Дослідження

Основним напрямком діяльності лабораторії є розробка технологій отримання напівпровідникових наноматеріалів та наноструктур і дослідження їх електричних і фотоелектричних характеристик для застосування в пристроях наноелектроніки та оптоелектроніки:

- теоретичні та експериментальні дослідження фізичних механізмів, що протікають під час технологічних процесів;

- розробка фізико-технологічних основ формування тонких та надтонких плівок напівпровідників і діелектриків;

- розробка технологій осадження напівпровідникових плівок методом іонно-плазмового розпилення (ISP).

- розробка фізико-технологічних основ формування наноструктур (наностержні та квантові точки);

- дослідження та розробка технологій самоорганізованого та керованого росту нанокристалівв діелектричних та напівпровідникових матрицях;

- розробка технологій формування нанопористих матриць на основі кремнію та оксиду алюмінію для створення наноструктур з нанокристалами в порах матриці- нового типу матеріалів (мезопористих композитів) для опто- та наноелектроніки.

- розробка фізико-технологічних основ формування прототипів напівпровідникових приладів різного призначення (комірки енергонезалежної нанокристалічної пам’яті, світловипромінюючі прилади, сенсори, фотоелектричні перетворювачі та ін.);

- розробка та адаптація методів контролю тонких та надтонких напівпровідникових та діелектричних плівок та структур на їх основі;

- теоретичні та експериментальні дослідження механізмів електронного транспорту в багатошарових напівпровідникових структурах та прототипах приладів, електронної польової та фотопольової емісії з напівпровідникових наноструктур;

Дослідницька стратегія лабораторії полягає в розробці технологій отримання напівпровідникових наноматеріалів та наноструктур і дослідженні їх електричних та фотоелектричних характеристик для різних застосувань. Основна робота направлена на отримання кремнієвих нанодротів та нанокристалів і використанні їх для створення нових і покращення параметрів існуючих пристроїв наноелектроніки та оптоелектроніки, зокрема кремнієвої оптоелектроніки. Значна увага буде приділятись реалізації та використанню плазмонних ефектів в кремнії.

Основна сфера досліджень направлена на розробку технологій отримання напівпровідникових, в першу чергу кремнієвих, нанодротів та нанокристалів (наночастинок), композитних матеріалів з наночастинками кремнію та напівпровідникових наноструктур. Проводяться дослідження електричних та фотоелектричних властивостей наноструктур для їх подальшого використання в наноелектроніці та оптоелектроніці (фотоелектричні перетворювачі, фотодетектори, електронні емітери, елементи енергонезалежної нанокристалічної пам’яті, світлодіоди, та сенсори).

1. Дослідження та розробка технологій формування гетероструктур аморфний/нанокристалічний кремній для створення ефективних та дешевих тонкоплівкових світлодіодів та тонкоплівкових фотоелектричних перетворювачів.

2. Розробка технології відтворюваного отримання аморфних напівпровідникових плівок (a-Si, a-SiC) та дослідження процесів формування кремнієвих нанокристалів в напівпровідникових матрицях.

3. Розробка іонно-плазмової та CVD технологій відтворюваного формування тонких збагачених кремнієм діелектричних плівок (SiO_x,SiN_x, SiO_xN_y) з різним наперед заданим вмістом надлишкового кремнію.

4. Дослідження процесів формування нанокластерів Si в діелектричних матрицях в результаті наступного високотемпературного відпалу плівок.

5. Формування гетеропереходів аморфний/нанокристалічний напівпровідник та дослідження їх електрофізичних властивостей. Дослідження чутливості гетероструктур аморфний/нанокристалічний напівпровідник до ультрафіолетового випромінювання з метою створення датчиків ультрафіолету на їх основі.

6. Створення методами зонної інженерії тонкоплівкових світловипромінюючих структур та дослідження їх параметрів.

7. Створення та дослідження тонкоплівкових фотоелектричних перетворювачів на основі гетеропереходу аморфний/нанокристалічний напівпровідник.

8. Розробка технології формування кремнієвих нанодротів та дослідження їх впливу на параметри сонячних елементів. 

9. Розробка технології формування нанокомпозитів в полімер-кремнієві нанокристали для використання в фотоелектричних перетворювачах та сенсорах.

10. Дослідження особливостей легування кремнієвих нанокристалів фосфором та встановлення можливості їх використання в фотоелектричних перетворювачах.

11. Дослідження особливості виникнення локального поверхневого плазмонного резонансу в напівпровідникових нанокристалах та нанодротах.

12. Створення ефективних емітери електронів з використанням плазмонного підсилення фотопольової емісії.

13. Дослідження та розробка детекторів ІЧ випромінювання з використанням явища плазмонного резонансу.

14. Дослідження та розробка нових типів квантових емітерів електронів.

15. Дослідження механізмів електронного транспорту в наноструктурах з кремнієвими нанокристалами та нанодротами.

Досягнення

  1. Встановлена трансформація плівок SiO_xв результаті високотемпературного відпалу в нанокомпозитні плівки SiO₂(Si), що містять нанокристали кремнію в діелектричній оксидній матриці SiO_2. Методом AFM виявлені нанокристали кремнію на поверхні нанокомпозитних плівок SiO₂(Si) та визначені їх розміри і поверхнева густина.

2. Встановлено вплив співвідношення робочих газів O₂/N₂/Ar на положення піку (області частот 700-800 см^-1) спектрів ІЧ-спектроскопії обумовленого Si-N коливаннями в оксинітридних плівках. Спостерігається зсув максимуму смуги пропускання, яка пов’язана з Si-N коливаннями, у короткохвильову область із зменшенням співвідношення газів O₂/N_2.

3. Встановлено, що провідність окснітридних плівок отриманих із меншим співвідношенням робочих газів O₂/N₂ більша, тобто плівка, в якій міститься більше атомів азоту, краще проводить струм. Показано, що після відпалу провідність через плівку зменшилась, що пояснюється процесом структурування та відпалу дефектів у плівках.

4. Встановлені основні особливості та механізми електронного транспорту через плівки SiO_xта нанокомпозитні плівки SiO₂(Si). Показано, що механізми електронного транспорту залежать від вмісту надлишкового кремнію у вихідних плівках, діапазону електричних полів та температури виміру. 1). Незалежно від вмісту надлишкового кремнію для низьковольтної області U< 1,2 B і інтервалу температур 190 <T< 353 К спостерігається «омічна» ділянка провідності. 2) Основними механізмами струмопереносу через досліджувані плівки є: механізм провідності зі змінною довжиною стрибка (механізм Мотта), струм обмежений об’ємним зарядом, механізм Пула-Френкеля, тунелювання за Фаулером-Нордгеймом. Реалізація того чи іншого механізму струмопереносу суттєво залежить від вмісту надлишкового кремнію, температури виміру і прикладеної напруги.

5. Виявлена від’ємна диференційна ємність та залежність максимальної ємності МДН структури від частоти тестуючого сигналу та швидкості розгортки лінійної напруги в режимі акумуляції приповерхневої області напівпровідника. Із зменшенням частоти тестуючого сигналу та збільшенням швидкості розгортки лінійної напруги, величина максимальної ємності МДН структури збільшується.

6. Виявлено накопичення від’ємного заряду в нанокомпозитних плівках SiO₂(Si) та встановлена залежність його величини від напруженості електричного поля. Цей факт вказує на перспективність використання нанокомпозитних плівок SiO₂(Si) в якості середовища для накопичення інформаційного заряду в елементах енергонезалежної нанокристалічної пам’яті.

7. Виявлені основні закономірності впливу лазерного відпалу на трансформацію збагачених кремнієм плівок SiO_x у нанокомпозитну плівку SiO₂(Si), що містить нанокристалиSi в діелектричній матриці. 1) Кремнієві нановключення починають формуватися при інтенсивності лазерного опромінення I≥ 14 МВт/см². 2)  Збільшення інтенсивності лазерного опромінення, як правило, приводить до збільшення висоти сформованих нановключень. Розміри і густина кремнієвих нановключень при постійній інтенсивності залежить від довжини хвилі лазерного опромінення: зокрема при I = 16 MВт/см² для λ₁ = 535 нм, h₁ ≈ 5 нм, для λ₂ = 1064 нм, h₂ ≈ 85 нм. 3) Після лазерного відпалу при інтенсивності 100 МВт/см², відбувається трансформація нестехіометричної оксидної плівки SiO_x х ≈ 0,98 у плівку SiO₂(Si) з індексом нестехіометріїх ≈ 1,75. 4) Порігруйнуванняплівкидосягається при інтенсивності лазерного опроміненняI≥ 114 МВт/см².

8. Встановлено вплив низькотемпературних відпалів у водні та у вакуумі на електропровідність плівок SiO_х(Si). Як правило, відпал у водні приводить до зменшення електропровідності, в результаті пасивації електронних пасток, а відпал у вакуумі їх частково відновлює.

9. Виявлено явище резонансного тунелювання при проходженні струму через тонкі плівки SiO_х(Si). Інтенсивність резонансних піків зростає з пониженням температури виміру. Встановлена суттєва роль пасток в оксидній матриці в процесах струмопереносу, про що свідчить відсутність резонансного тунелювання в плівках SiO_х(Si) відпалених у водні.

10. Виявлені два нахили на емісійних вольт-амперних характеристиках кремнієвих катодів, покритих надтонкою плівкоюSiO₂(Si). Запропонована фізична модель, яка пояснює наявність двох нахилів двома механізмами струмопереносу, а саме - емісією через квантовану підзону нанокристала кремнію (з нижчим ефективним енергетичним бар'єром) і емісією з об'єму матеріалу (вищий енергетичний бар'єр). На основі цієї моделі проведені розрахунки енергетичного розподілу емітованих електронів з Si нановістрів вкритих надтонкою нанокомпозитною плівкою SiO₂(Si).

11. Визначені особливості електронної польової емісії з Siнановістрів, вкритих нанокомпозитною плівкою SiO₂(Sі), та Si-Ge наноострівців, і виявлено ділянки негативного диференціального опору на емісійній ВАХ. Запропоновано резонансно-тунельну модель для пояснення емісійних піків, яка розглядає появу резонансних рівнів у квантовій ямі Si-НК шаруватої структури SiO₂-Si-НК-SiO₂ на поверхні емітера та в трикутній приповерхневій потенціальній ямі у випадку Si-Geнаноострівців.

            12. Встановлені основні закономірності електронної польової емісії з нанодротин кремнію та визначені їх емісійні  параметри. Запропонована модель енергетичноїзонної структури кремнієвої нитки por-Si та розраховані розміри окремих нанокристалітів, з яких складається нитка.

13. Досліджено вплив відстані між нановіскерами та їх діаметра на фотоелектричні параметри структур на їх основі. Сформовані фотоелектричні перетворювачі на основі структур з нанодротами кремнію та досліджені їх характеристики. 

Розробки

1. Розроблена технологія отримання збагачених кремнієм плівок SiO_x методом іонно-плазмового розпилення кремнію в кисні. Величина надлишку кремнію в оксиді кремнію (індекс стехіометрії х) задається співвідношенням робочих газів O₂/Ar.

2. Розроблені технологічні процеси формування збагачених кремнієм оксинітридних плівок методом іонно-плазмового розпилення.Cклад плівки оксинітриду задається співвідношенням робочих газів O₂/N₂/Ar.

3. Розробленатехнологіяформуваннянанодротинкремнію метал індукованим методом. Встановлено, що при травленні кремнію у розчині HF/AgNO₃ протягом 5 хв. утворюються прості протравлені структури, а протягом 30 хв.– ниткоподібні кристали.

         4. Розроблено та оптимізовано режими формування пористих оксидних матриць. Встановлено, що для відтворюваного отримання діелектричних матриць оксиду алюмінію з малим розкидом діаметру і відстані між порами необхідно використовувати багатостадійний процес.

5. Розроблені технології формування нанодротин кремнію та комбінованих структур кремнієві піраміди- кремнієві нанодроти на поверхні кремнію методами хімічного травлення (анізотропного та метал каталітичного хімічного травлення). 

Методика польової та фото-стимульованої польової емісійної спектроскопії

(Field and photo-assisted field emission spectroscopy group)

Керівник групи: д. ф.-м. н., проф. Евтух Анатолій Антонович;

Головний спеціаліст: к. ф.-м. н. Семененко Микола Олександрович;

Cпеціаліст: к. ф.-м. н. Піліпова Ольга Вікторівна.

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

Режим дослідження емісійних ВАХ:

•     Дослідження ВАХ проводиться з допомогою Keithley-2410(H) у вакуумі 10(-8-9) Torr.
•     Дослідження часових залежностей струму.
•     Дослідження емісійних ВАХ з використанням зовнішнього освітлення монохроматичним джерелом світла з різною довжиною світла.
•     Дослідження емісійних ВАХ з модуляцією променя світла.
•     Визначення положення точок зонної структури зони провідності напівпровідників.

  Вимоги до зразків:

 Розміри не більше 5х5 мм; висота зразка до 3мм на провідній підкладці.

Основні положення методу.

 Пошук та дослідження нових напівпровідникових та діелектричних матеріалів є актуальним завданням для розробки та виготовлення електронних пристроїв. Широкозонні напівпровідники такі як GaN, AlN, SiC, ZnOта їхні сплави широко використовуються, як базовий матеріал для пристроїв високочастотної електроніки особливо для діодів Ганна завдяки притаманній їм високій рухливості електронів, високим значенням електричного поля пробою, можливості їхнього використання в агресивних умовах та наявності прямих переходів для електронів. [1-5]. Основною умовою для генерації частоти в напівпровідникових структурах це подібність енергетичної зонної діаграми до діаграми GaAsз існуванням двох підзон в зоні провідності (легкі та важкі електрони). Багато наукових груп проводили теоретичні моделювання електронної зонної структури GaN [6, 7] та були отримані параметри зон [8-11]. На практиці одними із більш уживаних методів для визначення електронної зонної структури є методи модуляційної спектроскопії, зокрема спектроскопія електровідбиття [12]. Нажаль, цей метод має свої обмеження завдяки вимозі, щоб електричне поле в області просторового заряду було однорідним, а також наявність прямих зона-зонних переходів. До іншої групи методів можна віднести фотоемісійну спектроскопію, зокрема інверсійну фотоемісію з кутовим розділенням сигналу [13]. Даний метод дозволяє вивчати вільні електронні стани в зоні провідності, які лежать вище рівня Фермі. Але інверсійна фотоемісія має також свої обмеження, а саме завдяки низькій енергії колімованого пучка електронів глибина проникнення променя становить лише декілька атомних шарів. Поряд з цими методами, дослідження енергетичного розподілу електронів при електронній польовій емісії (ЕПЕ) дає змогу визначати електронні стани, які розташовуються в околі енергії Фермі та вище [14-16]. Крім того, деякі автори показали можливість досліджувати електронні стани завдяки додатковому освітленню ЕПЕ електронів [17-19]. Цей метод базується на визначенні зміни значення електронної спорідненості (роботи виходу) під час тунелювання крізь бар’єр на межі розділу напівпровідник/вакуум в рамках проходження струму по механізму Фаулера-Нордгейма (Ф-Н). Під впливом освітлення монохроматичним світлом з енергією квантів меншою ширини забороненої зони напівпровідника електрони, які розташовані на домішкових рівнях поблизу дна зони провідності переміщуються в зону провідності. Потім фото-стимульовані електрони можуть змінювати свій імпульс, розсіюючись на фононах під дією зовнішнього електричного поля високої напруженості перед тунелюванням у вакуум або прямо виходити у вакуум завдяки фотоемісії, що неодмінно вплине на поведінку емісійних вольт-амперних кривих. Вихід електронів з різних підзон зони провідності у вакуум змінює нахили емісійних ВАХ у координатах Ф-Н до та при освітленні. Порівняння нахилів емісійних ВАХ, як до так і при освітленні дає змогу оцінити значення електронної спорідненості відносно положення рівня вакууму та визначити положення підзон зони провідності відносно дна зони з певною точністю.

Методика експерименту.

 Дослідження електронної польової емісії проводиться з використанням типової схеми для вимірювання високовольтних ВАХ вакуумного діоду, один із варіантів схеми представлений на рисунку. Відстань анод-катод задається в діапазоні від 7,5 мкм до 60 мкм шляхом заміни діелектричних тефлонових прокладок з отвором посередині діаметром від 0,75 мм до 1,5 мм. Як анод використовуються пластини кремнію КЕФ-0,05 або КЕС-0,01, попередньо очищені у 10% водному розчині HF. Дослідження емісійних ВАХ проводиться за допомогою багатофункціональної автоматизованої системи вимірювання ВАХ Keithley-2410. Діапазон прикладання електричної напруги становить -1100-+1100 В з мінімальним кроком розгортки до 1мкВ. Чутливість амперметра до 10рА. Є можливість дослідження часових залежностей струму. Передача даних від системи до персонального комп’ютера проводиться в програмі LabTracer 2.0 компанії Keithley Instruments через пристрій GPIB-USB. Для калібрування приладу та захисту установки від короткого замикання та електричного пробою зразків максимальний струм обмежується шляхом додавання опору (типу БИГ-2 , точністю 0,1%). Для дослідження ЕПЕ при освітленні використовуються мініатюрні лазерні модулі такі як: RedDotLasermoduleLFD650-5-3(12´30.5) (l ~ 650 nm, hv = 1.91 eV, Popt = 5 mW); GreenDotDPSSLasermoduleLFD532-5-3(12´60) на базі кристалу Nd:YVO4&KTP (l ~ 532 nm, hv = 2.33 eV, Popt = 5 mW); UVlaserdiodeNCCU033(T) (l ~ 365 nm, Δl = 8 nm, hv = 3.4 eV, Popt = 110 mW).

Основні публікації «Лабораторії польової та фото-стимульованої польової емісійної спектроскопії»:

1. Evtukh A., Litovchenko V., Semenenko M., Yilmazoglu O., Mutamba K., Hartnagel H.L. and Pavlidis D. Formation of conducting nanochannels in diamond-like carbon films. Semicond. Sci. Technol. 21 (2006). pp. 1326-1330.

2. Evtukh A. A., Litovchenko V. G., and Semenenko M. O. Electrical and emission properties of nanocomposite SiO_x(Si) and SiO₂(Si) films. J. Vac. Sci. Technol. B 24(2) Mar/Apr 2006. pp. 945-949.

3. O. Yilmazoglu, D. Pavlidis, H. L. Hartnagel, A. Evtukh, V. Litovchenko, and N. Semenenko. Evidence of satellite valley position in GaN by photoexcited field emission spectroscopy // Journal of Applied Physics 103, 114511 (2008).

4. M. Semenenko, A. Evtukh, O. Yilmazoglu, H. L. Hartnagel, and D. Pavlidis. A novel method to form conducting channels in SiOx(Si) films for field emission application // JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 107, 013702 (2010).

5. A. Evtukh, O. Yilmazoglu, V. Litovchenko, M. Semenenko, and O. Kyriienko, H.L. Hartnagel, and D. Pavlidis. Peculiarities of the photon-assisted field emissions from GaN nanorods // Journal Vacuum Science Technology B. V. 28 N 2 C2A72 – C2A76 (2010). 

Список цитованих джерел:

[1] M. S. ShurandM. A. Khan. (GaN and Related Materials II, ed. S.J. Pearton (New York, 1999), pp. 47-92.

[2] S. Nakamura. (GaN and Related Materials II, ed. S.J. Pearton (New York, 1999), pp. 1-45.

[3] V. N. Sokolov, K. W. Kim, V. A. Kochelap, D. L. Woolard J. Appl. Phys. 98, 064507 (2005).

[4] E. Alekseev, D. Pavlidis. Solid-State Electronics. 44, 6, 941 (2000). 

[5] O. Yilmazoglu, K. Mutamba, D. Pavlidis and T. Karaduman. Electronics Letters. 43, 8, 480 (2007). 

[6] Y. C. Yeo, T. C. Chong, and M. F. Li. J. Appl. Phys. 83, 1429 (1998). 

[7] C. Bulutay, B. K. Ridley and N. A. Zakhleniuk. Phys. Rev. B 62, 15754 (2000). 

[8] C.-K. Sun, Y.-L. Huang, S. Keller, U. K. Mishra, and S. P. DenBaars, Phys. Rev. B 59, 13 535 (1999). 

[9] M. E. Levinshtein, S.L. Rumyantsev and M.S. Shur. (Wiley, New York, 2001). 

[10] V. Litovchenko, A. Evtukh, O. Yilmazoglu, K. Mutamba, H.L. Hartnagel, D. Pavlidis. Journ. Appl. Phys. 97, 044911 (2005).

[11] Z. Liu, F. Machuca, P. Pianetta, W.E. Spider and R.F.W. Pease. Appl. Physics Letters. 85, 9, 1541 (2004).

[12] Manuel Cardona, L. Kerry Shaklee, and Fred H. Pollak. Phys. Rev. 154, N3, 696 (1967).

[13] E. Kisker, K. Shroder, M. Campagna, W. Gudat. Physical Review Letters. 52, N25, 2285 (1984).

[14] R. D. Young Phys. Rev. 13, N1, 110 (1959).

[15] Russell D. Young and Howard E. Clark. Phys. Rev. Lett. 17, N7. 351 (1966).

[16] R. D. Young and E. W. Muller. J. Appl. Phys. 33, N1, 91 (1962).

[17] H. Neumann. Physica. 44, 587 (1969).

[18] B. I. Lundqvist, K. Mountfield, J. W. Wilkins. Solid State Communications. 10, 383 (1972).

[19] M. J. G. Lee, R. Reifenberger. Surface Science. 70, 114 (1978).

Обладнання

Технологічна ділянка №1  1.1. Установка осадження діелектричних напівпровідникових плівок LP CVD і PE CVD “ELMATIC ELECTRONICS”

Проекти

1. “Фотоелектричні та структурні характеристики легованих нанорозмірнихнапівпровідникових  матеріалів”, Тема НАН України ІІІ-5-16 Підрозділ “Дослідження та розробка фізико-технологічних засад виготовлення твердотільнихнаноматеріалів та структур для тонкоплівковихсвітлодіодів та фотодетекторів.”

2. “Розробка сучасних напівпровідникових матеріалів і структур для опто-, мікро- і сенсорної електроніки» Тема НАН України ІІІ-10-15.

Підрозділ «Розробка методів одержання та метрологічного забезпечення складних напівпровідників та приладових структур .»

3. Фізичні та фізико-технологічні аспекти створення сучасних напівпровідникових матеріалів і функціональних структур для нано- і оптоелектроніки” Тема НАН України ІІІ-41-13.Підрозділ “Розробка технології формування низькорозмірних напівпровідникових резонансно-тунельних структур на основі кремнію для НВЧ електроніки”.

4. «Нанотехнології та наноматеріали» Програма НАН України.

Проект «Дослідження та розробка автоемісійних катодів на основі регулярних ансамблів нанодротин кремнію в діелектричних матрицях та емісійних резонансно-тунельних структур»

5. «Фундаментальні проблеми наноструктурних систем , наноматеріалів, нанотехнологій» Програма НАН України.Проект «Дослідження та розробка іонно-плазмової технології формування кремнієвих нанокомпозитів при введені домішок, що стимулюють процеси самоорганізації»

6. Прект ДФФД «Впорядковані наноструктури на поверхні кремнію для високоефективних фотоелектричних перетворювачів»

Публікації