Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України
Національна академія наук України

Пошук

Лабораторія фізико-технологічних проблем сенсорної електроніки

 Washington Capitol2

Керівник лабораторії
Мітін Вадим Федорович
кандидат фізико-математичних наук,
старший науковий співробітник
Тел.: 525-59-39, вн.тел.: 3-69
Ел. пошта: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

Склад лабораторії

 1
Cоловйов Євген Олександрович
кандидат технічних наук,
старший науковий співробітник
Тел.: 525-59-39, вн.тел.: 3-69
 Копия В.Холевчук
Холевчук Володимир Васильович
науковий співробітник
Тел.: 525-83-39, вн.тел.: 2-36
Ел. пошта:  Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.
 IMG 20170828 145455
Сєрик Євгенія Сергіївна
провідний інженер
Тел.: 525-83-39, вн.тел.: 2-36
 Копия В.Митин
Мітін Валентин Вадимович
провідний інженер
Тел.: 525-59-39, вн.тел.: 3-69

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Дослідження

Основні напрямки діяльності лабораторії є розроблення нових технологій та сенсорів фізичних величин на основі напівпровідникових гетероструктур зокрема термометрів, болометрів, сенсорів магнітного поля, деформації та багатофункціональних сенсорів для одночасного виміру декількох фізичних величин, а також необхідного метрологічного обладнання.

Наукові та прикладні завдання лабораторії наступні:

  • розроблення технології виготовлення, теоретичні та експериментальні дослідження процесів формування і властивостей напівпровідникових гетероструктур для сенсорної електроніки;
  • розроблення технології виготовлення сенсорів фізичних величин, зокрема термометрів і болометрів та багатофункціональних сенсорів на основі напівпровідникових гетероструктур;
  • розроблення та створення нового метрологічного обладнання;
  • створення необхідної технологічної інфраструктури для виробництва сенсорів.

Досягнення

Найбільш вагомі наукові і науково-технічні результати:

Основні вагомі наукові результати:

  1. Виявлено та досліджено значний ефект скорості росту на структуру, топографію поверхні, оптичні та електричні властивості тонких плівок германію на арсеніді галію.
  2. Розроблено технологію виготовлення та проведено комплексні дослідження (кристалічної структури, топографії поверхні, оптичних та електричних властивостей) сильно легованих та повністю компенсованих монокристалічних плівок германію на підкладках із напівізолюючого арсеніду галію в яких реалізується двомірна перколяційна електропровідність.
  3. Досліджено процеси формування та механізми електропровідності в плівках германію на підкладках із напівізолюючого арсеніду галію, яки використовуються для виготовлення кріогенних сенсорів температури (термометрів опору). Встановлено, що в плівках германію при низьких температурах спостерігаються різні механізми стрибкової електропровідності. Вони обумовлюють різні залежності електричного опору плівок від температури та магнітного поля.
  4. Вперше виявлено та теоретично обґрунтовано ефект гігантського негативного магнітоопору в плівках германію на арсеніді галію при наднизьких температурах (0,03 – 0,2 К) та слабких магнітних полях (до 1 Тл).
  5. Досліджено вплив іонізуючого випромінювання (нейтронів та гамма-квантів) на характеристики термометрів.

Основні вагомі науково-технічні результати:

  1. Розроблено термометри опору (модель TTR), яки охоплюють діапазон вимірювальних температур від 0,02 до 500 К та організовано їх малосерійне лабораторне виробництво. Термометри опору виготовляються на основі плівок германію на підкладках із напівізолюючого арсеніду галію та мають різноманітне конструктивне виконання, та корпуси. Вони також мають високу радіаційну стійкість та малі похибки вимірювання температури у присутності сильних магнітних полів.
  1. Розроблено багатофункціональні сенсори (модель DFS) призначені для одночасного локального вимірювання температури та магнітного поля. Вони також дозволяють підвищити точність вимірювання температури в присутності сильних магнітних полів, використовуючи метод корекції, що ґрунтується на відомій величині магнітного поля і чутливості сенсора температури до магнітного поля. Багатофункціональний сенсор складається із термометра опору на основі структури Ge-GaAs і сенсора магнітного поля (перетворювачі Холла) на основі структури InSb-GaAs, розташованих в єдиному корпусі з розмірами: 3.5 мм - ширина, 2.2 мм - товщина і 10.1 мм – довжина. Багатофункціональний сенсор має вісім електричних виводів: чотири для термометра і чотири для перетворювача Холла. Дві моделі DFS були розроблені для використання в діапазонах температур 1,5 – 400 К (DFS-1) і 0,1 – 400 К (DFS-2).
  1. Розроблено діодні сенсори температури призначені для статичних та динамічних вимірювань температури в діапазоні від 1,5 до 450 K та організовано їх малосерійне лабораторне виробництво.

Основні найбільш вагомі статі в наукових журналах в яких висвітлюються наукові результати та характеристики вищезазначених сенсорів:

 

  1. V.F. Mitin, V.K. Lazarov, L. Lari, P.M. Lytvyn, V.V. Kholevchuk, L.A. Matveeva, V.V. Mitin, E.F. Venger. Effect of film growth rate and thickness on properties of Ge/GaAs(100). Thin Solid Films 550, 715-722 (2014).
  2. V.F.Mitin, V.K.Lazarov, P.M.Lytvyn, P.J.Hasnip, V.V.Kholevchuk, L.A.Matveeva, E.Yu.Kolyadina, I.E.Kotenko, V.V.Mitin, and E.F.Venger. Tailoring the electrical properties of Ge/GaAs by film deposition rate and preparation of fully compensated Ge films. Physical Review B 84, 125316 (2011).
  3. V.F. Mitin. Preparation and properties of heavily doped and strongly compensated Ge films on GaAs. Journal of Applied Physics 107, 033720 (2010).
  4. V.F. Mitin, V.V. Kholevchuk, B.P. Kolodych. Ge-on-GaAs film resistance thermometers: low-temperature conduction and magnetoresistance. Cryogenics 51, 68-73 (2011).
  5. Є.Ф. Венгер, А.С. Зенкін, Н.Л. Козелло, Б.П. Колодич, Н.М. Криницька, О.С. Кулик, В.Ф. Мітін, І.Ю. Неміш, В.В. Холевчук. Мініатюрні кремнієві діодні та германієві резистивні термометри для вимірювання низьких температур. Фізика і хімія твердого тіла 2, 499-505 (2010).
  6. V.F.Mitin, N.S. Boltovets, V.V. Kholevchuk, V.V. Basanets, E.V. Mitin, P.C. McDonald, F. Pavese. Dual function sensors for concurrent measurements of temperature and magnetic fields in cryogenic applications. Cryogenics 48, 413-416 (2008).
  7. В.Ф. Митин, В.В. Холевчук, И.Ю. Немиш, Е.В. Митин, Н.С. Болтовец. Термометры сопротивления и многофункциональные сенсоры для одновременного измерения температуры и магнитного поля. Новые промышленные технологии, № 5, с. 29-33 (2008).
  8. V.F. Mitin, P.C. McDonald, F. Pavese, N.S. Boltovets, V.V. Kholevchuk, I.Yu. Nemish, V.V. Basanets, V.K. Dugaev, P.V. Sorokin, R.V. Konakova, E.F. Venger, E.V. Mitin. Ge-on-GaAs film resistance thermometers for cryogenic applications. Cryogenics 47, 474-482 (2007).
  9. V.F.Mitin, V.K.Dugaev, G.G.Ihas. Large negative magnetoresistance in Ge films at ultralow temperatures and low magnetic fields. Applied Physics Letters 91, Issue 20, 202107 (2007).

10. N.S. Boltovets, V.V. Kholevchuk, R.V. Konakova, V.F. Mitin and E.F. Venger. Ge-film resistance and Si-based diode temperature microsensors for cryogenic applications. Sensors and Actuators A 92, 191-196 (2001).

11. V.F. Mitin. Resistance thermometers based on the germanium films. Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics 2, 115-123 (1999).

12. V.F.Mitin. Miniature resistance thermometers based on Ge films on GaAs. Advances in Cryogenic Engineering 43, 749-756 (1998).

13. V.F.Mitin. Ge/GaAs heterostructure: preparation, properties, and application to sensors. Molecular Physics Reports 21, 71-78 (1998).

14. V.F.Mitin, Yu.A.Tkhorik and E.F.Venger. All-purpose technology of physical sensors on the base of Ge/GaAs heterostructures. Microelectronics Journal 28, 617-625 (1997).

15. В.Ф.Митин, Ю.А.Тхорик. Микросенсоры физических величин на основе пленок германия на арсениде галлия. Петербургский журнал электроники, No. 3, с. 48-51 (1993).

Розробки

НАПІВПРОВІДНИКОВІ МІКРОСЕНСОРИ ДЛЯ ВИМІРЮВАННЯ ТЕМПЕРАТУРИ В ДІАПАЗОНІ 0,02 – 500 К

Розроблено сімейство сенсорів температури (термометрів опору) на основі плівок германію на підкладках із арсеніду галію, яки охоплюють діапазон температур від 0,02 до 500 К, та організоване їх малосерійне лабораторне виробництво.

Термометри можуть бути використані для статичних та динамічних вимірювань температури в діапазоні від 0,02 K до 500 K в умовах впливу сильних магнітних полів та високих рівнів іонізуючого випромінювання.

Розроблені термометри пройшли апробацію та були використані в наступних проектах та обладнанні.

  • Експерименти по вивченню турбулентних потоків в рідкому гелії при низьких та наднизьких температурах (0,02 – 4.2 К) в National High Magnetic Field Laboratory (Tallahassee, FL, USA), University of Florida (Gainesville, FL, USA), Institute Neel, CNRS/UJF (Grenoble, France), Abdus Salam International Centre for Theoretical Physics (Trieste, Italy), Charles University (Prague, Czech Republic).
  • Проекти Європейського космічного агентства (ESA).
  • Проекти Національного аерокосмічного агентства США (NASA).
  • Кріогенні установки в Україні, Росії, Італії, Англії, Китаю та Тайваню.

Література в якій висвітлено використання розроблених сенсорів температури:

  1. Pavel Urban, David Schmoranzer, Pavel Hanzelka, Katepalli R. Sreenivasan, and Ladislav Skrbek. Anomalous heat transport and condensation in convection of cryogenic helium. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 14 May 2013, vol. 110, no. 20, pp. 8036-8039 (2013).
  2. Benetis, N. P., & Dmitriev, Y. A. Anomalous EPR Intensity Distribution of the Methyl Radical Quartet Adsorbed on the Surface of Porous Materials. Comparison with Solid Gas Matrix Isolation. Journal of Physical Chemistry A, 117 (20), 4233–4250 (2013).
  3. P. Urban, P. Hanzelka, T. Kralik, V. Musilova, A. Srnka and L. Skrbek. Effect of Boundary Layers Asymmetry on Heat Transfer Efficiency in Turbulent Rayleigh-Bénard Convection at Very High Rayleigh Numbers. Phys. Rev. Lett. 109, 154301 (2012).
  4. P-E. Roche, F. Gauthier, R. Kaiser and J. Salort. On the triggering of the Ultimate Regime of convection. New Journal of Physics, 12, 085014 (2010).
  5. Yurij A. Dmitriev and Nikolas Ploutarch Benetis. EPR Line-shape Anisotropy and Hyperfine Shift of Methyl Radicals in Solid Ne, Ar, Kr, and p-H2 Gas Matrices. Journal of Physical Chemistry A 114 (39), 10732–10741 (2010).

  6. F. Gauthier, J. Salort, O. Bourgeois, J.-L. Garden, R. du Puits, A. Thess and P.-E. Roche. Transition on local temperature fluctuations in highly turbulent convection. Europhysics Letter, 87, 44006 (2009).

  7. K.J. Thompson, S-c. Liu, G. Labbe, and G.G. Ihas. Use of calorimetry to study the energy decay of quantum turbulence. Journal of Physics: Conference Series 150, 032111 (2009).

  8. M. Dalban-Canassy, S.W. Van Sciver. Steady counterflow He II heat transfer through porous media. Advances in Cryogenic Engineering 55, pp.1327-1334 (2009). AIP Conference Proceedings 1218, CEC/ICMC 2009, 28 Jun — 2 Jul 2009, Tucson, Arizona, USA.

  9. T.V. Chagovets, L. Skrbek. On flow of He II in Channels with ends blocked by superleaks. Journal of Low Temperature Physics 153, 162-188 (2008).

10. G.G. Ihas, G. Labbe, K.J. Thompson. Preliminary measurements on grid turbulence in liquid 4He. Journal of Low Temperature Physics 150, 384-393 (2008).

11. Yihui Zhou, Vadim F. Mitin, Greg Labbe, Shu-chen Liu, Ridvan Adjimambetov, and Gary G. Ihas. Sub-millimeter Size Sensors for Measurements in Cryogenic Turbulence. Proc. of 24th International Conference on Low Temperature Physics, Orlando, Florida, USA, August 10-17, 2005, AIP Conference Proceedings 850, pp.1631-1632 (2006).

12. P.C. McDonald, E. Jaramillo, B. Baudouy. Thermal design of the CFRP support struts for the spatial framework of the Herschel Space Observatory. Cryogenics, 46, 298–304 (2006).

13. G.G. Ihas, V.F. Mitin, and N.S. Sullivan. Cryogenic mass gauging in a free-falling storage tank. Journal of Low Temperature Physics, Vol. 134 (1-2) pp. 437-442 (2004).

 

БАГАТОФУНКЦІОНАЛЬНІ СЕНСОРИ ДЛЯ ОДНОЧАСНОГО ВИМІРЮВАННЯ ТЕМПЕРАТУРИ ТА МАГНІТНОГО ПОЛЯ

Розроблено декілька типів багатофункціональних сенсорів для одночасного вимірювання температури та магнітного поля на основі плівок германію та антимоніду індію на підкладках із арсеніду галію, яки охоплюють діапазон температур від 0,1 до 400 К, та організоване їх малосерійне лабораторне виробництво.

 

Література в якій описані характеристики багатофункціональних сенсорів:

  1. V.F.Mitin, N.S.Boltovets, V.V.Kholevchuk, V.V.Basanets, E.V.Mitin, P.C.McDonald, F.Pavese. Dual function sensors for concurrent measurements of temperature and magnetic fields in cryogenic applications. Cryogenics, Vol. 48, pp. 413-416 (2008).
  2. В.Ф. Митин, В.В. Холевчук, И.Ю. Немиш, Е.В. Митин, Н.С. Болтовец. Термометры сопротивления и многофункциональные сенсоры для одновременного измерения температуры и магнитного поля. Новые промышленные технологии, № 5, с. 29-33 (2008).

Обладнання

 

Дві промислові вакуумні установки ВУП-5М.

-5-gif
 
 
 
Установка УГТД-30 для градуювання сенсорів температури в діапазоні 1,8 - 320 К.
 
 
  1
 

 

Призначена для градуювання  термометрів опору та діодів у діапазоні температур 1,8 – 320 К.

До складу установки входять:

  • кріостат КГТД30;
  • комп’ютерно-вимірювальна система АК-6.30;
  • ПК із програмним забезпеченням;
  • зовнішній гелієвий кріостат ;
  • вакуумна відкачувальна підсистема.

Основні технічні параметри установки:

Робочий діапазон температур:                                                  1,8 – 320 К

Границя основної абсолютної похибки градуювання:                   ≤ 0,005 К

Стабільність підтримання заданої температури градуювання:     0,1мК/сек.

Еталонний термометр:                                                                ТСРЖН-1

Число вимірювальних каналів для градуювання:                                   20

Принцип роботи установки.

Кріостат КГТД30 – занурюваного типу з дросельним охолодженням. Для реалізації температур від 80 до 320 К використовується рідкий азот, від 1,5 до 140 К – рідкий гелій. Для створення потоку охолоджувача через дросель використовується надлишковий тиск, що створює сама кріогенна рідина при випаровуванні (до 0,2 - 0,3 атм.), або прокачування тракту дроселя форвакуумним насосом. Температури від 4,2 до 1,8 К забезпечуються лише створенням розрідження до  – 1 атм. у тракті дроселя.

Установка реалізує чотирипроводовий метод вимірювання опору в одному колі струму, для резисторів з інверсією струму, для діодів при одному напрямку струму. Вимірювальна схема розділена на три окремі кола струму – еталонного термометра, контрольних і градуйованих.  При градуюванні терморезисторів використовується вбудоване у АК-6.30 джерело, для діодів використовується додаткове зовнішнє джерело струму. Для неперервного контролю точності роботи електронно-вимірювальних схем передбачене увімкнення в коло еталонної котушки опору класу точності 0,002.

Функцію еталонного термометра виконує залізо-родієвий зразковий термометр 1 розряду ТСРЖН-1. Градуювання   проходить в автоматичному режимі.

Комплекс УГТД30 сертифікований як метрологічний комплекс для повірки і калібрування термометрів опору в діапазоні температур 1,5 – 300 К з похибкою 0,005 К.

 
 
Установка для градуювання сенсорів температури в діапазоні 1,5 - 300 К.
 
 2-3
 

Призначена для градуювання  термометрів опору та діодів у діапазоні температур 1,5 – 320 К.

До складу установки  входять:

  • зовнішній гелієвий кріостат ;
  • вставка - антикріостат занурюваного типу;
  • блок управління нагрівачами вставки;
  • комутатор вимірюваних сигналів;
  • керовані джерела струму;
  • мультиметр Keithley 2010;
  • вакуумна відкачувальна підсистема.

Основні технічні параметри установки:

Робочий діапазон температур:                                                     1,5 – 320 К

Границя основної абсолютної похибки градуювання:                      ≤ 0,010 К

Стабільність підтримання заданої температури градуювання:         0,1мК/сек.

Еталонний термометр:                                                                    ТСРЖН-1

Число вимірювальних каналів для градуювання:                                       15

Принцип роботи установки.

Для реалізації температур від 70 до 320 К використовується рідкий азот, від 1,5 до 100 К – рідкий гелій. Температури нижче за 80К у азотному діапазоні та від 4,2 до 1,5 К у гелієвому діапазоні забезпечуються створенням розрідження до – 1 атм. над поверхнею кріогенної рідини у кріостаті.

Установка реалізує чотирипроводовий метод вимірювання сигналу, для резисторів з інверсією струму, для діодів при одному напрямку струму. Вимірювальна схема розділена на три окремі кола струму – еталонних термометрів, контрольних і градуйованих. Для неперервного контролю точності роботи електронно-вимірювальних схем передбачене увімкнення в коло еталонної котушки опору класу точності 0,002.

Комутатор вимірюваних сигналів побудований на герконових реле. Живлення комутатора та джерел струму здійснюється від гальванічних елементів.

Функцію еталонного термометра виконує залізо-родієвий зразковий термометр 1 розряду ТСРЖН-1, як контрольні термометри  для автоматичного управління режимом роботи блоку управління нагрівачами вставки використані германієві плівкові термометри TTR-G. Градуювання   проходить в автоматичному режимі, при налагодженні роботи є можливість керувати роботою комутатора вимірюваних сигналів із виносного пульта.

 
 
Стенд для калібрування та дослідження характеристик сенсорів температури в реперних температурних точках. 
 
 Stand2
 
 

Автоматизований стенд для калібрування сенсорів температури у реперних точках 4,2 К, 77,36 К та 273,15 К (0°С).

До складу стенду  входять:

  • мультиметр Keithley 2010 ;
  • комутатор вимірюваних сигналів;
  • кероване джерело струму;
  • електронний барометр БАР-1А;
  • Fluke 9101 ZeroPointCalibrator;
  • посудини Дюара для зріджених He,  N2.

Основні технічні параметри стенду:

Реперні точки:                       4,2 К;  77,36 К;  273,15 К (0º С)

Число каналів для вимірювання:                                         15

Контроль атмосферного тиску :                     +/- 0,15 мм рт.ст.

Задавання 0˚ С :                                            Точність 0,020˚ С

                  Стабільність 0,005˚ С

Принцип роботи стенду.

Калібрування сенсорів температури здійснюється вміщенням їх у середовище з високо стабільною контрольованою температурою. Це кріогенні рідини – зріджені гелій (4,2 К) та азот (77,36 К), температури яких контролюються вимірюванням атмосферного тиску над поверхнею  із точністю, що відповідає похибці у визначенні температури порядку 1 мК.

Контроль нуля ( 0˚C, або 273,15 К) відбувається у термостаті Fluke 9101 ZeroPointCalibrator.

Стенд ефективно використовується для дослідження найважливіших метрологічних характеристик сенсорів температури - короткотермінової та довготермінової стабільності показів.

 
 
Установка для дослідження гальваномагнітних явищ в напівпровідниках в діапазоні температур 4,2 - 400 К та магнітних полях 0 - 2 Т.
 
 
 
 
 
 
Установка (на базі надпровідного соленоїду) для дослідження гальваномагнітних властивостей напівпровідників та характеристик сенсорів в діапазоні температур 1,8 - 4,2 К та магнітних полях 0 - 8 Т.
 
SLM1 
 
 
Установка (на базі термоелементів Пельтьє) для калібрування та дослідження характеристик сенсорів температури в діапазоні -10 – 120°С.
 
DSCN5421 

 

Проекти

Діючі проекти:

  • Державне замовлення, Держінформнауки, проект «Розроблення та впровадження напівпровідникових сенсорів температури в діапазоні 0,3-450 К», 2013-2014 рр.
  • Державна цільова науково-технічна програма «Нанотехнології та наноматеріали», проект «Розроблення технології нанорозмірних структур з плівками германію та його сполук з кремнієм і арсенідом галію на підкладках GaAs та Si для виготовлення на їх основі електронних приладів», 2010-2014 рр.
  • Програма наукового приладобудування НАН України, проект «Розроблення напівпровідникових сенсорів для наукових навчальних приладів», 2012-2014 рр.
  • Державна цільова науково-технічна програма «Розроблення і створення сенсорних наукоємних продуктів», проект «Системи діагностики температури і магнітного поля та засобів їх метрологічного забезпечення, матричних термочутливих елементів неохолоджуваних тепловізорів для використання в спеціальній техніці, комунальному господарстві, медицині, екології та впровадження їх у виробництво», 2008-2017 рр.

Публікації

2018