Кріогенні термометри опору на основі плівок Ge–InP
Анотація
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.
Посилання
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
Childs P.R.N., Greenwood J.R., and Long C.A. Review of temperature measurement. Review of Scientific Instruments, 2000, vol. 71, iss. 8, pp. 2959. https://doi.org/10.1063/1.1305516
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
Brant B.L., Liu D.W., Rubin L.G. Low temperature thermometry in high magnetic fields VII. Cernox.sensors to 32 T. Review of Scientific Instruments, 1999, vol. 70, iss. 1, pp. 104. https://doi.org/10.1063/1.1149549
Yotsuya T., Kakehi Y., Ishida T. Thin film 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
Zhenzhen Hui, Qiumin Meng, Renhuai Wei et al. CrN thin films 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
Mitin V.F., McDonald P.C., Pavese F. et al. Ge-on-GaAs film 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
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
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
Courts S.S. High level gamma radiation effects 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
Filippov Yu.P., Golikov V.V., Kulagin E.N., Shabratov V.G. Effects of high intensity cryogenic irradiation and magnetic field on temperature sensors. Advances in Cryogenic Engineering, 1998; vol. 43, pp. 773. https://doi.org/10.1007/978-1-4757-9047-4_96
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
Courts S.S., Yeager C.J. Long term stability of germanium resistance thermometers. AIP Conference Proceedings, 2003, vol. 684, iss. 1, p. 405. https://doi.org/10.1063/1.1627159
Madelung O. Semiconductors: Data Handbook, Springer, 2004.
Mitin V.F., Kholevchuk V.V., Semenov A.V. et al. Nanocrystalline SiC film thermistors for cryogenic applications. Review of Scientific Instruments, 2018, vol. 89, 025004. https://doi.org/10.1063/1.5024505
Filippov Yu.P., Shabratov V.G. Measurement of helium temperatures by TVO-sensors under magnetic fields. Cryogenics, 2002, vol. 42, iss. 2, p. 127–131. https://doi.org/10.1016/S0011-2275(02)00016-4
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
Rubin L.G., Brant B.L., Sample H.H. Some practical solutions to measurement problems encountered at low temperatures and high magnetic fields. Advances in Cryogenic Engineering, 1986, vol. 31, p. 1221–1230. https://doi.org/10.1007/978-1-4613-2213-9_136
Авторське право (c) 2020 Вадим Мітін, Володимир Холевчук, Євген Соловйов, Олександр Сіднєв, Євген Венгер
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
