CC BY
29
УДК: 539.23:535:621.38:621.315
Ц1ж Б.Р., ® доктор тех. наук, професор, [email protected] Лье1еський нац1ональний ушеерситет еетеринарног медицины та б1отехнологт ¡мет С.З. Гжицького, Ушеерситет Казимира Великого е Бидгощг, Польща
ТОНКОПЛ1ВКОВ1 НАП1ВПРОВ1ДНИКОВ1 ГЕТЕРОСТРУКТУРИ ДЛЯ М1КРОЕЛЕКТРОН1КИ
ПредставленI результати оптимального тдбору матер1ал1е, технолог1й I топологи тонкоплгекоеих натепроегдникоеих гетероструктур для мтроелектрошки. Показано, що максимальна ефектиешсть для гетероструктур оргатчних натепроегдните з неоргатчними найедалшим е поеднання плгеок сульфоселетд1е кадмт з лттними пол1аценами I фталощатнами. Апробоеана гх тополог1я та методика дослгджень. Розроблет гетеростуктури рекомендованI для еикористання у еисокоефектиених перетеорюеачах сетла та газоеих анал1заторах.
Ключо^^ слова: тонкоплгекоеа гетероструктура, оргатчний натепроегдник, гетероперех1д, фотоперетеорюеач, анал1затор газу.
Вступ. Твердотшьш тонкоплiвковi гетероструктури (ГС) е важливою складовою функщональних пристро!в мжроелектрошки та штегрально! оптики i широко застосовуються в сучасному обладнанш та наукових досшдженнях. Проблеми розробки, виготовлення, використання i вдосконалення ГС е надзвичайно важливими, особливо в контекст !х вщтворення, пiдвищення ефективностi та стабшьносп, зменшення iнерцiйностi, розмiрiв i собiвартостi [1 - 5].
Визначальними умовами при формуванш комплексу необхiдних фiзико-хiмiчних властивостей ГС е вибiр матерiалiв i вiдповiдних технологiй !х отримання. Пщбором та оптимальним поеднанням вказаних факторiв можна успiшно прогнозувати i цiлеспрямовано задавати параметри ГС.
Так, зокрема, використання гетеропереходiв неорганiчних нашвпровщнимв (НН) з органiчними напiвпровiдниками (ОН) дозволяе розробити фотоперетворювачi з ушкальними експлуатацiйними характеристиками за рахунок розширення спектрального дiапазону !х фоточутливостi та формування потенщальних бар'ерiв, висота яких ^тотно бiльша, нiж бiля межi роздiлу ОН/метал [6, 7]. Для досягнення цього необхщно, в кшцевому випадку, щоб тонкоплiвковi складовi вказаних ГС володши специфiчними фiзичними властивостями - мммальною швидкiстю рекомбшаци нерiвноважних носив струму на поверхнi плiвки, максимальною довжиною !х дифузп та ш.
® Щж Б.Р., 2010
115
Таю межi роздшу е важливим напрямком в сучаснш мжроелектрошщ перш за все завдяки нижчш густиш рекомбшаци носив струму на поверхнях ОН в порiвняннi з поверхнями НН, що зумовлено, вщсутшстю розривiв хiмiчних зв'язкiв як всередиш ОН, так i на 1хшх поверхнях, а це означае, що швидмсть рекомбшаци носив струму на межi роздiлу НН/ОН буде суттево нижчою, нiж для таких же НН з шшими матерiалами [7]. Окрiм того, при осв^ленш межi роздiлу НН/ОН може виникати фото-ерс, бшьша, за ту, яка виникае на межах роздшу цих ОН з металами. Правильний пiдбiр гетероперехщно! пари НН/ОН дозволить значно розширити 1хню спектральну чутливiсть вщносно переходiв ОН з металами. На сьогодшшнш день ГС з межею роздiлу ОН/НН ще детально не вивчеш.
Матер1али 1 методи. Найвищою фоточутливiстю у видимiй областi спектру серед НН володшть сульфiди i селенiди кадмiю, а серед ОН -полiацени i металофталоцiанiни, тому вони i були вибранi нами, як представники вщповщно НН i ОН. Халькогенiди кадмiю, лiнiйнi полiацени i фталоцiанiни на сьогоднiшнiй день е добре вивченими нашвпровщниками, а технолопя отримання 1хшх тонких плiвок, зокрема методом термiчного напилення, дозволяе в широких дiапазонах варiювати 1х структурою та властивостями, i е простшою та дешевшою за бшьшкть вiдомих методiв отримання гетероструктур. О^м того, твердi розчини сульфiдiв i селенiдiв кадмiю зручно використати в ролi НН, оскiльки для CdSХSe1-Х е можливiсть змiнювати роботу виходу електрошв i спектральну область фоточутливост шляхом варiюваннi 1хнього хiмiчного складу без суттевих змш енерги електронно! спорiдненостi i квантово! ефективностi фотогенераци носив струму. Данi речовини охоплюють широкий дiапазон чутливостi вiд 350 до 1100 нм i можуть бути отримаш термiчним напиленням у вакуума Такий вибiр дозволяе найповшше використати вказанi переваги i усунути iснуючi недолiки напiвпровiдникових складових.
Як було вже сказано, електрофiзичними i фотоелектричними властивостями плiвок сульфоселенiдiв кадмш, вибраних нами в ролi НН, можна керувати в широких межах з допомогою технолопчних умов отримання, а максимум спектрально1 фоточутливостi можна плавно змшювати вiд 520 до 730 нм, варшючи хiмiчним складом твердих розчишв CdSХSe1-Х, що створюе сприятливi умови для оптимiзацil складових ГС. Низька варткть вихiдного матерiалу, а також простота технологil виготовлення однорщних полiкристалiчних плiвок CdSХSe1-Х велико1 площi дозволяють розраховувати на 1хне практичне застосування в плiвкових фотоперетворювачах та газових аналiзаторах. Для найефектившшого перетворення свiтловоl енергil в електричну необхщно, щоб максимум свiтла, яке падае на ГС, поглиналось в нш активно, тобто з утворенням нерiвноважних носilв струму. Особливо це важливо для видимо1 областi спектру, на яку припадае найбiльше енерги соняч-ного випромiнювання. Тому значення ширини заборонено1 зони (Е8) плiвок CdSХSe1-Х ми пiдбирали таким чином, щоби вони поглинали свiтло в коротко-
116
хвильовш област пропускання плiвок вибраних ОН, ^ в той же час володши достатшм пропусканням в област сильного довгохвильового поглинання ОН.
Результати дослщження. Нами дослiдженi оптичнi властивостi тонких плiвок названих вище халькогенiдiв кадмiю та ОН в широкому дiапазонi довжин хвиль - вщ близького ультрафюлету до iнфрачервоного спектру. З рис.1, на якому представлеш спектри оптичного пропускання плiвок CdSХSe1-Х i ОН випливае, що для максимального поглинання електромагштного випромiнювання у вказаному дiапазонi найповнiше пiдходять плiвки iз значенням Е8 = 2,1 еВ (крива 2), що вщповщае хiмiчному складу CdS0,6Se0,4. При такому вмiстi халькогешв плiвки сульфоселенiдiв кадмiю i вибраних нами ОН разом поглинають бшьшу частину сонячного свiтла. Для коректност порiвняння ролi рiзних ОН цей склад ми залишали незмiнним в дослщжуваних ГС.
Рис.1. Спектри оптичного пропускання плiвок сульфоселен1д1в кадмию
CdSХSe1-Х: х = 1 (1); 0,6 (2); 0 (3) i плiвок органiчних напiвпровiдникiв: пентацен (4), хлор-алюмшш-хлор фталоцiанiн (5), фталоцiанiн свинцю (6), тетратютетрацен (7)
На рис. 2 зображена тополопя плiвковоl ГС SnO2/CdSХSe1.Х/OH/CuJ(Ag), отримано! за допомогою фотол^ографи на SnO2 i набору масок для напилення плiвок CdSХSe1-Х , ОН, CuJ(Ag). Для отримання дiючих ГС без короткого замикання i з малими струмами втрат, необхiдно не допускати прямого контакту шарiв SnO2 - ОН, SnO2 - CuJ(Ag), CdSХSe1-Х - CuJ(Ag). Тому довжина i ширина плiвок, якi входять в склад ГС була вибрана таким чином, щоби струми втрат були значно меншi струмiв через структуру. Контактш провiдники пiд'еднували до площадок а i б (с) при вимiрюваннi струму короткого замикання (1кз) та напруги холостого
117
ходу (ихх) i до площадок б i с при вимiрюваннi електроопору верхнього електроду ^ел).
Для зменшення послщовного опору ГС площадки б i с з'еднували, при цьому зростав струм 1кз за рахунок зменшення значення Rел. Не дивлячись на те, що опiр CuJ-електродiв на 1 - 2 порядки бшьший, шж в SnO2, привибранiй топологи отр верхнього електроду був майже на порядок меньшим вщ диференцiального опору в^е! ГС при напрузi 1 В обидвох полярностей. Для вивчення властивостей складових ГС були виготовлеш контрольнi поперечнi зразки SnO2 - CdSxSel-x - SnO2, А1 - CdSxSel-x - А1, SnO2 - ОН -
SnO2 i сендвiч-структури SnO2 - CdSxSel-x - Ni(AI, CuJ), SnO2 - ОН - СиГ^, Ni, А1, Сг).
Рис. 2. ТополоНя типовоУ тонкопл1вково*1 гетероструктури
SnO2/CdSxSel-x/OH/CuJ(Ag): 1 - скляна тдкладка, 2 - SnO2, 3 - CdSxSel-x, 4 - органiчний натвпровщник, 5 - CuJ(Ag)
Висновки. Описана технолопя отримання i методика вимiрювань дозволяе всесторонньо дослiдити напiвпровiдниковi тонкоплiвковi ГС i зробити рекомендаци для !х практичного використання, зокрема для вказаних вище матерiалiв нами показано, що межа роздшу НН/ОН володiе наступними перевагами перед аналопчними межами роздiлу тих же неоргашчних напiвпровiдникiв: значно нижча швидкiсть рекомбшацп носпв струму, бiльша фото-ерс, ширша спектральна область чутливостi. Такi переваги дають пiдстави рекомендувати дослiджуваннi тонкоплiвковi ГС для високоефективних перетворювачiв св^ла та газових аналiзаторiв.
с
118
Л1тература
1. CTaxipa П.Й., АкЫментева О.1., Дорош О.Б. та iH. Властивостi гетеропереходiв та 0CH0Bi неорганiчних та органiчних нашвпровщниюв: гетероструктура полiфенiлацетилен-InSe:Ag//Укр. фiз. журн. - 2004. - Т.49, №11. - С.116 - 120.
2. Tsizh B.R., Chokhan M.I., Aksimentyeva O.I. at all. Sensors Based on Conduction Polyaminoarens to Control the Animal Food Freshness// Mol. Cryst. & Liq. Cryst. - 2008. - Vol. 497. - P. 586 - 592.
3. Черпак В.В., Стахiра П.Й., Готра З.Ю. Оргашчна фоточутлива композитна структура на основi пентацену та полiанiлiну// Sensor Electr. And Microsys. Technol. - 2008. - №4. - P. 48 - 53.
4. Стахiра П.Й., Черпак В.В., Готра З.Ю. Вивчення електричних та фотодюдних характеристик оргашчно! структури на основi raiB^ фталощашну нiкелю леговано! киснем, сформовано! на гнучкш електропровiднiй пiдкладцi// Optoelectr. Inform.-power Technol. - 2008. - № 1(15). - P. 134 - 138.
5. Gotra Z., Stakhira P., Tokarev I., Proszak W. Formation of heterostructure of A3B6 semiconductor compounds by surface laser modification// Optics and Lasers in Engen. - 2001. - № 36. - P. 299 - 302.
6. Cherpak V.V., Stakhira P.Y., Kuntyy O.I., Zakutayev O.A. Study of Barrier Structure on the Base of Nickel Phthalocyanine Thin Films During the Interaction with the Ammonia Medium// Mol. Cryst. & Liq. Cryst. - 2008. - Vol. 496. - P. 131 -137.
7. Цдж Б.Р. Розробка i дослщження тонкоплiвкових структур для фотоперетворювачiв та оптичних носив шформаци: Автореф. дис... доктора тех. наук: 05.27.06/ Львiв, 1998. - 32 с.
Summary Tsizh B.R.
THE THIN FILM SEMICONDUCTOR HETEROSTRUCTURES FOR
MICROELECTRONICS
Results of optimal selection materials, technologies and topology for the thin film semiconductor heterostructures for microelectronics was shown. Elaborating heterostructures was recommended for using in high effective transformations of light and gas sensors.
Стаття надшшла до редакцИ 12.03.2010
119
