Группа учёных ЮУрГУ – Борис Полевой, Дмитрий Жеребцов, Дмитрий Живулин, Данил Ненарокомов, Александр Воронцов вместе с Дмитрием Годовским из Москвы представили технологию создания фоторезистивных плёнок на основе сульфидов кадмия и свинца с помощью осаждения в вакууме.
Напомним, фоторезистентность – это когда материал в темноте слабо проводит электрический ток, а при освещении — начинает проводить гораздо лучше. Чем сильнее свет, тем ниже сопротивление. Современный инженер увидит в этом потенциальную пользу для информатики. Если нанести фоторезистентный материал тонкой плёнкой, например, на кремниевую подложку получится «чип», которым можно управлять с помощью светового луча. Или сенсор, реагирующий на состояние среды.
Известны два фоторезистетных материала – сульфид свинца и сульфид кадмия. У каждого особая «специализация». Сульфид свинца – один из самых чувствительных материалов в видимой и ближней инфракрасной области спектра. Его «партнер», сульфид кадмия, отлично работает в сине-зелёной части спектра.
Вот бы объединить их качества! Для этого создаётся «твёрдый раствор» из двух сульфидов. Регулируя в нём доли сульфида свинца и сульфида кадмия, можно добиться состава плёнки, «настроенного» на необходимый участок светового спектра.
Химический синтез таких плёнок неудобен в электронике. Поэтому группа уральских учёных предложила использовать вакуумные методы — магнетронное распыление и электронно-лучевое испарение. Эти методы наиболее удобны при создании современных микросхем.
В ходе эксперимента учёные создали два вида плёнок.
Методом DC-магнетронного распыления плёнки, содержащие 4% кадмия, нанесли на подложки из ситалла (стеклокерамики) и из окисленного кремния. Толщина плёнок варьировалась от 50 до 500 нанометров. И для сравнения электронно-лучевым испарением на такие же образцы нанесли плёнки, содержание 12% кадмия.
Некоторые образцы после осаждения подвергали отжигу при 250 °C в течение часа, чтобы улучшить их свойства. Затем на плёнки нанесли никелевые электрические контакты.
Самый лучший фоторезистивный эффект показали плёнки с 4% кадмия, полученные магнетронным распылением. Нанесённые на кремниевые подложки они демонстрировали скорость срабатывания на свет всего за 25 микросекунд! При этом сопротивление в темноте и сопротивление при свете различались в 5 раз. Варианты со стеклокерамической подложкой дали более слабые результаты.
Почему кремний оказался лучше ситалла? Подложка из кремния не просто механическая опора. На границе между плёнкой и кремнием, вероятно, образуется гетеропереход — структура, которая сама по себе способствует разделению фотоэлектрических зарядов. Это открывает путь к интеграции фоторезистивных слоёв прямо в кремниевые чипы.
А вот плёнки, нанесённые электронно-лучевым испарением, фоторезистивного эффекта не показали. Учёные полагают, что мощный электронный луч перегрел материал и разрушил его фоточувствительную структуру. Правда этим методом удалось нанести плёнки из чистого сульфида кадмия, но те реагировали на свет гораздо медленнее: за 125-500 микросекунд вместо 25.
Реакция за 25 микросекунд 25 мкс делает плёнки пригодными для таких задач, как регистрация искр, пламени, света лазеров.
Работа опубликована в «Вестнике ЮУрГУ», в серии «Математика. Физика. Механика». http://dx.doi.org/10.14529/mmph260109.
Остап Давыдов