Полупроводниковый резистор
SEMICONDUCTOR RESISTOR

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к технике полупроводниковых приборов, в частности к изготовлению термо- и тензорезисторов на основе тензочувствительных полупроводниковых материалов.
Уровень техники
Известен покрытый защитным лаковым покрытием полупроводниковый тензо- или барорезистор на основе полупроводникового материала - моносульфида самария SmS. Полупроводниковый резистор сформирован на стеклянной подложке и включает слой поликристаллического моносульфида самария SmS в виде ленты, снабженный на концах токосъемными контактами (контактными площадками с контактными дорожками), выполненными из никеля методом вакуумного напыления и расположенными на части поверхности слоя моносульфида самария и подложки (SU 1820790 А1, H01L 21/34, опубл. 1995.03.27 ).
Недостатком известного полупроводникового резистора является высокое омическое сопротивление контакта (моносульфид самария-никель), отслаивание никеля и достаточно высокая зависимость сопротивления контакта от температуры, что снижает эксплуатационные и метрологические характеристики полупроводникового резистора на основе моносульфида самария, применяемого в качестве тензорезистора. Низкая механическая стойкость, высокий уровень шумов, значительные погрешности в измерениях при динамических изменениях температуры. Для частичного устранения указанных недостатков необходимо дополнительно применять дорогостоящие и трудоемкие операции, в частности, дополнительное неоднократное механическое воздействие на контактные площадки из никеля, кобальта, путем надавливания индентором до достижения постоянства сопротивления контакта (SU 238434, H01L 21/02, опубл. 1994.12.15).
Также известен из уровня техники полупроводниковый резистор, включающий сформированный на подложке изоляционный слой из окиси кремния, стекла или слюды, расположенный на нем слой полупроводника - моносульфид самария в виде ленты (параллелепипеда) толщиной 0,5-1,0 мкм. Слой полупроводника снабжен на концах токосъемными контактами (включая контактные дорожки), выполненными из никеля или кобальта методом вакуумного напыления и расположенными на части поверхности слоя моносульфида самария и изоляционного слоя (WO 99/24804, G01L 1/22, 25/00, 27/00, опубл. 1999.05.25).
Недостатком данного полупроводникового резистора является высокое омическое сопротивление контакта моносульфид самария-никель (моносульфид самария-кобальт), отслаивание напыленного металла от подложки и достаточно высокая зависимость сопротивления контакта от температуры, что снижает эксплуатационные и метрологические характеристики полупроводникого резистора, применяемого в качестве тензорезистора: низкая механическая стойкость, высокий уровень шумов, значительные погрешности в измерениях при динамических изменениях температуры, изменение электрических параметров со временем.
Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является полупроводниковый резистор на основе тензочувствительных полупроводниковых материалов датчика механических величин. Полупроводниковый резистор включает сформированный на подложке изоляционный слой, расположенный на нем слой полупроводника в виде ленты толщиной 0,1-1,0 мкм, снабженный на концах контактами, выполненными в виде слоя металла, расположенного на части поверхности слоя полупроводника и изоляционном слое. Контакты выполнены трехслойными, причем первый слой, расположенный на части поверхности полупроводника и изоляционном слое, выполнен из алюминия, срединный слой выполнен из сплава алюминия с никелем или кобальтом, а внешний слой выполнен из никеля или кобальта (RU 2367062 С1, H01L 29/84, опубл. 10.09.2009).
Недостатком известного полупроводникового резистора является узкий диапазон рабочих температур от -40 до +125°C, сложность проведения операции микросварки алюминиевых токовводов к никелевым контактам, а также низкая надежность полученного соединения. При температурах свыше 250°C происходит окисление поверхностного слоя никелевых контактов и отслоение защитного слоя от контактных дорожек.
Сущность изобретения
Задачей, решаемой заявленным изобретением, является создание полупроводникового резистора на основе тензочувствительных полупроводниковых материалов, который при его использовании в качестве элемента (элементов) тензорезистивного датчика механических величин обеспечивает более высокие технические параметры и повышенную надежность сварного соединения выводных проводников датчика при работах в условиях повышенных температур до 350°C.
Технический результат заявленного изобретения заключается в повышении термостойкости полупроводникового резистора, повышении стабильности электрических параметров, в увеличении надежности сформированных сварных электросоединений и в повышении устойчивости к воздействию агрессивных сред при повышенных температурах.
Технический результат заявленного изобретения достигается за счет того, что полупроводниковый резистор включает сформированный на подложке изоляционный слой, поверх которого сформирован слой полупроводника, снабженный на концах контактами, выполненными из слоев металлов, отличающийся тем, что контакты выполнены четырехслойными, причем первый слой расположен на части поверхности полупроводника и на части изоляционного слоя выполнен из алюминия, второй слой выполнен из интерметаллида Ni-Al, третий слой контактных дорожек выполнен из никеля, и четвертый слой выполнен из интерметаллида Ni-Al, причем указанная структура дополнительно покрыта внешним слоем защитного покрытия.
В частном случае реализации заявленного технического решения внешнее защитное покрытие, выполнено из оксида кремния SiO.
В частном случае реализации заявленного технического решения слой полупроводника состоит из вещества, выбранного из группы: моносульфид самария, кремний, арсенид галлия, нитрид галлия.
В частном случае реализации заявленного технического решения слой полупроводника имеет поликристаллическую структуру.
В частном случае реализации заявленного технического решения слои интерметаллидов выполнены из сплава, содержащего сплав никеля и алюминия.
Краткое описание чертежей
Детали, признаки, а также преимущества настоящего изобретения следуют из нижеследующего описания вариантов реализации заявленного технического решения с использованием чертежей, на которых показано:
Фиг. 1 - полупроводниковый резистор.
На фигурах 1 и 2 цифрами обозначены следующие позиции:
1 - подложка; 2 - изоляционный слой; 3 - слой полупроводника; 4 - слой Al; 5 - слой интерметаллида Ni-Al; 6 - слой Ni; 7 - слой интерметаллида Ni-Al; 8 - защитный слой SiO.
Раскрытие изобретения
Полупроводниковый резистор включает сформированный на подложке (1) изоляционный слой (2). Поверх которого сформирован слой (3) полупроводника, снабженный на концах контактами с контактными дорожками, необходимыми для обеспечения электрического соединения полупроводникового резистора. Контакты расположены по краям поверхности слоя полупроводника (3) с переходом на изоляционный слой (2). Контакты выполнены четырехслойными: первый слой (4), расположен по краям на части поверхности полупроводника и на части изоляционного слоя и выполнен из алюминия, следующий слой (5) выполнен из интерметаллида Ni-Al, на котором сформирован слой никеля (6), внешний слой (7) выполнен также из интерметаллида Ni-Al.
Полученная структура накрыта слоем (8) оксида кремния SiO, обеспечивающим устойчивость полупроводникового резистора в агрессивных средах.
Кроме того, слой (3) полупроводника состоит из вещества, выбранного из группы: моносульфиды лантаноидов, кремний, арсенид галлия, нитрид галлия; слой (3) полупроводника имеет поликристаллическую структуру; слои (5 и 7) интерметаллидов состоят из никеля и алюминия; между слоями (5 и 7) интерметаллидов находится слой (6) из никеля; изоляционный слой (2) выполнен из оксида кремния, оксида алюминия, карбида кремния; дополнительно включает слой (8) внешнего защитного покрытия, выполненного из оксида кремния SiO.
Полупроводниковый резистор на основе тензочувствительных полупроводниковых материалов по изобретению как элемент тензорезистивного датчика механических величин изготавливают следующим образом. На подложку (1) из металла или иного органического или неорганического материала, которая служит упругим элементом тензорезистивного датчика, известным способом, например, напылением в вакууме, наносят тонкий изоляционный слой (2) из известных диэлектриков: оксид кремния, оксид алюминия, карбид кремния, нитрид кремния и т.д. Толщина изоляционного слоя зависит от необходимой величины пробивного напряжения конечного изделия.
Затем, также известным способом формируют слой (3) полупроводника с поликристаллической структурой (моносульфид самария, арсенид галлия и т.д.) обычно в виде ленты (параллелепипеда), размеры подбираются в зависимости от необходимого номинала сопротивления. Далее известными способами формируют контакты и коммуникационные дорожки - проводники, которые обеспечивают электрическое соединение полупроводникового резистора с другими элементами тензорезистивного датчика. Контакты выполнены четырехслойными. Сначала наносят слой (4) алюминия, на который наносится слой (5) интерметаллида Ni-Al. Слой (5) интерметаллида предназначен для обеспечения хороших адгезионных свойств двух разнородных металлов. После этого формируют основной слой (6) контактных дорожек, состоящий из никеля (6), который обеспечивает стабильность электрических свойств токопроводящих дорожек. Поверх слоя (6) никеля формируют слой (7) интерметаллида Ni-Al. Слой (7) необходим для обеспечения простоты и надежности присоединения полупроводникового резистора по изобретению и датчика в целом к средствам измерения. Так же поверхностный слой (7) интерметаллида Ni-Al увеличивает адгезию защитного слоя к соединительным дорожкам и контактам. В заключении известными способами наносят внешний слой (8) защитного покрытия, выполненного из оксида кремния SiO, обеспечивающего устойчивость полупроводникового резистора в агрессивных средах.
Достижение технического результата может быть проиллюстрировано примером. В качестве объекта сравнения был использован стандартный тензорезистор на основе моносульфида самария, полученный по известной технологии наиболее близкого аналога.
Пример 1. Использован полупроводниковый резистор по изобретению, элементы которого были получены вакуумным напылением, включающий изоляционный слой из оксида кремния SiO толщиной 5 мкм, слой поликристаллического моносульфида самария толщиной 0,5 мкм и шириной 200 мкм. Слой металлического четырехслойного контакта, суммарной толщиной 0,5 мкм, которая складывается из: 0,05 мкм подслоя алюминия, 0,1 мкм первого слоя интерметаллида Ni-Al, содержащего 60 мас. % никеля - остальное алюминий, 0,25 мкм слоя никеля и 0,1 мкм верхнего слоя интерметаллида Ni-Al, содержащего 60 мас. % никеля - остальное алюминий, внешнего защитного слоя оксида кремния SiO толщиной 1,5 мкм.
Преимущество полупроводниковых резисторов по изобретению при температурах свыше 250°C, составило: открытые, не защищенные внешним слоем SiO, металлические контакты не окислились и сохранили свои электрические и механические свойства; не произошло отслоения защитного слоя SiO от поверхностного слоя металлических контактов и соединительных дорожек.
Литература
1. Структура и фазовый состав многослойных покрытий на основе системы Ni-Al; М.В. Федорищева, В.П. Сергеев, М.П. Калашников, А.В. Воронов, И.А. Божко; Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Россия, г. Томск, Фазовые переходы, межфазные границы и нанотехнологии, 2015 г., №1.