Електричні і фотоелектричні властивості поверхнево-бар'єрних структур МoN/n-Si

Предмет і мета роботи. Предметом досліджень є електричні та фотоелектричні властивості гетероструктури МoN/n-Si, отриманої шляхом напилення тонкої плівки нітриду молібдену (n-типу провідності) методом реактивного магнетронного розпилення на монокристалічні пластини кремнію n-типу провідності. Метою...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2019
Автори:	Солован, М.М., Мар’янчук, П.Д.
Формат:	Стаття
Мова:	Ukrainian
Опубліковано:	Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України 2019
Назва видання:	Радіофізика та електроніка
Теми:	Вакуумна та твердотільна електроніка
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/167797
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Електричні і фотоелектричні властивості поверхнево-бар'єрних структур МoN/n-Si / М.М. Солован, П.Д. Мар’янчук // Радіофізика та електроніка. — 2019. — Т. 24, № 2. — С. 49-56. — Бібліогр.: 16 назв. — укр.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-167797
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1677972020-04-10T01:26:46Z Електричні і фотоелектричні властивості поверхнево-бар'єрних структур МoN/n-Si Солован, М.М. Мар’янчук, П.Д. Вакуумна та твердотільна електроніка Предмет і мета роботи. Предметом досліджень є електричні та фотоелектричні властивості гетероструктури МoN/n-Si, отриманої шляхом напилення тонкої плівки нітриду молібдену (n-типу провідності) методом реактивного магнетронного розпилення на монокристалічні пластини кремнію n-типу провідності. Метою роботи є виготовлення фоточутливих поверхнево-бар’єрних структур МoN/n-Si, визначення бар’єрних параметрів та домінуючих механізмів струмоперенесення через отриману гетероструктуру при прямому та зворотному зміщеннях, дослідження фотоелектричних властивостей та причин втрат фотогенерованих носіїв заряду в отриманих гетероструктурах. Предмет и цель работы. Предметом исследований являются электрические и фотоэлектрические свойства гетероструктуры МoN/n-Si, полученной путем напыления тонкой пленки нитрида молибдена (n-типа проводимости) методом реактивного магнетронного распыления на монокристаллические пластины кремния n-типа проводимости. Целью работы является изготовление фоточувствительных поверхностно-барьерных структур МoN/n-Si, определение барьерных параметров и доминирующих механизмов токопереноса сквозь полученную гетероструктуру при прямом и обратном смещениях, исследование фотоэлектрических свойств и причин потерь фотогенерированных носителей заряда в полученных гетероструктурах. Subject and purpose. The subject of research is the electrical and photoelectric properties of the МoN/n-Si heterostructure fabricated for the first time by means of the deposition of thin film of molybdenum nitride (n-type conductivity) by the reactive magnetron sputtering onto single crystal substrates of n-type Si. The purpose of the work is to fabricate the photosensitive MoN/n-Si surface-barrier structures, determine the barrier parameters and dominant mechanisms of current transfer through the obtained heterostructure at direct and reverse biases, investigate the photoelectric properties and causes of losses of photogenerated charge carriers in the obtained heterostructures. 2019 Article Електричні і фотоелектричні властивості поверхнево-бар'єрних структур МoN/n-Si / М.М. Солован, П.Д. Мар’янчук // Радіофізика та електроніка. — 2019. — Т. 24, № 2. — С. 49-56. — Бібліогр.: 16 назв. — укр. 1028-821X PACS: 71.55.Gs, 72.80.Ey, 73.20.Hb, 73.40.Gk, 73.40.Lq, 85.60.Bt DOI: https://doi.org/10.15407/rej2019.02.049 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/167797 621.383.52 uk Радіофізика та електроніка Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
topic	Вакуумна та твердотільна електроніка Вакуумна та твердотільна електроніка
spellingShingle	Вакуумна та твердотільна електроніка Вакуумна та твердотільна електроніка Солован, М.М. Мар’янчук, П.Д. Електричні і фотоелектричні властивості поверхнево-бар'єрних структур МoN/n-Si Радіофізика та електроніка
description	Предмет і мета роботи. Предметом досліджень є електричні та фотоелектричні властивості гетероструктури МoN/n-Si, отриманої шляхом напилення тонкої плівки нітриду молібдену (n-типу провідності) методом реактивного магнетронного розпилення на монокристалічні пластини кремнію n-типу провідності. Метою роботи є виготовлення фоточутливих поверхнево-бар’єрних структур МoN/n-Si, визначення бар’єрних параметрів та домінуючих механізмів струмоперенесення через отриману гетероструктуру при прямому та зворотному зміщеннях, дослідження фотоелектричних властивостей та причин втрат фотогенерованих носіїв заряду в отриманих гетероструктурах.
format	Article
author	Солован, М.М. Мар’янчук, П.Д.
author_facet	Солован, М.М. Мар’янчук, П.Д.
author_sort	Солован, М.М.
title	Електричні і фотоелектричні властивості поверхнево-бар'єрних структур МoN/n-Si
title_short	Електричні і фотоелектричні властивості поверхнево-бар'єрних структур МoN/n-Si
title_full	Електричні і фотоелектричні властивості поверхнево-бар'єрних структур МoN/n-Si
title_fullStr	Електричні і фотоелектричні властивості поверхнево-бар'єрних структур МoN/n-Si
title_full_unstemmed	Електричні і фотоелектричні властивості поверхнево-бар'єрних структур МoN/n-Si
title_sort	електричні і фотоелектричні властивості поверхнево-бар'єрних структур мon/n-si
publisher	Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
publishDate	2019
topic_facet	Вакуумна та твердотільна електроніка
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/167797
citation_txt	Електричні і фотоелектричні властивості поверхнево-бар'єрних структур МoN/n-Si / М.М. Солован, П.Д. Мар’янчук // Радіофізика та електроніка. — 2019. — Т. 24, № 2. — С. 49-56. — Бібліогр.: 16 назв. — укр.
series	Радіофізика та електроніка
work_keys_str_mv	AT solovanmm električníífotoelektričnívlastivostípoverhnevobarêrnihstrukturmonnsi AT marânčukpd električníífotoelektričnívlastivostípoverhnevobarêrnihstrukturmonnsi
first_indexed	2025-07-15T01:34:03Z
last_indexed	2025-07-15T01:34:03Z
_version_	1837674794269540352
fulltext	ISSN 1028-821X. Радіофіз. та електрон. 2019. Т. 24, № 2 49 ISSN 1028-821X. Radiofi z. Electron. 2019. Vol. 24, No. 2: 49–56 DOI: https://10.15407/rej2019.02.049 УДК 621.383.52 PACS: 71.55.Gs, 72.80.Ey, 73.20.Hb, 73.40.Gk, 73.40.Lq, 85.60.Bt М.М. Солован, П.Д. Мар’янчук Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича 2, вул. Коцюбинського, Чернівці, 58002, Україна Е-mail: m.solovan@chnu.edu.ua Електричні і фотоелектричні властивості поверхнево-бар’єрних структур МoN/n -Si Предмет і мета роботи. Предметом досліджень є електричні та фотоелектричні властивості гетероструктури МoN/n-Si, отриманої шляхом напилення тонкої плівки нітриду молібдену (n-типу провідності) методом реактивного магнетронного розпилення на монокристалічні пластини кремнію n-типу провідності. Метою роботи є виготовлення фоточутливих поверхнево-бар’єрних структур МoN/n-Si, визначення бар’єрних параметрів та домінуючих механізмів струмоперенесення через отриману гетероструктуру при прямому та зворотному зміщеннях, дослідження фотоелек- тричних властивостей та причин втрат фотогенерованих носіїв заряду в отриманих гетероструктурах. Методи і методологія роботи. Виміряно прямі та зворотні вольт-амперні характеристики (ВАХ) гетерострук- тури МoN/n-Si при різних температурах, а також при опроміненні білим світлом інтенсивністю Popt  80 мВт/см2 та трьома лазерами  405, 646, 780 нм інтенсивністю Iopt  5 мВт·cм–2. Результати роботи. Виготовлено фоточутливі гетероструктури МoN/n-Si. Отримані гетеропереходи з висотою потенціального бар’єру 0  eVbi  0,37 еВ володіють яскраво вираженими випрямляючими властивостями. Визначено домінуючі механізми струмоперенесення через гетероперехід: при прямому зміщенні ВАХ добре опису- ються в рамках генераційно-рекомбінаційної та тунельно-рекомбінаційної моделей за участі поверхневих станів, а при зворотних зміщеннях – у рамках тунельної моделі. Висновки. Встановлено, що в умовах опромінення білим світлом інтенсивністю Popt  80 мВт/см2 зворотний струм Ilight зростає в порівнянні з його величиною у темряві Idark більше ніж на порядок унаслідок розділення фотогенерованих електронно-діркових пар. Показано фоточутливість даної гетероструктури до монохроматичного освітлення лазерами з довжиною хвилі електромагнітного випромінювання   405, 646, 780 нм інтенсивністю Iopt  5 мВт·cм–2. Отримані результати дозволяють зробити висновок, що виготовлену структуру можна використовувати як фоточутливий при- лад. Іл. 5. Бібліогр.: 16 назв. Ключові слова: нітрид молібдену, кремній, гетероперехід, механізми струмоперенесення, рекомбінація. Тонкі плівки нітриду молібдену (МоN), яким властиві висока електрична провідність, ви- сока температура плавлення і хімічна стабіль- ність, набули широкого практичного застосу- вання в мікроелектроніці як дифузійний бар’єр між кремнієм і мідними електродами [1, 2], а також завдяки своїм фізичним властивостям є перспективними для виготовлення поверхнево- бар’єрних структур. У [3] показано, що робота виходу електронів у тонких плівках МоNх, що нанесені на підклад- ки окисненого кремнію (SiO2/Si) методом реак- тивного магнетронного розпилення, змінюєть- ся від 4,6 до 5,1 еВ залежно від співвідношення тисків робочих газів (аргону й азоту). Відомо, що при контакті матеріалу, який володіє біль- шою роботою виходу електронів, ніж кремній n-типу провідності, створюється потенціаль- ний бар’єр. Тому, враховуючи фізичні власти- вості плівок MoN, цікаво створити та досліди- ти поверхнево-бар’єрні структури MoN/n-Si. З літературних джерел відомо, що прилади на основі нітридів металів мають високу ста- більність параметрів, а фізичні властивості ні- тридів металів дуже залежать від технології їх отримання [4, 5]. 50 ISSN 1028-821X. Radiofi z. Electron. 2019. Vol. 24, No. 2 М.М. Солован, П.Д. Мар’янчук Незважаючи на досягнення у технології ви- готовлення ефективних та надійних приладів на основі нітридів металів, дослідженню їх електричних і фотоелектричних властивостей приділяють недостатньо уваги. Це обумовле- но складністю інтерпретації експерименталь- них результатів унаслідок впливу електрично- активних поверхневих станів, розміщених на гетеромежі, густина яких змінюється під впли- вом зовнішніх факторів [6]. Ця обставина не- гативно впливає на подальше покращення па- раметрів напівпровідникових гетероструктур і практичне використання останніх. Отже, до- слідження електричних і фотоелектричних па- раметрів поверхнево-бар’єрних структур на основі нітридів металів представляє значний інтерес. 1. Експериментальна частина. Для виго- товлення поверхнево-бар’єрних структур вико- ристовували монокристалічний кремній n-ти- пу провідності з орієнтацією поверхні (100) завтовшки 330 мкм. Значення питомого опо- ру і концентрації носіїв заряду в цих криста- лах при кімнатній температурі (293 К) стано- вили   6 Ом∙см і n  7,4...1014 см–3 відповід- но. Глибина рівня Фермі для базового мате- ріалу (Eс – EF  0,27 еВ) визначалася з вира- зу для концентрації рівноважних електронів: n  2(2 mn kT / h 2)3/2 exp(– (EC – EF) / kT ). Структури виготовляли шляхом нанесен- ня плівок MoN на поліровану поверхню плас- тини Si (5  5  0,33 мм3) у вакуумній уста- новці Lеybold-Heraeus L560 за допомогою ре- активного магнетронного розпилення мішені з чистого молібдену в газовій суміші аргону й азоту при постійній напрузі. Молібденова мі- шень – шайба діаметром 100 мм і завтовш- ки 5 мм – розміщується на столику магнетро- на з водяним охолодженням. Підкладки з мо- нокристалічного кремнію розміщувалися над магнетроном з наступним обертанням столика для забезпечення однорідності плівок за тов- щиною. Перед початком процесу напилення повітря у вакуумній камері відкачувалося до залишкового тиску 10–4 Па. Формування газової суміші аргону й азоту в необхідній пропорції здійснювалося з двох не- залежних джерел протягом процесу напилення. Для очищення поверхні мішені і підклад- ки використовували короткочасне протравлю- вання бомбардуючими йонами аргону. Під час процесу напилення парціальні тиски у вакуум- ній камері становили 0,3 Па для аргону і 0,3 Па для азоту. Потужність магнетрона дорівнювала 30 Вт. Процес напилення тривав 1,5 хв за тем- ператури підкладки 573 К. Після закінчення процесу напилення тонких плівок MoN вакуумна камера поступово охо- лоджувалася до кімнатної температури і від- кривалася для заміни молібденової мішені на мішень ITO (Indium tin oxide, In2O3-SnO2 90:10 за масою). Напилення тонких плівок ITO проводило- ся методом магнетронного розпилення мішені ITO в атмосфері аргону за постійної напруги. Під час напилення тиск аргону у вакуумній камері становив 0,4 Па. Потужність магнетро- на дорівнювала 30 Вт. Процес напилення три- вав 5 хв за температури підкладок 420 К. Щоб уникнути рекомбінації на тильній сто- роні пластин кремнію і забезпечити хороше збирання фотогенерованих носіїв заряду, ми використовували підкладки, які мали тильний контакт з вбудованим внутрішнім полем. Цей контакт був виготовлений шляхом напилення шару власного гідрогенізованого аморфного кремнію (a-Si:H) завтовшки 10 нм для паси- вації поверхні підкладки. Наступним був шар сильно легованого фосфором гідрогенізова- ного аморфного кремнію n+-(a-Si:H) завтовш- ки 20 нм для створення ізотипного переходу з висотою бар’єру 0,1 еВ на нижньому боці пластин кремнію; останнім наносили шар алю- мінію методом термічного випаровування [14]. 2. Результати та їх обговорення. На рис. 1 представлені темнові вольт-амперні харак- теристики (ВАХ) гетероструктур MoN/n-Si. Досліджувані гетеропереходи володіли яскра- во вираженими діодними характеристиками. Визначено висоту потенціального бар’єру 0 гетеропереходу шляхом екстраполяції лі- нійної ділянки ВАХ до перетину з віссю на- пруг. Висота потенціального бар’єру для гете- роструктур MoN/n-Si за кімнатної температури дорівнює 0  eVbi  0,37 еВ, де Vbi – вбудований потенціал. Аналіз побудованих у напівлогарифмічному масштабі прямих гілок ВАХ структур MoN/n- Si (рис. 2) показав, що на залежності lnI  f (V ) спостерігаються дві прямолінійні ділянки – це ISSN 1028-821X. Радіофіз. та електрон. 2019. Т. 24, № 2 51 Електричні і фотоелектричні властивості... свідчить про експоненційну залежність стру- му від напруги. Отримане значення коефіцієн- та неідеальності n для обох ділянок напруг: n змінюється від 2,6 до 2,4 з підвищенням тем- ператури у межах 294...350 К в області на- пруг 3kT / e < V < 0,2 В; n  5 в області напруг 0,2 < V < 0,4 В. У роботі [7] показано, що однією з умов до- мінування генераційно-рекомбінаційного стру- моперенесення в області просторового заря- ду через глибокі енергетичні рівні (модель Саа–Нойса–Шоклі [8]) над надбар’єрним стру- мом через контакт «метал–напівпровідник» є 0 > (Eg /2 – n). У нашому випадку ця умо- ва виконується, оскільки висота бар’єра дещо більша різниці половини ширини заборо- неної зони і глибини залягання рівня Фермі (0  0,37 еВ і (Eg /2 – n)  0,29 еВ). Однак значення показника неідеальності в інтервалі прямих зміщень (3kT / e < V < 0,2 В) не рівне 2, а змінюється від 2,6 до 2,4 з підвищенням тем- ператури в інтервалі 295...358 К. Це свідчить про те, що у запропонований вище домінуючий механізм струмоперенесення, який обумовле- ний генераційно-рекомбінаційними процесами в області просторового заряду, роблять внесок електрично активні поверхневі стани на мета- лургійній межі розділу досліджуваного гетеро- переходу [9]. Експериментально отримане відхилення від вище згаданої умови домінування генерацій- но-рекомбінаційного механізму n  2 може бути викликане тим, що ця умова була сформульова- на для контактів «метал–напівпровідник» [7] в рамках моделі Саа–Нойса–Шоклі, розробленої на основі p–n-переходу, а не для гетероперехо- дів з розривами зон та поверхневими станами. Слід зазначити, що відхилення від умови домі- нування генераційно-рекомбінаційного меха- нізму вже зустрічалося в літературі при аналізі гетеропереходів [10, 11]. Концентрацію поверхневих станів (дислока- цій невідповідності) Nss на межі розділу гете- ропереходу було оцінено таким чином. У пер- шому наближенні Nss  х–2, де х – відстань між дислокаціями невідповідності, що визначаєть- ся з виразу x  aSi aMoN / (aSi – aMoN). Величини постійної ґратки складових гетеропереходу до- рівнюють: аМоN  4,16 Å [5] і аSi  5,43 Å [12], тому для х і Nss отримали відповідно величи- ни 17,78 Å і 3,16×1013 см–2. За такої густини по- верхневі стани можуть грати роль центрів захо- плення або рекомбінації й істотно впливати на електричні властивості гетероструктур. Аналіз проходження носіїв заряду крізь енергетичний бар’єр при прямих зміщеннях (V > 0,2) показує, що нахил прямолінійних діля- нок Δln (I ) / ΔV практично не залежить від тем- ператури і мають місце великі значення коефіці- єнта неідеальності (n  5). Ця обставина виклю- чає можливість аналізу струмоперенесення на основі генераційно-рекомбінаційних процесів в області просторового заряду [13]. Постійний нахил залежностей ln (I )  f (V ) при різних температурах можна розглядати як свідчення тунельної природи механізму струмоперене- сення [14, 15]. Отже, домінуючим механізмом Рис. 1. Вольт-амперні характеристики гетеропереходів MoN/n-Si. На вставці наведено структурну схему гетеро- структури MoN/n-Si 20 10 0 –3 –2 –1 0 1 V, В hv q0  0,37 еВ I, мА Рис. 2. Прямі гілки ВАХ гетеропереходу в напівлогариф- мічному масштабі. На вставці – температурна залежність струму відсічки –4 –6 –8 –10 0,0 0,2 0,4 0,6 V, В In (I , А ) –9 –8 –7 295 К 332 К 356 К n = 2,6 2,4 In (I , А ) n = 5 In(I0) 300 330 360 52 ISSN 1028-821X. Radiofi z. Electron. 2019. Vol. 24, No. 2 М.М. Солован, П.Д. Мар’янчук струмоперенесення, враховуючи високу кон- центрацію дислокацій невідповідності Nss, мож- на вважати тунельно-рекомбінаційні процеси за участю поверхневих станів на межі розділу МоN/Si. У цьому випадку струм при прямому змі- щенні можна визначити за допомогою виразу [14]:    0exp ,I B A T eV   (1) де A – характеристика матеріалу; B – величи- на, яка майже не залежить від температури і на- пруги; 0 – висота потенціального бар’єру. Вираз (1) можна записати в іншій формі:       0 0exp exp exp ,I B A T AeV I AeV   (2) де   0 0expI B A T  – струм відсічки, який не залежить від прикладеної напруги (його температурну залежність наведено на вставці рис. 2). З виразу (2) видно, що нахил ln (I ) / ΔV початкових ділянок прямих гілок ВАХ (рис. 2) визначає коефіцієнт A, який набуває значення 7,1 еВ–1. Аналіз механізмів струмоперенесення через досліджувану гетероструктуру MoN/n-Si при зворотному зміщенні показав, що залежність Irev(V ) добре описується в рамках тунельної мо- делі струмоперенесення внаслідок дуже малих теплових складових. У випадку різкого переходу вираз для ту- нельного струму при зворотному зміщенні має вигляд [14]: 0 0 0 exp , ( )rev b I a T eV       (3) де а0 – це параметр, що визначається ймо- вірністю заповнення енергетичних рівнів, з яких відбувається тунелювання; b0 – визначає швидкість зміни струму з напругою. Таким чином, згідно з рівнянням (3), апроксимація зворотних гілок ВАХ прямими лініями в ко- ординатах ln(Irev)  f (0 – eV ) –1/2 (рис. 3) під- тверджує домінування тунельного механізму струмоперенесення. Як було зазначено вище, параметр а0 визна- чається ймовірністю заповнення енергетич- ного рівня, з якого відбувається тунелювання при зворотному зміщенні. З нахилу темпера- турної залежності ln(а0)  f (103/Т ) можна ви- Рис. 3. Залежності lnIrev = f (0 – eV ) –1/2, які характеризують тунелювання через досліджуваний гетероперехід при зво- ротному зміщенні. На вставці – температурна залежність параметра а0 0,6 0,8 1,0 1,2 (0 – eV ) –1/2, eВ–1/2 103/T, K–1 –4 –8 –12 In (I re v, А ) 295 К 332 К 356 К –5,6 –6,4 –7,2 2,7 3,0 3,3  0, A Рис. 4. Темнова і світлова ВАХ гетеропереходу MoN/n-Si в напівлогарифмічному масштабі –3 –2 –1 0 1 V, В 101 100 10–1 I, мА темнова ВАХ 80 мВт/см2 Рис. 5. Вольтамперна характеристика освітленого гете- ропереходу MoN/n-Si при монохроматичному освітленні (Iopt = 5 мВт cм–2) I, мА темнова 405 нм 646 нм 780 нм 101 100 10–1 10–2 –3 –2 –1 0 1 V, В ISSN 1028-821X. Радіофіз. та електрон. 2019. Т. 24, № 2 53 Електричні і фотоелектричні властивості... шій відстані від приповерхневої області (де ба- гато центрів рекомбінації), а незначне зростан- ня фотоструму зі збільшенням зворотного змі- щення пов’язане з описаними вище процесами. У випадку опромінення зразка лазером з чер- воним світлом (  780 нм) значення фотостру- му є найвищими і не зростають при збільшенні зворотнього зміщення через найменший коефі- цієнт поглинання кремнію у цій області спек- тра, а як наслідок має місце найменший вплив поверхневої рекомбінації. Варто зазначити, що досліджений гетеропе- рехід був отриманий без оптимізації техноло- гічних умов і додаткового оброблення поверх- ні Si. Очевидно, що модифікація поверхні Si та застосування додаткових проміжних шарів можуть зменшити концентрацію поверхневих станів на межі розділу МоN/Si і таким чином підвищити ефективність фотоелектричного пе- ретворення [14–16]. За умови виконання таких заходів та поліпшення вихідних фотоелектрич- них параметрів ця гетероструктура може бути успішно використана для виготовлення різних фотоелектричних напівпровідникових прила- дів (фотодіодів, сонячних елементів). Висновок. Уперше отримано фоточутливі гетеропереходи МоN/n-Si методом реактивно- го магнетронного розпилення на постійному струмі. Встановлено, що отриманим гетеро- структурам MoN/n-Si властиві яскраво вира- жені діодні характеристики з висотою потен- ціального бар’єру при кімнатній температурі 0  eVbi  0,37 еВ. Аналіз прямих гілок ВАХ структури MoN/n- Si, які побудовані в напівлогарифмічному масш- табі, показав, що значення показника неідеаль- ності (n) в області напруг 3kT / e < V < 0,2 В змі- нюються від 2,6 до 2,4 з підвищенням темпера- тури в інтервалі 295...358 К. Це свідчить про те, що домінуючим механізмом струмоперенесен- ня є генераційно-рекомбінаційні процеси в об- ласті просторового заряду за наявності внеску електрично активних поверхневих станів на металургійній межі розділу досліджуваного гетеропереходу. Проходження носіїв заряду крізь енергетичний бар’єр в прямому напрям- ку при прямих зміщеннях (V > 0,2) показує, що нахил прямолінійних ділянок Δln (I ) / V прак- тично не залежить від температури і величина коефіцієнта неідеальності n  5. За таких умов значити глибину його залягання, яка складає 0,29 еВ (див. вставку на рис. 3). На рис. 4 наведено темнову і світлову ВАХ гетероструктури MoN/n-Si. Як видно з рис. 4, при опроміненні білим світлом інтенсивністю Popt  80 мВт/см2 зворотний струм Ilight зростає в порівнянні з його величиною у темряві Idark біль- ше ніж на порядок унаслідок розділення фотоге- нерованих електронно-діркових пар. Зростання фотоструму в умовах збільшення зворотного зміщення обумовлене збільшенням ефектив- ності поділу фотогенерованих носіїв заряду че- рез розширення області просторового заряду. На рис. 5 представлено ВАХ гетерострукту- ри MoN/n-Si – темнову і при освітленні лазе- рами (монохроматичному освітленні). З рис. 5 видно, що у випадку опромінення зразка лазе- рами на різних довжинах хвилі значення фото- струму будуть різними. В умовах опромінення зразка лазером із синім світлом (  405 нм) спостерігалося найменше значення фотостру- му та його зростання зі збільшенням зворот- ного зміщення. Найнижче значення фотостру- му при опроміненні синім лазером обумовлено поверхневою рекомбінацією, оскільки коефі- цієнт поглинання для кремнію у короткохви- льовій області спектра великий і кванти світ- ла поглинатимуться у тонкій приповерхневій частині кремнію, де багато обірваних хімічних зв’язків. Унаслідок відносно малого значення часу життя неосновних носіїв заряду в низько- омному кремнії та великої кількості рекомбіна- ційних центрів у приповерхневому шарі фото- генеровані неосновні носії заряду не встигають розділитися внутрішнім електричним полем і не беруть участі у формуванні фотоструму. Зростання фотоструму зі збільшенням зворот- ного зміщення обумовлене збільшенням ефек- тивності поділу фотогенерованих носіїв заряду через посилення внутрішнього поля. Більші значення фотоструму при опро- міненні зразка лазером із зеленим світлом (  646 нм) обумовлені меншим коефіцієн- том поглинання в цій області спектра, оскіль- ки значення коефіцієнта поглинання кремнію зменшується зі зростанням довжини хвилі па- даючого випромінювання. Внаслідок цього зростає ефективна довжина проникнення фо- тонів у кремнієву підкладку і фотогенерація електронно-діркових пар відбувається на біль- 54 ISSN 1028-821X. Radiofi z. Electron. 2019. Vol. 24, No. 2 М.М. Солован, П.Д. Мар’янчук домінуючим механізмом струмоперенесення можна вважати тунельно-рекомбінаційні про- цеси за участю поверхневих станів на межі роз- ділу МоN/Si. Аналіз механізмів струмоперенесення через досліджувану гетероструктуру MoN/n-Si при зворотному зміщенні показав, що тунелювання є домінуючим механізмом струмоперенесення в даній структурі. Енергетичний рівень, з якого відбувається тунелювання, залягає на глибині 0,29 еВ. Досліджено вплив світла на ВАХ гетеропе- реходу MoN/n-Si та встановлено, що в умо- вах опромінення білим світлом інтенсивністю Popt  80 мВт/см2 зворотний струм Ilight зростає в порівнянні з його величиною у темряві Idark більше ніж на порядок внаслідок розділен- ня фотогенерованих електронно-діркових пар. Показано фоточутливість досліджуваної гетеро- структури до монохроматичного освітлення ла- зерами з довжиною хвилі електромагнітного ви- промінювання   405, 646, 780 нм інтенсивніс- тю Iopt  5 мВт cм–2. З вищесказаного можна зро- бити висновок, що виготовлену гетерострук- туру можна використовувати як фоточутли- вий прилад. БІБЛІОГРАФІЧНИЙ СПИСОК 1. Jui-Chang C., Shuo-Lun T., Mao-Chieh C. Sputter-deposited Mo and reactively sputter-deposited Mo-N fi lms as barrier layers against Cu diff usion. Thin Solid Films. 1999. Vol. 346, Iss. 1–2). P. 299–306. DOI: https://doi.org/10.1016/S0040- 6090(98)01728-3. 2. Alén P., Ritala M., Arstila K., Keinonen J., Leskelä M. Atomic layer deposition of molybdenum nitride thin fi lms for Cu metallizations. J. Electrochem. Soc. 2005. Vol. 152, Iss. 5. G361–G366. DOI: 10.1149/1.1882012. 3. Bing-Yue T., Chih-Feng H., Chih-Hsun L. Investigation of Molybdenum Nitride Gate on SiO2 and HfO2 for MOSFET. J. Electrochem. Soc. 2006. Vol. 153, Iss. 3. G197–G202. DOI: 10.1149/1.2158576. 4. Gagnon G., Currie J.F., Beique C., Brebner J.L., Gujrathi S.G., Onllet L. Characterization of reactively evaporated TiN layers for diff usion barrier applications. J. Appl. Phys. 1998. Vol. 75, Iss. 3. P. 1565–1570. 5. Самсонов Г.В. Нитриды. Киев: Наукова думка, 1969. 380 с. 6. Zhao L., Wang X., Zhang Z., Yang P., Chen J., Chen Y., Wang H., Shang Q., Zhang Y., Zhang Y., Liu X., Leng J., Liu Z., Zhang Q. Surface State Mediated Interlayer Excitons in a 2D Nonlayered–Layered Semiconductor Heterojunction. Adv. Electron. Mater. 2017. Vol. 3, Iss. 12. P. 1700373. DOI: https://doi.org/10.1002/aelm.201700373. 7. Косяченко Л.А., Махний В.П., Потыкевич И.В. Генерация-рекомбинация в области пространственного заряда контакта метал – CdTe. Укр. физ. журн. 1978. Т. 23, № 2. С. 279–287. 8. Chih-Tang S., Noyce R.N., Shockley W. Carrier Generation and Recombination in P-N Junctions and P-N Junction Characteristics. Proc. IRE. 1957. Vol. 45, Iss. 9. P. 1228–1243. DOI: 10.1109/JRPROC.1957.278528. 9. Solovan M.N., Brus V.V., Maryanchuk P.D., Ilashchuk M.I., Kovalyuk Z.D. Temperature dependent electrical properties and barrier parameters of photosensitive heterojunctions n-TіN/p-Cd1−xZnxTe. Semicond. Sci. Technol. 2015. Vol. 30, Iss. 7. P. 075006 (6 p.). doi:10.1088/0268-1242/30/7/075006. 10. Solovan M.N., Brus V.V., Maryanchuk P.D., Ilashchuk M.I., Rappich J., Nickel N., Abashin S.L. Fabrication and characterization of anisotype heterojunctions n-ТіN/p-CdTe. Semicond. Sci. Technol. 2013. Vol. 29, Iss. 1. P. 015007 (8 p.). DOI: 10.1088/0268-1242/29/1/015007. 11. Kosyachenko L.A., Yatskiv R., Yurtsenyuk N.S., Maslyanchuk O.L., Grym J. Graphite/CdMnTe Schottky diodes and their electrical characteristics. Semicond. Sci. Technol. 2014. Vol. 29, Iss. 1. P. 015006 (10 p.). DOI: 10.1088/0268- 1242/29/1/015006. 12. Чопра К., Дас С. Тонкопленочные солнечные элементы. Пер. с англ. И.П. Гавриловой. Москва: Мир, 1986. 440 c. 13. Brus V.V., Ilashchuk M.I., Kovalyuk Z.D., Maryanchuk P.D., Ulyanytskiy K.S. Electrical and photoelectrical properties of photosensitive heterojunctions n-TiO2/p-CdTe. Semicond. Sci. Technol. 2011. Vol. 26, Iss. 12 P. 125006 (6 p.). DOI: 10.1088/0268-1242/26/12/125006. 14. Sharma B.L., Purohit R.K. Semiconductor heterojunctions. Oxford, New York: Pergamon Press, 1974. 216 p. 15. Fahrenbruch A.L., Bube R.H. Fundamentals of solar cells. Photovoltaic solar energy conversion. New York: Academic Press, 1983. 559 p. 16. Sze S.M., Kwok K. Physics of semiconductor devices. 3rd ed. New Jersey: Wiley, 2007. 815 p. Стаття надійшла 22.10.2018 REFERENCES 1. Jui-Chang, C., Shuo-Lun, T., Mao-Chieh, C., 1999. Sputter-deposited Mo and reactively sputter-deposited Mo-N fi lms as barrier layers against Cu diff usion. Thin Solid Films, 346(1–2), pp. 299–306. DOI: https://doi.org/10.1016/S0040- 6090(98)01728-3. 2. Alén, P., Ritala, M., Arstila, K., Keinonen, J., Leskelä, M,. 2005. Atomic layer deposition of molybdenum nitride thin fi lms for Cu metallizations. ‎J. Electrochem. Soc., 152(5), G361–G366. DOI: 10.1149/1.1882012. ISSN 1028-821X. Радіофіз. та електрон. 2019. Т. 24, № 2 55 Електричні і фотоелектричні властивості... 3. Bing-Yue, T., Chih-Feng, H., Chih-Hsun L., 2006. Investigation of Molybdenum Nitride Gate on SiO2 and HfO2 for MOSFET. J. Electrochem. Soc., 153(3), G197–G202. DOI: 10.1149/1.2158576. 4. Gagnon, G., Currie, J.F., Beique, C., Brebner, J.L., Gujrathi, S.G., Onllet L., 1998. Characterization of reactively evaporated TiN layers for diff usion barrier applications. J. Appl. Phys., 75(3), pp. 1565–1570. 5. Samsonov, G.V., 1969. Nitrides. Kiev: Naukova Dumka Publ. (in Russian). 6. Zhao, L., Wang, X., Zhang, Z., Yang, P., Chen, J., Chen, Y., Wang, H., Shang, Q., Zhang, Y., Zhang, Y., Liu, X., Leng, J., Liu, Z., Zhang, Q., 2017. Surface State Mediated Interlayer Excitons in a 2D Nonlayered–Layered Semiconductor Heterojunction. Adv. Electron. Mater., 3(12), pp. 1700373. DOI: https://doi.org/10.1002/aelm.201700373. 7. Kosyachenko, L.A, Makhniy, V.P, Potykevich, I.V., 1978. Generation-recombination in the space-charge region of a metal- CdTe contact. Ukr. J. Phys., 23(2), pp. 279–287 (in Russian). 8. Chih-Tang, S., Noyce, R.N., Shockley, W., 1957. Carrier Generation and Recombination in P-N Junctions and P-N Junction Characteristics. Proc. IRE, 45(9), pp. 1228–1243. DOI: 10.1109/JRPROC.1957.278528. 9. Solovan, M.N., Brus, V.V., Maryanchuk, P.D., Ilashchuk, M.I., Kovalyuk, Z.D., 2015. Temperature dependent electrical properties and barrier parameters of photosensitive heterojunctions n-TіN/p-Cd1−xZnxTe. Semicond. Sci. Technol., 30(7), pp. 075006 (6 p.). DOI: 10.1088/0268-1242/30/7/075006. 10. Solovan, M.N., Brus, V.V., Maryanchuk, P.D., Ilashchuk, M.I., Rappich, J., Nickel, N., Abashin S.L., 2013. Fabrication and characterization of anisotype heterojunctions n-ТіN/p-CdTe. Semicond. Sci. Technol., 29(1), pp. 015007 (8 p.). DOI: 10.1088/0268-1242/29/1/015007. 11. Kosyachenko, L.A., Yatskiv, R., Yurtsenyuk, N.S., Maslyanchuk, O.L., Grym, J., 2014. Graphite/CdMnTe Schottky diodes and their electrical characteristics. Semicond. Sci. Technol., 29(1), pp. 015006 (10 p.). DOI: 10.1088/0268-1242/29/1/015006 12. Chopra, K., Das, S., 1986. Thin Film Solar Cells. Translated from English by I.P. Gavrilova. Moscow: Mir Publ. (in Russian). 13. Brus, V.V., Ilashchuk, M.I., Kovalyuk, Z.D., Maryanchuk, P.D., Ulyanytskiy, K.S., 2011. Electrical and photoelectrical properties of photosensitive heterojunctions n-TiO2/p-CdTe. Semicond. Sci. Technol., 26(12), pp. 125006 (6 p.). DOI: 10.1088/0268-1242/26/12/125006. 14. Sharma, B.L., Purohit, R.K., 1974. Semiconductor heterojunctions. Oxford, New York, Pergamon Press. 15. Fahrenbruch, A.L., Bube, R.H., 1983. Fundamentals of solar cells. Photovoltaic solar energy conversion. New York, Academic Press. 16. Sze, S.M., Kwok, K., 2007. Physics of semiconductor devices. 3rd ed. New Jersey: Wiley. Received 22.10.2018 M.M. Solovan , P.D. Maryanchuk Yuriy Fedkovych Chernivtsi National University 2, st. Kotsyubinsky, 58012, Chernivtsi, Ukraine E-mail: m.solovan@chnu.edu.ua ELECTRICAL AND PHOTOELECTRICAL PROPERTIES OF THE SURFACE-BARRIER STRUCTURES MoN/n-Si Subject and purpose. The subject of research is the electrical and photoelectric properties of the heterojunctions МoN/n-Si were fabricated for the fi rst time by means of the molybdenum nitride thin fi lm deposition (n-type conductivity) by the reactive magnetron sputtering onto single crystal substrates of n-type Si. The purpose of the work is to fabricate of the photosensitivity surface-barrier structures MoN/n-Si, to determine the barrier parameters and dominant mechanisms of current transfer through the obtained heterostructure at direct and reverse biases, investigate the photoelectric properties and causes of losses of photogenied charge carriers in the obtained heterostructures. Method and methodology. Measurement of direct and reverse volt-ampere characteristics of the heterostructure of MoN/n- Si were measured at various temperatures, as well as with light intensity Popt  80 mW/cm2 and three lasers   405, 646, 780 nm with intensity Iopt  5 mW·cm–2. Results. The obtained heterojunctions with height of the potential barrier 0  eVbi  0.37 еV possessed sharply defi ned rectifying properties. The dominating current transport mechanisms through the heterojunctions under investigation were determined: at forward bias is well described within of generation-recombination and tunneling-recombination models with the participation of surface states, and аt reverse bias within the tunnel model. Conclusion. It was established that when illuminating with white light intensity Popt  80 mW/cm2, the reverse current Ilight increases in size by more than an order of magnitude then reverse current Idark in darkness due to the separation of photogenerated electron-hole pairs, as well as the photosensitivity of this heterostructure to monochromatic illumination by lasers from the wavelength of electromagnetic radiation   405, 646, 780 nm with intensity Iopt  5 mW·cm–2. From the above, we can conclude that the fabrication heterojunctions can be used as a photosensitive device. Key words: molybdenum nitride, silicon, heterojunction, current transport mechanisms. 56 ISSN 1028-821X. Radiofi z. Electron. 2019. Vol. 24, No. 2 М.М. Солован, П.Д. Мар’янчук М.Н. Солован, П.Д. Марьянчук Черновицкий национальный университет имени Юрия Федьковича 2, ул. Коцюбинского, Черновцы, 58012, Украина E-mail: m.solovan@chnu.edu.ua ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОВЕРХНОСТНО-БАРЬЕРНЫХ СТРУКТУР МoN/n-Si Предмет и цель работы. Предметом исследований являются электрические и фотоэлектрические свойства гетеро- структуры МoN/n-Si, полученной путем напыления тонкой пленки нитрида молибдена (n-типа проводимости) методом реактивного магнетронного распыления на монокристаллические пластины кремния n-типа проводимости. Целью ра- боты является изготовление фоточувствительных поверхностно-барьерных структур МoN/n-Si, определение барьерных параметров и доминирующих механизмов токопереноса сквозь полученную гетероструктуру при прямом и обратном смещениях, исследование фотоэлектрических свойств и причин потерь фотогенерированных носителей заряда в полу- ченных гетероструктурах. Метод и методология работы. Измерены прямые и обратные вольт-амперные характеристики (ВАХ) гетерострук- туры МoN/n-Si при различных температурах, а также при облучении белым светом интенсивностью Popt  80 мВт/см2 и тремя лазерами с   405, 646, 780 нм интенсивностью Iopt  5 мВт·cм–2. Результаты работы. Полученные гетеропереходы с высотой потенциального барьера 0  eVbi  0,37 эВ обладают резко выраженными выпрямляющими свойствами. Определены доминирующие механизмы токопереноса через гетеропереход: при прямом смещении ВАХ хорошо описываются в рамках генерационно-рекомбинационной и туннельно-рекомбинационной моделей с участием поверх- ностных состояний, а при обратных смещениях – в рамках туннельной модели. Заключение. Установлено, что при освещении белым светом интенсивностью Popt  80 мВт/см2 обратный ток Ilight воз- растает по сравнению с его величиной в темноте Idark более чем на порядок вследствие разделения фотогенерированных электрон-дырочных пар. Показана фоточуствительность данной гетероструктуры к монохроматическому освещению лазерами с длиной волны электромагнитного излучения   405, 646, 780 нм интенсивностью Iopt  5 мВт·cм–2. Получен- ные результаты позволяют сделать вывод, что изготовленную гетероструктуру можно использовать как фоточувстви- тельный прибор. Ключевые слова: нитрид молибдена, кремний, гетеропереход, механизмы токопереноса, рекомбинация.

Електричні і фотоелектричні властивості поверхнево-бар'єрних структур МoN/n-Si

Репозитарії

Схожі ресурси