Kétdimenziós elektrongáz alapú elektromechanikus érzékelők
A nagy elektron-mobilitású tranzisztorok (high electron mobility transistors: HEMT) olyan térvezérlésű tranzisztorok, amelyek 2 különböző széles tiltott sávval rendelkező félvezetők heteroátmenetét tartalmazzák. Ilyen párosítások lehetnek például: InGaAs/GaAs, AlGaAs/GaAs, AlGaN/GaN, InGaN/GaN stb. Ilyen eszközökben a forrás és a nyelő ohmikus kontaktussal-, a kapu pedig egy egyenirányító Schottky fémen keresztül érintkezik a félvezetővel. A csatorna egy kétdimenziós elektrongáz, ami az átmenet határán képződik a szűkebb tiltott sávú anyagban (csatorna rétegben). A konvencionálisabb AlGaAs/GaAs tranzisztorokban a szabad töltéshordozók többsége az adalékolt zárórétegből származik, míg a AlGaN/GaN esetén nincs szükség adalékolásra. Itt az elektronok átmenethez való vándorlásának az oka a piezoelektromos effektus, ami a két anyag különböző rácsállandójából adódó mechanikai feszültségnek köszönhető, valamint a szintén különböző spontán polarizációk is határátmenetnél változnak meg ugrásszerűen [1]. Emellett, a piezoelektromos effektusnak köszönhetően az AlGaN/GaN eszközök jó alapot biztosítanak újszerű mechanikai szenzorok fejlesztésének, hiszen jó a bélyegállandójuk (gauge factor) és ellenállóak a külső hatásokkal (például: hővel) szemben. Ráadásul az elmúlt idők fejlesztései a GaN szilíciumra való növesztésében lehetővé teszik az integrálást a CMOS technológiába, valamint GaN membránok kialakítását, ami nagyobb érzékenységű nyomás- és mechanikai érzékelők kialatkítását teszi lehetővé [2][3].
A dolgozatom célja az MFA Nanoérzékelők Laboratóriumában készített AlGaN/GaN HEMT eszközök vizsgálata potenciális elektromechanikus érzékelőként. Két mintát kaptam, az egyik már teljesen elkészült és működőképesnek bizonyult nyomásmérőként. Ezen az érzékelőn a HEMT egy körülbelül 500 μm átmérőjű membrán szélén fekszik. A másik mintán a hordozó még nem lett elmarva a membrán alól, így referenciának használtam a kész minta alkotórészeinek jellemzésére. Ezen a referencia mintán TLM (transmission line method), cTLM (circular transmission line method) és Schottky-dióda méréseket végeztem, így vigyázva a kész érzékelőre. A kontakt ellenállás 2,1 Ω, a négyzetes ellenállás 448,2 Ω, a Schottky kontaktus idealitása pedig 2,5-nek adódott (a dióda mérés 263.15 Kelvines hőmérsékleten zajlott). Ezek az eredmények az elvárásoknak megfelelők. Mindkét érzékelő alapvetően tranzisztor, ezért a tranzisztorként való működést is igazoltam. Ezután méréseket végeztem, ahol a membrán különböző pontjaira fejtettem ki erőhatást egy AFM tűvel és a válaszokat megvizsgáltam. Pozíciófüggő változás volt érzékelhető a tranzisztoron átfolyó áramban. A legérzékenyebb ponton a mintát több erővel megnyomva az ellenállás relatív megváltozása a nyomó erőhöz képest: 0.3424 1/mN volt. Végeselem modellezést is használok összehasonlításra és új alkalmazások keresésére. Az érzékelő mikrofonként, vagy oldalirányú erőmérőként is működhetne kisebb módosításokkal. A pozícióra és oldalirányú erőre való érzékenység jó jelöltté teszi az ilyen érzékelőket szintetikus bőr kialakítására.
Irodalom:
1. O. Ambacher, J. Smart, J. R. Shealy, N. G. Weimann, K. Chu, M. Murphy, W. J. Schaff, and L. F. Eastman, R. Dimitrov, L. Wittmer, and M. Stutzmann, W. Rieger and J. Hilsenbeck, “Two-dimensional electron gases induced by spontaneous and piezoelectric polarization charges in N- and Ga-face AlGaN/GaN heterostructures”, Journal of Applied Physics 85, 3222-3233(1999).
2. Colin Wood, Debdeep Jena, “Polarization Effects in Semiconductors From Ab InitioTheory to Device Applications”, (Springer Science+Business Media, LLC, 233 Spring Street, New York, NY 10013, USA (2008).
3. Caitlin A. Chapinab, Ruth A.Miller, Karen M.Dowling, Ruiqi Chen, Debbie G.Senesky, “InAlN/GaN high electron mobility micro-pressure sensors for high-temperature environments”, Sensors and Actuators A: Physical Volume 263, 15 August 2017, Pages 216-223.
szerző
-
Filep Zsolt
Fizikus mesterképzési szak (MSc)
mesterképzés (MA/MSc)
konzulensek
-
Dr. Lukács István Endre
tudományos főmunkatárs, EK MFA (külső) -
Dr. Volk János
tudományos főmunkatárs, EK MFA (külső)
