Элементы твердотельной электроники на основе КНИ-структур и нитевидных кристаллов Si для криогенных температур

Представлены результаты исследования электрофизических свойств поликристаллических пленок кремния в структурах «кремний-на-изоляторе» и нитевидных кристаллов кремния в температурном диапазоне 4,2—70 К, полученные с помощью импедансных измерений в интервале частот от 10 Гц до 250 кГц. Показана возмож...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2014
Автори:	Дружинин, А.А., Островский, И.П., Ховерко, Ю.Н., Корецкий, Р.Н.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України 2014
Назва видання:	Технология и конструирование в электронной аппаратуре
Теми:	Материалы электроники
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/100465
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Элементы твердотельной электроники на основе КНИ-структур и нитевидных кристаллов Si для криогенных температур / А.А. Дружинин, И.П. Островский, Ю.Н. Ховерко, Р.Н. Корецкий // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2014. — № 5-6. — С. 46-50. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-100465
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1004652016-05-23T03:02:10Z Элементы твердотельной электроники на основе КНИ-структур и нитевидных кристаллов Si для криогенных температур Дружинин, А.А. Островский, И.П. Ховерко, Ю.Н. Корецкий, Р.Н. Материалы электроники Представлены результаты исследования электрофизических свойств поликристаллических пленок кремния в структурах «кремний-на-изоляторе» и нитевидных кристаллов кремния в температурном диапазоне 4,2—70 К, полученные с помощью импедансных измерений в интервале частот от 10 Гц до 250 кГц. Показана возможность их использования в качестве элементов твердотельной электроники, работоспособных при криогенных температурах. Представлено результати дослідження електрофізичних властивостей полікристалічних плівок кремнію в структурах «кремній-на-ізоляторі» та ниткоподібних кристалів Si в температурному діапазоні 4,2—70 К, отримані за допомогою імпедансних вимірювань в діапазоні частот від 10 Гц до 250 кГц. Показано можливість їх використання як елементів твердотільної електроніки, працездатних при кріогенних температурах. Отримані імпедансні характеристики зразків вказують на можливість створення реактивних елементів твердотільної електроніки певних номіналів, придатних для роботи в умовах низьких температур, на основі полікристалічного і монокристалічного кремнію. На основі встановлених залежностей запропоновано окремі елементи твердотільної електроніки у вигляді ємнісних і індуктивних елементів та комплексну систему у вигляді коливального контуру, які працездатні при кріогенних температурах. Характеристики розробленої системи залежать як від структури зразків, так і від рівня їх легування, що дозволяє змінювати при необхідності параметри елементів в широких межах. The paper presents the study results of electrical properties of polycrystalline silicon films in silicon-on-insulator structures and Si whiskers in the temperature range of 4,2—70 K obtained by impedance measurements in the frequency range from 10 Hz to 250 kHz and the possibility of their use in solid-state electronics, functioning at cryogenic temperatures. Characteristics of samples obtained with impedance measurements allow to predict certain specifications of reactive elements of solid state electronics based on polycrystalline and single crystalline silicon, operable at low temperatures. Using the established dependencies, separate elements in the form of solid-state electronics capacitive and inductive elements as well as a combined system in an oscillatory circuit, operable at cryogenic temperatures, have been suggested. The features of developed system depend on the structure of samples and their doping level, which allows to change the required parameters of the elements of solid state electronics in a wide range. 2014 Article Элементы твердотельной электроники на основе КНИ-структур и нитевидных кристаллов Si для криогенных температур / А.А. Дружинин, И.П. Островский, Ю.Н. Ховерко, Р.Н. Корецкий // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2014. — № 5-6. — С. 46-50. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 2225-5818 DOI: 10.15222/TKEA2014.2.46 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/100465 625.315.592 ru Технология и конструирование в электронной аппаратуре Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Материалы электроники Материалы электроники
spellingShingle	Материалы электроники Материалы электроники Дружинин, А.А. Островский, И.П. Ховерко, Ю.Н. Корецкий, Р.Н. Элементы твердотельной электроники на основе КНИ-структур и нитевидных кристаллов Si для криогенных температур Технология и конструирование в электронной аппаратуре
description	Представлены результаты исследования электрофизических свойств поликристаллических пленок кремния в структурах «кремний-на-изоляторе» и нитевидных кристаллов кремния в температурном диапазоне 4,2—70 К, полученные с помощью импедансных измерений в интервале частот от 10 Гц до 250 кГц. Показана возможность их использования в качестве элементов твердотельной электроники, работоспособных при криогенных температурах.
format	Article
author	Дружинин, А.А. Островский, И.П. Ховерко, Ю.Н. Корецкий, Р.Н.
author_facet	Дружинин, А.А. Островский, И.П. Ховерко, Ю.Н. Корецкий, Р.Н.
author_sort	Дружинин, А.А.
title	Элементы твердотельной электроники на основе КНИ-структур и нитевидных кристаллов Si для криогенных температур
title_short	Элементы твердотельной электроники на основе КНИ-структур и нитевидных кристаллов Si для криогенных температур
title_full	Элементы твердотельной электроники на основе КНИ-структур и нитевидных кристаллов Si для криогенных температур
title_fullStr	Элементы твердотельной электроники на основе КНИ-структур и нитевидных кристаллов Si для криогенных температур
title_full_unstemmed	Элементы твердотельной электроники на основе КНИ-структур и нитевидных кристаллов Si для криогенных температур
title_sort	элементы твердотельной электроники на основе кни-структур и нитевидных кристаллов si для криогенных температур
publisher	Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України
publishDate	2014
topic_facet	Материалы электроники
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/100465
citation_txt	Элементы твердотельной электроники на основе КНИ-структур и нитевидных кристаллов Si для криогенных температур / А.А. Дружинин, И.П. Островский, Ю.Н. Ховерко, Р.Н. Корецкий // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2014. — № 5-6. — С. 46-50. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.
series	Технология и конструирование в электронной аппаратуре
work_keys_str_mv	AT družininaa élementytverdotelʹnojélektronikinaosnoveknistrukturinitevidnyhkristallovsidlâkriogennyhtemperatur AT ostrovskijip élementytverdotelʹnojélektronikinaosnoveknistrukturinitevidnyhkristallovsidlâkriogennyhtemperatur AT hoverkoûn élementytverdotelʹnojélektronikinaosnoveknistrukturinitevidnyhkristallovsidlâkriogennyhtemperatur AT koreckijrn élementytverdotelʹnojélektronikinaosnoveknistrukturinitevidnyhkristallovsidlâkriogennyhtemperatur
first_indexed	2025-07-07T08:51:31Z
last_indexed	2025-07-07T08:51:31Z
_version_	1836977532011806720
fulltext	Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2014, ¹ 5–6 46 МАТЕРИАЛЫ ЭЛЕКТРОНИКИ ISSN 2225-5818 ÓÄÊ 625.315.592 Д. т. н. А. А. ДРУЖИНИН, д. т. н. И. П. ОСТРОВСКИЙ, к. т. н. Ю. Н. ХОВЕРКО, Р. Н. КОРЕЦКИЙ Украина, Национальный университет «Львовская политехника» E-mail: druzh@polynet.lviv.ua ЭЛЕМЕНТЫ ТВЕРДОТЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ НА ОСНОВЕ КНИ-СТРУКТУР И НИТЕВИДНЫХ КРИСТАЛЛОВ Si ДЛЯ КРИОГЕННЫХ ТЕМПЕРАТУР В настоящее время в аэрокосмической тех- íèêå, êðèîýëåêòðîíèêå è дð. шèðîêî ïðèмåíÿ- ются высокочувствительные, быстродействую- щие устройства и компоненты твердотельной электроники (резонаторы, фильтры, линии за- дåðжêè è дð.), ðàбîòîñïîñîбíыå â ñëîжíыõ óñëîâèÿõ ýêñïëóàòàцèè [1, 2]. Одíàêî íåîбõî- димость работы в условиях глубокого охлаж- дения и связанные с этим технические труд- ности их реализации резко ограничивают ис- ïîëьзîâàíèå òàêèõ óñòðîéñòâ. Пåðñïåêòèâíîé элементной базой для таких приборов явля- ются, в первую очередь, структуры «кремний- на-изоляторе» (КНИ), èñïîëьзîâàíèå êîòîðыõ может обеспечить серийноспособную техноло- гию изготовления микроэлектронных схем раз- ëèчíîãî íàзíàчåíèÿ [3]. С дðóãîé ñòîðîíы, èз- вестно, что использование полупроводнико- вых нитевидных кристаллов (НК) ïðè ðàзðà- бîòêå ðÿдà óñòðîéñòâ ïîзâîëÿåò ðàñшèðèòь îб- ласть их применения и на криоэлектронику [4, 5]. Äëÿ ðåшåíèÿ óêàзàííîé ïðîбëåмы ñîздàíèÿ компонентов электронных схем твердотельной электроники необходимо проведение физиче- ских исследований и высокий уровень техноло- ãèé ñîздàíèÿ èõ ýëåмåíòíîé бàзы. Одним из известных методов исследования структуры материала является метод импеданс- íîé ñïåêòðîñêîïèè [6], èñïîëьзîâàíèå êîòîðî- го в ряде случаев позволяет разделить и опре- делить вклады различных элементов микро- ñòðóêòóðы â ïîëíóю ïðîâîдèмîñòь îбðàзцà. С помощью данного метода можно получить до- полнительную информацию об электрофизиче- ских свойствах материала, качественно и коли- чественно оценить, какой вклад в его проводи- мость вносят размеры структуры, поверхности è мåжзåðåííыõ ãðàíèц. Представлены результаты исследования электрофизических свойств поликристаллических пленок кремния в структурах «кремний-на-изоляторе» и нитевидных кристаллов кремния в температур- ном диапазоне 4,2—70 К, полученные с помощью импедансных измерений в интервале частот от 10 Гц до 250 кГц. Показана возможность их использования в качестве элементов твердотельной электроники, работоспособных при криогенных температурах. Ключевые слова: поликремний, нитевидный кристалл, КНИ-структура, диаграмма Найквиста. Целью настоящей работы является исследова- ние электрофизических свойств поликристалли- ческих пленок кремния в КНИ-структурах и ни- тевидных кристаллов Si при температурах от 4,2 до 70 К в частотном диапазоне 10 Гц — 250 кГц на предмет возможности их использования при создании устройств, которые могут работать в óñëîâèÿõ êðèîãåííыõ òåмïåðàòóð. Образцы для исследований и методика эксперимента Обьектом исследований служили тестовые элементы p-типа проводимости, легирован- ные бором с концентрацией носителей заря- дà 2,4•1018 см–3 и микрокристаллы кремния с удельным сопротивлением r300Ê = 0,02 Ом•ñм. Поликремниевые резисторы в КНИ-структуре имели размеры 80×8×0,5 мêм. Изâåñòíî, чòî â мèêðîýëåêòðîíèêå шèðîêî èñïîëьзóюòñÿ ñëîè поликристаллического кремния на поверхности îêèñëåííîé êðåмíèåâîé ïëàñòèíы. Òàêèå ñëîè формируются, как правило, химическим осаж- дåíèåм èз ãàзîâîé фàзы мåòîдîм LPCVD [7]. Нитевидные кристаллы Si выращивали ме- тодом химических транспортных реакций в за- крытой бромидной системе с использованием ïðèмåñåé бîðà è зîëîòà. Òåмïåðàòóðà зîíы èñ- òîчíèêà ñîñòàâëÿëà 1370 Ê, òåмïåðàòóðà зîíы êðèñòàëëèзàцèè — îò 1070 дî 1150 Ê. Äèàмåòð НÊ ñîñòàâëÿë 1—40 мêм. Иññëåдîâàëèñь êðè- сталлы с концентрацией акцепторной примеси на диэлектрической стороне перехода «металл — диэлектрик» Na<5•1018 см–3 [5]. Согласно результатам Холловских изме- рений концентрация носителей заряда состав- ëÿëà 2,4•1018 см–3 в образцах поликрем- íèÿ è 5•1018 см–3 â íèòåâèдíыõ êðèñòàëëàõ. Электрические контакты создавались методом DOI: 10.15222/TKEA2014.2.46 Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2014, ¹ 5–6 47 МАТЕРИАЛЫ ЭЛЕКТРОНИКИ ISSN 2225-5818 импульсного сваривания по методике, обеспе- чивающей необходимую омичность контактов и îïèñàííîé â [5]. Омèчíîñòь ïîëóчåííыõ êîí- тактов была подтверждена линейностью вольт- амперных характеристик образцов, получен- íыõ â èíòåðâàëå òåмïåðàòóð 4,2—300 Ê. В исследованиях использовался метод импе- дансной спектроскопии, при котором образец возбуждается малым синусоидальным сигна- ëîм. Нà îñíîâå ïîëóчåííыõ ýêñïåðèмåíòàëьíî частотных зависимостей Z'' и Z' (реактивная и активная составляющие сопротивления соответ- ñòâåííî) ïðåдëîжåíы ýêâèâàëåíòíыå ýëåêòðè- чåñêèå ñõåмы дëÿ àíàëèзà ñòðóêòóðы îбðàзцîâ. Графическим отображением эксперименталь- ных данных была зависимость Z''(Z') èëè, дðó- гими словами, годограф импеданса (диаграмма Нàéêâèñòà). Экспериментальные результаты Экспериментальные результаты исследова- ния низкотемпературной проводимости поли- кристаллических пленок в КНИ-структурах и нитевидных кристаллов кремния позволили об- íàðóжèòь ðÿд îñîбåííîñòåé. На рис. 1 представлена диаграмма Найкви- ста для мелкозернистых образцов с концен- òðàцèåé íîñèòåëåé зàðÿдà 2,4•1018 см–3. Пîëè- кристаллический материал состоит из отдель- ных монокристаллов или зерен, которые пред- ставляют собой разупорядоченые области тол- щиной порядка нескольких атомных слоев и ко- торые соединены между собой так называемы- мè ãðàíèцàмè зåðåí. Нàëèчèå ýòèõ ãðàíèц ïðè- водит к качественному различию между элек- трическими свойствами поли- и монокристал- лического материалов, которым нельзя пре- íåбðåãàòь. Изâåñòíî, íàïðèмåð, чòî â îòëèчèå от монокристаллического кремния, в поликри- сталлических слоях подвижность электронов и дыðîê, à òàêжå âðåмÿ èõ жèзíè, мàëы. Эòî îб- óñëîâëåíî íàëèчèåм бîëьшîãî êîëèчåñòâà дå- фектов структуры, локализированных на меж- зеренных границах, которые являются центра- мè ðàññåÿíèÿ è ðåêîмбèíàцèè. Анализ диаграмм Найквиста для мелкозер- нистых образцов указывает на емкостной ха- ðàêòåð èõ ñîïðîòèâëåíèÿ [8]. Гîдîãðàф èмïå- дансных зависимостей занимает отрицатель- íóю âåòâь ïîëóîêðóжíîñòè [9, 10], чòî îïðå- деляется наличием емкостей, которые обуслов- лены аккумуляцией заряда на дефектах межзе- ðåííыõ ãðàíèц â ïîëèêðåмíèè. Эòè ðåзóëьòà- òы ñîãëàñóюòñÿ ñ íàшèмè ïðåдыдóщèмè èññëå- дованиями, в которых было обнаружено про- явление Моттовской проводимости (lnr~Т–1/4) â íèзêîòåмïåðàòóðíîé îбëàñòè [11]. Нàïðèмåð, для мелкозернистых слоев поликремния с кон- цåíòðàцèåé íîñèòåëåé зàðÿдà 2,4•1018 cм–3 на- блюдалась характерная температурная зависи- мость, что с физической точки зрения можно îбъÿñíèòь íàëèчèåм â îбðàзцàõ бîëьшîãî êîëè- чåñòâà мåжзåðåííыõ ãðàíèц. Эквивалентная схема проводимости рассма- триваемой структуры должна включать парал- лельное соединение конденсатора и резистора (ðèñ. 1, âñòàâêà), â êîòîðîé åмêîñòь зàмåщàåò межзеренные границы, а сопротивление — объ- åм зåðíà. Эòè ðåзóëьòàòы õîðîшî àíàëèзèðî- вать на примере рассчитанных температурных зàâèñèмîñòåé åмêîñòè. Êàê âèдíî íà рис. 2, в мелкозернистом образце емкость мала и возрас- тает вместе с температурой в интервале 4,2— 300 Ê îò 10 дî 70 ïФ, ïðèчåм åå íàðàñòàíèå ïîчòè дî 60 ïФ ïðîèñõîдèò быñòðî — â èíòåð- âàëå îò 4,2 дî 60 Ê ñ ïîñòåïåííым íàñыщåíèåм ïðè дàëьíåéшåм íàãðåâàíèè. Мåëêîзåðíèñòыå образцы содержат зерна малых размеров (по- ðÿдêà 30 íм), ñóммàðíîå ðàññòîÿíèå мåждó êîòîðымè дîñòàòîчíî âåëèêî. Êàê ñëåдñòâèå, мåжзåðåííàÿ (бàðьåðíàÿ) åмêîñòь îòíîñèòåëь- íî мàëà. Рèñ. 1. Äèàãðàммà Нàéêâèñòà дëÿ íåðåêðèñòàëëèзî- ваных образцов поликремния в КНИ-структурах с êîíцåíòðàцèåé 2,4•1018 ñм–3 при различных значе- íèÿõ òåмïåðàòóðы — 300, 70, 60 Ê è íèжå ñ шàãîм 10 К вплоть до 4, 2 К (на вставке — эквивалентная ñõåмà ïðîâîдèмîñòè òàêîé ñòðóêòóðы) Z'', МОм –0,2 –0,4 –0,6 –0,8 –1,0 –1,2 –1,4 –1,6 0 0,5 1,0 1,5 2,0 Z', МОм 300 Ê 70 К 60 Ê Рèñ. 2. Òåмïåðàòóðíàÿ зàâèñèмîñòь åмêîñòè мåëêî- зернистых образцов C, ïФ 60 40 20 0 50 100 150 200 250 T, К Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2014, ¹ 5–6 48 МАТЕРИАЛЫ ЭЛЕКТРОНИКИ ISSN 2225-5818 Что касается полупроводниковых индук- тивных элементов на основе нитевидных кри- сталлов Si р-типа проводимости, то они мо- гут быть использованы в планарной техноло- гии изготовления полупроводниковых аналогов êàòóшåê èíдóêòèâíîñòè â êàчåñòâå ýëåмåíòîâ микросхем, которые изготавливаются в одном òåõíîëîãèчåñêîм ïðîцåññå. Пðåдñòàâëåííыå íà рис. 3 диаграммы Найквиста для образцов с r300Ê = 0,02 Ом•ñм óêàзыâàюò íà èíдóêòèâ- ный характер сопротивления в интервале тем- ïåðàòóð 10—40 Ê (ò. å. ïðîÿâëÿåòñÿ òàê íà- зываемый характер «отрицательной» емко- сти, что наблюдалось ранее при исследованиях [9, 10]). Эòî îбъÿñíÿåòñÿ, âåðîÿòíî, ïðîÿâëå- нием поверхностной проводимости при проте- кании переменного тока через нитевидный кри- сталл, вследствие чего наблюдается отставание òîêà îòíîñèòåëьíî íàïðÿжåíèÿ [12]. Сëåдóåò отметить, что для таких образцов реактивная составляющая сопротивления имеет индуктив- íыé õàðàêòåð è дîñòèãàåò íàèбîëьшåãî зíàчå- íèÿ ïðè 30 Ê. С ïîâышåíèåм òåмïåðàòóðы òà- кой характер Z'' ïðîÿâëÿåòñÿ â мåíьшåé ñòåïå- íè. Äèàïàзîí èзмåíåíèÿ èíдóêòèâíîñòè íàõî- дèòñÿ â ïðåдåëàõ îò 0,7 дî 1,2 мГí. Таким образом, полученные нами импеданс- ные характеристики образцов позволяют прогно- зировать возможность создания реактивных эле- ментов твердотельной электроники определен- ных номиналов, работоспособных при низких температурах, на основе как поликристалличе- ñêîãî, òàê è мîíîêðèñòàëëèчåñêîãî êðåмíèÿ. Используя же комбинированный подход, можно реализовать на базе рассмотренных крем- ниевых элементов систему в виде колебательного контура (рис. 4, а). Äëÿ îцåíêè ïàðàмåòðîâ òà- кой системы были выполнены расчеты на осно- âå ïîëóчåííыõ ýêñïåðèмåíòàëьíыõ дàííыõ. Частота колебательного контура определяет- ся следующим уравнением: – – , LC L R1 40 2 2 2 2 ω ω β= = где w0 — частота собственных колебаний; b — êîýффèцèåíò зàòóõàíèÿ. Комбинация элементов НК Si с легирующей примесью на диэлектрической стороне перехо- да «металл — диэлектрик», обеспечивающих индуктивность колебательного контура, с поли- кристаллическим кремнием в КНИ-структурах, который служит емкостным элементом такой системы, позволяет получить частотную зави- симость выходного сигнала, которая показана íà ðèñ. 4, б. Рåзîíàíñíàÿ чàñòîòà êîëåбàòåëь- íîãî êîíòóðà ðàâíà 6,0 МГц; ðàññчèòàííàÿ âå- личина добротности данного контура составля- ет Q=57,7, что сопоставимо с добротностью из- вестных LC-êîíòóðîâ. Следует отметить, что характеристики раз- работанной системы зависят как от структуры образцов, так и от уровня их легирования, что позволяет изменять необходимые параметры элементов твердотельной электроники и систем íà èõ îñíîâå â шèðîêèõ ïðåдåëàõ. Выводы Результаты исследований электрофизиче- ских свойств поликристаллических пленок Рèñ. 3. Äèàãðàммà Нàéêâèñòà дëÿ íèòåâèдíыõ êðè- сталлов Si (r300Ê = 0,02 Ом⋅см, d = 30 мêм) ïðè ðàзëèч- ных значениях температуры Z'', МОм 150 0 –150 0 900 1800 Z', МОм 40 К 30 Ê 20 К 10 К Рèñ. 4. Эëåêòðèчåñêàÿ ñõåмà LC-контура (а) è åãî âыõîдíàÿ õàðàêòåðèñòèêà (б) (ñëåâà îò ñõåмы — дèàëîãîâîå îêíî èзмåíåíèÿ ïàðàмåòðîâ зàдàющåãî ãåíåðàòîðà) à) б) 100 кОм 1 мГн 30 ïФ Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2014, ¹ 5–6 49 МАТЕРИАЛЫ ЭЛЕКТРОНИКИ ISSN 2225-5818 кремния в КНИ-структурах и нитевидных кри- сталлов Si при температурах от 4,2 до 70 К в частотном диапазоне 10 Гц — 250 кГц указы- вают на перспективность их использования в качестве микроэлектронных компонентов инте- гральных схем — как дискретных, например емкостей или индуктивностей, так и комбини- рованных, в частности колебательных конту- ров, работоспособных в условиях криогенных òåмïåðàòóð. ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ 1. Claeys C., Simon E. Perspectives of silicon-on- insulator technologies for cryogenic electronics // In book: Perspectives, science and technologies for novel silicon on insulator devices.— Dordrecht: Kluwer Academic Publ., 2000.— Vol. 73.— Р. 233—247. 2. Kamins T. Polycrystalline Silicon for Integrated Circuits and Displays.— Dordrecht: Kluwer Academic Publ., 1998. 3. Druzhinin A., Maryamova I., Kogut I. et al. Polysilicon- in-insulator layers at cryogenic temperatures and high magnetic fields // In book: Science and technology of semiconductor-on-insulator structures and devices operating in a harsh environment.— Kluwer Academic Publ., Dordrecht.— Vol. 185.— 2005.— P. 297—302. 4. Druzhinin A.A., Ostrovskii I.P., Khoverko Yu.M. et al. Strain effect on magnetoresistance of SiGe solid solution whiskers at low temperatures // Materials Science in Semiconductor Processing.— 2011.— Vol. 14, N 1.— P. 18—22. DOI: 10.1016/j.mssp.2010.12.012 5. Äðóжèíіí А.О., Оñòðîâñьêèé І.П., Êîãóò Ю.Р. Нèòêîïîдібíі êðèñòàëè êðåмíію, ãåðмàíію òà їõ òâåð- дèõ ðîзчèíіâ ó ñåíñîðíіé åëåêòðîíіці.— Льâіâ: Вèд-âî Льâіâñьêîї ïîëіòåõíіêè, 2010. 6. Гðèãîðчàê І. І., Пîíåдіëîê Г. В. Імïåдàíñíà ñïåêòðîñêîïіÿ.— Льâіâ: Вèд-âî Льâіâñьêîї ïîëіòåõíіêè, 2011. 7. Äðóжèíіí А. О., Êîãóò І. Ò., Хîâåðêî Ю. М. Сòðóêòóðè êðåмíіé-íà-ізîëÿòîðі дëÿ ñåíñîðíîї åëåêòðîíіêè.— Льâіâ: Вèд-âî Льâіâñьêîї ïîëіòåõíіêè, 2013. 8. Druzhinin А., Ostrovskii I., Khoverko Yu. et al. Impedance spectroscopy of polysilicon in SOI structures // Physica Status Solidi (C). Vol. 11, N 1.— 2014.— P. 156—159. 9. Mora-Sero I., Bisquert J., Fabregat-Santiago F. et al. Implications of the negative capacitance observed at forward bias in nanocomposite and polycrystalline solar cells // Nano Letters.— 2006.— Vol. 6, iss. 4.— Р. 640—650. DOI: 10.1021/nl052295q 10. Impedance spectroscopy: theory, experiment and applications / Ed. by E.Barsoukov, J.R. Macdonald.— New Jersey: Wiley-Interscience, 2005. 11. Druzhinin A., Khoverko Yu., Kogut I., Koretskii R. Properties of low-dimentional polysilicon in SOI structures for low temperature sensors // Advanced Materials Research.– 2014.– Vol. 854.– P. 49—55. DOI: 10.4028/www.scientific. net/AMR.854.49 12. Druzhinin A., Ostrovskii I., Khoverko Yu. et al. Variable-range hopping conductance in Si whiskers // Phys. Status Solidi (A).— 2014.— Vol. 211, iss. 2.— P. 504–508. DOI: 10.1002/pssa.201300162 Дата поступления рукописи в редакцию 11.06 2013 г. А. О. ДРУЖИНІН, І. П. ОСТРОВСЬКИЙ, Ю. М. ХОВЕРКО, Р. М. КОРЕЦЬКИЙ Óêðàїíà, Нàціîíàëьíèé óíіâåðñèòåò «Льâіâñьêà ïîëіòåõíіêà» E-mail: druzh@polynet.lviv.ua ЕЛЕМЕНÒИ ÒВЕРÄОÒІЛЬНОЇ ЕЛЕÊÒРОНІÊИ НА ОСНОВІ ÊНІ-СÒРÓÊÒÓР ÒА НИÒÊОПОÄІБНИХ ÊРИСÒАЛІВ Si ÄЛЯ ÊРІОГЕННИХ ÒЕМПЕРАÒÓР Представлено результати дослідження електрофізичних властивостей полікристалічних плівок кремнію в структурах «кремній-на-ізоляторі» та ниткоподібних кристалів Si в температурному діапазоні 4,2— 70 К, отримані за допомогою імпедансних вимірювань в діапазоні частот від 10 Гц до 250 кГц. Показано можливість їх використання як елементів твердотільної електроніки, працездатних при кріогенних температурах. Отримані імпедансні характеристики зразків вказують на можливість створення реак- тивних елементів твердотільної електроніки певних номіналів, придатних для роботи в умовах низь- ких температур, на основі полікристалічного і монокристалічного кремнію. На основі встановлених за- лежностей запропоновано окремі елементи твердотільної електроніки у вигляді ємнісних і індуктивних елементів та комплексну систему у вигляді коливального контуру, які працездатні при кріогенних тем- пературах. Характеристики розробленої системи залежать як від структури зразків, так і від рівня їх легування, що дозволяє змінювати при необхідності параметри елементів в широких межах. Ключові слова: полікремній, ниткоподібний кристал, КНІ-структура, діаграма Найквіста. Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2014, ¹ 5–6 50 МАТЕРИАЛЫ ЭЛЕКТРОНИКИ ISSN 2225-5818 A. A. DRUZHININ, I. P. OSROVSKKII, Yu. M. KHOVERKO, R. N. KORETSKYY Ukraine, National University «Lviv Polytechnic» E-mail: druzh@polynet.lviv.ua ELEMENTS OF SOLID STATE ELECTRONICS BASED ON SOI-STRUCTURES AND SI WHISKERS FOR CRYOGENIC TEMPERATURES The paper presents the study results of electrical properties of polycrystalline silicon films in silicon-on-insu- lator structures and Si whiskers in the temperature range of 4,2—70 K obtained by impedance measurements in the frequency range from 10 Hz to 250 kHz and the possibility of their use in solid-state electronics, func- tioning at cryogenic temperatures. Characteristics of samples obtained with impedance measurements allow to predict certain specifications of reactive elements of solid state electronics based on polycrystalline and single crystalline silicon, operable at low temperatures. Using the established dependencies, separate elements in the form of solid-state electronics capacitive and inductive elements as well as a combined system in an oscillatory circuit, operable at cryogenic temperatures, have been suggested. The features of developed system depend on the structure of samples and their doping level, which allows to change the required parameters of the elements of solid state electronics in a wide range. Keywords: polysilicon, whisker, SOI-structure, Nyquist diagram. REFERENCES 1. Claeys C., Simon E. Perspectives of silicon-on-insulator technologies for cryogenic electronics. In book: Perspectives, science and technologies for novel silicon on insulator devices (Ed. by P.L.F. Hemment, V.S.Lysenko, A.N.Nazarov), Dordrecht, Kluwer Academic Publ., 2000, vol. 73, ðp.233-247. 2. Kamins T. Polycrystalline silicon for integrated circuits and displays. Dordrecht, Kluwer Academic Publ., 1998, p. 378. 3. Druzhinin A., Maryamova I., Kogut I., Pankov Yu., Khoverko Yu., Palewski T. Polysilicon-in-insulator layers at cryogenic temperatures and high magnetic fields. In book: Science and technology of semiconductor-on-insulator structures and devices operating in a harsh environment (Ed. by D.Flandre, A.N. Nazarov, P.L.F.Hemment), Kluwer Acad. Publishers, Dordrecht, vol. 185, 2005, pp. 297-302. 4. Druzhinin A.A., Ostrovskii I.P., Khoverko Yu.M., Liakh- Kaguj N.S., Kogut Iu.R. Strain effect on magnetoresistance of SiGe solid solution whiskers at low temperatures. Materials science in semiconductor processing, 2011, vol. 14, no 1, pp. 18-22. DOI: 10.1016/j.mssp.2010.12.012 5. Druzhinin A.A., Ostrovskii I.P., Kogut Iu.R. [Whiskers of silicon, germanium, and their solid solutions in the sensor electronics]. Publishing House of Lviv Polytechnic National University, 2010, 200 p. (in Ukrainian) 6. Grigorchak I.I., Ponedilok G.V. [Impedance spectroscopy]. Publishing House of Lviv Polytechnic National University, 2011, 352 p. (in Ukrainian) 7. Druzhinin A.A., Kogut Iu.R., Khoverko Yu.M. [Structure of silicon-on-insulator electronics for the sensor]. Publishing House of Lviv Polytechnic National University, 2013, 236 p. (in Ukrainian) 8. Druzhinin А., Ostrovskii I., Khoverko Yu., Nichkalo S., Kogut Iu. Impedance spectroscopy of polysilicon in SOI structures. Physica Status Solidi (C), 2014, vol. 11, no 1, pp. 156-159. 9. Mora-Sero I., Bisquert J., Fabregat-Santiago F. et al. Implications of the negative capacitance observed at forward bias in nanocomposite and polycrystalline solar cells. Nano Letters, 2006, vol. 6, iss. 4, pp. 640-650. DOI: 10.1021/nl052295q 10. Impedance spectroscopy: theory, experiment and applications (Ed. by E.Barsoukov, J.R. Macdonald). New Jersey, Wiley-Interscience, 2005, 606 p. 11. Druzhinin A., Khoverko Yu., Kogut I., Koretskii R. Properties of low-dimentional polysilicon in SOI structures for low temperature sensors. Advanced Materials Research, 2014, vol. 854, pp. 49-55. DOI: 10.4028/www.scientific. net/AMR.854.49 12. Druzhinin A., Ostrovskii I., Khoverko Yu., Nichkalo S., Koretskyy R., Kogut Iu. Variable-range hopping conductance in Si whiskers. Phys. Status Solidi (A), 2014, vol. 211, iss. 2, ðp. 504-508. DOI: 10.1002/pssa.201300162 DOI: 10.15222/TKEA2014.2.46 UDC 625.315.592

Элементы твердотельной электроники на основе КНИ-структур и нитевидных кристаллов Si для криогенных температур

Репозитарії

Схожі ресурси