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

Пошук

Відділ фізики поверхні напівпровідників та фотоелектричних явищ

litovchenko
Керівник відділу
 
 
Литовченко Володимир Григорович
д. ф.-м. наук, професор, чл. кор. НАН України
Тел./ факс. 525-6290, ел. пошта: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

Склад відділу

Lisovsky
Лісовський Ігорь Петрович
пров.н.с., доктор ф.-м. наук, професор,
керівник Групи інфрачервоної спектроскопії

тел. 525-3852,

ел. пошта: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

T.I.Gorbanuk
Горбанюк Тетяна Іванівна
ст.н.с., канд. ф.-м. наук

тел. 525-3852,

ел. пошта: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

popov

Попов Валентин Георгієвич

ст.н.с., канд. ф.-м. наук

тел. 525-5724

ел. пошта: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.
A.V.Sarikov
Саріков Андрій Вікторович
ст. н. с., канд. ф.-м. наук

тел. 525-6290,

ел. пошта: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

Zlobin
Злобін Сергій Олександрович
ст.н.с., канд. ф.-м. наук
тел. 525-3852,
ел. пошта: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.
I.M.Chaskevich
Хацевич Ігор Мирославович
н.с., канд. фіз.-мат. наук
тел. 525-5724
M.I.Vojttovych
Войтович Марія Володимирівна
ст.н.с., канд. ф.-м. наук
тел. 525-3852,
ел. пошта: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.
 
 
Курчак Анатолій Іванович
н.с., канд. ф.-м. наук
тел. 525-6202, ел. пошта: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.
 
Мусаєв Сергій Мусаєвич
пров. інженер
тел. 525-6202
 
Шугаєва Любов Михайлівна
пров. інженер
тел. 525-3852
 
Кобріна Надія Антонівна
инженер І кат.
тел. 525-6290
 
Гаврилик В. М.
пров. інженер

 

Лабораторія № 36 Лабораторія фізико-технічних основ напівпровідникової фотоенергетики

Керівник Костильов Віталій Петрович

Дослідження

Основні напрямки наукової і науково-технічної діяльності відділу :
Фізика поверхні напівпровідників та нанорозмірних структур, багатофазові шарувати структури та тонкі плівки, квантово-розмірні ефекти, прилади на основі поверхнево-чутливих ефектів (газові датчики, сонячні фотоелементи з комбінованими бар’єрами).

Група 1

Керівник - доктор ф.-м. н., проф. Б.М. Романюк

-    Дослідження процесів взаємодії прискорених іонів з твердотільними матрицями;
-    Фізика процесів радіаційного дефектоутворення;
-    Поверхня, приповерхневі шари, тонкі плівки, процеси масопереносу та самоорганізації, стимульовані іонним опроміненням;
-    Фізичні явища в термохромних та електрохромних плівках;
-    Мас-спектрометричні дослідження шаруватих структур;
-    Процеси гетерування домішок для сонячної енергетики

Група 2

Керівник - доктор ф.-м. н., проф. І.П. Лісовький

- 2) Дослідження структурних характеристик діелектричних плівок методом
коливальної ІЧ-спектроскопії з аналізом форми основної смуги поглинання.
- Дослідження фізичних механізмів впливу радіації на властивості плівкових нанокомпозитів Si-КТ / SiOx.
- Дослідження процесів оптимізації характеристик світловипромінювання плівковими нанокомпозитами.

Група 3

Керівник - кандидат ф.-м. н., ст.н.с. Т.І. Горбанюк

- Дослідження адсорбційних та каталітичних ефектів на поверхні та квантоворозмірних напівпровідникових та багатофазних структурах

Група 4

Керівник - кандидат ф.-м. н., ст.н.с. А.В. Саріков

- Розробка термодинамічних теорій та кінетичних моделей фазового розділення нестехіометричного оксиду, оксинітриду, нітриду та оксікарбіду кремнію при високотемпературних відпалах;
- Розробка термодинамічних та кінетичних моделей метал-індукованої кристалізації аморфного та розупорядкованого кремнію;
- Розробка термодинамічних та кінетичних моделей утворення дефектних агрегатів та преципітатів в пластинах монокристалічного кремнію при термічних обробках різного типу.

Досягнення

Найбільш вагомі науково-технічні результати:

Група 1:
-    Знайдено ефект збільшення інтенсивності фотолюмінесценції наноструктур на основі кремнію за рахунок низькотемпературних відпалів в атмосфері азоту.

-    Показано, що іонна імплантація вуглецю при формуванні наноструктур стимулює ріст окисної фази в кремнії і приводить до виникнення смуг фотолюмінесценції в короткохвильовій області спектру.

-    Знайдено ефект впливу in situ ультразвукового опромінення при іонній імплантації домішок на їх дифузію в кремнії.

-    Знайдено ефект стимульованої іонною імплантацією релаксації напружених шарів SiGe на кремнії.

-    Знайдено критичні параметри синтезу термохромних плівок окислу ванадію з високим вмістом упорядкованої моноклінної фази VO2.

-    Показано, що гідростатичне стиксування суттєво впливає на синтез прихованих діелектричних шарів в кремнії (Група 1).

Група 2:
-    Розроблена модель утворення радіаційних дефектів в системах Si-SiO2, основана на багатостадійних реакціях електрохімічного типу.

-    Виявлений ефект покращення світловипромінювальних характеристик структур Si-КТ/SiO2 при малих дозах іонізуючого випромінювання.

-    Встановлений механізм формування квантових точок кремнію в оксидах, пов'язаний з міграцією атомів кисню.

-    Виявлений ефект утворення кисневих преципітатів в монокристалах кремнію при променевих відпалах.

Група 3:
-    Досліджені та розроблені наноструктуровані каталізатори нового типу на основі пористих матриць напівпровідників (Si) з вбудованими нанокластерами металів та їх оксидів (Cu, CuO, Cu2O, W, WO, WO3).

-    Проведено теоретичний аналіз, моделювання перебудови орбіталей та перерозподілу електронів при заповнення електронних рівнів (d, s, p) в процесі формування наноструктуровних каталітично активних композитів Cu/CuOx/нанопорSi і/або W/WO3/нанопорSi.

-    Розроблені технологічні процеси формування адсорбційно чутливих та каталітично активних шарів на основі наноструктурованих напівпровідників, вуглецевих плівок з інкорпорованими нанокластерами металів і їх оксидів.

-    Розроблені напівпровідникові сенсори на основі наноструктуровних каталізаторів для вимірів та реєстрації отруйних і вибухонебезпечних газів (H2, H2S).

Група 4:
-    Побудовано загальну кінетичну теорію процесу обміну шарами, індукованого алюмінієм, що грунтується на алюміній-індукованій кристалізації аморфного кремнію.

-    Розроблено термодинамічну модель зародкоутворення зерен полікристалічного кремнію в процесі обміну шарами, індукованого алюмінієм, яка дозволила пояснити формування переважної кристалографічної орієнтації зерен у даному процесі.

-    Розроблено кінетичну модель преципітації кисню за участю нерівноважних точкових дефектів та досліджено вплив останніх на розчинність та характеристики дифузії кисню у пластинах кремнію.

-    Запропоновано загальний термодинамічний механізм росту нитковидних кристалів кремнію, каталізованому металами, на основі механізму метал-індукованої кристалізації.

-    Розроблено термодинамічну теорію рівноважних станів у системах кремній-оксид кремнію, запропоновано вираз для вільної енергії таких систем;
Розроблено загальну термодинамічну теорію фазового розділення нестехіометричного оксиду кремнію при високотемпературних відпалах.

-    Розроблено метод визначення базових рекомбінаційних параметрів фоточутливого (сонячного ) кремнію на основі вимірювання спектрів фото-е.р.с. в широкому діапазоні довжин хвиль.

-    Запропоновано модель трансформації структури вуглецевого комплексу С від алмазоподібної до графіто- (графлено-) подібної модифікацій та розраховані базові параметри цих модифікацій.

Розробки

Найбільш вагомі науково-технічні розробки:


1. Розроблено нову технологію формування ненапруженого кремнієвого матеріалу, яка є перспективною для використання в мікроелектронному виробництві та при виробництві  сонячних елементів. Суть технологічного процесу – в усуненні міжвузлових дефектів та у збагаченні вакансійними точковими дефектами, завдяки чому формується напружена фаза SiO2  включень кварцеподібного 6-членного окислу, рис. 1 (відділ №9, відділ №14, відділ №41).

new technology of unstrained silicon material 2

2. Розроблено нову, альтернативну МПЕ, технологію формування нанорозмірних кристалів кремнію, вбудованих  в діелектричну матрицю SiO2 , розвинуто термодинамічну теорію фазового розпаду композиту SiOx, досліджено основні етапи процесу. Технологія базується на принципі керованої самоорганізації та пасивації а) парами HF поверхневої та (або) УЗ  обробки - рекомбінації, вона дозволяє змінювати задану глибину локалізації НК, їх розмір, забезпечити малий розкид по розмірах, отримати високу інтенсивність фотолюмінесценції в широкому діапазоні енергій свічення (відділ №9, відділ №14).

Image by transmission electron microscopy

Зображення методом просвічуючої електронної спектроскопії (TEM) композиту SiOX з кремнієвими нанокристалітами (виділені колами). Нанокристаліти отримані при розпаді SiOX композиту. На вставках: модель нанокристалітів із SiOX оболонкою (a) та без неї, після HF  та  УЗ обробки (b). Технологія є перспективною  для виготовлення перепрограмованої пам’яті (ПП), систем резонансного тунелювання, для виготовлення квантових катодів, люмінесцентних джерел світла, в інтегральних схемах, для використання  в газовій сенсориці.

3. Розроблено наступні високотехнологічні мікро (нано) технології:

  • метод формування надмілких p-n переходів з використанням імплантації з in-situ УЗО;
  • метод двостадійного синтезу плівок діоксиду ванадію, які мають високі параметри термохромного ефекту;
  • створення ефективних люмінесцентних кремнієвих нанокластерних структур;
  • метод калібрування аналітичного обладнання для кількісного прецизійного елементного аналізу;
  • способи створення та оптимізації параметрів компонентів мікросхем високого ступеню інтеграції (< 0,25 мкм): плазмово-хімічне осадження плівок нітриду титану, діелектриків на основі оксидів рідкоземельних елементів та силіцидних плівок;
  • метод іонно-променевого стимульованого формування в кремнії вбудованих прихованих шарів діелектрика з високим вмістом Si-нк (Група 1).

method

4. Розроблено  метод комп’ютерного аналізу форми ліній ІЧ поглинання  неупорядкованих фаз  за допомогою деконволюції ліній на елементарні компоненти (Група 2).

5. Розроблено технологію створення планарних електрохімічних сенсорів водню та кисню. (Група 2, Група 4)

6. Розроблено технологія отримання каталітично активних шарів на основі окислених кластерів перехідних металів з заповненими D-оболонкою (Група 3).

7. Розроблено теорію холодної емісії з вуглецевих гострійних структур та багатодолинних квантово-розмірних напівпровідникових (GaN) катодів, передбачена квазі монохроматична польова емісія з таких квантових катодів. Інтенсивність останньої на декілька порядків вища від неквантованих структур (відділ №9).

8. Проведено дослідження та розролено квантові катоди на основі кремнію з нанокомпозитними плівками SiO2(Si) отриманими методами LP CVD та PE CVD. Виявлено області з від’ємною диференційною провідністю на вольт-амперних характеристиках емісійного струму та запропоновано емісійний резонансно-тунельний діод на основі кремнію.

energy band diagram energy band diagram 2 

Енергетична зонна діаграма резонансно-тунельного діода на основі катоду Si–SiOx–Si. (ліворуч)
Експериментальні емісійні вольт-амперні характеристики резонансно-тунельних структур Si–SiOx–Si-вакуум. (Вставка) Крива в координатах Фаулера-Нордгейма. (праворуч)

carrent density

Теоретичний розрахунок струму польової емісії електронів

9. Запропоновано нову технологію отримання високоефективних каталізаторів та газових сенсорів  на основі використання нанорозмірних недорогих перехідних металів, та їх окислів, які в звичайному стані не є каталітично активними, продемонстровано передбачений ефект на прикладі нанокластерів W  та  Cu, виготовлено лабораторні зразки газових датчиків, екологічно шкідливих газів (зокрема , Н2S) з кімнатною робочою температурою передбачений ефект проілюстровано на прикладі нанокластерів W та Cu, виготовлено лабораторні зразки газових датчиків екологічно шкідливих газів (зокрема , Н2S).

10. Розроблено компактні модулі фотоелектричних перетворювачів сонячної енергії. Робота виконуються за рахунок благодійних внесків, в тому числі і самих виконавців. Цей виріб (далі - модуль) є дослідною розробкою і призначений для використання у польових умовах (зокрема у зоні АТО, геологічних експедиціях, тощо) для живлення і зарядки низьковольтної електронної апаратури (радіостанцій, мобільних телефонів, тепловізорів, планшетів, і т.п.).

photovoltaic module 01

Директор Інституту фізики напівпровідників О.Є. Бєляєв (другий зліва) та учасники проекту (зліва направо): Б.М.Романюк, В.Г. Литовченко, В.П. Мельник поруч з модулями сонячних фотоперетворювачів.

Модуль перетворює енергію сонячного або іншого видимого  світла в електричну енергію. Ця енергія може бути використана безпосередньо для живлення апаратури  при яскравому сонячному освітленні. В інших випадках живлення і зарядка апаратури проводиться від вбудованих в модуль акумуляторів навіть у нічний час. Зарядка вбудованих акумуляторів може проводитися при будь-якому (навіть слабкому) освітленні модуля, наприклад при хмарності. Фотографії модуля наводяться на наступному рисунку.

photovoltaic module 02

photovoltaic module 03

Сонячний модуль у складеному  та у робочому стані. Підключено мобільний телефон, 4 акумулятори та комп’ютер.

Області застосування:

Живлення і зарядка низьковольтної електронної апаратури (радіостанцій, мобільних телефонів, тепловізорів, планшетів, тощо).

Короткий опис:

Модуль включає  дві автономні частини, які в неробочому стані складаються і закриваються на фіксатори. Збоку знаходяться 2 стандартні автомобільні роз'єми. У робочому стані модуль слід відкрити і розташувати в напрямку Сонця. Для зарядки і живлення апаратури з напругою менше 12 В (наприклад, мобільних телефонів) слід застосовувати відповідні адаптери (випускаються серійно для використання в автомобілях). Модуль герметизировано, проте слід уникати зберігання під дощем і на вологих поверхнях (танучий сніг, калюжі). У неробочому стані модуль має бути складений, а розйоми закриті кришками.

Технічні характеристики модуля

Робоча напруга,
В
Потужність при стандартній
освітленності (АМ 1,5),
Вт
Ємність аккумуляторів,
А·год
Габаритні розміри
в робочому стані,
мм
Вага,
кг
12 20 від 2 до 6 530х460х36 6

Переваги:

Модуль являє собою компактну складану конструкцію, пристосовану для переноски. У модуль вмонтовано акумуляторні батареї, які забезпечують проведення підзарядки пристроїв навіть при відсутності освітлення. Панелі сонячних батарей захищено гартованим склом, що дозволяє використовувати їх в екстремальних умовах. Модулі герметизовані та пофарбовані у камуфляжні кольори. Собівартість розробленої сонячної батареї – близько 3000 грн.

Стан розробки:

На даний час (1 травня 2015 р.) виготовлено і передано до зони АТО 19 модулів. В розробці та виготовленні модулів приймали участь співробітники Інституту фізики напівпровідників Литовченко В.Г., Костильов В.П., Романюк Б.М., Мельник В.П., Попов В.Г., Коркішко Р.М., Мусаєв С.М., Космін А.С.

Обладнання

ОБЛАДНАННЯ ТА УСТАНОВКИ

ГРУПА 1:
1.    Прискорювачі іонів з енергіями 5 – 200 кеВ: «Везувій 1», «Везувій 5», «МРВ-202»;
2.    Оже-спектрометр 09 ИОС 10-005
3.    Мас спектрометри INA-3, Atomika 6500
4.    Скануючий електронний мікроскоп  МРЕМ-200
5.    Оптичний мікроскоп NU-2E, металографічний мікроскоп
6.    Інтерферометр
7.    Характеріограф Л2-06
8.    Установка для вимірів питомого та поверхневого опору
9.    Ділянка шліфовки та поліровки зразків
10.    Установка швидкого фотонного відпалу
11.    Установка вимірювання часу життя носіїв заряду
12.    Установка для вимірювання спектрів фотолюмінесценції
13.    Профілометри DEKTAK-3030 та AlphaStep-100
14.    Установки вимірювання термо- та електрохромних властивостей
15.    Лазерний мас-спектрометр ЕМАЛ-2

equipment1

equipment2

equipment3

 

ГРУПА 2:
ІЧ-Фур’є спектрометр PerkinElmer Spectrum BXII

equipment4

 Можливості:
- Вимірювання спектрів пропускання, поглинання та відбиття світла;
- Спектральний діапазон 7800–350 см-1
  (1,28–28,5 мкм);
- Роздільна здатність до 1 см-1;
- Якісний та кількісний аналіз органічних та неорганічних сполук;
- Можливість вимірювання твердих та рідких речовин.


  Вимоги до зразків:
- Зразки повинні мати оптичну поверхню;
- Тонкі плівки мають бути нанесені на двостороннє поліровані підкладки, прозорі в ІЧ-діапазоні.
- Розміри зразка не менше 6х6 мм2

Лазерний еліпсометр ЛЭФ-3М-1
(λ=6328 Å) та комплект програм для розрахунків товщини, показника заломлення та коефіцієнту поглинання діелектричних плівок.

equipment5

 

ГРУПА 3:
Система дослідження  адсорбційних та каталітичних властивостей поверхні  шляхом вимірювання електричних характеристик

equipment6

Проекти

Загальноінститутські теми Президії НАН України:
НАУКОВА: № ІІІ-5-11 «Електричні, оптичні та адсорбційні властивості тонко плівкових структур з напівпровідниковими нановключеннями». Термін виконання: 01.01.2011 – 31.12.2015 рр.

Тема 51/9 по Проекту № 25-2010 «Розробка мікроелектронного газового датчику сірководню на основі нанопористих шарів для контролю навколишнього середовища» Комплексної науково-технічної програми «Сенсорні системи для медико-екологічних та промислово-технологічних потреб» початок - 2010 р., закінчення робіт - 2018р.

№ ІІІ-10-15 «Розробка методів одержання та метрологічного забезпечення складних напівпровідників та приладових структур», 2015 – 2017 рр.

1.1.12 «Розроблення і створення  технологій вирощування фото-, термо- та  лектрохромних матеріалів для систем регулювання світлових та теплових потоків», 2008-2017 рр.

61/15-Н «Дослідження механізмів іонно-стимульованого зародження та росту  наноструктурованих плівок оксидів перехідних металів для сенсорів і каталізаторів хімічних реакцій» 2015-2019 рр.

1.1.4/9 «Розроблення і створення технологій вирощування нанокристалічних багатокомпонентних структур енергонезалежної пам’яті для інформаційних систем», 2008 - 2017 рр.

1.1.6/18 «Розроблення і створення технологій вирощування планарних структур для електрохімічних сенсорів газового аналізу», 2008 - 2017 рр.

3.41.12 «Фізичні та фізико-технологічні аспекти створення сучасних напівпровідни-кових матеріалів і функціональних структур для нано- і оптоелектроніки», 2012 – 2016 рр.

76-02-14 «Формування і властивості гетероструктур Si\SiO2\Si з вбудованими в діелектрик нанокластерами кремнію: експеримент, моделювання, вплив вуглецю», 2014 – 2015 рр.

Публікації

2017