Прозрачный гетеропереход на основе оксидов

Полезная модель относится к полупроводниковым приборам, работающим на n-р переходе и прозрачным в видимом диапазоне спектра. Прозрачный диод является основным элементом прозрачной оптоэлектроники. Прозрачный фотодиод, поглощающий УФ излучение и прозрачный в видимом диапазоне спектра перспективен для применения в качестве дисплея мобильных устройств, способного осуществлять их дополнительную подзарядку, а также в качестве покрытия стекол для создания источника дополнительной солнечной энергии. Число приложений в сегменте дисплеев и окон растет из-за быстрого технологического прогресса и увеличения спроса на компактные, сложные и технологически продвинутые продукты на рынке.
Вместе с прозрачными проводящими оксидами n-типа такими как оксид цинка (ZnO) и оксид цинка легированный алюминием, ZnO:Al (AZO), проводящие оксиды р-типа проводимости обеспечивают следующий уровень в области «прозрачной» электроники нового поколения энергетически эффективных устройств оптоэлектроники. Полностью "прозрачный" p-n переход является так называемым «функциональным окном», которое пропускает видимый свет и в то же время производит электроэнергию, поглощая ультрафиолетовый свет.
2
2
Для создания прозрачного в видимом спектральном диапазоне гетероперехода, необходимо наличие полупроводников n- и р-типа проводимости с шириной запрещенной зоны более 3 эВ. Прозрачные проводящие оксиды (ППО), являются хорошими претендентами на эту роль. Сами по себе ППО являются по большей части полупроводниками n-типа проводимости. Подбор и получение ППО р-типа проводимости, имеющих хорошую согласованность зонной структуры с оксидом n-типа - основная задача для получения прозрачного р-n перехода. Хорошо на роль полупроводников р-типа подходят структуры типа делафоссита (CuAlO, CuCrO). Вторым по значимости для образования гетероперехода является оксид никеля (NiO). Для осуществления протекания тока через р-n переход, необходимо хорошая согласованность параметров решетки двух материалов.
2
2
2
Согласование зон между оксидами р- и n-типа играет критическую роль для образования гетероперехода. Делафоссит CuAlO имеет значения параметров, таких как электронное сродство и ширина запрещенной зоны более близкие к AZO, чем NiO. Таким образом, разрывы зон в паре p-CuAlO/n-AZO меньше, чем в паре p-NiO/n-AZO. Кроме этого, делафосситы имеют гексагональную структуру, как и AZO, тем самым больше вероятность получения хорошей границы между ними. Два этих фактора обусловили выбор CuAlO в качестве пары для AZO для создания прозрачного гетероперехода.
2
Известен прозрачный для видимого излучения фотодиод (патент US 6936865 В2, опубликован 30 августа 2005 г.), получаемый импульсным лазерным напылением, состоящий из прозрачной диэлектрической подложки с нанесенным на нее прозрачным проводящим оксидом индия - олово (ITO) толщиной от 0,1 до 0,2 мкм и р-n перехода. Р-n переход сформирован пленкой р-типа CuAlO, нанесенной на слой электрода ITO и пленкой n-типа, ZnO, нанесенной поверх р-слоя. Толщина n- и р-слоев составила по 0,4 мкм. Верхний n-слой также выполняет функцию второго электрода. В данной структуре при облучении ее светом УФ-диапазона наблюдается генерация тока, при этом сама структура обладает средним значением пропускания 48% в диапазоне от 400 до 700 нм. Вольт-амперная характеристика полученного устройства соответствует диодной, тем самым подтверждается образование гетероперехода.
2
Недостатком данного устройства является низкое значение пропускания в видимом диапазоне спектра, которое является граничным значением для определения электроники как «прозрачной». Низкое значение пропускания связано с нарушением планарности границы р-n перехода, наличием дефектов на границе и рассеяние света на них. Авторы связывают плохую границу гетероперехода с аморфной структурой получаемого слоя CuAlO.
2
Известна прозрачная для видимого излучения гетероструктура, выбранная в качестве прототипа (патент CN 102244010 B, опубликован 16 ноября 2011 г.), представляющая собой тонкопленочный гетеропереход p-CuAlO/n-ZnO:Al, изготовленный на прозрачной подложке методами растворной химии.
Устройство состоит из:
- Прозрачная диэлектрическая подложка (кварц);
2
2
- Пленка р-типа проводимости CuAlO толщиной 280 нм, нанесенная на диэлектрическую подложку методами золь-гель технологии. Полоска пленки CuAlO закрывается маской, для последующего нанесения серебряного контакта;
- Пленка n-типа проводимости ZnO:Al толщиной 480 нм, нанесенная на слой р-типа проводимости методом спрей-пиролиза. Слой ZnO:Al, нанесенный на маску и сама маска удаляются;
2
- Серебряный контакт, нанесенный на слой р-CuAlO;
- Серебряный контакт, нанесенный на слой n-ZnO:Al.
Толщина устройства 1200 нм.
Среднее значение оптического пропускания полученной структуры составляет 50%.
Устройство работает следующим образом. При приложении напряжения к серебряным контактам регистрируется ток. Вольт-амперная характеристика полученной структуры является диодной, что говорит о том, что образовался гетеропереход при нанесении слоев n- и р-типа проводимости методами растворной химии. Включающее диод напряжение около 0,4 В, максимальный прямой ток 6,8 мкА.
Недостатком данной гетероструктуры является низкое значение пропускания в видимом диапазоне спектра, что говорит о дефектах на границе р-n перехода.
Предлагаемая полезная модель решает проблему затемнения границы гетероперехода в прозрачных диодных структурах. Поставленная задача решается за счет достижения технического результата, заключающегося за счет увеличения значения пропускания n-слоя проводимости и уменьшения пустот и дефектов на границе гетероперехода. Данный технический результат достигается тем, что прозрачный гетеропереход на основе оксидов, содержащий подложку с последовательно нанесенными пленкой алюмината меди в качестве р-слоя и поликристаллической пленкой оксида цинка легированного алюминием в качестве n-слоя, а также с серебряными электродами нанесенными на эти слои, отличается тем, что подложка выполнена из плавленого кварца, пленка оксида цинка выполнена толщиной от 82 до 87 нм, легирована алюминием с молярным соотношением Zn:Al, 1:0,03, размер ее зерен равен 9-12 нм, пленка алюмината меди выполнена толщиной от 75 до 85 нм, легирована хромом с молярным соотношением Cu:Al:Cr, 1:0,5:0,5, представляет собой поликристаллический слой с размером зерен 50-57 нм, поликристаллические зерна оксида цинка легированного алюминием ориентированы осями [101] и [100] относительно направлений [101] и [006] поликристаллов алюмината меди легированного хромом с рассогласованием менее 1%.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется следующим.
Прозрачный гетеропереход на основе оксидов (Фиг. 1), состоит из:
- прозрачной подложки 1 из плавленого кварца толщиной до 1000 мкм;
2
- слоя р-типа проводимости 2 из алюмината меди легированного хромом (CuAlCrO) с молярным соотношением Cu:Al:Cr, 1:0,5:0,5, толщиной от 75 до 85 нм;
- слоя n-типа проводимости 3 из оксида цинка легированного алюминием (ZnO:Al) с молярным соотношением Zn:Al, 1:0,03, толщиной 82 до 87 нм;
- двух серебряных контактов 4, нанесенных соответственно на слой n-типа и на слой р-типа проводимости.
Предлагаемое устройство работает следующим образом: при приложении напряжения к контактам наблюдается протекание тока через структуру. Измеренная вольт-амперная характеристика от -7 до 7 В соответствует диодной (Фиг. 2, а), что подтверждает образование гетероперехода. Вольт-амперные характеристики между серебряными контактами и n- и р-слоями соответственно (Фиг. 2, б) имеют линейную зависимость, что говорит об омическом контакте между ними, не вносящем искажений в вольт-амперную характеристику гетероперехода.
В основе изобретения лежит эффект образования резкой границы поглощения в слое алюмината меди при легировании его хромом, несмотря на то, что край поглощения материала смещается к большим длинам волн при легировании, абсолютное значение оптического пропускания в видимой области спектра достигает 60% при 400 нм и увеличивается до 80% в длинноволновой области видимого и ближнего ИК диапазонов, по сравнению с плавным нарастанием пропускания для слоя алюмината меди без легирования с 40% для 400 нм.
2
2
Второй эффект, влияющий на образование планарной гетерограницы (Фиг. 3), это заданная ориентация поликристаллов CuAlCrO на подложке из плавленого кварца, которая позволяет поликристаллам AZO формировать слой вдоль направлений с минимальным рассогласованием межплоскостных расстояний. Легкость встраивания зерен AZO на поликристаллической пленке CuAlCrO и планарность формируемой гетерограницы также упрощает формируемый более мелкий размер зерен AZO.
Среднее оптическое пропускание предлагаемого устройства в диапазоне от 500 до 1000 нм составляет 65% (Фиг. 4). Предлагаемое тонкопленочное устройство не затрудняет видимость изображения, его можно наносить на поверхность окон и дисплеев (Фиг. 5).