Кріогенні термометри опору на основі плівок Ge–InP
Despite the large number of scientific articles devoted to the development of cryogenic resistance thermometers, not many of these thermometers are mass-produced. As is know, semiconductor resistive temperature sensors have low magnetoresistance and high resistance to radiation. The purpose of this...
Збережено в:
| Дата: | 2020 |
|---|---|
| Автори: | , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
PE "Politekhperiodika", Book and Journal Publishers
2020
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2020.5-6.10 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Technology and design in electronic equipment |
| Завантажити файл: |  |
Репозитарії
Technology and design in electronic equipment| _version_ | 1869109820046442496 |
|---|---|
| author | Mitin, Vadim Kholevchuk, Volodymyr Solovyov, Eugene Sydnev, Alexander Venger, Evgen |
| author_facet | Mitin, Vadim Kholevchuk, Volodymyr Solovyov, Eugene Sydnev, Alexander Venger, Evgen |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "Vadim Mitin",
"institution": "V. Ye. Lashkaryov Institute of Semiconductor Physics, NAS of Ukraine, Kyiv, Ukraine"
},
{
"author": "Volodymyr Kholevchuk",
"institution": "V. Ye. Lashkaryov Institute of Semiconductor Physics, NAS of Ukraine, Kyiv, Ukraine"
},
{
"author": "Eugene Solovyov",
"institution": "V. Ye. Lashkaryov Institute of Semiconductor Physics, NAS of Ukraine, Kyiv, Ukraine"
},
{
"author": "Alexander Sydnev",
"institution": "V. Ye. Lashkaryov Institute of Semiconductor Physics, NAS of Ukraine, Kyiv, Ukraine"
},
{
"author": "Evgen Venger",
"institution": "V. Ye. Lashkaryov Institute of Semiconductor Physics, NAS of Ukraine, Kyiv, Ukraine"
}
] |
| author_sort | Mitin, Vadim |
| baseUrl_str | https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-06-26T12:32:26Z |
| description | Despite the large number of scientific articles devoted to the development of cryogenic resistance thermometers, not many of these thermometers are mass-produced. As is know, semiconductor resistive temperature sensors have low magnetoresistance and high resistance to radiation. The purpose of this work was to manufacture thin (170-190 nm) Ge films on semi-insulating InP substrates, which can be used to create cryogenic resistance thermometers with high temperature sensitivity and relatively low sensitivity to magnetic field that can operate in the 1.5–400 K temperature range.Films of Ge on InP (100) can be used to produce cryogenic resistance thermometers. They have good thermal sensitivity and relatively low magnetoresistance.The films were produced by thermal evaporation of Ge in vacuum (2·10–4 Pa) on semi-insulating InP (100) substrates. The temperature of the InP substrate during film deposition was 310°C, the deposition rate was also constant during sputtering, but varied in the range of 0.03 to 0.06 nm/s for different films. Ge films were p-type conductivity with a resistivity of 0.2-0.3 Ω·cm, hole concentration (3–5)·1018 cm–3 and Hall mobility 6.5–7.5 cm2/(V·s) at room temperature.The quality of the Ge-InP heterostructure was determined by high-resolution X-ray diffraction on a Philips MRD diffractometer. The nanomorphology of the surface of Ge films was studied using the NanoScope IIIa atomic force microscope. The crystal structure of the films is amorphous or polycrystalline with a low level of structural perfection. The effective value of the surface roughness is from 2.25 to 2.60 nm.The obtained resistance values at different temperature in the range of 2–25 K were described by exponential dependence. Corrections in temperature measurement are 5% in a magnetic field of 11 T at a temperature of 4.2 K and 14% in a magnetic field of 14 T at a temperature of 2.2 K.The research results indicate that the obtained films can be used to measure cryogenic temperatures in magnetic fields of up to 14 T. |
| doi_str_mv | 10.15222/TKEA2020.5-6.10 |
| first_indexed | 2025-09-24T17:30:23Z |
| format | Article |
| fulltext |
Технология и конструирование в электронной аппаратуре, 2020, № 5–610 ISSN 2309-9992 (Online)
НОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ ДЛЯ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ
1
УДК 621.315.596
К. ф.-м. н. В. Ф. МИТИН, В. В. ХОЛЕВЧУК, к. т. н. Е. А. СОЛОВЬЕВ,
А. Б. СИДНЕВ, д. ф.-м. н. Е. Ф. ВЕНГЕР
Украина, г. Киев, Институт физики полупроводников им. В. Е. Лашкарёва НАНУ
E-mail: mitin@microsensor.com.ua
КРИОГЕННЫЕ ТЕРМОМЕТРЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ
НА ОСНОВЕ ПЛЕНОК Ge–InP
Наиболее распространенными в наше время ра-
бочими средствами измерения температуры являют-
ся термопары, термометры сопротивления (метал-
лические и полупроводниковые) и диодные сенсо-
ры температуры. Обзор существующих измеритель-
ных преобразователей температуры, в частности для
измерения низких температур, можно найти, напри-
мер, в [1—3]. Как известно, магнитное поле сильно
влияет на характеристики термопар, металлических
резисторов и кремниевых диодов, делая их практи-
чески непригодными для измерения температуры в
присутствии магнитного поля. Металлические рези-
сторы и диодные сенсоры температуры также усту-
пают полупроводниковым термометрам сопротивле-
ния по радиационной стойкости. Полупроводниковые
же резистивные сенсоры температуры обладают ма-
лым магнетосопротивлением [4—9] и высокой стой-
костью к радиации [7, 10—11].
Несмотря на то, что значительное количество на-
учных исследований посвящены разработке криоген-
ных термометров сопротивления, не так много таких
термометров изготавливают серийно. В настоящее
время для практической криогенной термометрии
имеются на рынке и широко используются полупро-
водниковые термометры сопротивления, изготовлен-
ные из пленок оксинитрида циркония (0,1—300 К) [1,
3], композиционного углерода (1—420 К) [12], объ-
емного и пленочного германия (0,03 — 400 К) [7—9,
13], а также оксида рутения (0,03—30 К) [1, 3].
Для создания криогенных термометров сопро-
тивления могут быть использованы пленки Ge на
InP(100), которые обладают хорошей термочувстви-
Пленки Ge на InP(100) могут быть использованы для создания криогенных термометров сопротивления. Они обла-
дают хорошей термочувствительностью и относительно малым магнетосопротивлением. Cтруктура пленок яв-
ляется аморфной или поликристаллической с низким уровнем структурного совершенства. Пленки обладают малой
подвижностью носителей заряда — порядка 7 см2/(В·с). Погрешность при измерении температуры составляет 5%
в магнитном поле 11 Тл при температуре 4,2 К и 14% в магнитном поле 14 Тл при температуре 2,2 К.
Ключевые слова: гетероструктура Ge–InP, сенсоры температуры, тонкие пленки, криогенные температуры,
магнитное поле, измерение.
тельностью и относительно малым магнетосопротив-
лением. Постоянные решетки Ge и InP сильно отли-
чаются (рассогласование составляет 3,9% [14]), при-
чем у Ge она меньше, чем InP, поэтому пленки Ge на
InP должны находится в состоянии растяжения. Их
коэффициенты термического расширения также раз-
личны. Подложка InP разрушается при температуре
больше 325°С, а значит проводить осаждение пле-
нок методом испарения Ge в вакууме при темпера-
туре подложки выше 325°С нельзя [14], и поэтому
структура пленок Ge на InP должна быть аморфной
или иметь достаточно сильно несовершенную поли-
кристаллическую структуру.
Целью данной работы было получение тонких
(170—190 нм) пленок Ge на подложках из полуизо-
лирующего InP методом испарения Ge в вакууме при
критической температуре подложки 310ºС, пригод-
ных для получения криогенных термометров сопро-
тивления, обладающих высокой температурной чув-
ствительностью и относительно слабой чувствитель-
ностью к магнитному полю и способных работать в
диапазоне температур 1,5—400 К.
Технология получения
и методы исследования
Пленки осаждались методом термического испа-
рения Ge в вакууме (2·10–4 Пa) на подложки из по-
луизолирующего InP(100). Температура подложки
Tо в течение осаждения пленки составляла 310°С,
скорость осаждения V была постоянна в процессе
напыления, однако для получения различных пле-
нок она варьировалась от 0,03 до 0,06 нм/с. Перед
осаждением подложка подвергалась термообра-
ботке в вакууме при температуре 310°C в течение
15 мин. Перед осаждением все подложки обраба-
DOI: 10.15222/TKEA2020.5-6.10
___________
Авторы выражают глубокую благодарность П. М. Литвину
и А. В. Кучику за обсуждение работы и полезные советы.
Технология и конструирование в электронной аппаратуре, 2020, № 5–6 11ISSN 2309-9992 (Online)
2
НОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ ДЛЯ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ
тывались в травителе HCl + H2O = 1:4 в течение
2 мин. Толщина полученных пленок d варьирова-
лась в пределах 170—190 нм. Пленки Ge обладали
проводимостью р-типа, их удельное сопротивление
составляло ρ = 0,2—0,3 Ом·см, концентрация дырок
р = (3—5)·1018 см–3, холловская подвижность
μ= 6,5—7,5 см2/(В·с) при комнатной температуре.
Условия осаждения и параметры пленок представ-
лены в табл. 1.
Качество гетероструктуры Ge–InP определялась
методом высокоразрешающей рентгеновской дифрак-
ции с использованием СuKα, измерения проводились
на дифрактометре Philips MRD. Наноморфология по-
верхности пленок Ge изучалась с помощью атомно-
силового микроскопа (АСМ) NanoScope IIIa в режи-
ме периодического контакта с использованием крем-
ниевого острия с номинальным радиусом 10 нм и
углом при вершине 16°.
Электрические параметры пленок Ge определя-
лись по проводимости, эффекту Холла и магнето-
сопротивлению, которые измерялись при комнат-
ной температуре и индукции магнитного поля 2 Тл.
Для определения низкотемпературной зависимости
сопротивления были проведены измерения в интер-
вале температур Т от 2,0 до 300 К. Измерения маг-
нетосопротивления проводились в сверхпроводя-
щем магните, создававшем индукцию B до 11 Тл при
4,2 К и до 14 Тл при 2,2 К.
Экспериментальные результаты
и их обсуждение
Кристаллическая структура и морфология
поверхности
Как показали исследования дифракции рентгенов-
ского излучения, полученные пленки Ge на InP обла-
дают низким уровнем структурного совершенства. На
рис. 1 представлены кривые качания для Ge–InP при
разных скоростях роста (отражение 004). Для удоб-
ства проведения анализа пики германиевой пленки
аппроксимированы гауссианами. Полуширина мак-
симумов составляет 0,740° и 0,879° для образцов 1
и 2 соответственно. Уровень остаточных механиче-
ских деформаций в образце 2 в два раза выше, чем в
образце 1. Подложечный монокристалл InP частич-
но находится в деформированном состоянии, о чем
свидетельствует выраженная асимметрия пика отра-
жения Х-лучей.
АСМ-изображения пленок приведены на рис. 2. Как
видно, рельеф обоих образцов идентичен и состоит из
массива плотно упакованных зерен с незначительным
Таблица 1
Условия осаждения и параметры пленок Ge (p-типа проводимости при 300 K)
Номер
образца
Tо, °C V, нм/с d, нм ρ300, Ом·см
p,
1018 см–3
,
см2/(В·с)
х
RMS,
нм
1
310
0,03 190 0,187 3,4 7,5 0,8 2,25
2 0,061 170 0,324 4,6 6,5 0,7 2,6
Рис. 1. Кривые дифракционного отражения (004) двух
образцов пленок Ge–InP, полученных при разных
скоростях роста (см. табл. 1)
2
1
1000000
100000
10000
1000
100
10
1
62 63 64 65 66 67 68
2Θ, градус
Рис. 2. АСМ-изображения фрагментов поверхности
пленок Ge на InP образцов 1 (а) и 2 (б)
а)
б)
Технология и конструирование в электронной аппаратуре, 2020, № 5–612 ISSN 2309-9992 (Online)
НОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ ДЛЯ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ
3
разбросом по размерам. Среднеквадратичная шеро-
ховатость RMS поверхности составляет 2,25 нм для
образца 1 и 2,60 нм для образца 2 (на базовой пло-
щади 5×5 мкм). Зерна поверхности практически оди-
наковы для обоих образцов. Распределение по раз-
мерам имеет нормальный характер, максимум при-
ходится на 13 нм, полуширина распределения нахо-
дится в пределах 8—18 нм.
Электропроводность и магнетосопротивление
Низкая холловская подвижность μ в пленках под-
тверждала низкий уровень совершенства структуры.
Исследования показали сильную зависимость
сопротивления пленок от температуры. Анализ
приведенных на рис. 3 результатов указывает на
то, что температурная зависимость сопротивления
в температурном диапазоне 2—25 К может быть
описана выражением ρ(Т) = ρ0(Т)exp[(Tх/T)x], где
ρ0(Т) = АТn, Tх, A — параметры материала, вели-
чина х принимает значения от 0,7 до 0,8 для раз-
личных пленок (см. табл. 1). Полученные данные
хорошо согласуются с известным фактом, что при
низких температурах в неупорядоченных и леги-
рованных полупроводниках характер электропро-
водности является прыжковым.
Предварительные результаты по стабильности па-
раметров экспериментальных образцов термометров
показали, что при Т = 273,15 К (0°С) стабильность
лучше ±0,1 К, при Т = 77,4 К лучше ±0,02 К, а при
Т = 4,2 К лучше ±0,01 К.
На рис. 4 представлены типичные кривые магне-
тосопротивления в виде Δρ/ρ (где Δρ = ρB – ρ — раз-
ность между значениями сопротивления, измерен-
ными в присутствии магнитного поля ρB и в его от-
сутствие ρ), полученные для термометров на основе
пленок Ge на InP при 2,2 и 4,2 K. При проведении из-
мерений термометры были расположены таким об-
разом, что вектор магнитной индукции B был парал-
Рис. 3. Типичные температурные зависимости удельного
сопротивления ρ (1) и термочувствительности dρ/dT (2),
полученные для пленки Ge на InP
2
1
102
101
100
10–1
10–2
10–3
1 10 100 Т, К
Таблица 2
Точность измерения температуры при T = 4,2 К в зависи-
мости от величины магнитного поля для различных рези-
стивных сенсоров температуры
Сенсоры
температуры
T/T, %,
в магнитном поле (Tл)
2,5 4,0 6,0 8,0 14,0
Ge/InP 0,19 0,1 1,2 2,6 —
SiC/Al2O3, TD#1
[15] 0,5 0,6 2,0 3,5 8,8
Ge/GaAs, TTR-M
[7] 0,5 0,5 0,1 1,3 —
ZrNxOy, CernoxTM
[4] 0,11 0,2 — 0,11 0,85
Ge-bulk
[9] 0,2 0,03 0,8 1,9 13,3
Carbon Ceramic,
TVO
[16, 17]
0,5 1,5 3,9 5,2 —
CrN/Si
[5, 6] 0,04 0,04 0,05 0,08 —
CGR Carbon-
GlassTM
[18]
0,5 — — 2,3 4,9
Рис. 4. Типичные зависимости магнетосопротивления
Δρ/ρ (1, 2) и точности измерения температуры ΔT/T (3 ,4)
от магнитного поля, полученные для пленки Ge на InP при
температурах 2,2 К (пунктир) и 4,2 К (сплошные)
2
1
35
30
25
20
15
10
5
0
–5
–10
–15
0 2 4 6 8 10 12 В, Тл
3
4
Технология и конструирование в электронной аппаратуре, 2020, № 5–6 13ISSN 2309-9992 (Online)
4
НОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ ДЛЯ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ
лелен нормали n к плоскости пленки. Это исключало
влияние направления вектора B на величину магнето-
сопротивления, которое может быть анизотропным,
что требует дополнительных исследований.
Для исследуемых термометров магнетосопротив-
ление отрицательно в магнитных полях до 3 Тл, пик
приходится на примерно 1,8 Тл. С ростом магнитно-
го поля магнетосопротивление проходит через ноль
при 3,5 Тл и становится положительным. Точность
в измерении температуры зависит не только от маг-
нетосопротивления, но и от чувствительности сенсо-
ра. На рис. 4 кроме магнетосопротивления показана
также зависимость точности измерения температуры
ΔT/T (где ΔT = TB – T — разность между значениями
температуры, измеренными в присутствии магнитно-
го поля TB и в его отсутствие T) от величины магнит-
ного поля: погрешность составляет 5% при измере-
нии в магнитном поле 11 Тл при температуре 4,2 К и
14% в магнитном поле 14 Тл при температуре 2,2 К.
В табл. 2 приведены данные, указывающие на то,
что для полученных пленок точность измерения тем-
пературы соответствует уровню характеристик ши-
роко используемых в настоящее время резистивных
криогенных сенсоров, которые могут применяться в
диапазоне от 2 К до комнатной температуры [4—7,
9, 15—18].
Выводы
Проведенные исследования показали, что пленки
Ge на InP(100) могут быть использованы для созда-
ния криогенных термометров сопротивления в диа-
пазоне температуры от 1,5 до 400 К. Структура полу-
ченных пленок Ge является поликристаллической с
низким уровнем структурного совершенства, а сред-
неквадратичная шероховатость поверхности состав-
ляет 2,25—2,60 нм. Подвижность носителей заряда в
пленках небольшая и составляет 7 см2/(В·с). Пленки
обладают хорошей термочувствительностью и от-
носительно малым магнетосопротивлением и могут
быть использованы для измерения криогенных тем-
ператур в магнитных полях до 14 Тл.
ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ
1. Rubin L.G. Cryogenic thermometry: a review of progress
since 1982. Cryogenics, 1997, vol. 37, iss. 7, pp. 341–356. https://
doi.org/10.1016/S0011-2275(97)00009-X
2. Childs P.R.N., Greenwood J.R., and Long C.A. Review of
temperature measurement. Review of Scientifi c Instruments, 2000,
vol. 71, iss. 8, pp. 2959. https://doi.org/10.1063/1.1305516
3. Yeager C.J, Courts S.S. A review of cryogenic thermometry and
common temperature sensors. IEEE Sensors Journal, 2001, vol. 1,
iss. 4, pp. 352–360. https://doi.org/10.1109/7361.983476
4. Brant B.L., Liu D.W., Rubin L.G. Low temperature thermometry
in high magnetic fields VII. Cernox.sensors to 32 T. Review of
Scientifi c Instruments, 1999, vol. 70, iss. 1, pp. 104. https://doi.
org/10.1063/1.1149549
5. Yotsuya T., Kakehi Y., Ishida T. Thin fi lm temperature sensor
for cryogenic region with small magnetoresistance. Cryogenics,
2011, vol. 51, iss. 9, pp. 546–549. https://doi.org/10.1016/j.
cryogenics.2011.07.005
6. Zhenzhen Hui, Qiumin Meng, Renhuai Wei et al. CrN
thin fi lms with ultra-low magnetoresistance prepared via solution
processing for large-area applications. Journal of Alloys and
Compounds, 2017, vol. 696, p. 844–849. https://doi.org/10.1016/j.
jallcom.2016.12.048
7. Mitin V.F., McDonald P.C., Pavese F. et al. Ge-on-GaAs fi lm
resistance thermometers for cryogenic applications. Cryogenics,
2007, vol. 47, iss. 9–10, pp. 474–482. https://doi.org/10.1016/j.
cryogenics.2007.04.014
8. Mitin V.F., Kholevchuk V.V., Kolodych B.P. Ge-on-GaAs
film resistance thermometers: Low-temperature conduction and
magnetoresistance, Cryogenics, 2011, vol. 51, iss. 1, p. 68–73. https://
doi.org/10.1016/j.cryogenics.2010.11.003
9. Zarubin L.I., Nemish I.Y., Szmyrka-Grzebyk A. Germanium
resistance thermometers with low magnetoresistance. Cryogenics,
1990, vol. 30, iss. 6, p. 533–537. https://doi.org/10.1016/0011-
2275(90)90055-H
10. Courts S.S. High level gamma radiation eff ects on Cernox
TM cryogenic temperature sensors. IOP Conf. Series: Materials
Science and Engineering, 2017, vol. 278, 012076. https://doi.
org/10.1088/1757-899X/278/1/012076
11. Filippov Yu.P., Golikov V.V., Kulagin E.N., Shabratov V.G.
Eff ects of high intensity cryogenic irradiation and magnetic fi eld
on temperature sensors. Advances in Cryogenic Engineering, 1998;
vol. 43, pp. 773. https://doi.org/10.1007/978-1-4757-9047-4_96
12. Filippov Y.P., Smirnova T.I. Operation of the TVO temperature
sensors in the range from 4.2 K up to 425 K. Cryogenics, 2004,
vol. 44, iss. 10, pp. 735. https://doi.org/10.1016/j.cryogenics.2004.04.002
13. Courts S.S., Yeager C.J. Long term stability of germanium
resistance thermometers. AIP Conference Proceedings, 2003,
vol. 684, iss. 1, рр. 405 https://doi.org/10.1063/1.1627159
14. Madelung O. Semiconductors: Data Handbook, Springer, 2004.
15. Mitin V.F., Kholevchuk V.V., Semenov A.V. et al.
Nanocrystalline SiC fi lm thermistors for cryogenic applications.
Review of Scientifi c Instruments, 2018, vol. 89, 025004. https://doi.
org/10.1063/1.5024505
16. Filippov Yu.P., Shabratov V.G. Measurement of helium
temperatures by TVO-sensors under magnetic fi elds. Cryogenics,
2002, vol. 42, iss. 2, p. 127–131. https://doi.org/10.1016/S0011-
2275(02)00016-4
17. Filippov Yu.P. How to find magneto-resistance of
TVO temperature sensors in the range 0.1–10 K. Cryogenics,
2010, vol. 50, iss. 4, pp. 243–247. https://doi.org/10.1016/j.
cryogenics.2010.01.004
18. Rubin L.G., Brant B.L., Sample H.H. Some practical solutions
to measurement problems encountered at low temperatures and high
magnetic fi elds. Advances in Cryogenic Engineering, 1986, vol. 31,
p. 1221–1230. https://doi.org/10.1007/978-1-4613-2213-9_136
Дата поступления рукописи
в редакцию 25.09 2020 г.
Технология и конструирование в электронной аппаратуре, 2020, № 5–614 ISSN 2309-9992 (Online)
НОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ ДЛЯ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ
5
V. F. MITIN, V. V. KHOLEVCHUK, E. A. SOLOVIEV,
A. B. SIDNEV, E. F. VENGER
Ukraine, Kiev, V. E. Lashkaryov Institute of Semiconductor Physics NAS of Ukraine
E-mail: mitin@microsensor.com.ua
CRYOGENIC RESISTANCE THERMOMETERS BASED ON Ge–InP FILMS
Despite the large number of scientifi c articles devoted to the development of cryogenic resistance thermometers, not many of
these thermometers are mass-produced. As is know, semiconductor resistive temperature sensors have low magnetoresistance
and high resistance to radiation. The purpose of this work was to manufacture thin (170—190 nm) Ge fi lms on semi-insulating
InP substrates, which can be used to create cryogenic resistance thermometers with high temperature sensitivity and relatively
low sensitivity to magnetic fi eld that can operate in the 1.5—400 К temperature range.
Films of Ge on InP (100) can be used to produce cryogenic resistance thermometers. They have good thermal sensitivity and
relatively low magnetoresistance.
The fi lms were produced by thermal evaporation of Ge in vacuum (2·10-4 Pa) on semi-insulating InP (100) substrates. The
temperature of the InP substrate during fi lm deposition was 310°C, the deposition rate was also constant during sputtering, but
varied in the range of 0.03 to 0.06 nm/s for diff erent fi lms. Ge fi lms were p-type conductivity with a resistivity of 0.2—0.3 Ω·cm,
hole concentration (3—5)·1018 cm–3 and Hall mobility 6.5—7.5 сm2/(V·s) at room temperature.
The quality of the Ge–InP heterostructure was determined by high-resolution X-ray diff raction on a Philips MRD diff ractometer.
The nanomorphology of the surface of Ge fi lms was studied using the NanoScope IIIa atomic force microscope. The crystal
structure of the fi lms is amorphous or polycrystalline with a low level of structural perfection. The eff ective value of the surface
roughness is from 2.25 to 2.60 nm.
The obtained resistance values at diff erent temperature in the range of 2—25 K were described by exponential dependence.
Corrections in temperature measurement are 5% in a magnetic fi eld of 11 T at a temperature of 4.2 K and 14% in a magnetic
fi eld of 14 T at a temperature of 2.2 K.
The research results indicate that the obtained fi lms can be used to measure cryogenic temperatures in magnetic fi elds of up to 14 T.
Keywords: Ge–InP heterostructure; temperature sensors; thin fi lms, cryogenic temperatures, magnetic fi eld, measurements.
DOI: 10.15222/TKEA2020.5-6.10
UDC 621.315.596
REFERENCES
1. Rubin L.G. Cryogenic thermometry: a review of progress
since 1982. Cryogenics, 1997, vol. 37, iss. 7, pp. 341–356. https://
doi.org/10.1016/S0011-2275(97)00009-X
2. Childs P.R.N., Greenwood J.R., and Long C.A. Review of
temperature measurement. Review of Scientifi c Instruments, 2000,
vol. 71, iss. 8, pp. 2959. https://doi.org/10.1063/1.1305516
3. Yeager C.J, Courts S.S. A review of cryogenic thermometry and
common temperature sensors. IEEE Sensors Journal, 2001, vol. 1,
iss. 4, pp. 352–360. https://doi.org/10.1109/7361.983476
4. Brant B.L., Liu D.W., Rubin L.G. Low temperature thermom-
etry in high magnetic fi elds VII. Cernox.sensors to 32 T. Review
of Scientifi c Instruments, 1999, vol. 70, iss. 1, pp. 104. https://doi.
org/10.1063/1.1149549
5. Yotsuya T., Kakehi Y., Ishida T. Thin fi lm temperature sensor for
cryogenic region with small magnetoresistance. Cryogenics, 2011, vol.
51, iss. 9, pp. 546–549. https://doi.org/10.1016/j.cryogenics.2011.07.005
6. Zhenzhen Hui, Qiumin Meng, Renhuai Wei et al. CrN
thin films with ultra-low magnetoresistance prepared via solu-
tion processing for large-area applications. Journal of Alloys and
Compounds, 2017, vol. 696, p. 844–849. https://doi.org/10.1016/j.
jallcom.2016.12.048
7. Mitin V.F., McDonald P.C., Pavese F. et al. Ge-on-GaAs fi lm
resistance thermometers for cryogenic applications. Cryogenics, 2007,
vol. 47, iss. 9–10, pp. 474–482. https://doi.org/10.1016/j.cryogen-
ics.2007.04.014
8. Mitin V.F., Kholevchuk V.V., Kolodych B.P. Ge-on-GaAs fi lm
resistance thermometers: Low-temperature conduction and magne-
toresistance, Cryogenics, 2011, vol. 51, iss. 1, p. 68–73. https://doi.
org/10.1016/j.cryogenics.2010.11.003
9. Zarubin L.I., Nemish I.Y., Szmyrka-Grzebyk A. Germanium
resistance thermometers with low magnetoresistance. Cryogenics,
1990, vol. 30, iss. 6, p. 533–537. https://doi.org/10.1016/0011-
2275(90)90055-H
10. Courts S.S. High level gamma radiation eff ects on Cernox
TM cryogenic temperature sensors. IOP Conf. Series: Materials
Science and Engineering, 2017, vol. 278, 012076. https://doi.
org/10.1088/1757-899X/278/1/012076
11. Filippov Yu.P., Golikov V.V., Kulagin E.N., Shabratov V.G. Eff ects
of high intensity cryogenic irradiation and magnetic fi eld on temperature
sensors. Advances in Cryogenic Engineering, 1998; vol. 43, pp. 773.
https://doi.org/10.1007/978-1-4757-9047-4_96
12. Filippov Y.P., Smirnova T.I. Operation of the TVO temperature
sensors in the range from 4.2 K up to 425 K. Cryogenics, 2004, vol. 44,
iss. 10, pp. 735. https://doi.org/10.1016/j.cryogenics.2004.04.002
13. Courts S.S., Yeager C.J. Long term stability of germa-
nium resistance thermometers. AIP Conference Proceedings, 2003,
vol. 684, iss. 1, p. 405. https://doi.org/10.1063/1.1627159
14. Madelung O. Semiconductors: Data Handbook, Springer, 2004.
15. Mitin V.F., Kholevchuk V.V., Semenov A.V. et al.
Nanocrystalline SiC fi lm thermistors for cryogenic applications.
Review of Scientifi c Instruments, 2018, vol. 89, 025004. https://doi.
org/10.1063/1.5024505
16. Filippov Yu.P., Shabratov V.G. Measurement of helium tempera-
tures by TVO-sensors under magnetic fi elds. Cryogenics, 2002, vol. 42,
iss. 2, p. 127–131. https://doi.org/10.1016/S0011-2275(02)00016-4
17. Filippov Yu.P. How to fi nd magneto-resistance of TVO tem-
perature sensors in the range 0.1–10 K. Cryogenics, 2010, vol. 50,
iss. 4, pp. 243–247. https://doi.org/10.1016/j.cryogenics.2010.01.004
18. Rubin L.G., Brant B.L., Sample H.H. Some practical solu-
tions to measurement problems encountered at low temperatures and
high magnetic fi elds. Advances in Cryogenic Engineering, 1986, vol. 31,
p. 1221–1230. https://doi.org/10.1007/978-1-4613-2213-9_136
Технология и конструирование в электронной аппаратуре, 2020, № 5–6 15ISSN 2309-9992 (Online)
6
НОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ ДЛЯ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ
Описание статьи для цитирования:
Митин В. Ф., Холевчук В. В., Соловьев Е. А., Сиднев А. Б.,
Венгер Е. Ф. Криогенные термометры сопротивления на осно-
ве пленок Ge–InP. Техно логия и конструи рование в элек-
тронной аппаратуре, 2020, № 5–6, с. 10–15. http://dx.doi.
org/10.15222/TKEA2020.5-6.10
Cite the article as:
Mitin V. F., Kholevchuk V. V., Soloviev E. A., Sidnev A. B., Venger
E. F. Cryogenic resistance thermometers based on Ge–InP fi lms.
Tekhnologiya i Konstruirovanie v Elektronnoi Apparature, 2020,
no. 5–6, pp. 10–15. http://dx.doi.org/10.15222/TKEA2020.5-6.10
В. Ф. МІТІН, В. В. ХОЛЕВЧУК, Є. О. СОЛОВЙОВ,
О. Б. СІДНЄВ, Є. Ф. ВЕНГЕР
Україна, м. Київ, Інститут фізики напівпровідників
ім. В. Є. Лашкарьова НАН України
E-mail: mitin@microsensor.com.ua
КРІОГЕННІ ТЕРМОМЕТРИ ОПОРУ НА ОСНОВІ ПЛІВОК Ge–InP
Попри значну кількість наукових статей, присвячених розробці кріогенних термометрів опору, не так багато цих
термометрів виготовляються серійно. Як відомо, напівпровідникові резистивні сенсори температури мають малий
магнетоопір і високу стійкість до радіації. Метою даної роботи було отримання тонких (170—190 нм) плівок Ge на
підкладках з напівізолюючого InP, які можуть бути використані для створення кріогенних термометрів опору з ви-
сокою температурною чутливістю і відносно слабкою чутливістю до магнітного поля, придатних для вимірювань
в діапазоні температур 1,5—400 К.
Плівки осаджувалися методом термічного випаровування Ge у вакуумі (2·10–4 Пa) на підкладки з напівізолюючого
InP (100). Температура підкладки InP протягом осадження плівки становила 310°С, швидкість осадження також
була постійна протягом напилення, проте варіювалася в межах 0,03 — 0,06 нм/с для отримання різних плівок. Плівки
Ge мали р-тип провідності, їхній питомий опір складав 0,2—0,3 Ом·см, концентрація дірок (3—5)·1018 см–3, холлівська
рухливість 6,5—7,5 см2/(В·с) за кімнатної температури.
Якість гетероструктури Ge–InP визначалася методом високороздільної рентгенівської дифракції на дифрактометрі
Philips MRD. Наноморфологія поверхні плівок Ge вивчалася за допомогою атомно-силового мікроскопа NanoScope IIIa.
Структура плівок — аморфна або полікристалічна з низьких рівнем структурної досконалості. Ефективне значення
шорсткості поверхні — від 2,25 до 2,60 нм.
Отримані дані величини опору за різних значень температури у діапазоні 2—25 К було описано експоненціальною
залежністю. Похибка вимірювань температури складає 5% у магнітному полі 11 Тл за температури 4,2 К та 14% у
магнітному полі 14 Тл за температури 2,2 К.
Результати досліджень вказують на те, що отримані плівки можуть бути використані для вимірювання кріогенних
температур в магнітних полях до 14 Тл.
Ключові слова: гетероструктура Ge–InP, сенсори температури, тонкі плівки, кріогенні температури, магнітне поле,
вимірювання.
DOI: 10.15222/TKEA2020.5-6.10
УДК 621.315.596
|
| id | oai:tkea.com.ua:article-91 |
| institution | Technology and design in electronic equipment |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-06-27T01:00:29Z |
| publishDate | 2020 |
| publisher | PE "Politekhperiodika", Book and Journal Publishers |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | wwwtkeacomua/f6/617e78f3c92469676dc475fc4e9bcff6.pdf |
| spelling | oai:tkea.com.ua:article-912026-06-26T12:32:26Z Cryogenic resistance thermometers based on Ge-InP films Кріогенні термометри опору на основі плівок Ge–InP Mitin, Vadim Kholevchuk, Volodymyr Solovyov, Eugene Sydnev, Alexander Venger, Evgen Ge-InP heterostructure temperature sensors thin films cryogenic temperatures magnetic field measurements гетероструктура Ge–InP сенсори температури тонкі плівки кріогенні температури магнітне поле вимірювання Despite the large number of scientific articles devoted to the development of cryogenic resistance thermometers, not many of these thermometers are mass-produced. As is know, semiconductor resistive temperature sensors have low magnetoresistance and high resistance to radiation. The purpose of this work was to manufacture thin (170-190 nm) Ge films on semi-insulating InP substrates, which can be used to create cryogenic resistance thermometers with high temperature sensitivity and relatively low sensitivity to magnetic field that can operate in the 1.5–400 K temperature range.Films of Ge on InP (100) can be used to produce cryogenic resistance thermometers. They have good thermal sensitivity and relatively low magnetoresistance.The films were produced by thermal evaporation of Ge in vacuum (2·10–4 Pa) on semi-insulating InP (100) substrates. The temperature of the InP substrate during film deposition was 310°C, the deposition rate was also constant during sputtering, but varied in the range of 0.03 to 0.06 nm/s for different films. Ge films were p-type conductivity with a resistivity of 0.2-0.3 Ω·cm, hole concentration (3–5)·1018 cm–3 and Hall mobility 6.5–7.5 cm2/(V·s) at room temperature.The quality of the Ge-InP heterostructure was determined by high-resolution X-ray diffraction on a Philips MRD diffractometer. The nanomorphology of the surface of Ge films was studied using the NanoScope IIIa atomic force microscope. The crystal structure of the films is amorphous or polycrystalline with a low level of structural perfection. The effective value of the surface roughness is from 2.25 to 2.60 nm.The obtained resistance values at different temperature in the range of 2–25 K were described by exponential dependence. Corrections in temperature measurement are 5% in a magnetic field of 11 T at a temperature of 4.2 K and 14% in a magnetic field of 14 T at a temperature of 2.2 K.The research results indicate that the obtained films can be used to measure cryogenic temperatures in magnetic fields of up to 14 T. Попри значну кількість наукових статей, присвячених розробці кріогенних термометрів опору, не так багато цих термометрів виготовляються серійно. Як відомо, напівпровідникові резистивні сенсори температури мають малий магнетоопір і високу стійкість до радіації. Метою даної роботи було отримання тонких (170—190 нм) плівок Ge на підкладках з напівізолюючого InP, які можуть бути використані для створення кріогенних термометрів опору з високою температурною чутливістю і відносно слабкою чутливістю до магнітного поля, придатних для вимірювань в діапазоні температур 1,5—400 К.Плівки осаджувалися методом термічного випаровування Ge у вакуумі (2·10–4 Пa) на підкладки з напівізолюючого InP (100). Температура підкладки InP протягом осадження плівки становила 310°С, швидкість осадження також була постійна протягом напилення, проте варіювалася в межах 0,03 — 0,06 нм/с для отримання різних плівок. Плівки Ge мали р-тип провідності, їхній питомий опір складав 0,2—0,3 Ом·см, концентрація дірок (3—5)·1018 см–3, холлівська рухливість 6,5—7,5 см2/(В·с) за кімнатної температури.Якість гетероструктури Ge–InP визначалася методом високороздільної рентгенівської дифракції на дифрактометрі Philips MRD. Наноморфологія поверхні плівок Ge вивчалася за допомогою атомно-силового мікроскопа NanoScope IIIa. Структура плівок — аморфна або полікристалічна з низьких рівнем структурної досконалості. Ефективне значення шорсткості поверхні — від 2,25 до 2,60 нм.Отримані дані величини опору за різних значень температури у діапазоні 2—25 К було описано експоненціальною залежністю. Похибка вимірювань температури складає 5% у магнітному полі 11 Тл за температури 4,2 К та 14% у магнітному полі 14 Тл за температури 2,2 К.Результати досліджень вказують на те, що отримані плівки можуть бути використані для вимірювання кріогенних температур в магнітних полях до 14 Тл. PE "Politekhperiodika", Book and Journal Publishers 2020-12-27 Article Article Peer-reviewed Article application/pdf https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2020.5-6.10 10.15222/TKEA2020.5-6.10 Technology and design in electronic equipment; No. 5–6 (2020): Tekhnologiya i konstruirovanie v elektronnoi apparature; 10-15 Технологія та конструювання в електронній апаратурі; № 5–6 (2020): Технология и конструирование в электронной аппаратуре; 10-15 3083-6549 3083-6530 10.15222/TKEA2020.5-6 uk https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2020.5-6.10/83 Copyright (c) 2020 Vadim Mitin, Volodymyr Kholevchuk, Eugene Solovyov, Alexander Sydnev, Evgen Venger http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ |
| spellingShingle | гетероструктура Ge–InP сенсори температури тонкі плівки кріогенні температури магнітне поле вимірювання Mitin, Vadim Kholevchuk, Volodymyr Solovyov, Eugene Sydnev, Alexander Venger, Evgen Кріогенні термометри опору на основі плівок Ge–InP |
| title | Кріогенні термометри опору на основі плівок Ge–InP |
| title_alt | Cryogenic resistance thermometers based on Ge-InP films |
| title_full | Кріогенні термометри опору на основі плівок Ge–InP |
| title_fullStr | Кріогенні термометри опору на основі плівок Ge–InP |
| title_full_unstemmed | Кріогенні термометри опору на основі плівок Ge–InP |
| title_short | Кріогенні термометри опору на основі плівок Ge–InP |
| title_sort | кріогенні термометри опору на основі плівок ge–inp |
| topic | гетероструктура Ge–InP сенсори температури тонкі плівки кріогенні температури магнітне поле вимірювання |
| topic_facet | Ge-InP heterostructure temperature sensors thin films cryogenic temperatures magnetic field measurements гетероструктура Ge–InP сенсори температури тонкі плівки кріогенні температури магнітне поле вимірювання |
| url | https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2020.5-6.10 |
| work_keys_str_mv | AT mitinvadim cryogenicresistancethermometersbasedongeinpfilms AT kholevchukvolodymyr cryogenicresistancethermometersbasedongeinpfilms AT solovyoveugene cryogenicresistancethermometersbasedongeinpfilms AT sydnevalexander cryogenicresistancethermometersbasedongeinpfilms AT vengerevgen cryogenicresistancethermometersbasedongeinpfilms AT mitinvadim kríogennítermometrioporunaosnovíplívokgeinp AT kholevchukvolodymyr kríogennítermometrioporunaosnovíplívokgeinp AT solovyoveugene kríogennítermometrioporunaosnovíplívokgeinp AT sydnevalexander kríogennítermometrioporunaosnovíplívokgeinp AT vengerevgen kríogennítermometrioporunaosnovíplívokgeinp |