О ВОЗМОЖНОСТИ СОЗДАНИЯ ПЛЕНОЧНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ТЕПЛОВЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ НА ОСНОВЕ ВЫСШЕГО СИЛИЦИДА МАРГАНЦА
Тонкие и толстые пленки силицидов металлов переходной группы привлекли большой интерес в связи с их уникальными фото- и термоэлектрическими свойствами, высокотемпературной устойчивостью, а также совместимостью с кремниевой технологией. Как известно из литературы, высший силицид марганца (ВСМ) - MnSi1;7H1;75 является одним из самых перспективных термоэлектрических материалов среди силицидов, так как объемные образцы ВСМ имеют термоэлектрическую эффективность Z=0,7-103 К-1 в интервале температур 300М000 К [1]. В настоящее время ведутся интенсивные исследования по получению тонких и сверхтонких пленок ВСМ исследователями стран Германии, Китая и Японии [2-4]. Однако пленочные преобразователи (термоэлементы) тепловых излучений на основе ВСМ и высшего силицида марганца - MnSi1,711,75 не разработаны.
Возможность формирования сплошных поликристаллических пленок высшего силицида марганца (ВСМ) методом реактивной диффузии атомов паров из марганца непосредственно с поверхностью подложки из кремния была показана нами в работе. Далее в работе была показана возможность создания неселективных приемников излучения на основе пленок ВСМ. Целью данной работы являлись разработка тестовых структур термоэлектрических батарей на основе пленок ВСМ и исследование их электрофизических свойств.
Разработка пленочных термоэлементов и термобатарей на микромасштабном уровне осуществляется путем применения стандартной планарной технологии. В этой технологии в качестве основного защитного и разделяющего слоя активных элементов широко используются тонкие пленки диоксида кремния - SiO2. Ранее в работах [7, 8] нами было показано, что в процессе силицидообразования поверхностный слой двуокиси кремния служит в качестве маски, препятствующей образованию силицида на поверхности кремниевой подложки. Это дало нам возможность разработать технологию получения тестовых структур на базе пленок ВСМ на поверхности кремния в виде термобатарей различных конфигураций. При этом геометрические размеры элементов тестовых структур были подобраны в зависимости от размерности зерен поликристаллических пленок ВСМ.
Тестовые структуры содержали соответственно, в зависимости от ширины несколько идентичных измеряемых элементов с различными ширинами:10, 20, 100, 200, 400, 800, 1000 мкм при постоянной длине 7000 мкм и толщине 810 мкм. Это позволяло нам в одних и тех же условиях произвести ряд измерений электрических параметров тестовых структур, что дает возможность получить усредненные данные измеренных величин, а также оценить разброс параметров элементов тестовых структур. Металлизация тестовых структур осуществлялась напылением в вакууме пленки Al или Ni толщиной 1,5 мкм и последующим отжигом в вакууме при температурах 300350 oC. После монтажа кристалла в корпусе соединение контактной площадки с выводами корпуса производилось алюминиевой проволокой с использованием ультразвуковой сварки. Фотоснимок одной из тестовых структур приведен на рис. 1.
Для тестовых структур были измерены коэффициент термо-ЭДС, удельная электропроводность и коэффициент Холла. Исследованные кинетические параметры для тестовых структур пленок ВСМ имели следующие значения: удельная электропроводность о=1125 Омсм" ; коэффициент Холла Rx=0,0580,065 Клсм"1 (соответственно концентрация дырок =5-1019102° см-3); подвижность носителей заряда =0,62 см2/В-с; коэффициент термо-ЭДС а = +250280 мкВ/К. На рис. 2 представлена температурная зависимость коэффициента термо-ЭДС и удельной электропроводности в интервале температур T=77-600 K.
Из рис. 2. видно, что коэффициент термо-ЭДС пленок ВСМ имеет величины, превосходящие в 1,5-2 раза величины, достигнутые на объемных монокристаллических образцах ВСМ[1]. Возможно, это связано с возникновением потенциальных барьеров на межзеренных границах поликристаллических пленок ВСМ.
Для измерения коэффициента чувствительности S и быстродействия т, изготовленные тестовые структуры помещались в экранированный корпус и термо- ЭДС. Измерения S и т проводились при длине волны излучения =1,06 мкм и длительности импульса 40200 нс, а также при =10,6 мкм, модуляции излучения с частотой 10 10 Гц и длительности импульса 0,11,5 мс.
В образцах с пленками ВСМ со столбчатой структурой, ориентированной одной из кристаллических осей перпендикулярно поверхности кремниевой подложки, преобладает продольный термоэлектрический эффект. Такие тестовые структуры имели коэффициент чувствительности S=0,1В/Вт и быстродействие (постоянное время) т~10" с. Коэффициент чувствительности и быстродействие пленок почти на один и три порядка соответственно превосходят достигнутые на объемных монокристаллических образцах ВСМ [9].
Таким образом, на основе полученных результатов показана возможность изготовления преобразователей (термоэлектрических батарей) на основе пленок ВСМ.