Дипломом за лучший устный доклад «Исследование типа проводимости пленок нестихеометрических германо-силикатных стекол» было отмечено выступление аспирантки НГУ, лаборанта-исследователя Лаборатории функциональной диагностики низкоразмерных структур для наноэлектроники Аналитического и технологического исследовательского центра «Высокие технологии и наноструктурированные материалы Физического факультета НГУ Гайсаа Хамуд на 16-й Валиевской международной конференции «Микро- и наноэлектроника — 2025», проходившей с 6 по 10 октября в Ярославле.
Свой доклад молодая исследовательница, которая также является инженером-исследователем Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН, представила в рамках работы секции «Материалы для приборов оптоэлектроники». Для Гайсаа Хамуд данное выступление стало первым устным выступлением на «взрослых» конференциях — ранее она успешно принимала участие только в студенческих и молодежных конференциях.
— Мы первыми изучили тип проводимости в германосиликатных стеклах. В этом и состоит новизна моего исследования. Данные знания важны для понимания механизма проводимости в этих неидеальных диэлектриках (в которых существенны так называемые токи утечки). В любых материалах — как в полупроводниках, так и в диэлектриках, — существует разный тип проводимости: либо электронного типа, либо дырочного, либо биполярного. Чтобы улучшить характеристики приборов, в которых используется тот или иной диэлектрик, важно знать, какой тип проводимости для него характерен. Объектом изучения в моем исследовании стали германосиликатные стекла, которые можно применять для изготовления фоточувствительных МДП-структур (структур металл-диэлектрик-полупроводник). Ранее мы получили в них эффект очень хорошей фоточувствительности, что важно в их приложении для технического зрения, светочувствительных датчиков и мемристоров, и решили объяснить механизм его возникновения. Дело в том, что германосиликатные стекла не являются идеальным диэлектриком, они проводят электрический ток. Мы используем неидеальную природу германосиликатного стекла (токи утечки) для достижения полезных свойств МДП-структур на их основе. Например, в МДП-структурах такие диэлектрики подавляют темновой ток, но при этом не сильно ослабляют фототок. Это приводит к улучшению их фоточувствительности. И, возможно, устройства на основе таких диэлектриков заменят более дорогие промышленные фоточувствительные устройства. Возможно, такие новые материалы и устройства будут недорогими, небольшими по размеру и будут потреблять мало энергии. Однако, чтобы улучшить показатели фоточувствительности, необходимо установить механизм возникновения фототока и тип проводимости, — рассказала Гайсаа Хамуд.
Изучением свойств германосиликатных стекол молодая исследовательница занялась в самом начале обучения в аспирантуре около трех лет назад под научным руководством ведущего научного сотрудника Лаборатории функциональной диагностики низкоразмерных структур для наноэлектроники отдела АТИЦ Физического факультета НГУ, ведущего научного сотрудника Института физики полупроводников им. А.В.Ржанова СО РАН, профессора кафедры общей физики, доктора физико-математических наук Владимира Володина. Около года заняло исследование типа проводимости в этих структурах.
Рутинные для полупроводников методы вроде эффекта Холла и термозонд, или релаксацию заряда в диэлектрике в данном случае по ряду причин применить не представляется возможным. Поэтому ученые использовали классический метод неравновесного обеднения при инжекции неосновных носителей заряда из подложки в диэлектрик в МДП-структуре, при котором исследуются вольтамперные характеристики (ВАХ) и вольтфарадные характеристики (ВФХ) образцов в темноте и при освещении. Исследованию подверглись 4 состава образцов, выращенных на разных кремниевых подложках — n-типа с электронным типом проводимости и p-типа c дырочным типом проводимости. Таким образом было исследовано 8 образцов. Авторы работы изменяли в составе плёнок соотношение между оксидом германия и оксидом кремния. Они отметили, что оксид кремния на сегодняшний день хорошо изучен, оксид германия остается малоизученным, а их смесь вообще не исследована.
— Используя метод неравновесного обеднения при инжекции неосновных носителей заряда, мы можем инжектировать в диэлектрик носители разного заряда — как отрицательного, так и положительного. Это либо электроны, либо дырки. А потом наблюдать, проходят ли они через наш диэлектрик или нет. Суть данного метода заключается в управляемости процессом инжекции. Он считается классическим, и исследователи пользуются им уже более 40 лет. Одним из авторов метода является д.ф.-м.н., профессор Владимир Алексеевич Гриценко из ИФП СО РАН. С помощью этого метода мы и выяснили, что германосиликатные стекла имеют биполярную проводимость, в которой могут участвовать и электроны, и дырки. Далее мы сделали этот метод более однозначным с помощью анализа фото-ЭДС (электродвижущей силы, которая возникает в полупроводниках под воздействием света). Мы заметили, что в находящейся в темноте МДП-структуре без прикладывания внешнего напряжения ЭДС не возникает, но при воздействии света в подложке кремния рождаются электрон-дырочные пары, которые затем разделяются во встроенном поле и создают фото-ЭДС. По такому же принципу работают солнечные элементы: мы подвергаем кремний с pn-переходом воздействию света и в образце возникают электрон-дырочные пары, которые разделяются встроенным в pn-переходе полем. Если замкнуть освещенную светом МДП-структуру на полезную нагрузку, энергия света преобразуется в электрическую энергию, — объяснил Владимир Володин.
Исследуемые МДП-структуры на основе пленок германосиликатного стекла также можно использовать как солнечные элементы, но не в этом состояла цель исследования, поэтому ученые и не оптимизировали соответствующие параметры. По этой причине их эффективность (КПД) как солнечных элементов не превышает 0,01%, тогда как необходимо 10%. Поэтому использовать их в данном качестве нецелесообразно, но такой цели исследователи перед собой и не ставили.
МДП-структуры на основе германосиликатных пленок были исследованы в темноте и с подсветкой. В дальнейшем, произведя анализ неравновесного обеднения при инжекции неосновных носителей заряда из подложек, ученые сделали вывод, что пленки германосиликатных стекол различного состава обладают биполярным типом проводимости. Данные выводы были подтверждены анализом знака фото-ЭДС, возникающей в МДП-структурах при освещении.
— Было важно подтвердить результаты, полученные на основе исследования вольт-амперных и вольт-фарадных характеристик. Для этого был использован подход, основанный на анализе фото-ЭДС. В наших структурах даже без подачи внешнего напряжения, а только под воздействием света в обоих типах подложек есть обеднение с изгибом зон примерно 0,5 Вольта. По нашему мнению, фото-ЭДС не должна возникать в случае только дырочной проводимости в подложке кремния n-типа, потому что дырки в них не накапливаются, а проходят через диэлектрик. Но если возникающее напряжение достигало бы напряжения плоских зон (0,5 Вольт), это означало бы наличие только электронной проводимости. А при возникновении фото-ЭДС, не достигающей напряжения плоских зон, присутствует проводимость и электронного типа, и дырочного. Мы выяснили, что данный эффект наблюдается у всех наших образцов при значении фото-ЭДС меньше напряжений плоских зон для n-типа и p-типа. Проще говоря, если фото-ЭДС равна нулю, в зависимости от подложки присутствует один тип проводимости, если фото-ЭДС достигает максимальных значений — другой. При средних значениях фото-ЭДС присутствуют оба типа проводимости одновременно, — сказала Гайсаа Хамуд.
Данный факт стал дополнительным подтверждением того, что тип проводимости германосиликатного стекла — биполярный. В дальнейшем ученые намерены сконцентрироваться на улучшении фоточувствительности исследуемых ими МДП-структур. Результаты данных исследований найдут применение при создании фотодетекторов на основе МДП-структур без pn-перехода. На сегодняшний день доступные на рынке варианты фоточувствительных устройств функционируют на основе pn-перехода, но фоточувствительные приборы без данного перехода будет менее дорогими и более простыми в изготовлении.
Изображение: Гайсаа Хамуд
Источник: пресс-служба Новосибирского государственного университета
