Abstract_15 молодёжная школа

lipsometric measurements will evidence graphene properties on 3C-SiC. The effect of substrate surface restructuring upon heating orientation on the graphene doping will be demonstrated. Fig. 1 depicts the growth chamber and the wafer scale graphene produced in it. Also a typical surface morphology is shown.

We have fabricated Hall bar devices and measured a quantum Hall resistance quantization accuracy of three parts per billion at 300 mK [1], reaching metrological accuracy. Graphene was grown on the Si face of SiC by self supported thermal decomposition at 2000 oC. Furthermore we show how to control the carrier concentration in graphene using a novel heterostructure of epitaxial graphene on SiC combined with two polymers. By UV light exposure of this heterostructure we have changed the carrier concentration in graphene by a factor of 50 in a non-invasive, non-volatile, and reversible way [2]. The newly developed photochemical gating has already helped to improve the robustness of a graphene resistance standard, further improving the quantization accuracy by a factor of 30 [3]. As a result of these refinements, it was possible to perform the first direct comparison of the integer quantum Hall effect (QHE) in epitaxial graphene with that in GaAs/AlGaAs heterostructures. No difference was found in the quantized resistance value within the relative standard uncertainty of the measurement of 8.6·10−11, this being the most stringent test of the universality of the Quantum Hall Effect in terms of material independence [4]. It was shown that an excellent graphene device performance in these measurements is not simply the result of a larger device but finds its origin in a charge exchange mechanism between the SiC substrate and graphene, leading to an unusually strong pinning of the quantum Hall state in epitaxial graphene.

Fig. 1. (from left to right) Growth cell, wafer scale graphene and a

LEEM image (50µm) showing large area 1ML graphene (grey color)

30

Fig. 2a. Quantization of transverse Hall Fig. 2b. Hall bar on which the resistance and vanishing of longitudinal measurements were performed

resistance

References

[1]A. Tzalenchuk, S. Lara-Avila, A. Kalaboukhov, S. Paolillo, M. Syväjärvi, R. Yakimova, O. Kazakova, T. J. B. M. Janssen, V. Fal'ko, S. Kubatkin, NATURE NANOTECHNOLOGY, 5, 186 (2010)

[2]S. Lara-Avila, K. Moth-Poulsen, R. Yakimova, T. Bjørnholm, V. Fal’ko, A. Tzalenchuk, S. Kubatkin, Adv.Mater. 23, 878 (2011)

[3]T. J. B. M. Janssen, A. Tzalenchuk, R. Yakimova, S. Kubatkin, S. Lara-Avila, S.

Kopylov,V. I. Fal’ko, PHYSICAL REVIEW B 83, 233402 (2011)

[4]T. J. B. M. Janssen, N.E. Fletcher, R. Goebel, J. M. Williams, A. Tzalenchuk, R. Yakimova, S. Kubatkin, S. Lara-Avila, V. I. Falko, New Journal of Physics 13, 093026 (2011).

ОСОБЕННОСТИ УСТРОЙСТВ МИКРОСИСТЕМНОЙ ТЕХНИКИ НА ОСНОВЕ КАРБИДА КРЕМНИЯ

А.В. Корляков Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет “ЛЭТИ”

Возрастающий интерес к использованию карбида кремния (SiC) в микросистемной технике, в первую очередь, обусловлен потребностью в стабильных высокотемпературных системах, способных работать в экстремальных условиях.

31

В работе обобщен материал по исследованию и применению карбида кремния в микросистемной технике. Представлены результаты технологических разработок и конкретные примеры приборной реализации различных изделий микросистемной техники на основе пленок карбида кремния и композиций на их основе.

Карбид кремния, как материал микросистемной техники, интересен своими достаточно уникальными механическими и теплофизическими характеристиками (высокие значения коэффициентов упругости и теплопроводности). Исследование данных свойств материала в низкоразмерных структурах показывает сильную зависимость таких параметров как внутренние механические напряжения, теплопроводность от условий формирования пленки SiC и состояния поверхности. В то же время «активные» преобразовательные свойства SiC, в основном, определяются объемными характеристиками материала.

Представлены особенности технологии «объемной и поверхностной микромеханики» при использовании пленок SiC в изделиях микросистемной техники. Разработаны унифицированные технологические процессы и маршруты создания микромеханических структур на основе композиции «карбид кремния на изоляторе».

Разработаны микромеханические структуры с применением пленок SiC и композиции SiC - AlN, полученных ионно-химическим осаждением. Реализованы различные микросистемы на основе пленок карбида кремния [1]:

тензорезистивные микромеханические сенсоры для экстремальных условий эксплуатации (датчики давления, микроакселерометры); терморезистивные преобразователи на основе объемных микромеханических структур (датчики температуры, потока, микроактюатор, микрореактор, микроизлучатель); емкостные преобразователи на основе структур поверхностной микроме-

ханики (микроакселерометр, чувствительный элемент микрогироскопа); оптикомеханические преобразователи мембранного типа (давления, вибрации и ускорения).

Характеристики пленок карбида кремния оптимизированы в соответствии со специфическими требованиями для использования в микросистемах.

Литература.

1. Корляков А.В. Физико-технологические основы формирования базовых элементов микросистемной техники // Санкт-Петербург. Изд-во «Технолит».

2008.- 126 с.

32

ДОКЛАДЫ МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ И СТУДЕНТОВ

ИЕРАРХИЧЕСКИЕ ТРЕХМЕРНЫЕ ПОРИСТЫЕ СТРУКТУРЫ НА ОСНОВЕ ДИОКСИДОВ КРЕМНИЯ И ОЛОВА

Е. В. Абрашова, И. Е. Грачева, К. В. Зыгарь, В. А. Мошников Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»

Для газочувствительных сенсоров нового поколения большой интерес представляют технологические приемы получения иерархических трехмерных сетчатых структур с ветвями сетей, пронизанными наноразмерными порами. При этом открываются перспективы использования в аналитическом отклике газочувствительного датчика, как сигнала изменения резистивной составляющей, так и сигнала, обусловленного емкостными свойствами детектируемого газа. Таким образом, трехмерная перколяционная сетчатая структура нанокомпозитов на основе металлооксидов обеспечивает принципиально новые возможности повышения селективности за счет различной способности поляризации восстанавливающих газов-реагентов и химической модификации поверхности открытых пор. Целью настоящей работы являлось развитие представлений о формировании иерархических пористых нанокомпозитных слоев при золь-гель процессах.

Выявлено, что на ранних стадиях созревания золей в пленочных нанокомпозитах на основе диоксидов олова и кремния образуются локальные области неправильной формы. Внутри этих диффузионно-лимитированных образований при увеличении времени выдержки золей возникают фрактальные объекты. При этом соседние ветви агрегатов соединяются и формируются иерархические пористые нанокомпозиты, структура которых зависит от типа и предыстории обработки подложки. Дальнейшее увеличение времени выдержки золей приводит к формированию губчатой пористой системы, состоящей из каналов и пор. Размер пор зависит от времени выдержки золей. Отметим, что в полученных корпуску- лярно-пористых наносистемах порами являются и промежутки между фрактальными частицами. Выявлено, что молекулярно-массовое распределение неорганических полимерных цепей в золе оказывает значительное влияние на надмолекулярную структуру нанокомпозитов. Установлено, что зависимость фрактальной размерности поверхности (в диапазоне от 2.24 до 2.85 для размера сканирования 5 мкм х 5 мкм) от времени выдержки золя имеет возрастающий характер и точку перегиба, свойственные для образца с иерархическим строением.

Работа выполнена при поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (ГК № П1249 от 07.06.2010, № 14.В37.21.0134, № 14.В37.21.0238).

33

МОДЕЛЬ КИНЕТИКИ РАСТВОРЕНИЯ SiC В Si ПРИ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ОБРАБОТКЕ

С.П. Авдеев, О.А. Агеев, Е.Ю. Гусев, М.В. Гречанников Южный Федеральный Университет, Таганрог

Воснову модели положена адекватная экспериментам (при расхождении

<5 %) модель растворения поликристаллического SiC в расплаве Si [1]. Такая модель оказалась применима в случае структуры Si/SiC при электронно-лучевой обработке (ЭЛО) при условии выполненных в [2] уточнений, в частности коэффициента грани подложки Kf, толщины диффузионного слоя δ, фактора шероховатости F, температурной зависимости кинетических параметров.

Известно, что в процессе растворения при ЭЛО имеют место нелинейности толщины и температуры расплава вдоль поверхности подложки, а также последней по толщине. Учет изменений указанных параметров, а также растворимости и коэффициента диффузии в двумерном случае может быть выполнен усреднением параметров посредством интегрирования соответствующих выражений. Учитывая также уменьшение величины F, вызванное изменением морфологии поверхности при растворении, кинетика процесса растворения слоя SiC толщиной h2 в расплаве Si толщиной h1 при температуре T за время t описывается следующую зависимость:

где ρ – плотность; V – скорость обработки; C и D – растворимость SiC (выраженная в массовой доле) и коэффициент диффузии углерода в расплаве Si; индексы 1 – жидкая фаза Si, 2 – подложка SiC.

Расчет по модели [2] представляет оценку толщины при фиксированных значениях параметров и дает заниженные на не более 15 % значения относительно настоящего выражения. Последнее учитывает нелинейности параметров процесса растворения и позволило получить более точное значение, соответствующее экспериментальным данным ЭЛО структур Si/SiC при относительной погрешности 4.5 % для С-грани и 10.4 % для Si-грани.

1.Eremenko V.N., Gnesin G.G., Churakov M.M. Dissolution of polycrystalline silicon carbide in liquid silicon // Powder Metallurgy and Metal Ceramics. – 1972, v. 11, № 6, p. 471 – 474.

2.Авдеев С.П., Агеев О.А., Гусев Е.Ю. Кинетика процесса растворения карбида кремния в расплаве кремния // «Микро- и нанотехнологии в электронике». Материалы Международной НТК, 21 - 27 сентября 2009 г. Приэльбрусье, Россия. – Нальчик: Кабардино-Балкария, 2009, с. 77-79.

34

ELECTRON TRANSPORT AND MEMORY EFFECT IN

Pt-PbO-Pt THIN-FILM STRUCTURES

L.G. Alekseeva, D.A. Chigirev, G.P. Kramar, A.A. Petrov

Saint Petersburg Electrotechnical University "LETI"

PbO films were deposited on Si substrate by method of direct current reactive magnetron sputtering. The source material were pure PbO powder which were uniform distributed through the target. The PbO thin film (≤ um) formed on the rear platinum electrode. After PbO deposition the structures were annealed in the oxygen-containing environment at several temperature (250, 400 and 580 °C). At the last technological step the top platinum electrode was formed by ion-plasma deposition.

As-received film have a columnar structure with a typical grain size of 300 nm.

Annealing at 200, 400 and 580 °C leads to the layers formation which phase composition have the following stoichiometry Pb12O17, Pb3O4, PbO, respectively. A slight grain extension occurs (500 nm) with the annealing temperature increasing. Scanning electron microscopy, X-ray spectrum analysis, Auger analysis and ion pencil beam technologies were used for analysis the surface morphology and structural characterizations of the films. The received structure I-V characteristic investigation show electron transport peculiarity which consist in the unequal I-V characteristic with different bias changing direction. This hysteresis hold with both bias polarity and independently of the measure limits (before ± 3.5 V). The excess of this threshold voltage changes considerably the character of the observed dependence. The log-log scale align the I-V characteristics and show two particular areas (J ~ U and J ~ Un, n > 2). At the backward voltage alteration the dependence has quadratic character.

In the paper we discuss the observed effects nature through the electron transport conception and through the temperature effects in the semiconductors with relaxation effects. There is a conclusion about the memory effect demonstration in the structures and about the utilization perspective of thin films Pt-PbO-Pt in the capacity of memory cells.

35

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛЬТАМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК TI-A-SI:H-TI БАРЬЕРНЫХ СТРУКТУР

Д.В. Алмазов, С.С. Балаганский, В.Г. Мишустин Рязанский государственный радиотехнический университет

тел: (4912) 46-03-66, факс: (4912) 92-22-15, эл. почта: almazovdv@mail.ru

В барьерных структурах на основе Ti-a-Si:H-Ti вольт-амперные характеристики (ВАХ) в значительной степени зависят от их электрофизических параметров. По ВАХ можно получить информацию о характеристиках приборных структур и их работоспособности. Исходя их этого, анализ ВАХ является одним из наиболее доступных и информативных методов исследования барьеров в контактах, в том числе и на некристаллических полупроводниках [1].

При анализе экспериментальных и расчете теоретических ВАХ полагаем, что основным механизмом токопереноса в диапазоне комнатных температур является надбарьерная эмиссия носителей заряда. В данной работе объектом исследования являлись структуры Ti-a-Si:H-Ti (рис. 1), которые по сути можно рассматривать как систему встречно включенных барьеров. Ток через такую структуру представляет собой ток обратносмещенного барьера при любой полярности приложенного напряжения. Асимметрия ВАХ обусловлена неоднородностью структуры, которая возникает в процессе роста полупроводниковой пленки [2].

Экспериментальные ВАХ качественно совпадают с результатами, полученными другими авторами [3, 4]. Классическая ВАХ, измеренная для образцов Ti- a-Si:H-Ti, полученных при различных технологических режимах (температура, длительность осаждения), представлена на рис. 2. Основное отличие от ВАХ для кристаллических полупроводников заключается в том, что обратная ветвь ВАХ имеет ярко выраженный экспоненциальный характер.

С применением классической диффузионной теории выпрямления на контакте металл-кристаллический полупроводник можно описать экспериментально и аналитически полученные ВАХ для структур Ti-a-Si:H-Ti с учетом особенностей электронного строения и электрофизических свойств неупорядоченных полупроводниковых материалов (высокая плотность состояний, зависимость эффективной высоты барьера от величины внешнего смещения) [5]. Такой подход позволяет по известным электрофизическим свойствам применяемых материалов прогнозировать электрические свойства барьерных (омических) контактов и приборных структур в целом.

36

Рис. 1. Структура экспериментальных Рис. 2. Экспериментальные ВАХ исобразцов следуемых структур на основе Ti-a-

Si:H-Ti

Применение метода ВАХ для исследования некристаллических полупроводников позволяет получать информацию об электрофизических свойствах исследуемых материалов и приборных структур на их основе. Таким образом, анализ ВАХ можно использовать как экспресс-метод контроля качества синтезируемых некристаллических полупроводниковых материалов, что позволяет своевременно вносить корректировки в технологические режимы [4].

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ на оборудовании РЦЗМкп.

Литература

1.Вихров С.П., Вишняков Н.В., Мишустин В.Г. Физические процессы

вбарьерных структурах на основе неупорядоченных полупроводников / Учеб. пособие. Рязань, 2005. 72 с.

2.Алмазов Д.В., Мишустин В.Г. Исследование электрофизических свойств халькогенидных стеклообразных полупроводников методами вольтамперных, вольт-фарадных характеристик и модифицированным времяпролетным методом. Физика полупроводников. Микроэлектроника. Радиоэлектронные устройства. Межвузовский сборник научных трудов. Рязань. 2011.

3.Вихров Д.С. Идентификация механизмов токопереноса структур Me-a-Si: H при автоматизированной обработке экспериментальных данных. Дис. уч. ст. к.ф.-м.н. Рязань, 2002.

4.Мазуров А.В. Электрофизические и оптоэлектронные свойства гетероструктур на основе a-Si:H и его сплавов: Автореф. дисс. канд. техн. наук. Москва. 2004.

5.Вихров С.П., Вишняков Н.В., Мишустин В.Г., Авачев А.П., Уточкин И.Г., Попов А.А. ФТП. 39. 1189 (2005).

37

MICROMECHANICS BASED OF SILICON CARBIDE

O.N Astashenkova, A.V. Korlyakov, V.V. Luchinin

Department of electronics, St. Petersburg state electrotechnical university «LETI», Centre of Microtechnology and Diagnostics, Russia

Email: cmid_leti@mail.ru

The basic scope silicon carbide (SiC) in microsystem technics is defined by its physical, chemical and thermomechanical properties. The high thermal conductivity, mechanical strength and chemical inertness make it possible to use as a bulk silicon carbide and its nanoscale films to create microsystems for various purposes. Silicon carbide has attracted research interest for high-temperature application. The films of silicon carbide are used to create thin-film membrane elements in the microsystems.

Therefore it’s very important to control properties of silicon carbide films. In this work investigations of mechanical properties the SiC films deposited by magnetron spattering in argon atmosphere were performed. Internal stresses and Young's modulus of SiC films were determined.

It was found that the stresses in these films are compressive and theirs values range from – 100 to -500 MPa, depending on the conditions of film deposition. Values of Young's modulus of this films were 0.5·1012 Pa.

The conditions of formation of residual stresses in SiC films on an insulating substrate were also studied. Mechanical stress of the films SiC, formed by magnetron sputtering, depend on the parameters of the deposition process: the substrate temperature and the residual atmosphere in the chamber and the electric potential distribution on the substrate The dependence of the magnitude of residual stress in the films on the temperature of their preparation is presented on Fig. 1.

At improvement pumping chamber value of compressive stresses in the films of silicon carbide is significantly reduced. Using thin films of silicon carbide allow to create a micromechanical low stressed membrane for sensitive signal transducers (Fig. 2, a). The form of the membrane surface depends on the properties of silicon carbide films. This allows to create thin-film structures with planar (Fig. 2, b) and curved (Fig. 2, c) surfaces, depending on the stresses formed in the micromechanical structure. This investigation has allowed to develop technology of deposition SiC with required properties.

The following micro systems based on SiC was developed and realized: Piezoresistive micromechanical sensor for extreme operating conditions: pres-

sure sensors (Fig. 3, a) and microaccelerometers (Fig. 3, b) [1].

Capacitive transducer based on structures of surface micromechanics: microaccelerometer (Fig. 3, c) and sensitive element microgyroscope (Fig. 3, d)

38

Optomechanical membranes: optomechanical pressure transducers, vibration and acceleration transducers (Fig. 2, a).

Currently, active research in the direction associated with the use thin films of silicon carbide on insulator for creating RF MEMS keys for extreme conditions and operating modes.

-ζ0, Па

1200

1000

800

600

400

200

0

Fig. 1.

Fig. 2.

Fig. 3.

References

[1] Ballandovich V.S., Bogachev S.V., Il’in V.A., Korlyakov A.V., Kostromin

S.V., Luchinin V.V., Petrov A.A. Realization of silicon carbide sensors for measurments on gaseous working fluids // Materials scienceand engineering B46. – 1997. - p. 383-386.

39