Фоточувствительный гетеропереход GaAs/CuPc тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

«А

О Чй.

I

и'

КОРНЕЙЧУК СВЕТЛАНА КОНСТАНТИНОВНА

ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫИ ГЕТЕРОПЕРЕХОД СаАэ/СиРс

(01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт- Петербург 1998

Работа выполнена в Санкт-Петербургском Государственном Техническо> Университете и Вологодском Политехническом институте.

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук,

доцент Мусихин С.Ф. Консультант : кандидат физико-математических наук,

доцент Федоров М.И.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник ФТИ

им. А.Ф.Иоффе РАН Именков А.Н.

кандидат химических наук,

доцент СПбГТУ Докукина А.Ф.

Ведущая организация:

Российский государственный педагогический университет им. А.И.Герцена

Защита диссертации состоится "22" мая 1998 года в_часов на заседании

диссертационного Совета К 063.38.16.В Санкт-Петербургском Государственном Техническом Университете по адресу :

195251, г.Санкт-Петербург, СПбГТУ, ул. Политехническая, 29.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского Государственного Технического Университета.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью организации, просим направлять по указанному выше адресу на имя ученого секретаря диссертационного Совета К 063.38.16.

Автореферат разослан "_" апреля 1998г.

Ученый секретарь диссертационного Совета К 063.38.16, кандидат физико математических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы. Изучение физических явлений в полупроводниковых пленочных гетероструктурах стимулируется необходимостью детального понимания электронных процессов на контакте двух полупроводников, а также их постоянно возрастающим практическим применением в микро- и оптоэлектронике, интегральной оптике и других областях полупроводниковой техники.

До настоящего времени проведено большое количество исследований процессов, протекающих на границе раздела неорганических полупроводников. Существуют модели и теории гетеропереходов между ковалентными и ковалентно-ионными массивами и пленочными материалами с учетом энергетической структуры контактирующих материалов, поверхностных состояний на границе раздела и механизма переноса носителей заряда. Тем не менее, проблемы создания, улучшения и использования твердотельных гетероструктур продолжают находиться в центре внимания многих исследователей, и одним из путей решения этих проблем является поиск новых материалов и технологий.

В последнее время возрос интерес к гетероструктурам, одной из компонент которых является органический полупроводник. Органические-неорганические гетеросгрукгуры наблюдаются в биокерамике живущих систем. Прекрасный пример представляет собой обработанный морской водой жемчуг. Перламутр жемчуга - переменная многослойная структура, состоящая из протеина и карбоната кальция микронных размеров.

Органические-неорганические гетеросистемы потенциально открывают новые области исследований и развития в оптоэлектронных материалах и приборах путем использования оптических функций органических молекул, высокой подвижности и физической прочности неорганических материалов, а также приконтакгных функций в одной системе.

К началу настоящей работы фотоэлектрические процессы на границе раздела НП/ОП были слабо исследованы, не было критериев выбора оптимальных гетеропереходных пар для эффективного преобразования световой энергии в электрическую, не изучено влияние технологии изготовления компонентов, их параметров на характеристики ГС. Выбор компонент для гетеросгрукгуры органический-неорганический полупроводник обусловлен, прежде всего, для органического полупроводника-присущей фталоцианину меди уникальной сочетаемости в себе широкого диапазона оптических, электрических и фотоэлектрических свойств, химической стойкости и термостабильности, достаточной технологичности, способности сублимироваться в вакууме, создавая тонкие слои; для неорганического полупроводника - арсенида галлия - многосторонне изученного материала, обладающего высокой под-

вижностью носителей заряда, физической прочностью, область чувствительности которого, совместно с фталоцианином меди позволили расширить спектральную чувствительность созданной гетерострукту-ры.

Таким образом, представляется актуальным разработка и исследование пленочных ГС арсенида галлия с фталоцианином меди.

Целью данной работы являлось: исследование электрофизических, оптоэлектрических процессов на границе раздела органического-неорганического полупроводников, а также поиск функциональных возможностей их практического применения.

Для достижения этой цели в работе решались следующие задачи:

- разработка методики получения гетероструктур на основе баАэ и органического полупроводника СиРс;

- выяснение механизма токопрохождения;

- построение энергетической диаграммы гетероструктуры

СиРсДЗаАв;

- изучение влияния поляризованного света на фотоэлектрические характеристики гетероструктуры.

Выбор объектов исследования определяется тем, что каждый из компонентов гетероструктуры обладает индивидуальными достоинствами, усиливает свойства границы их контакта, расширяет спектральную область фоточувствительности.

Научная новизна. На основании анализа результатов проведенных экспериментов впервые:

- создан способ изготовления Уф-фотоприемника на основе гетероструктуры п-баАз/р-СиРс;

- исследованы электрофизические свойства гетероструктуры и определен механизм токопрохождения;

- построена энергетическая диаграмма гетероструктуры п-СаАэ/р-СиРс и установлено влияние слоя ¡-типа перекомпенсированного СаАэ с незначительной долей акцепторов и наличие на границе этого слоя и слоя СиРс поверхностных состояний;

- исследовано влияние поляризованного света на фотоэлектрические процессы, происходящие в гетероструктуре п-СаАз/р-СиРс;

Актуальность и практическая значимость работы определяется следующими аспектами:

- разработанный способ изготовления УФ-фотоприемника позволил определить новый класс оптоэлектронных материалов, более дешевых ныне существующих;

- необходимостью детального изучения ОП/НП гетероструктур, перспективных для создания на их основе новых оптоэлектронных устройств.

Полученные данные по исследованию электрофизических и опто-электрических свойств гетерострукгуры р-СиРс/п-ОаАэ использованы при разработке на их основе преобразователя световой энергии в электрическую.

Полученные в настоящей работе результаты с защитой приоритета в этом направлении позволяют отнести их к разряду практически перспективных.

На защиту выносятся следующие положения:

1.Технология изготовления гетероструктуры р-СиРс/п-СаАэ с широкой спектральной областью фоточувствительности.

2.Зонная диаграмма структуры р-СиРс/п-СаАв свидетельствует о сложной структуре границы раздела фталоцианина меди и арсенида галлия в связи с диффузией меди в баАэ, образование ¡- типа перекомпенсированного слоя СаАэ и наличие на границе раздела слоя СиРс и слоя ¡-типа поверхностных зарядов.

З.Температурные темновые вольт-амперные характеристики гетероструктуры доказали существование квадратичного участка, который подтверждает, что в СиРстоки ограничены пространственным зарядом.

4.Экспериментальные результаты по исследованию влияния поляризованного излучения на фоточувствительность гетероструктуры р-СиРс/п-баАв. Впервые установлено, что р-поляризованный свет вызывает увеличение фотонапряжения в области 800 нм почти в 20 раз, а фил-фактора в 1,8 раз.

5.Способ получения УФ-фотопреобразователя с широкой спектральной фоточувствительностью (пат.№ 2039372).

Достоверность полученных данных подтверждается:

- качественным соответствием полученных результатов, известных из литературы;

- хорошей воспроизводимостью результатов при сравнении спектров однотипных образцов и разных методов анализа и определения оптоэлектрических параметров гетероструктуры.

Вклад автора. Все экспериментальные результаты получены автором. Обсуждение результатов проведено совместно с Мусихиным С.Ф. и Федоровым М.И.

Апробация работы.Основные результаты исследований докладывались на: Международной конференции "Инженерные проблемы экологии",г.Вологда,1993г., научно-технической конференции "Экологические проблемы рационального использования и охраны водных ресурсов",Вологда,1993, 1У Международной научно-технической конференции "Проблемы и перспективы использования солнечной энергии", Москва,1997, ХХ1Х научно-технической конференции, Пенза,1997,"Высокие технологии в современном материаловедении", Санкт-Петербург, 1997, научно-технической конференции "Фундаментальные исследования в технических университетах", Санкт-Петербург, 1997,

111 Международной конференции "Распознавание-97", Курск,1997.

Публикации. Результаты диссертационной работы изложены в 16 научных трудах, в том числе трех патентах.

Структура и объем диссертации.Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Материал изложен на 123 страницах, в том числе 33 рисунках, 13 таблицах и списка литературы, включающего 114 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении дана оценка актуальности, научной новизны и практической ценности работы, сформулирована задача настоящего исследования, отражающая основные вопросы, решаемые в диссертации, указаны положения, выносимые на защиту.

В первой главе изложены наиболее существенные для постановки задачи и трактовки результатов настоящего исследования, литературные данные по строению и свойствам металлфталоциани-нов, арсенида галлия и гетероструктурам на основе органических-неорганических полупроводников.

Обсуждаются структурные и физические свойства фталоциа-нинов. Проанализированы существующие методы получения тонких пленок фталоцианина меди и обоснован выбор метода вакуумного термического напыления для создания фотопреобразователей на их основе, а также определены оптимальные технологические условия их получения для поставленной цели.

Проанализированы диаграммы энергетических зон некоторых фталоцианинов и органических полупроводников,а также некоторых гетероструктур на основе органического и неорганического полупроводников.Показано, что основными недостатками гетероструктур на их основе являются низкая стабильность и высокая скорость рекомбинации неравновесных носителей у границы раздела, препятствующие их широкому практическому применению в качестве фотопреобразователей.

Дана краткая характеристика энергетической структуры нейтральных и ионизированных состояний органических полупроводников, а также механизмов фотогенерации носителей в них. Приведены зависимости свойств пленок от их молекулярной и кристаллической структуры. Сделан вывод, что низкая скорость рекомбинации носителей тока на границах ОП, обусловленная отсутствием на их поверхности разрывов химических связей, создает благоприятные условия для создания гетероструктур на их основе.

Систематизированы немногочисленные результаты исследований пленочных гетероструктур на основе неорганических и органических полупроводников, в том числе фталоцианинов, говорящие

об их превосходстве над гетероструктурами двух органических полупроводников и органических полупроводников и металлов.

В заключительной части первой главы на основе анализа литературных данных сформулированы основные задачи, которые необходимо решить для достижения целей исследований.

Во второй главе описаны методики измерений, алгоритмы обработки результатов, способы приготовления образцов.

Кристаллическую структуру пленок арсенида галлия, фтало-цианина меди, а также гетероструктур на их основе исследовали рентгеновским методом в CuKa-излучении на дифрактометре ДРОН-ЗМ.

Регистрацию спектров оптического пропускания и отражения исследуемых пленок и гетероструктур проводили на однолучевом спектрофотометре СФ-26. Измерения электрических свойств гетерост-руктур проводили по традиционным схемам с использованием универсальных вольтметров В7-26,В7-27,ЦЦ-300, нановольтметра 3-341, источника напряжений П4108. Математическую обработку экспериментальных данных проводили с использованием IBM PC 586.

Третья и четвертая главы содержат описание полученных результатов и основных закономерностей, выявленных экспериментально; проведено обсуждение их с привлечением необходимых литературных данных и обоснованы выводы, приведенные в заключении.

Рентгенографические данные {с^^для идентификации данных фаз отсутствовали.Для получения нибугов значений dhwJhki, были проведены прямые исследования вещества по методу порошка на ДРОН-ЗМ в излучении Cu-Ka.

Вид дифрактограммы показывает, что исследуемое вещество представлено кристаллической (дискретные рефлексы) и аморфной (гало) фазами. Интервал углов гало по 29 -(10° -16 °) с максимумом ~ 12,5° и (16° - 32°) с максимумом ~ 21,5°. Рентгеноструктурное исследование пленок на подложках было проведено для различных толщин напыленного слоя СиРс: тонкие - h<50 нм (500 А); толстые h = 115 нм. В тонких слоях материал пленки на дифрактограммах не выявляется -слабое рассеяние. В более толстых слоях дифракционные рефлексы напыленного материала были выявлены. На дифрактограммах от подложки с напыленной пленкой выявляется аморфная фаза (дифракционное гало) в угловом интервале по 2 8 - (23°-49°), как это имело место при исследовании подложки. Интенсивность дифракционных рефлексов от плоскостей (200) и (400) заметно снижена по сравнению с чистой подложкой - эффект экранирования. Материал подложки на дифрактограмме проявляется только одним самым интенсивным рефлексом в угловом интервале по 29 ~ 7°. Для напыленной пленки СиРс это рефлекс d=12,70 А.

Таким образом, из данных рентгеноструктурного исследования напыленного слоя СиРс на подложке СаАэ следует: в напыленном слое сохраняется кристаллическая фаза, присущая распыляемому веществу в макрообъеме.

Феноменологическая теория токов, ограниченных пространственным зарядом (ТОПЗ), получила дальнейшее развитие применительно к молекулярным кристаллам.

Проведенные исследования ТОПЗ для структуры ЭпОг/СиРс/Ад позволили определить характерные параметры для пленки фталоцианина меди. Толщина пленки составила 302 нм, 5=0,33 см2.

Результаты исследований позволяют считать, что электрическая проводимость в пленках фталоцианина меди является ограниченной пространственным зарядом. По экспериментальным результатам: и«=1,17 В, ^ = 4,57-10"4 А / см2, )2 = 1,38-10"4 А / см2, а также с использованием формул теории ТОПЗ были рассчитаны: доля свободных носителей 0=0,33; равновесная концентрация свободных носителей п0 = 9,37-1014 см'3; концентрация носителей, захваченных ловушками П1 = 1,9-1015см"3; подвижность свободных носителей цо =2,25-10"5 см2/В-с; удельная проводимость а =1,2-Ю"80м"1-см"1.

Измеренное значение емкости С=3,84 нФ позволяет проверить правильность определения толщины пленки СиРс при е=4. Рассчитанное значение подвижности свободных носителей равно 6,86-10"5см2/В-с, для с! = 302 нм, и = 1,8В, Т = 292К. Вычисленное значение толщины пленки равно 304 нм, что фактически доказывает правильность ее определения.

Учитывая наличие квадратического участка температурных ВАХ гетероструктуры р-СиРс/п-СаАэ, подтверждающего присутствие токов, ограниченных пространственным зарядом, построили зависимости концентрации свободных носителей п0 и доли свободных носителей 9 от обратной температуры. Из зависимости п0(Ю3/Т) определили положение уровня Ферми: (Е^1=0,36 эВ в области низких температур и (Е02=О,96 эВ в области высоких температур, что подтверждает зависимость уровня Ферми от температуры и при более высоком ее значении приближается к середине запрещенной зоны (для СиРс Ед=2эВ). Экстраполируя зависимость п0(Ю3/Т) при Т1=0К~1, определили плотность состояний Ыс= 1,2-1021см"3, что вполне соответствует органическим полупроводниковым материалам.

Для построения энергетической диаграммы были также определены диффузионные потенциалы - полный объемного слоя и слоя СиРс.

В связи с увеличением фотоэдс насыщения при отсечки фильтром ваАз, очевидно, возникает небольшой отрицательный потенциал 20 мэВ, который свидетельствует о наличии ¡-го слоя с р-типом проводимости незначительной доли акцепторов. Очевидно происходит диффузия Си в ОаАв, которая создавая глубокие центры захвата (ловушки), что приводит к компенсации донорной примеси до собственного полупроводника, а затем и перекомпенсации в р-тип с незначительной долей акцепторной примеси. Поскольку на границе слоя СиРс и ¡-го слоя существует поверхностный заряд и отрицательный диффузионный потенциал, наблюдается изгиб зон.

Используя экспериментальные результаты и их анализ, а также некоторые литературные данные для СаАэ построена энергетическая диаграмма гетероструктуры Ад/р-СиРс/п-ОаАБ/Ад, представленная на рис.1. Данная диаграмма имеет сложный вид. При поглощении кванта света слоем СиРс происходит образование нейтрального возбужденного состояния молекулы, т.е. образование экситона Френкеля. Затем в результате автоионизации нейтрального возбужденного состояния образуется квазисвободный электрон и локализованная дырка на возбужденной молекуле. В результате неупругих столкновений электрона с молекулами кристалла, удаляясь от своей исходной молекулы теряет избыточную кинетическую энергию, в результате чего образуются не свободные носители заряда, а СТ-состояния, связанные кулоновским взаимодействием электронно-дырояные пары и в дальнейшем при наличии сильного электрического поля создаваемого п-СаАв происходит распад СТ-состояний на границе раздела органического и неорганического полупроводников с образованием свободных носителей заряда.

Таким образом , построенная энергетическая диаграмма свидетельствует о сложной структуре границы раздела СиРс и ваАБ в связи с диффузией меди в СаАэ, образование ¡-типа перекомпенсированного слоя СаАэ и наличие на границе раздела слоя ¡-типа и слоя СиРс поверхностных зарядов.

В последнее время большое внимание уделяется свойствам дипольно активных экситонов, или экситонов с большой силой осциллятора. Для таких экситонов характерно сильное взаимодействие с поперечными фононами, ведущие фактически к образованию новых квазичастиц - поляритонов.

Для выяснения влияния поляризованного света нами была создана экспериментальная установка. Исследованная угловая зависимость фотонапряжения от длины волны, измеренная в диапазоне 400-1000 нм через 20 нм, при угле 0 от 43°до 48°. Оптимальным углом падения, причем только р-поляризованного света, оказался угол в 45°, поэтому дальнейшие исследования проводились именно для этого угла.

слой 1-типа

диаграмма гетероструктуры Ад / п-ваАБ /р-СиРс/Ад .

Исследованые зависимости фотонапряжения гетероструктуры п-СаАэ/р-СиРс от длины волны,из которых видно явное влияние сильного электрического поля возбуждающего поляритоны. Резко выраженный пик в области 620 нм и 800 нм,а также усиление фотонапряжения в области 800 нм почти в 20 раз при оптимальном угле падения 8 = 45° р-поляризованного излучения свидетельствует о влиянии возбужденных поляритонов.

Для подтверждения этого факта была исследована ВАХ при следующих условиях: максимум активной области спектра 800 нм; при угле падения 0 = 0° и 45° излучения ксеноновой лампы. Фактор заполнен нагрузочной характеристики увеличился в 1,8 раза при падения 0 = 45° р - поляризованного света.

Таким образом, представленные результаты демонстрируют, что возбуждение поверхностных поляритонов вызывает появление сильного электрического поля в органической пленке, что в свою очередь приводит к разрушению экситонов и рождению несвязанных между собой электронов и дырок.

При анализе экспериментальных данных по исследованию фотоэлектрических процессов в гетерострукгурах органический - неорганический полупроводник рассмотрена теоретическая модель, учитывающая все процессы происходящие в области пространственного заряда. Механизм фотогенерации носителей тока в исследуемой области спектра состоит из нескольких стадий. На первой стадии фотогенера-

ции после поглощения кванта света образуется возбужденный экси-тон, который либо рекомбинирует, либо диффундирует к границе раздела полупроводников, а затем участвует в создании свободных носителей согласно механизмам генерации в органическом полупроводнике. Уравнения переноса для нашей гетероструктуры представляют собой систему уравнений для экситонов в СиРс, для электронов в СиРс и для электронов в области пространственного заряда в ЗэАб. Произведен расчет плотности фототока для области пространственного заряда, причем составляющая его в СиРс равна толщине самого слоя.

Учитывая, что время жизни экситона достаточно мало (тэкс~10"9с), коэффициент диффузии экситона тоже незначителен (0экс~10"14см2/с), оценив длину диффузии экситона (1.ЭкС=10"11см), можно предположить, что при толщине пленки СиРс равной 10"6см экситон перемещается на незначительное расстояние, т.е. где рождается, там и распадается. В связи с этим определение плотности фототока несколько упрощается. Используя уравнения переноса для области пространственного заряда и граничные условия для данной модели, было получено выражение для плотности фототока:

1.

,(А.)= е0УВ2п2(х)( 0 = е0У0

С,+С2+

°2 +а1М-2Е21-2 ~а?02Ь2

где е0 = 1,6-10 19 Кл- заряд электрона; Ус = (—— ; /*- интен-

2 V Т2

сивность света; ОС} - коэффициент поглощения света СиРс; ц2- подвижность электронов в СиРс; Е2- среднее знечение напряженности электрического поля в СиРс; 12 - длина диффузии электрона в СиРс; й2- коэффициент диффузии электрона в СиРс ; ()- квантовая эффективность генерации фотовозбужденных электронов в СиРс; С1,С2 - константы интегрирования уравнений. Для расчета зависимости плотности фототока гетероструктуры р - СиРс / П - ОаАБ от длины волны света были использованы

экспериментальные результаты полученные в данной работе, а также некоторые литературные данные. Экспериментальная зависимость плотности фототока от длины волны незначительно расходится с модельным расчетом. СиРс играет роль оптического "окна", имеет высокий коэффициент поглощения в УФ-области (полоса Соре), можно предположить, что и фототок в этой области также будет достаточно высоким.

Таким образом, данный метод расчета хорошо согласуется с экспериментом и в дальнейшем может быть использован для расчета оптимальных параметров гетерострукгур.

Одним из наиболее важных параметров, определяющих практические свойства структур способных преобразовывать солнечную энергию является коэффициент преобразования энергии,г|.

Невозможность дальнейшего увеличения КПД в органических солнечных элементах приписывают к низкому квантовому выходу, к низкой эффективности генерации носителей заряда, высокому сопротивлению органических полупроводников.

В связи с этим количественные исследования эффективности преобразования энергии, позволяющие оценить процессы диссипации энергии по различным каналам, с целью выяснения возможных путей повышения КПД, весьма интересны.

Для этого выведем выражения, которые связывают внешнюю эффективность преобразования энергии, г^ с фотовольтаическими параметрами такими как напряжение холостого хода, V« током короткого замыкания,^с, фил-фактором, РР.

В итоге эффективность преобразования энергии:

V,

Г|ех1 = ЛаЬ • = ' ф|Щ • РР ■ (2)

Из выражения (2) видно, какой вклад во внешнюю эффективность преобразования энергии вносят четыре фактора: эффективность поглощения падающего излучения; эффективность использования энергии фотона поглощенного излучения активной областью, квантовая эффективность генерации носителей заряда и фил-фактор ( коэффициент заполнения нагрузочной характеристики).

Первый множитель т|аь, который показывает эффективность собирания падающего излучения, равен 0,32. Этот множитель вносит наиболее серьезное ограничение для увеличения эффективности преобразования энергии устройства с нашей гетероструктурой.

V

Второй множитель, ==■ . показывает, насколько эффективно

происходит преобразование энергии на фотон к энергии на электрон, равен 0.41. Этот множитель является вторым важным фактором, который подавляет эффективность преобразования энергии.

Третий множитель, ф^ , равен 0,7.

Последний множитель, РР - 0,49, сравним с аналогичным параметром для устройств из неорганических полупроводников.

Таким образом, коэффициент преобразования энергии численно равен:

ты = 0,32 • 0,41 • 0,7 • 0,49 = 0,045

Данный анализ эффективности преобразования энергии позволяет определить и охарактеризовать процесс диссипации энергии по определенному направлению, что дает возможность определить слабые стороны гетероструктуры и работать над возможным повышением величин, являющихся определяющими факторами в КПД гете-роструктур с органическим-неорганическим полупроводником. В основном низкая эффективность преобразования энергии в ОП/НП фо-товольтаических устройствах определяется двумя факторами: низкой эффективностью использования энергии падающего излучения и низкой эффективностью собирания неосновных носителей.

Для выяснения механизма деградации оптоэлектронных устройств на основе п-СаАэ/р-СиРс гетероструктуры нами была исследована спектральная зависимость отношения силы тока короткого замыкания ряда свежеприготовленных образцов (Л3°) и тока тех же образцов после их деградации. При измерении этой характеристики влияние несовершенных контактов сводилось к минимуму. Так как явление деградации в незащищенных образцах выражено более сильно по сравнению с защищенными, следует предположить, что окружающая среда оказывает существенное влияние на процессы протекания в СиРс.

Для подтверждения этого вывода нами были измерены емкости гетероперехода до и после деградации. В результате непрерывного освещения (75 мВт/см2) область пространственного заряда расширилась, более того, емкость деградировавших образцов становится независящей от приложенного напряжения, так как, очевидно, возникает высокоомный слой, на который и падает практически все напряжение.

Изменения в барьерной области гетероструктуры п-6аАз/р-СиРс неизбежно отражаются на значениях коэффициента неидеальности ВАХ,п. За время деградации было отмечено уменьшение коэффициента заполнения ВАХ (РР) от 0,49 до 0,25.

Таким образом, исследование незащищенных образцов, в которых ухудшение параметров протекает наиболее ясно, свидетельствует о существовании взаимосвязанных причин деградации. Прежде всего с изменением свойств СиРс и изменением параметров в области пространственного заряда на границе п-баАв/р-СиРс.Большой интерес с практической точки зрения представляет изучение деградации фотоэлементов с гетероструктурой п-СаАБ/р-СиРс в условиях повышенной влажности, так как их эксплуатация осуществляется на открытом воздухе и при изменяющихся атмосферных условиях. Незащищенные нелегированные фотоэлементы с гетероструктурой СаАв/СиРс не выдерживали испытания в таких условиях более 10 дней.

Герметизация фотоэлементов значительно увеличивает срок службы изделий, однако и в этом случае отмечено некоторое ускорение

деградации, связанное с проникновением через поры,капилляры и микротрещины герметиков.

Наблюдаемая деградация, стимулированная водяными парами, может быть объяснена следующим образом. Адсорбированные на по верхности фотоэлемента молекулы воды диссоциируют с образованием ионов ОН" и Н\ Образовавшиеся ионы водорода Н могут захватывать электроны из объема полупроводника с переходом в атомарное состояние. Известно,что атомы водорода объединяются в молекулу с выделением энергии

Н + Н Н2 + Q,

где Q = 4,48 эВ на молекулу. Энергия этой реакции стимулирует диффузию меди через границу раздела двух веществ при реакции рекомбинации атомарного водорода в молекулярный. Ранее было показано, что при диссоциации молекул воды на поверхности фотоэлемента образуются ионы ОН' эти ионы также являются активными и могут вступать в реакцию с медью,образуя Си(ОН)г-

Интерес представляет испытания фотоприемников на устойчивость к периодическому изменению температуры. Экспериментальные исследования показали, что при циклическом изменении температуры на воздухе от 20°С-90°С (продолжительность каждого цикла 600с) напряжение холостого хода гетерофотоэлементов уменьшалось на 1015 мВ после двухсот термоциклов, а затем стабилизировалось.

Таким образом, механизмом ускорения деградации CuPc/GaAs фотоэлементов в условиях повышенной влажности является протекание электрохимических реакций на поверхности раздела атмосфера-полупроводник. Легирование СиРс кислородом замедляет процесс деградации, однако для полной стабилизации характеристик приборов необходимо устранить контакт активной поверхности с окружающей средой с использованием герметиков.

На основе изученной гетероструктуры CuPc/GaAs создан измеритель интенсивности УФ-излучения, обладающий следующими техническими характеристиками:

1.Диапазон измерения интенсивности УФ- 0,1-10 излучения, Вт/м2

2.Диапазон измерения интенсивности светового 0,01-10

излучения, Вт/м2

3.Спектральный диапазон длин волн:

а). УФ-излучения , нм

б). Светового излучения,нм

4.Погрешность измерений при

а), низких уровнях (0,01-10 Вт/м2),%

б), высоких уровнях (100-10 Вт/м ),%

5.Температура окружающей среды, °С

6.Габаритныеразмеры,не более, мм

7.Масса, не более, кг

200-400 400-900

10 2

-20 - +50 100x120x150 0,5

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1.Установлены основные технологические условия изготовления гетероструктуры р-СиРс/п-СаАв с широкой спектральной областью фоточувствительности.

2.Изучена кристаллическая структура пластин арсенида галлия, фталоцианина меди, а также гетероструктуры на их основе. Рент-геноструктурные исследования позволили установить,что в напыленном слое СиРс сохраняется кристаллическая фаза присущая распыляемому веществу в макрообъеме.

3.Температурные темновые вольт-амперные характеристики гетероструктруты р-СиРс/п-СаАБ доказали существование квадратичного участка,который подтверждает,что в СиРс токи ограничены пространственным зарядом.

4.3онная диаграмма гетероструктуры, построенная на основе экспериментально полученных величин, свидетельствует о сложной структуре границы раздела фталоцианина меди и арсенида галлия в связи с диффузией меди в СэАб, образование перекомпенсированного слоя СаАэ, с проводимостью близкой к собственной и наличие на границе раздела этого слоя слоя СиРс поверхностных зарядов.

5. Широкая спектральная чувствительность фотоприемников на основе гетероструктуры подтвердили правильность выбора компонент составляющих ее.

6. Изучение влияния поляризованного света на гетерострукту-ру р-СиРс/п-СаАэ показала, что р-поляризованный свет, падающий под углом 45° вызывает увеличение фотонапряжения в 20 раз в области 800 нм, а коэффициент нагрузочной характеристики фотоприемника на основе гетероструктуры р-СиРс/п-СаАэ увеличился в 1,8 раз.

7. Оценены процессы диссипации энергии по различным каналам с целью выяснения возможных путей повышения КПД фотоприемника на основе гетероструктуры р-СиРс/п-СаАэ.

8. Впервые проведено комплексное исследование процессов "старения" гетероструктуры р-СиРс/п-СаАз в условиях атмосферы и условиях повышенной влажности. Установлено, что определяющая роль в уменьшении фотовольтаических параметров принадлежит верхнему электроду, а защита гетероструктуры кремнийорганическим герметиком позволит увеличить их стабильность.

9. На базе гетероструктуры р-СиРс/л-СаАБ создан УФ-фотоприемник (пат. №2039372) и твердотельный преобразователь солнечной энергии в электрическую (пат. №2071148).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНО В

РАБОТАХ:

1. Федоров М.И..Корнейчук С.К. Фотоприемники с широкой спектральной фоточувствительностью//Известия вузов. Физика.-"! 992,-ЫИ.Деп.

2. Федоров М.И., Корнейчук С.К.,Маслеников C.B. Ультрафиолетовый фотоприемник с анизотипным гетеропереходом GaAslCuPcll Международная конференция. Инженерные проблемы экологии.Вып.2. Вологда: ВоПИ, 1993.-С.83-87.

3. Федоров М.И.,Шорин В.А., Корнейчук С.К., Маслеников C.B. Пол. реш. о выдаче патента на изобр. от 19.02.93.г. по заявке N 5042272/25 (023088) от 15.05.92.

4. Корнейчук С.К., Федоров М.И. Использование ультрафиолетовых фотоприемников на основе GaAs/CuPc при обеззараживании питьевой воды// Научно-техническая конференция." Экологические пробдемы рационального использования и охраны водных ресурсов". Вологда: ВоПИ, 1994,- С.43.

5. Федоров М.И., Корнейчук С.К. Исследование ультрафиолетовых фотоприемников на основе арсенида галлия и фталоцианина меди// 1Y Международная научно-техническая конференция: Тез.докл,-Москва, 1994, С.85-87.

6. Пат. N 2039372 от 11.01.94 Федоров М.И., Шорин В.А. Маслеников C.B., Корнейчук С.К.: Способ получения ультрафиолетового преобразователя с широкой спектральной фоточувствительностю// ВоПИ. (Россия).

7. Корнейчук С.К.,Федоров М.И. Исследование твердотельных преобразователей солнечной энергии на основе гетероперехода GaAs/CuPc// Сборник научных трудов. Часть 3. Вологда : ВоПИ, 1995,-С.191-196.

8. Пат. № 2071148 Кл.Н 01 L 31/18.Федоров М.И., Шорин В.А., Корнейчук С.К., Маслеников С.В.Способ изготовления твердотельного элемента для преобразования энергии света в электрическую энергию// ВоПИ. (Россия),27.12.96.

9. Корнейчук С.К.,Федоров М.И. Фотоэлектрические характеристики фотоприемников на основе гетероперехода GaAs/CuPc// Изв. вузов. Физика. - 1996.-N7.-C.45-47.

10. Корнейчук С.К. Фотопреобразователи на основе смешанных ге-тероструктур//Научно-практическая конференция "Проблемы и перспективы использования солнечной энергии ". Тез. докл. - Москва, 1997, С.14.

11. Корнейчук С.К. Оптические свойства неидеального гетероперехода органический-неорганический полупроводник //ХХ1Х научно-техн.конф. Тез.докл.- Пенза,1997,С.108.

12. Мусихин С.Ф., Корнейчук С.К. Слоистые структуры на основе органических полупроводников//"Высокие технологии в материаловеде-нии".Тез.докл .-СП6.-1997.С.47.

13. Мусихин С.Ф.,Корнейчук С.К.Влияние возбужденных полярито-нов на фотоэлектрические свойства гетероструктуры п-СаАБ/р-СиРс//"Фундаментальные исследования в технических университетах",Тез.докл.СПб., 1997,С.226-227.

14. Пат. № 2080590 Кл. в 01 N 27/12 Федоров М.И., Шорин В.А., Максимов В.К., Корнейчук С.К. Способ изготовления тонкопленочного датчика газа для анализа аммиака в газовой среде//ВоПИ. (Россия), 27.05.97 Бюл.№15.

15.Корнейчук С.К., Мусихин С.Ф.Органические-неорганические гетероструктуры - новые материалы для полупроводниковых фотопри-емников//"Распознавание-97", Тез. докл.-Курск, 1997, С.138-140.

16. Корнейчук С.К., Микрюкова О.И., Микрюков С.Е. Моделирование фотоэлектрических процессов в гетеросистемах органический-неорганический полупроводник//Сб.науч.трудов ВоПИ,1997,ч.1 ,С.110-114.