SЕNSORS BASED ON POLYCRYSTALLINE 3C-SiC: IMPACT OF BORON DOPING

Autor: Бубулiс, Альгімантас
Jazyk: ukrajinština
Rok vydání: 2023
Předmět:
Zdroj: Вестник Киевского политехнического института. Серия приборостроение; № 65(1) (2023); 42-46
Bulletin of Kyiv Polytechnic Institute. Series Instrument Making; No. 65(1) (2023); 42-46
Вісник Київського політехнічного інституту. Серія Приладобудування; № 65(1) (2023); 42-46
ISSN: 0321-2211
2663-3450
Popis: As a chemically inert wide bandgap semiconductor material with high hardness and thermal conductivity, stable electrical characteristics, silicon carbide SiC is attractive for harsh environmentelectronics and sensors applications. The concept of harsh environmentincludes extremes of temperature, pressure, shock loads, radiation and chemical attacks thosearise in aircraft and automotive engines, industrial gas turbines, during oil and gas exploration, etc. Lower growing temperatures of polycrystalline cubic silicon carbide, pc-3C-SiC, compared to monocrystalline allow to significantly reduce its cost and expand the possibilities of application. It follows from previous works that the thermal sensitivity of pc-3C-SiC can be significantly increased by doping with an acceptor impurity of boron during the growth of the material. The purpose of this work is to determine the properties of pc-3C-SiC doped with boron for the creation of photosensors and thermosensors, as well as thermal anemometers for extreme operating conditions. It is shown that pс-3C-SiC doping with a boron impurity in the growth process causes the formation of acceptor-type centers in the band gap and the appearance of features in the photosensitivity spectrum, which may be of practical interest for photovoltaics. For temperatures T > 150K, the conductivity of the doped sample increases almost exponentially with an activation energy of 0.28 eV, which is close to the activation energy of the photoconductivity of the same sample. This indicates that the ionization process of equilibrium and non-equilibrium charge carriers occurs from the same impurity centers. Boron doping causes the appearance of a broad photoconductivity band with a maximum at 1.7 eV in the impurity absorption region of pc-3C-SiC, similar to the situation in single crystal 3C-SiC. It was determined that the temperature coefficient of resistance for boron-doped pc-3C-SiC is 3.0´10-2K-1 at T=300K and 1.1´10-2K-1 at T=700K, which is almost an order of magnitude higher than for thermocouples, as well as for metals from which anemometer threads are made. The discussion of the obtained results allows to associate the value of the activation energy E=0.28 eV with the level of shallow boron in pc-3C-SiC and to assume this center is a point defect containing a boron atom that replaces a silicon atom in the 3C-SiC lattice, i.e. BSi. Photosensors that can be used as solar cells in the near-IR range of 0.6 - 1.8 μm, and as photocells in the visible range of 0.4 -0.6 μm are proposed. The ability of pc-3C-SiC to work in extreme operating conditions, as well as the low cost of device manufacturing technology based on it, compared to other SiCpolytypes, allow it to be considered a suitable material for creating temperature sensors, thermo-anemometers and photosensors, as well as detectors for monitoring nuclear facilities.
Як хімічно інертний широкозонний напівпровідниковий матеріал з високими твердістю і теплопровідністю, стабільними електричними характеристиками, карбід кремнію SiC є привабливим для застосування в електроніці та сенсорах, що працюють за складних умов. Останні передбачають екстремальні значення температури, тиску, ударні навантаження, радіаційний та хімічний впливи, що виникають в авіаційних і автомобільних двигунах, промислових газових турбінах, при розвідці нафти і газу тощо. Більш низькі температури вирощування полікристалічного кубічного карбіду кремнію, рс-3С-SiC, порівняно з монокристалічним, дозволяють значно знизити його вартість та розширити можливості застосування. З попередніх робіт випливає, що термочутливість рс-3С-SiC можна суттєво підвищити за допомогою легування акцепторною домішкою бору в процесі вирощування матеріалу. Метою даної роботи є визначення властивостей легованого бором pс-3C-SiC для створення фотосенсорів і термосенсорів, а також термоанемометрів для екстремальних умов експлуатації. Показано, що легування pс-3C-SiC домішкою бору в процесі вирощування сприяє утворенню в забороненій зоні центрів акцепторного типу та появі особливостей у спектрі фоточутливості, що може мати практичний інтерес для фотовольтаїки. Для температур Т > 150K провідність легованого зразка практично експоненціально збільшується з енергією активації 0,28 еВ, близькою до енергії активації фотопровідності того ж зразка. Це свідчить про те, що процес іонізації рівноважних та нерівноважних носіїв заряду відбувається з одних і тих самих домішкових центрів. Легування бором викликає появу широкої смуги фотопровідності з максимумом при 1,7 еВ в області домішкового поглинання рс-3C-SiC, подібно ситуації в монокристалічному 3C-SiC. Визначено, що температурний коефіцієнт опору для легованого бором рс-3C-SiC дорівнює 3,0×10-2 град-1 при Т = 300K і 1,1×10-2 град-1 при Т = 700K, що майже на порядок більше ніж у термопар, а також металів, з яких виготовляють нитки анемометрів. Обговорення отриманих результатів дозволяє пов’язати величину енергії активації Е=0,28 еВ з рівнем мілкого бору в рс-3C-SiC та припускати природу цього центру у вигляді точкового дефекту, що містить атом бору, який заміщує в решітці 3C-SiC атом кремнію, тобто BSi. Запропоновано фотосенсори, які в ближньому ІЧ-діапазоні 0,6 ¸ 1,8 мкм можна використовувати в якості сонячних елементів, а у видимій області 0,4 – 0,6 мкм спектру, - як фотоелементи. Здатність рс-3C-SiC працювати за екстремальних умов експлуатації, а також невисока відносно інших політипів SiC вартість технології виробництва приладів на його основі, дозволяють вважати його придатним матеріалом для створення сенсорів температури, термоанемометрів і фотосенсорів, а також детекторів для моніторингу ядерних об’єктів.
Databáze: OpenAIRE
Externí odkaz: