Лучинин В.В. Физика и технология микро

Подождите немного. Документ загружается.

Таблица 2

Примеры реализации микромеханических сенсоров на основе пленок SiC и AlN

Название Схема / фото

Основные

характеристики

Чувствительный

элемент

тензорезистивного

датчика давления

раб

= 0…1600 кПа;

раб

= –55…+450 °С;

вых

= 20…30 мВ;

ТКЧ = –0,001 K

–1

Чувствительные

элементы

тензорезистивного

акселерометра

раб

= 0…100 м/с

;

раб

= –55…+450 °С;

вых

= 5…15 мВ;

ТКЧ = –0,001 K

–1

Чувствительные

элементы

емкостного

акселерометра

и микрогироскопа

раб

= 0…20 м/с

;

раб

= 0…100 град/с;

ном

= 10 пФ;

= 0,1 пФ/g

Чувствительный

элемент

пьезоэлект-

рического

преобразователя

= 4,5 мкВ/Па;

пр

= 7,4 нм /В;

AlN

= 0,9 мкм;

= 0,4 мкм

Первичный

преобразователь

датчика

пульсаций

давления

раб стат

= 0…1600 кПа;

раб пульс

= 0…100 кПа;

раб

= –55…+450 °С;

раб

= 0…10 кГц

вых

= 20…30 мВ;

ТКЧ = –0,001 K

–1

– химическая стойкость SiC позволяет формировать мембраны в

системе SiC/Si в стандартных травителях для Si без стоп-слоев;

– есть возможность локального изменения проводимости мате-

риала мембраны, позволяющая формировать в ней активные элементы;

– теплопроводность карбида кремния близка к теплопроводности

меди, что определяет высокую однородность теплового поля в мембране;

– малые значения коэффициентов поглощения рентгеновского

излучения позволяют создавать на основе структур SiC/Si рентгенов-

ские окна в виде 3С-SiC-мембраны.

Теплофизические преобразователи на основе пленок SiC

Применение пленочных SiC-терморезисторов в сенсорных мем-

бранных структурах теплофизических преобразователей оказывается

эффективным в силу сочетания тепловой и химической стойкости ма-

териала пленок, его терморезистивных свойств, а также минимальной

теплоотдачи мембранных и балочных структур, на которых формиру-

ется электрическая и тепловая схема преобразователя.

В связи с этим были разработаны и реализованы [29]–[34] конструк-

ции микросенсоров и термоактюаторов на основе пленочных SiC-термо-

резисторов для экстремальных режимов и условий эксплуатации (табл. 3).

Таблица 3

Примеры реализации микросенсоров и термоактюаторов на основе пленочных

SiC-терморезисторов в композиции «карбид кремния на изоляторе»

Название Схема/фото

Основные

характеристики

Чувствительный

элемент дифферен-

циального датчика

температуры

ном

= 3 кОм;

ТКС = –0,005 K

–1

;

раб

= -55…+500 °С;

вых

= 50 мВ

реакц

< 1 с

Чувствительный

элемент

термоанемометра

ном

= 500 Ом;

ТКС = –0,005 K

–1

;

раб

= –55…+450 °С;

пред

= 20 см/с

Инфракрасный

микроизлучатель

раб

= 8 В;

раб

= 360 мВт;

раб

= +900 °С;

нагр

= 5 мс

Микротермореактор

для аналитико-

технологических

микросистем

раб

= 0,225 мкл;

нагр

< 1 c;

макс

= 2 Вт;

U = 12 В;

R = 65 Ом

Автоэмиссионные структуры

на основе SiC-наноразмерных острий

Карбид кремния представляет несомненный интерес для вновь воз-

раждающегося направления – вакуумной автоэмиссионной электроники.

Это определяется тем, что данный широкозонный материал обладает вы-

соким значением критической напряженности электрического поля, зна-

чительной теплопроводностью и устойчивостью к окислению.

Для формирования автоэмиссионных систем на основе SiC ис-

пользовались как монокристаллы карбида кремния, так и многослойные

композиции с диэлектрическими и металлическими слоями, являющие-

ся конструктивными элементами диодных и триодных структур. На

рис. 28 представлены внешний вид матрицы карбидокремниевых острий

и вольтамперные характеристики автоэмиссионных структур.

U, B

I, мкА

Рис. 28. Матрица автоэмиссионных эмиттеров (650 элементов)

с диэлектрическим спейсером и верхним металлическим электродом,

сформированная на поверхности n-4H-SiC фокусированным

ионным пучком, и ВАХ, измеренные на трех изолированных эмиттерах

с различными радиусами острий

Автоэмиссионные острия получены наноразмерным ионным трав-

лением SiC. Уменьшение расстояния между катодом и анодом приводит к

увеличению крутизны ВАХ и их сдвигу в сторону меньших рабочих на-

пряжений, которые составляют десятки вольт. Установлено, что одна

ячейка с катодом в настоящее время занимает площадь порядка 25 мкм

что при площади матрицы в 1 см

и достижимых максимальных рабочих

токах для одного острия в 25 мкА позволяет обеспечить плотность эмис-

сионного тока с тела матрицы порядка 100 А/см

Учитывая высокую радиционную стойкость и высокотемпера-

турность автоэмиссионной электроники, а также ее «импульсные» ха-

рактеристики следует предположить, что карбид кремния в настоящее

время по совокупности электрических, теплофизических параметров и

устойчивости к внешним воздействиям, а также по достигнутой «тех-

нологичности» превосходит все активно исследуемые, в том числе и

«модные» материалы.

Заключение

Авторы выражают благодарность всем сотрудникам кафедры мик-

ро- и наноэлектроники, НОЦ «Центр микротехнологии и диагностики»

и НОЦ «Нанотехнологии» за их вклад в развитие в СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

технологии карбида кремния.

Освоение промышленного производства этого материала позво-

лит перейти к серийному отечественному производству технически

востребованной и коммерчески эффективной электронной компонент-

ной базы нового поколения.

Достижение указанных целей обеспечит технологическую неза-

висимость и конкурентоспособность России в области создания науко-

емкой техники нового поколения с ранее недостижимыми параметра-

ми, режимами и условиями эксплуатации.

Работы выполнены при финансовой поддержке Минобрнауки РФ

в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным на-

правлениям развития научно-технологического комплекса России на

2007–2012 годы», госконтракт № 16.523.12.3004.

Список литературы

1. 7 шагов к созданию бизнеса: Руководство заявителя. Государ-

ственная корпорация «РОСНАНО». М., 2008. С. 15.

2. Верма А. А., Кришна П. Полиморфизм и политипизм в кри-

сталлах. М.: Мир, 1969. С. 273.

3. Закономерность эволюции кристаллической структуры при

синтезе веществ, обладающих множеством структурно-устойчивых

состояний / А. А. Кальнин, В. В. Лучинин, Ф. Нойберт, Ю. М. Таиров //

ЖТФ. 1984. Т. 54. Вып. 7. С. 1388–1390.

4. Лучинин В. В., Таиров Ю. М. Гетероэпитаксиальиая компози-

ция: редкий политип карбида кремния 2Н на изолирующей подложке:

нитрид алюминия–сапфир // Письма в ЖТФ. 1984. Т. 10. Вып. 14. С. 873.

5. Рост слитков карбида кремния политипа 4Н на затравках с

плоскостью (10-10) / Д. Д. Авров, А. В. Булатов, С. М. Дорожкин и др.

// ФТП. 2008. Т. 42. Вып. 12. С. 1483–1487.

6. Tairov Yu. M.,Tsvetkov V. F. Investigation of growth processes of

ingots of silicon carbide single crystals // J. Crystal Growth. 1978. Vol. 43.

P. 209.

7. Методика эпитаксиального наращивания кубического карбида

кремния на кремнии по технологии CVD / В. А. Ильин, А. В. Матузов,

А. З. Казак-Казакевич, А. С. Петров // Известия вузов России. Мате-

риалы электронной техники. 2007. № 3. С. 22–26.

8. Ильин В. А., Матузов А. В., Петров А. С. Исследование про-

цесса получения гетероэпитаксиальных структур 3С-карбида кремния

на подложках кремния // Известия вузов России. Материалы элект-

ронной техники. 2008. № 4. С. 31–34.

9. Пат. РФ №2395867 от 27.07.2010 / А. В. Матузов, А. В. Афа-

насьев, В. А. Ильин и др. Полупроводниковая сэндвич-структура 3С-

SiC/Si, способ ее получения и чувствительный элемент мембранного

типа с ее использованием.

10. Корляков А. В., Костромин С. В. Низкотемпературная эпитак-

сия композиции SiC–AlN магнетронным распылением // Известия

ГЭТУ. 1994. Вып. 471. С. 34–38.

11. Корляков А. В., Костромин С. В. Моделирование химическо-

го упорядочения при росте из двухкомпонентного молекулярного потока

// Известия ГЭТУ. 1996. Вып. 495. С. 96–102.

12. Пат. РФ № 2132583 от 27.07.99 / В. В. Лучинин, А. В. Корля-

ков, С. В. Костромин. Способ управления процессом получения эпи-

таксиальной полупроводниковой структуры

13. Казак-Казакевич А. З., Корляков А. В., Костромин С. В. Про-

цесс химического упорядочения при росте слоев карбида кремния // Из-

вестия ГЭТУ. 1993. Вып. 457. С. 37–41.

14. www.yole.fr

15. www.cree.com

16. Высоковольтные (3,3 кВ) JBS-диоды на основе 4H-SiC /

П. А. Иванов, И. В. Грехов, Н. Д. Ильинская и др. // ФТП. 2011. Т. 45.

№ 5. С. 677–681.

17. Бланк Т. В., Гольдберг Ю. А. Полупроводниковые фотоэлек-

тропреобразователи для ультрафиолетовой области спектра // ФТП.

2003. Т. 37. № 9. С. 1025–1054.

18. Эффект усиления фототока в МОП-структурах Au/SiO

/n-6H-

SiC с туннельно-тонким диэлектриком / И. В. Грехов, М. И. Векслер,

П. А. Иванов и др. //ФТП. 1998. Т. 32. № 9. С. 1145–1148.

19. Беляков Л. В., Горячев Д. Н., Сресели О. М. Фотоответ и

электролюминесценция структур «кремний – пористый кремний – хи-

мически осажденный металл» // ФТП. 2000. Т. 34. № 11. С. 1386–1390.

20. Особенности технологии и свойств фотодетекторов на основе

структур «металл – пористый карбид кремния» / А. В. Афанасьев,

В. А. Ильин, Н. М. Коровкина и др. // ПЖТФ. 2005. Т. 31. № 15. С. 1–6.

21. Корляков А. В., Лучинин В. В. Перспективная элементная база

микросистемной техники // Микросистемная техника. 1999. № 1. С. 12–15.

22. Пат. РФ 2163409, МПК H 01L21/3065 № 2000119226/28 от

21.07.2000 / В. В. Лучинин, А. В. Корляков, А. П. Сазанов, И. Г. Лю-

тецкая. Способ микропрофилирования композиции «SiC–AlN».

23. Пат. РФ 2137249, МПК H 01L21/203 № 98105174/25 от

31.03.1998 / В. В. Лучинин, А. В. Корляков. Способ изготовления мик-

ромеханических приборов.

24. Корляков А. В., Лучинин В. В., Мальцев П. П. Микроэлектро-

механические структуры на основе композиции «карбид кремния –

нитрид алюминия» // Микроэлектроника. 1999. № 3. С. 201–212.

25. Микромеханические гироскопы: конструкции, характеристи-

ки, технологии, пути развития / Л. А. Северов, В. К. Пономарев,

А. И. Панферов и др. // Известия вузов России. Приборостроение. 1998.

Т. 41. № 1–2. С. 57–73.

26. Корляков А. В., Лучинин В. В., Субботин О. В. Датчики дав-

ления на основе SiC для экстремальных условий эксплуатации // Из-

вестия ГЭТУ. 1998. Вып. 517. С. 115–120.

27. Получение текстурированных слоев нитрида алюминия для

микромеханических актюаторов / А. М. Ефременко, А. В. Корляков,

А. Н. Кривошеева, В. В. Лучинин // Вакуумная техника и технология.

2007. Т. 17. № 3. С. 189–198.

28. Корляков А. В. Сверхтонкие мембраны в микросистемной

технике // Нано- и микросистемная техника. 2007. № 8. С. 17–26.

29. Корляков А. В., Лучинин В. В., Никитин И. В. Применение

SiC-микронагревательных систем в микросистемной технике // Микро-

ситемная техника. 2000. № 2. С. 27–31.

30. Инфракрасный микроизлучатель на основе пленочных струк-

тур «SiC на диэлектрике» / А. В. Корляков, С. В. Костромин, М. М. Ко-

сырева и др. // Оптический журнал. 2001. Т. 68. № 12. С. 109–114.

31. Микросенсор для контроля остаточного давления на основе

периодического теплового режима / О. С. Бохов, А. П. Бройко,

А. В. Корляков, В. В. Лучинин // Нано- и микросистемная техника.

2010. № 2. С. 14–17.

32. Пат. РФ 2165663 МПК H01L33/00 № 99114575/28 от

13.07.1999 / В. В. Лучинин, А. В. Корляков, С. В. Костромин, И. В. Ни-

китин. Источник инфракрасного излучения.

33. Пат. РФ 2171467 МПК G 01N27/00 № 2000116849/28 от

30.06.2000 / В. В. Лучинин, А. В. Корляков, Т. М. Зимина, И. В. Ни-

китин. Микрореактор для химического и генетического тестирования.

34. Пат. РФ 2193804 МПК H 01L27/00 № 2001128523/28 от

22.10.2001 / В. В. Лучинин, А. В. Корляков, И. В. Никитин. Полупро-

водниковый термомеханический микроактюатор.

И. Е. Грачева, В. А. Мошников, О. А. Шилова

НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

С ФРАКТАЛЬНОЙ СТРУКТУРОЙ

Введение. В 60-х годах прошлого века в тематике нашей кафед-

ры сформировались физико-химическое направление и соответствую-

щая научная группа под руководством проф. Б. Ф. Ормонта (1900–1978).

Основные разработки были связаны с синтезом и исследованием полу-

проводниковых соединений типа А

, А

и твердых растворов на

их основе [1]. На рубеже веков, в связи с перестройкой учебного про-

цесса на кафедре и созданием новых магистерских программ, на базе

этой группы была организована учебно-научная лаборатория (УНЛ)

«Наноматериалы». Ее основными задачами в учебном процессе стали

создание и актуализация новых курсов по дисциплинам, отражающим

бурное развитие нанотехнологии и нанодиагностики.

С физико-химической точки зрения переход к изучению свойств

нанообъектов означает развитие основной цепочки взаимосвязей «со-

став – структура – свойства». В наномире необходимо добавить «дис-

персность» и «вариации самосборки». С дисперсностью связаны раз-

мерные эффекты, вариации самосборки возникают при формировании

иерархических наноструктур.

Из учебных пособий, изданных коллективом УНЛ «Наномате-

риалы» для поддержки новых курсов «Материаловедение микро- и на-

носистем», «Наноматериалы», «Современные проблемы нанотехноло-

гий», «Зондовые и пучковые нанотехнологии» и др., прежде всего

можно выделить [2]–[4] (они доступны для бесплатного «скачивания»

с сайта: http://www.twirpx.com/file).

В связи с новыми учебными задачами произошли соответствую-

щие изменения в научно-исследовательской тематике лаборатории.

Цель статьи – краткий обзор основных научных результатов, получен-

ных в период 1997–2011 гг. В это время основные работы проводились

с увеличением доли исследований в области нанотехнологии и нано-

материалов, и основным направлением стало «Получение и исследова-

ние наноматериалов с фрактальной структурой».

За отчетный период были успешно защищены 3 докторские дис-

сертации (В. А. Мошников [5], М. В. Бестаев [6] и О. А. Шилова [7]) и

9 кандидатских (Д. Ц. Димитров [8], Р. Ц. Бондоков [9], А. И. Румян-

цева [10], Н. В. Голубченко [11], А. И. Максимов [12], А. Е. Гамарц

[13], С. В. Кощеев [14], Ю. М. Спивак [15] и И. Е. Грачева [16]).

В области халькогенидов свинца и твердых растворов на их осно-

ве основной упор был сделан на создание наноструктурированных пле-

ночных фотодетекторов и излучателей, работающих в ИК-диапазоне

при комнатной температуре [17], [18].

В 2007 г. произошли существенные изменения в кадровом соста-

ве УНЛ. Кроме того, было приобретено новое аналитическое оборудо-

вание, среди которого следует особо отметить зондовую нанолаборато-

рию Ntegra Terma (NT-MDT, Зеленоград) и оборудование серии «СОРБИ»,

предназначенное для измерения удельной поверхности дисперсных и

пористых материалов методом тепловой десорбции. Это позволило

приступить к изучению физико-химических закономерностей форми-

рования наноматериалов, включая фрактальные нанокомпозиты и ие-

рархические структуры, полезные функции которых определяются не

только наноуровнем, но также и другими уровнями структуры. При

этом методами атомно-силовой микроскопии можно получать инфор-

мацию о фрактальной размерности поверхности, а методами сорбомет-

рии оценивать удельную поверхность образцов в целом. Анализ этих

параметров необходим при разработке способов получения новых на-

номатериалов и аттестации их свойств.

В настоящее время коллектив УНЛ «Наноматериалы» объединяет

преподавателей, аспирантов и магистрантов и составляет около 30 чело-

век. У нас традиционно крепкие связи с ФТИ им А. Ф. Иоффе и ИХС

им И. В. Гребенщикова. Профессора Е. И. Теруков, А. Н. Титков (оба из

ФТИ) и д. х. н. О. А. Шилова (ИХС) читают лекции по дисциплинам, за-

крепленным за УНЛ. В последнее время в научной тематике лаборатории

появились полимеры. В связи с этим получили развитие творческие связи

с ИВС РАН и Полимерным центром университета им. Томаша Бати

(г. Злин, Чехия) [19], [20]. Из других зарубежных центров наиболее ак-

тивно проводятся совместные исследования с Дрезденским техническим

университетом (G.Suchaneck, Германия) [21].

Методы получения новых наноматериалов. В УНЛ «Нанома-

териалы» наиболее активно развиваются метод золь-гель-технологии и

метод гидролитического пиролиза. Кроме того, создаются нанообъек-

ты, сформированные с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ),

и пористые наноматериалы, получаемые методами электрохимии. При

этом основными электрохимическими методами являются методы по-

лучения фрактальных пористых структур из первоначального моно-

литного кристаллического материала (например, разные структуры по-

ристого кремния), и методы создания упорядоченной структуры по-

ристого оксида алюминия за счет сил направленной самосборки, воз-

никающих при упругой деформации в процессе окисления [22].

Методами компьютерного моделирования были развиты модель-

ные представления о механизмах роста фрактальных агрегатов в золь-

гель-процессах и об особенностях иерархической самосборки фрак-

тальных кластеров [23].

На рис. 1 и 2 представлены результаты компьютерного модели-

рования по оригинальным программам и микрофотографии растровой

электронной микроскопии по кластер-кластерной агрегации из иерар-

хического уровня глобул с размерами 300–500 нм.

Рис.

Результаты компьютерного моделирования фрактальных агрегатов

Золь-гель-нанокомпозитные слои с пористой сетчатой структу-

рой (рис. 3 и 4) [24], [25] перспективны для применения в газочувстви-

тельных сенсорах [26], [27] и в мультисенсорных системах типа «элек-

тронный нос». При этом, если поперечные сечения проводящих ветвей

стягивающего перколяционного кластера становятся меньше (или со-

измеримы) эффективной длины дебаевского экранирования, газочувст-

вительность электронных датчиков возрастает на несколько порядков.

Лучинин В.В. Физика и технология микро - и наносистем

Подождите немного. Документ загружается.