Температурные исследования полевых датчиков Холла на основе наноразмерных гетероструктур «кремний на изоляторе»

Микроэлектроника относится к числу отраслей промышленности, которые в последние десятилетия развиваются рекордно быстрыми темпами. Важнейшую роль в развитии цифровой экономики играет разработка и организация производства нового поколения микроэлектронных датчиков внешних воздействий и микросистем на их основе. В связи с необходимостью эксплуатации таких устройств в различных условиях, включая широкие температурные интервалы, определение диапазонов их надежной работы является актуальной задачей. Тепловые исследования проводились с применением построенной ранее двухуровневой математической модели полевого датчика Холла (ПДХ) на основе гетероструктуры «кремний на изоляторе» (КНИ). Представлены результаты расчетных и экспериментальных исследований влияния температуры на характеристики ПДХ КНИ. Показана возможность функционирования датчика в широком диапазоне температур. Проведена параметрическая идентификация разработанной авторами математической модели по экспериментальным данным. Определена функция чувствительности электрического тока к изменению температуры. Предложенный подход позволяет оценить требуемую чувствительность датчика для определения температуры с заданной точностью.

1. Абгарян К.К., Ревизников Д.Л. Вычислительные алгоритмы в задачах моделирования и оптимизации полупроводниковых гетероструктур. М.: МАКС Пресс; 2016, 120 с.

2. Абгарян К.К., Ревизников Д.Л. Численное моделирование распределения носителей заряда в наноразмерных полупроводниковых гетероструктурах с учетом поляризационных эффектов. Журнал вычислительной математики и математической физики. 2015; 56(1): 153—164. https://doi.org/10.7868/S004446691601004X

3. Abgaryan K.K., Mutigullin I.V., Reviznikov D.L. Computational model of 2DEG mobility in the AlGaN/GaN heterostructures. Physica Status Solidi (c). 2015; 12(4-5): 460—465. https://doi.org/10.1002/PSSC.201400200

4. Abgaryan K.K., Mutigullin I.V., Reviznikov D.L. Theoretical investigation of 2DEG concentration and mobility in the AlGaN/GaN heterostructures with various Al concentrations. Physica Status Solidi (c). 2015; 12(12): 1376—1382. https://doi.org/10.1002/PSSC.201510159

5. Mordkovich V.N., Abgaryan K.K., Reviznikov D.L., Leonov A.V. Simulation of hall field elements based on nanosized silicon-on-insulator heterostructures. Russian Microelectronics 2021; 50(8): 617—622. https://doi.org/10.1134/S1063739721080059

6. Мордкович В.Н. Датчики на основе структур «кремний на изоляторе». Электронная техника. Серия 2: Полупроводниковые приборы. 2008; 2(221): 34—44.

7. Huijsing I.H. Smart Sensor Systems: Why? Where? How? G.C.M. Meiyer, ed. Great Britain: I. Wiley and Sons; 2008. 385 p. https://doi.org/10.1002/9780470866931.CH1

8. Balakrishnan V., Phan H.-P., Dinh T., Dao D.V., Nguyen N.-T. Sensors for harsh environments. Sensors. 2017; 17(9): 2060—2092. https://doi.org/10.3390/s17092061

9. Baumgartner A., Ihn T., Ensslin K., Papp G., Peeters F., Maranowski K., Gossard A.C. Classical Hall effect in scanning gate experiments. Physical Review B. 2006. 74: 165426. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.74.165426

10. Щербачев К.Д., Бублик В.Т., Мордкович В.Н., Пажин Д.М. Особенности образования радиационных дефектов в слое кремния структур «кремний на изоляторе». Физика и техника полупроводников. 2011; 45(6): 754—758.

11. Громов Д.В., Мордкович В.Н., Пажин Д.М., Скоробогатов П.К. Релаксационные эффекты в полевых датчиках Холла при воздействии импульса ионизирующего облучения. Электронная техника. Серия 2: Полупроводниковые приборы. 2011; 1(226): 19—26.

12. Королев М.А., Козлов А.В., Петрунина С.С. Особенности функционирования полевого датчика Холла на основе КНИ структур, предназначенного для работы в телекоммуникационных сетях. Труды МФТИ. 2015; 7(3): 91—95.

13. Королев М.А., Павлюк М.И., Девликанова С.С. Физическая модель полевого датчика Холла на основе КНИ-структуры. Известия высших учебных заведений. Электроника. 2017; 22(2): 166—170. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2017-22-2-166-170

14. Popovich R.S. Hall effect devices. 2nd. ed. Bristol; Philadelphia: Institute of Physics; 2004. 419 p.

15. Леонов А.В., Малых А.А., Мордкович В.Н., Павлюк М.И. Тонкопленочный кремниевый магниточувствительный полевой транзистор холловского типа с расширенным до 350 °С диапазоном рабочих температур. Письма в журнал технической физики. 2016; 42(2): 30—36.

16. Leonov A.V., Malykh A.A., Mordkovich V.N., Pavlyuk M.I. Field controlled Si hall element with extended operation temperature range from liquid helium temperature up to 650 K. Procedia Engineering. 2015; 120: 1197—1200. https://doi.org/10.1016/J.PROENG.2015.08.786

17. Stengel F., Noor Mohammad S., Morkoc H. Theoretical investigation of electrical characteristics of AlGaN/GaN modulation doped field-effect transistors. Journal of Applied Physics. 1996; 80(5): 3031—3042. https://doi.org/10.1063/1.363162

18. Наумова О.В., Зайцева Э.Г., Фомин Б.И., Ильницкий М.А., Попов В.П. Зависимость подвижности электронов в режиме обогащения от их плотности в полностью обедняемых пленках кремний-на-изоляторе. Физика и техника полупроводников. 2015; 49(10): 1360—1365.