Исследование влияния температурных деформаций на барический коэффициент сопротивления тонких поликристаллических пленок SmS

В работе приведены результаты исследования температурной зависимости барического коэффициента электросопротивления (БКС) барорезистора на основе тонкой пленки моносульфида самария (SmS) на стеклянной (SiO 2 ) подложке в диапазоне 77–350 К. На температурной зависимости модуля БКС наблюдается особенность в виде острого максимума. Наличие максимума объясняется активацией электронов проводимости с донорного уровня, энергия которого зависит от температурных деформаций, возникающих вследствие различия температурных коэффициентов линейного расширения пленки и подложки. Произведен расчет энергии активации этого донорного уровня. На основании результатов работы определена приемлемая для технического применения низкотемпературная граница эксплуатации тензо- и барорезисторов на основе пленок SmS, равная ~ 150 К.

Кл. сл. : коэффициент пьезосопротивления, термическая деформация, тензодатчик, тензорезистор, барорезистор, моносульфид самария, коэффициент тензочувствительности, барический коэффициент сопротивления, тонкие пленки

В работах [1, 2] проводилось исследование температурных зависимостей барочувствительности барорезисторов, изготовленных на основе тонких поликристаллических пленок моносульфида самария, сформированных на подложках (носителях) из различных материалов. В результате проведенных экспериментов была показана возможность использования таких пленок в качестве первичных преобразователей датчиков механических величин в температурном диапазоне от –30 до 223 °С (243÷496 К) и приведены примеры их использования для решения ряда технических проблем. Однако в различных отраслях науки и техники существуют задачи, требующие применения более низкотемпературных датчиков механических величин. В связи с этим интересным и перспективным представлялось проведение исследований температурных зависимостей БКС тонких поликристаллических пленок SmS в низкотемпературной области, тем более что ранее нами были получены обнадеживающие результаты в ходе проведения аналогичных экспериментов на монокристаллах SmS [3].

С указанной целью поликристаллические пленки SmS, нанесенные методом взрывного испарения в вакууме на стеклянные подложки [4], подвергались гидростатическому сжатию газообразным гелием при температурах Т ≥ 77 К. При каждой фиксированной температуре проводилось из- мерение электросопротивления пленки при повышении и сбросе давления. Более подробно описание установки и методика работы с ней даны в [3]. Барический коэффициент электросопротивления В, рассчитывался по формуле:

1 ⋅ ∂R = ∂lnR R⋅∂P= ∂P или

_{В =} Δ R _, R Δ P

где R — электросопротивление испытуемой пленки, Δ R — приращение электросопротивления, P — давление всестороннего сжатия. На основании полученных данных строилась температурная зависимость В ( T ). Поскольку, как показано в [5], для материала SmS существует взаимнооднозначное соответствие между его коэффициентом тензочув-ствительности и БКС, эксперименты при одноосной деформации пленки представлялись излишними.

Результаты исследования В ( T ) пленки SmS приведены на рис. 1. Здесь же с иллюстративной целью размещен график зависимости модуля коэффициента пьезосопротивления всестороннего сжатия │ П g ( T )│ для монокристалла SmS из [3].

Обращает на себя внимание наличие особенно-

0      50     100     150     200     250     300     350

0.4

0.3

0.2

0.1

0.2

0.3

0.4

50       100      150      200      250      300      350

Т , К

Рис. 2. Температурная зависимость температурного коэффициента БКС полупроводниковой поликристаллической пленки SmS на стеклянной подложке

Т , К

Рис. 1. Температурные зависимости модулей БКС тонкой поликристаллической пленки SmS (1) и коэффициента пьезосопротивления гидростатического сжатия монокристалла SmS (2)

стей в виде острых максимумов на зависимостях │ В ( Т )│ и │ П _g( T )│ для пленки и монокристалла SmS. В работе [3] указанная особенность для монокристалла была объяснена наличием в последнем донорных уровней с энергией активации Е d ≈ 3.5 мэВ относительно дна зоны проводимости, что соответствует температуре Т ≈ 40 К. При более низких температурах коэффициент пьезосопротивления П g "вымораживается" вследствие недостаточной для термоактивации доноров тепловой энергии, а при более высоких температурах ( Т > 60 К) истощается концентрация неионизиро-ванных доноров. В пленке максимум зависимости │ В ( T )│ сдвинут в сторону более высоких температур — до Т ≈ 90 К. Подобный эффект может быть объяснен температурной деформацией пленки SmS под влиянием подложки, с которой они имеют различные термические коэффициенты расширения. A priori понятно, что величина температурного сдвига максимума │ В ( T )│ в пленке будет зависеть и от материала подложки, и от технологии напыления пленки. Поскольку температурный коэффициент расширения SmS превосходит таковой стеклянной подложки, пленка в рассматриваемом случае находится под действием деформаций растяжения, и упомянутые донорные уровни E _d в ней просто заглублены относительно их положения в монокристалле. Соответственно их энергия активации при этом возрастает. Высказанное предположение можно проверить путем проведения расчетов изменения удельных объемов монокристалла и пленки при изменении температуры и далее в рамках теории деформационного потенциала оценить глубину залегания примесных донорных уровней в последней.

Изменение удельного объема пленки (Δ V / V ) пл = Sp ( ε ij ), где ε ij — компоненты тензора деформации; i и j — пробегают значения 1, 2, 3. Компоненты

Т 2

⁸ 11 = ⁸ 22 = J « ст (Т ) d T = « ст "N Т ,

Т 1

где αст (Т) — температурная зависимость линейного коэффициента термического расширения стеклянной подложки;

редненный линейный расширения стекла; Т 1

Т 2

а ст = J « ст (Т )d т /а т — ус-

Т 1

коэффициент теплового

— температура подложки пленки SmS в процессе формирования (720 К), Т2 — температура проведения эксперимента (≥ 77 К); ΔТ=Т2 – Т1. Компонента ε33 = (αSmS –2νSmS αст)·ΔТ, где νSmS — усредненный по всем неэквивалентным кристаллографическим направлениям в кристаллитах пленки SmS коэффициент Пуассона [6], αSmS — усредненный линейный коэффициент теплового расширения SmS (определяется аналогич-ноαст). Отсюда следует, что (ΔV/V)пл= [2αст (1– –νSmS) +αSmS]·ΔТ. ВеличиныνSmS, αст и αSmS равны соответственно 0.21, (4÷6)·10–6 К–1 и 12·10–6 К–1 [6–8]. Максимальное отношение изменений удельных объемов монокристалла и пленки

(Δ V / V ) SmS /(Δ V / V ) пл =1.67.

Если исходить из предположения, что деформационный потенциал донорных уровней Ed в монокристалле и пленке одинаков, то в последней глу- бина залегания относительно дна зоны проводимости составит Ed(пл) = 1.67∙Ed(кр) = 5.9 мэВ, что соответствует Т ≈ 70 К. Максимум температурной зависимости В(T) пленки должен располагаться по температурной шкале несколько выше 70 К. Разница между температурой максимума пика и выраженной в единицах температуры энергией активации донорных уровней Ed(пл), которые ответственны за его наличие, определяется положением последних относительно уровня химического потенциала. Вычисление температуры максимума пика представляет собой достаточно сложную математическую задачу, решение которой выходит за рамки настоящего сообщения.

Низкотемпературная граница применения по-ликристаллических пленок моносульфида самария в качестве материала для тензо- и барорезисторов, даже при больших значениях БКС, обусловливается приемлемыми для данных условий эксплуатации температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) пленки и температурным коэффициентом БКС, определяемым по формуле

1 ∂ B ∂ ln B — •--=----

.

B ∂ T   ∂ T

Однако, если первый (ТКС) еще удается скомпенсировать, например, применением мостовых схем для регистрации сигналов с датчиков, то второй не поддается термокомпенсации так просто, и именно его температурная зависимость определяет нижнюю температурную границу применимости пленочных тензо- и барорезисторов на основе SmS. Как видно из графика зависимости γ от температуры, представленного на рис. 2, этот температурный предел эксплуатации составляет ≈ 150 К или –123 °С, поскольку до этой температуры γ изменяется слабо и мала по величине.

Работа выполнена при поддержке фирмы SmStenzotherm GmbH.