Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,674

Personal portfolio

PHOTORESISTOR NEAR UV RANGE BASED ON ZNO NANOCRYSTALLINE FILMS

Ptashnik V.V. 1 Zamburg E.G. 1 Varzarev Y.N. 1 DzhuplynV.N. 1 Shornikov R.S. 2
1 Federal State Autonomous Educational Institution of Higher Professional Education «Southern Federal University», Rostov-on-Don
2 Institute of Silicate Chemistry of RAS, Saint-Petersburg
Detection and analysis of the UV spectrum is an important task for the space industry, and therefore the interest in wide-materials increases. Work on making the layout photoresistor near UV range based on nanocrystalline films ZnO, by pulsed laser deposition (PLD). The experiment measured the dark and light currents calculated tangents of angles IV characteristics dark and light currents, calculated current photo and the integral sensitivity of the photoresistor. A graph of the current time characteristic previous photoresistor by UV, revealed slow growth of the current and long-term decline due to the current long lifetime of the charge. A plot of pulse mode at constant photoresistor exposure to UV, as well as the conclusion that this regime is the best mode of operation of the aphotoresistor.
nanotechnology
photoresistor
nanocrystalline film
ZnO
ultraviolet
1. Ageev O.A., Kolomiytsev A.S., Smirnov V.A., Ptashnik V.V. ,Solodovnik M.S., A.A., et.al. Obtaining nanoscale structures based on nanotechnological facilities NanoFabNTK-9 // Southern Federal University. Engineering. 2011. T. 114. no. 1. pp. 109–116.
2. Konoplev B.G., Ageev O.A. Elion and probe nanotechnology for micro-and nanosystem technology // News Southern Federal University. Engineering. 2008. T. 89. no. 12. pp. 165–175.
3. Ageev O.A., Smirnov V.A., Zamburg E.G., Serbu N.I., Tominov R.V. Regularity Investigation Of Nanostructured ZnO Films Memristive Effect By Atomic-Force Microscopy // Proc. of «Nano and Giga Challenges in Electronics, Photonics and Renewable Energy» Symposium and Summer School, Moscow – Zelenograd, Russia, September 12–16, 2011, рp. 170.
4. Ageev O.A., Zamburg, E.G. Mikhailichenko A.V., Ptashnik V.V. Temperature effect on the electrical properties of nanostructured ZnO and VOx films // Proc. of «Nano and Giga Challenges in Electronics, Photonics and Renewable Energy» Symposium and Summer School, Moscow – Zelenograd, Russia, September 12–16, 2011, p. 202.
5. Safa O. Kasap, Peter Capper (2006). Springer handbook of electronic and photonic materials. Springer. pp. 54,327. ISBN 0-387-26059-5.

Детектирование и анализ УФ-спектра является важной задачей для космической отрасли, в связи с чем интерес к широкозонным материалам (Eg > 3,1 eV) растёт. Наиболее перспективным являются материалы группы AIIBVI, и в частности ZnO с Eg = 3,37 eV [5], это связано с достаточно доступной технологией синтеза нанокристаллических плёнок методом ИЛО (импульсного лазерного осаждения). Целью данной работы является проведение исследований и изготовление макета фоторезистивного датчика УФ-диапазона на основе нанокристаллической плёнки ZnO, полученного методом ИЛО и реализованном в одном из модулей сверхвысоковакуумного многофункционального нанотехнологического комплекса НАНОФАБ НТК-9 [2].

Материалы и методы исследования

В ходе экспериментальных исследований был изготовлен макет фоторезистора УФ-диапазона. Конструкция макета представлена на рис. 1,б; на поверхность ситалла марки СТ-50-1 (соответствует техническим условиям ПГКЖ.431.431.003 ТУ) осаждались титановые контакты длиной 7 мм, шириной 0,2 мм, расстояние между контактами составляет 1 мм; далее на поверхность контакта осаждалась плёнка ZnO толщиной 50 нм с применением модуля импульсного лазерного осаждения (ИЛО) нанотехнологического комплекса НАНОБАБ НТК-9 (ЗАО «Нанотехнология – МДТ», Россия) [1, 2, 3], камера модуля импульсного лазерного осаждения откачивалась с помощью турбомолекулярного насоса до давления 1×10–6 Торр. Для осаждения плёнки реактивным методом в атмосфере кислорода использовалась мишень цинка (Zn) чистотой 99,99 %. Режим осаждения плёнки ZnO представлены в таблице.

Параметры ИЛО

Количество лазерных импульсов

Частота импульсов, Гц

Плотность мощности, Вт/см2

Энергия луча, мДж

Расстояние мишень-подложка, мм

Атмосфера

Давление, Торр

Температура, °С

50 000

10

1,5

280

40

О2

1Е-2

800

Результаты исследования и их обсуждение

Измерения вольт-амперных и вольт-временных характеристик проводились на пикоамперметре Keithley6487; в качестве источника УФ применялась ртутная лампа ДРЛ80 (без люминофора). Пики мощности светимости лампы приходятся на λ = 368 нм и на λ = 437 нм, более 80 % мощности излучения приходится на УФ-диапазон. Измерения проводились при комнатной температуре 23 °С (±2)

В ходе анализа вольтамперных характеристик (рис. 1), были установлены значения темнового IT = 3,39•10–5 А и светового токов IС = 9,25•10–4 А.

Результирующий фототок является важнейшим параметром, определяющим чувствительность фоторезистора, и рассчитывается по формуле

IФ =IC – IT. (1)

Исходя из формулы (1) фототок равен 8,91•10–4 A.

Интегральная чувствительность фоторезистора определялась по формуле

Eqn13.wmf (2)

где Ф – световой поток, лм.

pic_72.tif

Рис. 1. a – темновая и световая вольтамперные характеристики фоторезистора (IT, IC);б – снимок макета ФР

Исходя из формулы (2) интегральная чувствительность фоторезистора оценена нами как 1,782•10–7 А/лм.

Также были установлены тангенсы углов наклона световой характеристики γ в темноте и под УФ, γT = 0,73, γС = 0,67 соответственно. Из вольт-амперных характеристик были рассчитаны темновое RТ и световое RС сопротивления фоторезистора – 147,5 и 5,4 кОм соответственно.

В ходе анализа токо-временной характеристики (рис. 2),установлены времена нарастания (τН) и спада (τСП) фотосигнала. Время нарастания фототока после включения лампы составило ~ 60 с, время спада фототока после выключения лампы составило ~ 600 с. Инертность реакции может быть обусловлена высоким временем жизни и малой подвижностью носителей тока, а также повышающейся температурой [2] образца при длительном освещении УФ-лампой (+ 20 °Cк исходной температуре). По нашему мнению, нестабильность тока в верхней точке графика, представленного на рис. 2, объясняется свойствами наноструктурированной плёнки ZnO. В плёнке содержится большое количество межзеренных границ, представляющих собой нескомпенсированные ионные связи между Zn и кислородом. При воздействии УФ-излучения нанокристаллическая плёнка теряет часть кислорода по границам зерен и увеличивает металлическую проводимость. Далее начинается движение ионов металла к поверхности и повторное окисление.

Выводы

В ходе работы был изготовлен макет ФР ближнего УФ-излучения на основе нанокристаллической плёнки ZnO, полученной методом ИЛО, и исследованы его характеристики. Время спада сопротивления ФР до минимального значения под действием УФ составляет 60–65 с, интегральная чувствительность составила 1,782•10–7 А/лм, отношение RT/RC ≈ 21. Оптимальным режимом работы для данного макета является импульсный режим (см. рис. 3) с отслеживанием тренда токовой составляющей. Результаты данной работы будут использованы для конструирования фоторезистора УФ-излучения с более высокой пороговой и интегральной чувствительностью.

pic_73.wmf

Рис. 2. Токовременная характеристика ФР(U = 5В)

pic_74.tif

Рис. 3. Импульсный режим опроса ФР (U = 10B) при постоянном освещении УФ

Работа выполнена при поддержке государственными соглашениями № 12-08-90045/12, № 14.А18.21.0126, № 14.A18.21.0923, № 14.A18.21.0933, № 14.A18.21.0900, № 14.A18.21.0887, № 14.A18.21.1206 в рамках проектов РФФИ и ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009–2013 годы.