CC BY
28
УДК 53.043, 535.015
ФОТОАКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ЭЛЕКТРОНИКИ НА ОСНОВЕ ЛИНЕЙНО-ЦЕПОЧЕЧНОГО УГЛЕРОДА
PHOTOACTIVE ELECTRONIC ELEMENTS BASED ON LINEAR-CHAIN CARBON
А. И. Васильев, А. В. Смирнов, В. Д. Кочаков A. I. Vasilyev, A. V. Smirnov, V. D. Kochakov
ФГБОУВПО «Чувашский государственный университет имени И. Н. Ульянова», г. Чебоксары
Аннотация. Методом импульсно-плазменного ионно-стимулированного синтеза получены пленки двумерно-упорядоченного линейно-цепочечного sp1-углерода, модифицированные металлами на подложке из монокристаллического кремния. Получены фоточувствительные элементы гибридной кремний-углеродной электроники, которые могут быть использованы при изготовлении различных элементов фотовольтаики.
Abstract. The films of two-dimensional ordered linear-chain sp1-carbon on the substrate of monocrystalline silicon were prepared by pulse plasma ion assisted synthesis. The photosensitive elements of hybrid silicon-carbon electronic that can be used in the manufacture of various photovoltaic elements have been obtained.
Ключевые слова: линейно-цепочечный углерод, элементы фотовольтаики, фоторези-стивный эффект, металлуглеродные пленки, барьер Шоттки.
Keywords: linearchain carbon, photovoltaic elements, photoresistive effect, metal-carbon films, Schottky barrier.
Актуальность исследуемой проблемы. Получение пленочного металлсодержащего углеродного наноматериала, который может быть использован в различных элементах электроники, в частности при разработке фоторезисторов, фотоприемников, фотодиодов и элементов фотовольтаики, на сегодняшний момент является актуальной задачей. Одной из главных особенностей современных наукоемких технологий является стремление создавать и использовать новые материалы, обладающие, помимо уникальных сочетаний механических, физических и других свойств, способностями активно реагировать на изменение внешних условий или внешнее воздействие (интеллектуальные материалы). В этой связи формирование наноструктурных состояний, обладающих свойством фоточувствительности, является важным направлением.
Стоит отметить, что, по общепринятому мнению, прямого взаимодействия металлов (к примеру, Ag и Cd) с углеродом не происходит. Однако подавляющее количество подобного рода исследований относится к углероду в состоянии sp2 (графит).
Материал и методика исследований. В исследовании использовался монокри-сталлический кремний в виде пластин толщиной 0,8 мм с удельным сопротивлением 1,2 Ом-см. На вакуумной установке с предельным вакуумом 10 4 Па на кремний были нанесены пленки Ag, Cd, Ti. Затем поверхность металлов покрывалась ионно-плазменным
методом [2] слоем линейно-цепочечного углерода (ЛЦУ) толщиной 100 и 200 нм. Пленки ЛЦУ представляют собой двумерно-упорядоченную структуру, состоящую из цепочек углеродных атомов, объединенных sp1-гибридизацией. Далее образцы отжигались на воздухе или в атмосфере азота в диапазоне температур от 250 до 450 0С.
Результаты исследований и их обсуждение. В настоящее время остается малоизученным вопрос влияния sp1-углерода на свойства межфазной границы раздела металл - полупроводник и на высоту барьера Шоттки. Широко известны три основных метода измерения высоты потенциального барьера фв: метод вольт-амперной характеристики (ВАХ), СУ-метод, фото-электрический метод [3]. Вычисление высоты потенциального барьера Шоттки в данной работе проводилось по методу ВАХ, так как он наиболее прост в реализации [1]. На рис. 1 представлены ВАХ исследуемых структур n-Si+Ag и п^+Тл.
Рис. 1. ВАХ систем n-Si+Ag (а) и п^+Т (б)
Согласно теории термоэлектронной эмиссии ВАХ идеального выпрямляющего КМП при прямом смещении описывается формулой:
J = J0 ехр
дУ_ пкТ
, где J0 = SA **Т2 ехр | -
дув
кТ
где д - заряд электрона, V - приложенное напряжение, фв - высота потенциального барьера, п - коэффициент идеальности, S - площадь, А - постоянная Ричардсона, Т - абсолютная температура, к - константа Больцмана.
Высота потенциального барьера фв может быть определена по формуле:
кТ
Ув = —1п
д
( SA“T2Л
а коэффициент идеальности:
п =
кТ
(
Jn
dV
Л
й (1п J)
Вычисление высоты барьера Шоттки проводилось по методике [1] при величине постоянной Ричардсона А =120 А/(смК)2 для п^. Путем экстраполяции прямолинейных зависимостей в полулогарифмическом масштабе 1п10 от напряжения на ось ординат находится ток насыщения 10 при и=0 В. ВАХ контактов n-Si+Ag и n-Si+Ag+ЛЦУ в полулогарифмическом масштабе показаны на рис. 2.
Высоты потенциальных барьеров на контактах n-Si+Ag и n-Si+Ag+ЛЦУ составили фв =0,79 и 0,85 эВ соответственно. Величина коэффициента идеальности ВАХ для исследуемых барьеров Шоттки составила п = 6.9 и 7.4 соответственно, что связано, по всей видимости, с наличием промежуточного слоя на границе металл - кремний.
Рис. 2. ВАХ контактов n-Si+Ag и n-Si+Ag+ЛЦУ в полулогарифмическом масштабе
В ходе проведенных расчетов было установлено, что высота потенциального барьера в структуре n-Si+Ag при нанесении пленки ЛЦУ увеличивается по сравнению с контактом металл - полупроводник без применения пленки. Для контактов с Cd и Т происходит уменьшение фв.
Особенное внимание уделено исследованию переходов кристаллический кремний -кадмий. ВАХ структур n-Si+Cd и n-Si+Cd+ЛЦУ приведены на рис. 3. После отжига при температуре 450 0С система n-Si+Cd+ЛЦУ проявила фотоактивность, которая показана на рис. 3 б.
Рис. 3. ВАХ систем n-Si+Cd (а) и с (б)
Из рис. 3 б видно, что при освещенности 100 лк сопротивление перехода при напряжении 6 У уменьшилось в 70 раз при темновом токе 0,43 тА. При увеличении прикладываемого напряжения коэффициент фотоотклика возрастает и составляет 150 раз.
Легирование пленок ЛЦУ азотом в системе n-Si+Cd+ЛЦУN позволило увеличить фотоотклик этой системы, он стал равным 230 (рис. 4). Также легирование азотом увеличивает крутизну ВАХ в прямом направлении, что существенно влияет на коэффициент фотоотклика. Применение пленки ЛЦУ, легированной азотом, существенно уменьшило темновой ток. Данное обстоятельство представлено на рис. 4 б.
Как известно, при сравнительно слабых интенсивностях светового потока соблюдается линейная зависимость между концентрацией избыточных носителей заряда и значением фотопроводимости полупроводника. Следовательно, для нарастания фотопроводимости полупроводника справедливо выражение:
Аа = Аст0[1 - ехр(- */г)].
Рис. 4. ВАХ системы n-Si+Cd+ЛЦУ (а) и характеристики темновых токов систем Si+Cd+ЛЦУ и Si+Cd+ЛЦУ^N (б)
Соответственно, спад фотопроводимости полупроводника определяется соотношением:
Аа = Аа0 exp(-t/т).
Крутизна фронтов нарастания и спада фотопроводимости увеличивается с уменьшением времени жизни t неравновесных носителей заряда. Иными словами, чем меньше время жизни неравновесных носителей заряда, тем выше быстродействие фотополупро-водникового прибора:
т = tj / ln 2 = 1,443 • tj,
где ti - время, за которое сигнал фотопроводимости при включении света уменьшается в 2 раза по сравнению с сигналом стационарной фотопроводимости (Ui=U0/2=U-Ut).
Расчет времени жизни и быстродействия металлуглеродной системы n-Si+Cd+ЛЦУ после отжига дает т = 2,885 мкс. Аналогичный расчет для n-Si+Cd термообработанного в атмосфере азота дает т = 2,1 мкс.
Резюме. Получены модифицированные металлами пленки линейно-цепочечного углерода на подложке из монокристаллического кремния. Элементы гибридной кремний-углеродной электроники проявили фатоактивность. Модифицированные пленки линейноцепочечного углерода могут быть использованы при изготовлении различных элементов фотовольтаики.
Исследованы переходы металл - Si(n). Обнаружено влияние ЛЦУ на высоту гетероперехода металлуглерод - Si(n) и ширину запрещенной зоны. Легирование азотом приводит к увеличению фотоактивности и снижению темнового тока. Предварительные исследования данных систем также позволяют говорить о достаточно широкой спектральной области фоточувствительности.
ЛИТЕРАТУРА
1. Зи, С. М. Физика полупроводниковых приборов : в 2-х кн. Кн. 1 / С. М. Зи ; пер. с англ. В. А. Герге-ля, В. В. Ракитина ; под ред. Р. А. Суриса. - М. : Мир, 1984. - 456.
2. Патент 2095464 Российская Федерация. Способ получения углеродного наноматериала, содержащего металл / В. Д. Кочаков, Н. Д. Новиков ; опубл. 27.06.2009.
3. Родерик, Э. Х. Контакты металл - полупроводник / Э. Х. Родерик ; пер. с англ. О. Ф. Шевченко, В. И. Покалякина ; под ред. Г. В. Степанова. - М. : Радио и связь, 1982. - 209 с.
4б
