Поиск

Полнотекстовый поиск:
Где искать:
везде
только в названии
только в тексте
Выводить:
описание
слова в тексте
только заголовок

Рекомендуем ознакомиться

Промышленность, производство->Реферат
Около 60 лет назад выдающийся русский ученый академик В.И. Вернадский разработал учение о биосфере – оболочке Земли, населенной живыми организмами. В....полностью>>
Промышленность, производство->Реферат
Задачей данного реферата является всестороннее рассмотрение мясных и мясо растительных консервов. Так как в производстве таких консервов применяются о...полностью>>
Промышленность, производство->Реферат
Формирование цели решения задачи I этап. Анализ производственной проблеммы и выбор направления решения....полностью>>
Промышленность, производство->Курсовая работа
Запишем уравнение Шрёдингера для каждой области : ì ¶ YI/¶x + m/ž ×(E - U0)YI = 0 , x £ -a ï í ¶ YII/¶x + m0/ž ×E×YI = 0 , -a £ x £ a ï î ¶ YIII/¶x + ...полностью>>

Главная > Реферат >Промышленность, производство

Сохрани ссылку в одной из сетей:

Введение

Гетероэпитаксиальные слои кремния на сапфире (КНС) впервые были получены в середине 60-х годов XX в. и сразу привлекли к себе внимание как специалистов по полупроводниковому материаловедению, так и разработчиков твердотельных микросхем. В первую очередь это было связано с ожидаемым повышением быстродействия комплементарных структур металл-окисел-полупроводник (КМОП) на основе КНС, обусловленным сапфировой подложкой с высокими диэлектрическими свойствами, а также возможной высокой радиационной стойкостью микросхем на основе КНС. Эти ожидания вызвали большое количество работ по технологии выращивания слоев КНС, исследованию их структуры и электрических свойств [1]. Впрочем, последующее развитие КМОП-технологии на объемном кремнии позволило резко повысить быстродействие кремниевых микросхем, существенно снизив их стоимость по сравнению с относительно дорогими структурами КНС. Поэтому в настоящее время основным применением структур КНС в полупроводниковом приборостроении является разработка радиационностойких микросхем, где, по крайней мере в настоящее время, структурам КНС практически нет конкуренции (см., например, [2,3]), а также микросхем для оптоэлектрон-ных систем [4].

Однако практически сразу после начала серьезных разработок технологии КНС наметилось еще одно направление использования этих структур - тензорезисторные преобразователи (ТП) механических величин [5, 6]. Это направление было предложено и успешно развивалось в нашей стране сначала в НИИ Теплоприборе (г. Москва) и НИИ Измерительной техники (г. Королев), а затем в НПК "Ульяновский центр микроэлектроники и автоматизации в машиностроении" и промышленной группе (ПГ) "Микроэлектронные датчики" (ПГ МИДА, г. Ульяновск), ПГ Метран (г. Челябинск) и других предприятиях. На базе тензочувствительных элементов из КНС были разработаны и освоены в серийном производстве датчики давления "Кристалл" [7], измерительные комплексы "Сапфир" [8] и "Сапфир-22" , серия датчиков давления МИДА [1] и др.

По сравнению с широко используемыми твердотельными кремниевыми тензочувствительны-ми элементами с диффузионными или имплантированными тензорезисторами полупроводниковые чувствительные элементы (ПЧЭ) на основе КНС имеют ряд преимуществ [1,2]. Во-первых, в ПЧЭ на основе КНС отсутствует /т-и-переход, изолирующий тензорезисторы от подложки в твердотельных ПЧЭ, что позволяет в десятки раз повысить пробивное напряжение датчиков и в несколько раз увеличить рабочую температуру ПЧЭ. Во-вторых, однородное легирование слоя кремния позволяет эффективно управлять характеристиками ПЧЭ и приборов на их основе. В-третьих, наличие прочной изолирующей подложки значительно расширяет возможности совершенствования тензочувствительной схемы и характеристик ТП. В-четвертых, структуры КНС (и ПЧЭ на их основе) обладают высокой радиационной стойкостью. Немаловажным является и то обстоятельство, что технология изготовления преобразователей механических величин с ПЧЭ на основе КНС практически не требует чистых условий твердотельного производства. В целом применение структур КНС в тензопреобразова-телях оказалось настолько удачным, что, например, в абсолютном большинстве датчиков давления, выпускаемых в настоящее время в России, используются тензочувствительные элементы на основе структур КНС [3-5]. В последнее время структуры КНС начали использоваться в датчиках давления и зарубежными фирмами [6-8].

В данном обзоре кратко рассмотрены особенности структур КНС, обеспечившие их широкое применение в тензопреобразователях механических величин, характеристики современных отечественных датчиков давления на основе КНС и перспективы дальнейшего развития ТП с использованием чувствительных элементов из КНС.

2. ЭЛЕКТРОФИЗИКА СТРУКТУР КНС

Структуры КНС представляют собой тонкие (0.1-5 мкм) слои монокристаллического кремния, выращенные (обычно разложением моносилана) на монокристаллическом лейкосапфире (А12О3) [1]. Так как сапфир и кремний имеют разную кристаллическую структуру, то монокристаллические слои кремния растут лишь при определенных кристаллографических ориентациях подложки [1]. Наиболее широко используются в электронной промышленности (и одновременно более всего пригодны для тензочувствительных элементов [2]) структуры с кристаллографической ориентацией

<001)Si/(ll02)Ai2o3. Наилучшими характеристиками для тензорезисторов обладают (как и в твердотельных ПЧЭ) сильнолегированные слои кремния р-типа проводимости (р > 1018 см"3).

Характерными особенностями структур КНС, определяющими электрофизические характеристики слоя кремния , являются: легирование слоя кремния при наращивании алюминием из подложки; дефектность слоя кремния; большие термические напряжения в структурах. При пиролизе моносилана в результате взаимодействия сапфира с компонентами газовой смеси (SiH4: Н2) происходит выделение окиси алюминия или свободного алюминия. Алюминий, будучи мелким акцептором, загрязняет растущий слой кремния, особенно на начальной стадии. Однако поскольку кремниевые тензорезисторы обычно изготавливаются из сильнолегированного кремния р-типа, то сравнительно невысокая концентрация алюминия (NM ~ 1015 см~3) практически не влияет на характеристики кремниевого слоя.

Различие в типах и постоянных кристаллических решеток сапфира и кремния, разориентация зародышей кремния при росте слоя и релаксация термических напряжений обусловливают высокую дефектность слоя кремния, особенно вблизи границы с сапфиром (рис. 1). В результате подвижность носителей в слоях КНС ниже, чем в объемном кремнии (рис. 2). Однако в сильнолегированных слоях КНС подвижность практически не зависит от толщины d слоя кремния (вплоть до d ~ 0.15 мкм) (рис. 3), что свидетельствует о незначительном вкладе рассеяния на дефектах в полную подвижность дырок. Это означает, что для сильнолегированного /?-КНС (при условии хорошо отработанной технологии выращивания слоя кремния) существует однозначная зависимость удельного сопротивления от концентрации дырок, аналогичная хорошо известной для объемного кремния (рис. 4).



Рис.1. Зависимость линейной плотности дефектов в слое КНС от расстояния до границы кремний-сапфир; N[) < 10 см при d > 4 мкм (предел разрешения метода) .



Рис.2. Зависимость подвижности дырок в р-КНС от концентрации носителей тока при комнатной температуре [5]. Толщина слоя кремния d, мкм: d < 1 (7); 1 < d < 2 (2); d > 2 (5); значения (4) взяты из [26] (d = = 2 мкм); данные для объемного кремния (5) взяты из .

Рис.3. Температурная зависимость подвижности дырок в КНС с толщиной слоя кремния 4.5 (1) и 0.15 мкм (2); р = 6.0 х 1018 см"3, р = 0.017 Ом см .



Рис.4. Зависимость удельного сопротивления КНС р-типа проводимости от концентрации дырок при комнатной температуре; толщина слоя кремния d, мкм: d<l (l);l <d<2 (2); d > 2 (3); данные для однородного легированного кремния (4) взяты из.

Поскольку лейкосапфир имеет коэффициент теплового расширения почти вдвое больше, чем кремний (рис. 5), то в структурах КНС возникают большие термические напряжения, неоднородные по толщине слоя кремния d и сапфировой подложки D (рис. 6). Чисто механически термические напряжения в КНС проявляются в изгибе структуры; измерения радиуса кривизны позволяют непосред ственно определить величину средних термических напряжений т0 в кремнии [33], которая составила (4...6) х 108 Па, что хорошо согласуется с расчетом. При увеличении толщины слоя кремния до величины d/D > 0.4 напряжения в сапфировой подложки возрастают настолько, что в интервале температур 11ОО...9ОО°С происходит пластическая деформация сапфира и изгиб структуры КНС становится больше расчетного . Изгиб структур КНС затрудняет их наращивание, приводит к неоднородности слоя кремния и к браку при фотолитографии, поэтому для получения вы сококачественных структур необходимо использовать достаточно толстую подложку (d/D < 0.01). Термические напряжения искажают зонную структуру кремния и влияют на его электрофизические характеристики . Поскольку в структурах КНС термические напряжения в сплошном слое кремния практически однородны и изотропны, то в р-КНС они почти не влияют на подвижность дырок и, как следствие, на удельное сопротивление кремния. Вместе с тем из-за нелинейности тензорезистивного эффекта термическое сжатие слоя кремния изменяет температурную зависимость коэффициента тензочувствительности ПЧЭ . Сильное влияние термические напряжения оказывают на свойства узких кремниевых тензоре-зисторов, имеющих вид мезаструктур (см. ниже).

Экспериментальные исследования показали, что температурная зависимость удельного сопротивления р однородного сплошного слоя кремния в сильнолегированных структурах р-КНС хорошо описывается экспоненциальным законом

р(Г) = роехр(арТ),

где сср - дифференциальный температурный коэффициент удельного сопротивления кремния, сохраняющий постоянное значение в широком интервале температур при определенных уровнях легирования .



Рис 5. Расчетные термические напряжения в сапфировой подложке (на границе с кремнием (7) и на свободной поверхности (2)) и в слое кремния (на свободной поверхности (3) и на границе с сапфиром (4)) в зависимости от отношения толщин слоя кремния d и подложки D.

Рис.6. Зависимость коэффициентов эластосопротивления р-КНС от концентрации дырок при комнатной температуре.

3. ТЕМПЕРАТУРНАЯ КОРРЕКЦИЯ ТЕНЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДАВЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ КНС

Как и для других полупроводниковых тензопреобразователей (ТП), температурная зависимость выходного сигнала в ТП на основе гетероэпитаксиальных структур «кремний на сапфире» (КНС) [1] является главным источником дополнительной погрешности преобразования. В датчиках давления уменьшение температурной погрешности достигается раздельной коррекцией температурной зависимости выходного сигнала ТП и температурной зависимости параметров электронной схемы преобразования сигнала. Такой подход позволяет значительно уменьшить трудоемкость изготовления датчиков в серийном производстве, а также выпускать ТП давления как самостоятельные средства измерения, которые все более широко используются в системах измерений и контроля.[1]

В наши дни существуют достаточно методов и авторов этих методов, которые предлагают свои способы термокоррекции.

Основная цель термокоррекции тензорезисторных мостовых схем - уменьшение аддитивной температурной погрешности(АТП). Это достигается изменением относительных температурных характеристик плеч данного моста путем использования дополнительных термонезависимых постоянных резисторов, включаемых последовательно или параллельно к имеющимся терморезисторам. [9]

Известны еще два способа схемной компенсации АТП мостовой схемы. Они заключаются в выравнивании температурного коэффициента сопротивления резисторов расположенных в плечах мостовой измерительной цепи(МИЦ), либо параллельным подключением термонезависимого резистора, либо последовательным подключением термозависимого резистора в одно из плеч МИЦ с одновременной балансировкой начального выходного сигнала для обоих способов.

Однако использование данных способов при настройке датчиков не обеспечивает требуемые точности компенсации АТП.[10]



Загрузить файл

Похожие страницы:

  1. Комплексы контроля параметров ГТД. Канал измерения давления

    Контрольная работа >> Промышленность, производство
    ... на приборной доске электроизмерительным прибором или используется в системах автоматического регулирования. Датчиком давления ... температурного дрейфа нуля датчика. Практически в датчиках давления ... компенсация температурной ... зависимостью чувствительности датчика ...
  2. Электромеханические и магнитные элементы систем автоматики

    Книга >> Коммуникации и связь
    ... напряжения выполняется вручную или автоматически. Приборы с автоматической компенсацией называют также авто матическими ... в зависимости от контактного давления и условий работы датчика. Для высокочувст вительных маломощных контактных датчиков давление на кон ...
  3. Технические средства автоматизации и управления

    Конспект >> Коммуникации и связь
    ... автоматического контроля ... датчики давления с термокомпенсацией, выполненные по технологии «кремний на сапфире». Рис.23 Мостовой тензорезистивный датчик ... ; дрейф нуля, дребезг ... компенсации нелинейностей чувствительного элемента или температурной зависимости ...
  4. Модернизация нейтронных анализаторов раствора системы борного регулирования на Волгодонской АЭС

    Дипломная работа >> Коммуникации и связь
    ... давление в реакторе падает ниже давления в гидроемкости (на 0,3 кгс/см2), обратные клапаны автоматически ... на счёт дрейфа нуля ... датчиков. ПИБ служи для преобразования зависимости ... температурной компенсации не должна превышать 1,0% предела основной погрешности на ...
  5. Электрические датчики в современной металлургии

    Курсовая работа >> Коммуникации и связь
    ... чувствительными элементами или датчиками. Соответственно операциям, производимым с сигналами информации в автоматических ... % Гистерезис, % Температурный дрейф нуля, %/0С Быстродействие, ... на компенсацию аэродинамических потерь, потерь на ... зависимости ...

Хочу больше похожих работ...

Generated in 0.0071139335632324