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中科院海洋重点实验室学术交流活动
非晶碳膜的压阻效应
From： 郭 鹏
Date：2013-10-12
提纲
1
压阻效应背景
2
DLC的压阻效应
3
DLC压阻应用探索举例
4
1
展
望
一 压阻效应背景
 1.什么是压阻效应？
压阻效应（狭义）：是指当半导
体受到应力作用时，由于载流子迁移
率的变化，使其电阻率发生变化的现
象。
 2. 压阻效应的应用？
压阻效应已经被广泛应用于各种半导
体材料制作而成的传感器中，形成商
品化产品，比如：压力传感器及加速
2
度传感器。
背景
 3.压阻效应的主要研究进展
William Thomson
(Lord Kelvin)发现
铁铜材料拉长后的
电阻变化
Bardeen和
Shockley预测在单
晶半导体中会有明
显的压阻特性
1932年
20世纪50年代末期
C. S. Smith在硅
和锗中测的了巨
大的压阻效应。
1856年
3
Allen第一次测量了
单晶铋，锑，镉，
锌和锡中不同取向
的应变电导率关系。
1950年
Proc IEEE Inst Electr Electron Eng. 2009 ; 97(3): 513–552.
1958年，Kulite
Semiconductor公
司是Bell实验室压
阻专利的第一个授
权使用者
背景
 4.压阻效应研究的重要物理概念
l
R=
a 其中l为式样
 1. 对于结构均匀的材料，其电阻
长度，a为式样平均截面积，  为材料的电阻率。
• 电阻R随应力变化，主要在于电阻是形貌与电阻率的函数，
比如纵向拉长会使其截面积按照材料的泊松比减小。
 2. gauge factor (GF)定义为
GF=
4
R / R

R

=(1  2 ) 
R

二 DLC的压阻效应
I. 为什么要研究DLC的压阻效应？
 金属体系： g值较小0.8~3.0 ，不需掺杂
other
DLC
 Si，Ge体系：g值可达177 ，有方向性
 GexSi1-x （x=0.01~0.05）在低温（T<50k）会出现巨压阻效应
（1）
 ZnO，TiO2 ，ITO体系：柔性聚苯乙烯基底表面加入锑掺杂的
ZnO，纵向压阻系数为350 （2）
 橡胶体系： 炭黑作为导电相，硅橡胶作为基体材料，具有压电特性
（3）
 其他： SiC， Nanowires， TaN-Cu， GaN，分子有机半导体，水
5
泥基复合材料体系
（1） Materials Science in Semiconductor Processing, 2005. 8(1-3): p. 193-196.
压阻特性材料
 CNTs：g值可达2900（2）
 Diamond：单晶金刚石与多晶金刚石的g值分别为2000~3836
和 (10~100 ) (1)
 Graphene： CVD在Ni/Cu膜上制备，应变为1%时，其g值6.1
（3），机械剥离的石墨烯g为~1.9（4），实验测得g~150。与
CNT相比，石墨烯的2D结构，平面处理工艺简单（5）
 C纤维：压力感应范围可以根据C纤维的形状与尺寸分布不同而
得以扩大
6
（1）Proc IEEE Inst Electr Electron Eng, 2009. 97(3): p. 513-552.
（2）Journal of Vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures, 2011. 29(6): p. 06FE01.
(3) Nano Lett, 2010. 10(2): p. 490-3.
(4) Nano Lett, 2011. 11(3): p. 1241-6.
（5）Journal of Vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures, 2011. 29(6): p. 06FE01.
DLC优势
可用于恶劣环境，重
载荷下的特殊传感器
构造具有传感功能
 压阻因子
G高，1000
和防护作用的智能涂层
（smart washer）
 宽带隙，
高硬度
生产成本低，
工艺简单
直接沉积，
不需贴片，
精度高
摩擦性能优异，
恶劣环境稳定
7
Surface & Coatings Technology 211
(2012) 172–175
压阻机理： DLC=半导体？
半导体的压阻机理
 对半导体施加应力时，除形变外，能带结构也要变
化，因而电阻率改变。
 单轴拉伸或压缩：

当晶体某一个方向拉伸或压缩，压阻效应与外力方向，电流方
向以及材料的能带结构有关，表现出各向异性。
[001]
 Si的等能面是极值沿<100>方向的
六个旋转球，如图。设沿[100]方向施加压
缩应力T（T<0），则[100]方向被压缩，
T
晶格间距减小，而Si的禁
带宽度随压强增大而减小，故极值能量
8
降低，而[010]方向和[001]方向极
值升高。
Z
[010]
Y
X
T
[100]
在应力作用下的Si等能面
变化示意图（红色代表力
作用后的等能面）《半导
体物理学》刘恩科
E
半导体的压阻机理

由于[100]方向极值降低，[010]方向
和[001]方向极值升高，电子要占据低
[100]
K
E
(a)
[010]
能量态，向[100]发生转移。

（a）表示无应力时[100]方向和[010]
的两个能谷；（b）表示[100]能谷降
低了△E和[010]能谷升高了△E，引
△E
△E
[100]
K
E
(b)
[010]
[100]
K
(c)
[010]
起电子转移；（c）转移结果是[100]
能谷中电子增多而[010]能谷中电子数
减少，导致电导率变化。
9
DLC的电子结构
I.
II.
晶体：电子在整个晶体中运动，为扩展态
非晶体：无长程有序性，对电子势强烈散射，波函数没有布洛赫函
数形式，存在衰减，出现了定域化
定域态特点：
对某一给定能量E（此时
波矢K无意义），波函数
限制在空间小区域，随距
离r指数衰减
扩展态（a）与定域态（b）
《非晶态半导体物理学》，何宇亮等
DLC定域态电子
I.
定域态（局域态）的准则：
ΔV/B>1
II. σ键，π键定域化：以S态（
σ键）为例，相互作用为V
±ΔV，带宽为 B=2zV。但是
对于π键，与相互作用的取向
性有关，导致ΔV/B很大， π
电子出现定域化。
[1] J. Robertson, Diamond Relat. Mater. 6 (1997) 7.
11
III. 缺陷，以及团簇：在midgape
引入定域态
DLC定域态电子
I.
禁带中还有定域态（局域态） ，靠近带尾部分也是
定域态，称为带尾态。
II.
非晶碳π键定域化：起源于二面角的无序性，因而定域
态远大于a-Si。
III. 电学性能取决于材料的迁移率边，而光学吸收则为
电子态密度决定，不受定域态影响
12
J.Robertson, Materials Science and Engineering R, 37 (2002) 153.
DLC压阻机理模型？
模型：参照thick film resistor
（TFR）模型， 导电sp2団簇分
布在不导电的sp3基质中
13
G=
2d d-sp2団簇距离

-定域化长度
[1] Thin Solid Films, 2007. 515(20-21): p. 8028-8033.
[2] J. Micromech. Microeng. 17 (2007) S77–S82
Me-DLC压阻机理？
•
Ni催化类石墨结构，以及金属团聚(1)
14
•
W团簇距离变化(2)
[1]Diamond Relat. Mater.25 (2012) 50
[2]Materials Science Forum Vols. 638-642
DLC压阻效应总体研究进展
[3] Solid State Sciences 11 (10) (2009) 1797
[4] Diamond Relat. Mater.25 (2012) 50
[5] (Ni:a-C:H) furDrucksensoren, Ph.D. Thesis, Saarland
University, 2010.
[6] Diamond Relat. Mater.26 (2012) 50
Guenter Schultes， Ralf Koppert等制备
Ni:a-C:H 膜，G值约为12， 在80–400 K
范围TCR近似为0（3-6）
Tibrewala等获得G值高达1000
的a-C:H 膜，但同时具有较大
的TCR值（1，2）
2009
[1] Appl. Surf. Sci. 252 (2006)5387.
[2] Thin Solid Films 515 (2007)8028.
2006
R. Gudaitis , Š. Meškins
研究了Cr掺杂的非晶碳膜，
在Cr/C约为0.2时，TCR
近似为0，G值约为2（13） 2012
15
[13] Surf. Coat. Technol.211 (2012) 80
2010
Takeshi Ohno，
Toshiyuki Takagi等
研究了W-DLC，获
得了较低的TCR和
G值（7-11）
[7] INT J APPL ELECTROM 28(2008) 211
[8] Diamond Relat. Mater.17 (2008) 713
[9] Mater. Sci. Forum,638-642(2010)2103
[10] INT J APPL ELECTROM 33 (2010) 665
[11]Diamond Relat. Mater.20 (2011) 651
2011
Mirjana Petersen等人
系统研究了Ag, Ni, Ti,
W掺杂的非晶碳膜，
只有Ni掺杂获得近似
为0的TCR（12）
[12] Diamond Relat. Mater.20 (2011) 814
研究进展1：高TCR，高g纯碳膜
• a-C与a-C：H对比
g：37～46
g：100～1200
• a-C：H横与纵向g值
增大sp3含量，减小sp2团簇尺寸，有
利于增大g值
g值与方向，构造无关
16
[1] Appl. Surf. Sci. 252 (2006)5387.
[2] Thin Solid Films 515 (2007)8028.
研究进展1：测试方法（Si微机电加工工艺）
17
研究进展2：低TCR，低g金属Ni掺杂碳膜
Ni含量超过75 .at%，
技术手段：
PECVD复
合MS
18
具有金属特性
50 .at%对应g约12，
TCR～0（90k～400k）
研究进展3：低含量Cr掺杂碳膜
TCR降低，需要降低sp3含量，
增大石墨团簇的尺寸
Cr金属掺杂含量约20 at.%
g～log（R）关系（渗流理论？）
19
研究进展3：测试方法（四点法）
20
Lund, E. and T.G. Finstad, Design and construction of a four-point bending based set-up for measurement of
piezoresistance in semiconductors.Review of Scientific Instruments, 2004. 75(11): p. 4960.
三 DLC压阻应用探索举例
• Title：Pressure sensitivity of piezoresistive
nickel–carbon Ni:a-C:H thin films
I. 研究目的：解决水力系统中，水压的测试响应问题，改善伺服系统
的响应特性
II.研究方法：
 不导电基地（Al2O3，含有SiO2层的Si片）上沉积Ni掺杂DLCH薄膜
，并制备电极。测定材料的压阻因子与TCR
 在水静压条件下测定材料的电阻变化
21
Sensors and Actuators A 193 (2013) 129–135
应用探索
2.
4.
1. GF与TCR测定
3.
1.
2. GF测试与液压作用条件差别
3. 液压变化测试示意图，获得PCR值，即材料的电阻随压
力的变化系数
4. 结果
22
四 展望
内应力大
主要问题
机理解释
不完备
主要模型：
导电相弥散
于无定形介
电网络结构。
TCR大，
温度敏感
23
通过金属掺杂：降低膜应力，降低TCR值，同时获得较大
的GF值，改善导电性。并对Me-DLC的压阻机理进行解释