ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ РЕЗИСТОР
SEMICONDUCTOR RESISTOR

Изобретение относится к технике полупроводниковых приборов, в частности к изготовлению термо- и тензорезисторов на основе тензочувствительных полупроводниковых материалов, и может найти применение при изготовлении тензорезисторных датчиков механических величин.
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, Н01L 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, применяемых в качестве тензорезисторов: 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, константана путем надавливания индентором до достижения постоянства сопротивления контакта.
(SU 238434, Н01L 21/02, опубл. 1994.12.15.)
Наиболее близким является полупроводниковый резистор, включающий сформированный на подложке изоляционный слой из окиси кремния, стекла или слюды, расположенный на нем слой полупроводника - моносульфида 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 недопустимо 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 резистрора, применяемого в качестве тензорезистора: низкая механическая стойкость, высокий уровень шумов, значительные погрешности в измерениях при динамических изменениях температуры, изменение электрических параметров со временем.
Задачей изобретения является создание полупроводникового резистора на основе тензочувствительных полупроводниковых материалов, который при его использовании в качестве элемента (элементов) тензорезисторного датчика механических величин обеспечивает более высокие технические параметры датчика.
Техническим результатом является увеличение чувствительности, снижение величины погрешности измерений, более низкий уровень собственных шумов полупроводникового резистора, стабильность электрических параметров и повышение устойчивости к воздействию агрессивных сред.
Технический результат достигается тем, что 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, при этом контакты выполнены трехслойными, а первый слой, расположенный на части поверхности полупроводника и изоляционном слое, выполнен из алюминия, срединный слой выполнен из сплава алюминия с никелем или кобальтом, внешний слой выполнен из никеля или кобальта.
Кроме того, слой полупроводника состоит из вещества, выбранного из группы: моносульфид самария, кремний, арсенид галлия, нитрид галлия; слой полупроводника имеет поликристаллическую структуру; ширина слоя полупроводника составляет 200-500 мкм; срединный слой выполнен из сплава, содержащего 1-99 мас.% никеля или кобальта, алюминий - остальное; изоляционный слой выполнен толщиной 3-15 мкм из оксида кремния, оксида алюминия, карбида кремния, нитрида кремния; дополнительно включает внешнее защитное покрытие, выполненное из оксида кремния SiO.
Изобретение проиллюстрировано чертежами, представленными на фиг.1 и 2, где на фиг.1 представлено изображение полупроводникового резистора в разрезе, а на фиг.2 - вид сверху.
Согласно чертежам полупроводниковый резистор по изобретению состоит из следующих элементов:
1 - подложка;
2 - изоляционный слой;
3 - слой полупроводника;
4 - первый слой из алюминия;
5 - срединный слой из сплава алюминия с никелем или кобальтом;
6 - внешний слой из никеля или кобальта;
7 - внешнее защитное покрытие;
8 - контакт;
9 - контактная дорожка - проводник.
Полупроводниковый резистор на основе тензочувствительных полупроводниковых материалах по изобретению как элемент тензорезисторного датчика механических величин изготавливают следующим образом. На подложку (1) из металла или иного органического или неорганического материала, которая служит упругим элементом тензорезисторного датчика известным способом, например напылением в вакууме, наносят тонкий изоляционный слой (2) из известных диэлектриков: оксид кремния, оксид алюминия, карбид кремния, нитрид кремния, нитрид алюминия и т.д. Толщина изоляционного слоя может составлять 3-15 мкм. На сформированном изоляционном слое (2) известными способами (напылением в вакууме) формируют слой (3) полупроводника с поликристаллической структурой (моносульфид самария, арсенида галлия и т.д.) в виде ленты (параллелепипеда) толщиной 0,1-1,0 мкм и шириной 200-500 мкм. Затем также известными способами (напыление в вакууме и т.д.) на концах слоя (3) полупроводника формируют контакты (8), а также контактные дорожки - проводники (9), которые обеспечивают электрическое соединение полупроводникового резистора по изобретению с другими элементами тензорезисторного датчика. Сначала на часть поверхности полупроводника и изоляционного слоя наносят первый проводящий слой (4) из алюминия, который обеспечивает низкое омическое сопротивление перехода металл-полупроводник, его стабильность во времени, а также увеличение чувствительности тензорезисторного датчика, снижение уровня собственных шумов. Затем наносят срединный (второй) проводящий слой (5) требуемой формы путем напыления сплава алюминий-никель или алюминий-кобальт, который содержит 1-99 мас.% никеля или кобальта, алюминий - остальное. Срединный слой (5) предназначен для обеспечения стабильности свойств первого слоя (4) из алюминия, в частности его электрических и механических параметров. Свойства срединного слоя (5), выполненного из сплава алюминия с никелем или кобальтом, не зависят от выбора никеля или кобальта в качестве компонента сплава с алюминием. После этого наносят внешний (третий) проводящий слой (6) из никеля или кобальта, который защищает нижележащие слои от внешних воздействий, стабилизирует механические свойства нижележащих слоев и обеспечивает простоту и надежность подсоединения полупроводникового резистора по изобретению и датчика в целом к средствам измерения механических величин. В заключении известными способами наносят внешнее защитное покрытие, выполненное из оксида кремния SiO, обеспечивающее устойчивость полупроводникового резистора по изобретению в агрессивных средах.
Достижение технического результата может быть проиллюстрировано примерами. В качестве объекта сравнения был использован стандартный тензорезистор на основе моносульфида самария, полученный по известной технологии наиболее близкого аналога.
Пример 1. Использовали полупроводниковый резистор по изобретению, элементы которого были получены вакуумным напылением, включающий изоляционный слой из оксида кремния SiO толщиной 1,5 мкм, слой поликристаллического моносульфида самария толщиной 0,5 мкм и шириной 220 мкм. Первый слой, расположенный на поверхности моносульфида самария и изоляционного слоя, был выполнен из алюминия, второй - из сплава, содержащего 50 мас.% никеля, алюминий - остальное, а внешний слой - из никеля. Толщина первого слоя составила 0,2 мкм, срединного - 0,15 мкм, внешнего - 0,15 мкм, которые контролировались временем вакуумного напыления и температурой испарителя и подложки. Внешнее защитное покрытие было выполнено из оксида кремния SiO толщиной 5 мкм.
Пример 2. Использовали полупроводниковый резистор по изобретению, включающий изоляционный слой из карбида кремния SiC толщиной 8 мкм, слой поликристаллического арсенида галлия толщиной 0,7 мкм и шириной 450 мкм. Первый слой, расположенный на поверхности арсенида галлия и изоляционной подложке, был выполнен из алюминия, второй - из сплава, содержащего 20 мас.% кобальта, алюминий - остальное, а внешний слой - из никеля. Толщина первого слоя составила 0,2 мкм, срединного - 0,15 мкм, внешнего - 0,15 мкм. Внешнее защитное покрытие было выполнено из оксида кремния SiO толщиной 5 мкм.
Преимущество полупроводниковых резисторов по изобретению при температурах +80°С в 5% растворе хлорида натрия, по сравнению с известным, составило: по чувствительности - в 3-5 раз; по снижению уровня собственных шумов - в 1,5-3 раза, по стабильности электрических параметров - в 1,4 раза, по снижению погрешности измерений при динамическом изменении температуры от -40 до +125°С - в 10-30 раз.