема установки по выращиванию алмазной пленки в СВЧ плазме представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 - Блок-схема установки газофазного осаждения алмазных пленок
Источником СВЧ является магнетрон 1, генерирующий на частоте 2,45 ГГц. Энергия по волноводу 2 поступет в реактор 3, где зажигается разряд 4 в области над подложкой 5, на которую осаждается алмазная пленка. Контроль процесса осаждения осуществляется с применением оптической электронной микроскопии (6) и ПЭВМ с программой обработки спектральных данных (7). Продолжительность роста пленки толщиной около 10 мкм составила 2 часа.
В некоторых исследованиях указывается на наличие в пленках поликристаллического алмаза тензо-резистивного эффекта с коэффициентом K=1000 при температуре 25°С [2], что значительно выше, чем аналогичное значение для Si и SiC. Далее будет проанализирован тензорезистивный эффект в легированных бором пленках поликристаллического алмаза с использованием модели, изложенной в [3].
Согласно модели [3], если agb и pgb соответственно проводимость и сопротивление при наличии механизмов взаимодействия как на межзеренной границе, так и с участием фонового рассеяния, а ab и pb - соответственно проводимость и сопротивление при наличии механизмов только фонового рассеяния, то
Sgb / Sb =Pb / Рф = f (a),
где
f(a) = 3[1 / 3-1 / 2a + a1 -a3ln(1 +1 / a)];
mS2 „ l0
a = ^ 2t = --
R
h3dkF
d 1 - R
(a > 0),
где10 - среднее значение длины свободного пробега фонового электрона (без учета механизмов взаимодействия на межзеренной границе);d - среднее расстояние между границами зерен;R - коэффициент отражения, зависящий от напряженности потенциала межзёренной границы S (физически S приблизительно равна амплитуде потенциала, умноженной на его длительность);kF - значение волнового вектора Ферми.
Введя подстрочные индексы 0 и е, соотвествующие нулевой и отличной от нуля деформации, то получим проводимость и сопротивление при наличии механизмов взаимодействия как на межзеренной границе, так и с участием фонового рассеяния для соответственно для нулевой и отличной от нуля деформации:
Sgb0 / Sb0 = pb0 / pgb0 = f (a0);
&фе 1 Sbe = Pbe 1 Рфе = f (ae)-
(1)
Коэффициент тензочувствительности определяется как относительное изменение сопротивления на единицу деформации:
GF = 1 + 2m + —dpL, (2)
Р0 de
гдер0 и ре - сопротивление для нулевой и отличной от нуля деформации соответственно;ц - коэффициент Пуассона.
Для алмаза ц » 0,1, а вклад члена 1+2ц в общее значение пренебрежимо мал. Введем подстрочные индексы pc, c, gb, b для обозначения соответственно поликристаллического, монокристаллического
материалов, механизмы взаимодействия на межзереннои границе, Подставляя выражения (1) в (2), получаем:
1 d Pgbe 1 d Pgbe _ Pgbe d 1П Pgbs _
с участием фонового рассеяния.
GF _ 1 + 2m + -
pgb0 de pgb0 de pgb0
_ f («о) Pbe d ln Pbe- d ln f («e) _ f («о) P
f («e) Pb0
_ f (ao) ( 1 dpgbe f («e) l Pb0 de
nc 1 d P£
где GF _------
P0 de
de
1_ <P - 1 df (ae) ^ _
de f (ae) Pb0 У. Pbe de
f («0) Pbe df (ae) _ f («qM _
f (ae) de
f («о) Pbe df (ae) f 2(ae) Pb0 de ’
_ (3)
f 2(ae) Pb0 de f (ae)
коэффициент тензочувствительности только при наличии механизма взаимодействия
с участием фонового рассеяния при отсутствии механизма на межзеренной границе, то есть коэффициент тензочувствительности, характерный для пленок монокристаллического алмаза.
Если сопротивление равномерно изменяется от деформации, тогда:
GF _Pbe_PML-
Pb0 e
^ _ GFce +1.
Pb0
Введем переменные:
M _
f («q)
и N _ -
f («о) df («e)
f («e) f 2(«e) de
которые относятся к механизму рассеяния на межзёренной границе.
Тогда выражение (3) примет вид:
GFpc _ (M + N e)GFc + N, (4)
или:
GFpc _ MGFc + N (1 +eGFc). (5)
То есть взнос в коэффициент тензочувствительности, обусловленный наличием механизма взаимодействия на межзеренной границе, равен:
GFgb _ GFpc - GFc _ (M + N e- 1)GFc + N.
Выражения (4) и (5) показывают, что существует различие между коэффициентом тензочувствительности между моно- и поликристаллическими материалами.
На основании проведенных исследований были сделаны следующие выводы:
- тензорезистивный эффект в поликристаллических материалах зависит как от фонового рассеяния, так и рассеяния на межзеренной границе. Межзеренная граница обладает эффектом уменьшения изменения относительного сопротивления под воздействием деформации, что обуславливает меньшее значение коэффициента тензочувствительности в поликристаллических материалах относительно монокристаллических;
- при прочих равных условиях, чем больше тензорезистивный эффект в монокристаллических пленках, тем он больше в соответствующих поликристаллических пленках;
- отщепление валентной зоны и рассеяние на межзеренной границе являются двумя главными факторами, обуславливающими тензорезистивный эффект в пленках поликристаллического алмаза.
ЛИТЕРАТУРА
1. Мокров Е.А., Баринов И.Н. Разработка высокотемпературных полупроводниковых датчиков давления / Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика.-2009.- №1.- С. 23-27.
2. FANG Liang, WANG Wanlu, DING Peidao, LIAO Kejun, WANG Jian. Piezoresistive effect in p-type
polycrystalline diamond films // Science in China (Series A) . - Vol. 42 No. 7. - 1999. P. 769-
777 .
3. Mayadas, A.F., Shatzkes, M. Electrical-resistive model for polycrystalline films: the case of arbitrary reflection at external surface, Phys. Rev., 1970, 1(4): 1382.
4. Seto, J.Y.W. Piezoresistive properties of polycrystalline silicon, J. Appl. Phys., 1976, 47: 4780.
5. Bulthuis, K. Effect of high uniaxial pressure along the main crystallographic axes for silicon and germanium, Philips Res. Repts, 1968, 23:25.
6. Taher, I., Aslam, M., Tamor, M.A. et al., Piezoresistivemicrosensors using p-type diamond films, Semsors and Actuators, 1994, A45:35.
7. Wang, W.L., Liao, K.J., Feng, B.B. et. al., Piezoresistivity of p-type heteroepitaxial diamond films on Si (100), Diamond Relat.Mater., 1998, 7:528.
8. Deguchi, M., Kitabatake, M., Hirao, T., Piezoresistive properties of chemical-Vapor-deposited p-type diamond strain-gauges fabricated on diaphragm structure, Diamond Relat. Mater., 1996, 5:728.
