Способ определения квантового выхода ионов металла в полупроводник в светочувствительной системе полупроводник-металл

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КВАНТОВОГО ВЫХОДА ИОНОВ МЕТАЛЛА В ПОЛУПРОВОДНИК В СВЕТОЧУВСТВИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЕ ПОЛУПРОВОДНИК-МЕТАЛЛ(71) Заявитель Учреждение образования Брестский государственный университет имени А.С.Пушкина(72) Автор Костко Владимир Семенович(73) Патентообладатель Учреждение образования Брестский государственный университет имени А.С.Пушкина(57) Способ определения квантового выхода ионов металла в полупроводник в светочувствительной системе полупроводник-металл, заключающийся в том, что последовательно наносят напылением на диэлектрическую подложку слой металла в виде полоски-змейки толщиной 200 нм и слой полупроводника толщиной 50-150 нм, измеряют сопротивление слоя металла до облучения системы полупроводник-металл , экспонируют систему полупроводник-металл ультрафиолетовым или видимым светом, измеряют энергию, поглощенную системой полупроводник-металл, для определения числа фотонов , измеряют сопротивление слоя металла после облучения системы полупроводник-металл , определяют квантовый выход ионов металла в полупроводникиз выражениягде- число ионов металла, диффундировавших из слоя металла в полупроводник- плотность металла- число Авогадро 14091 1 2011.02.28- ширина полоски металла Н - толщина полоски металла- длина облучаемого участка- молекулярный вес металла- общая длина полоски металла. Предложенный способ определения квантового выхода ионов металла в полупроводник в светочувствительной системе полупроводник-металл может найти практическое применение в фотолитографии, оптотехнике фотокатодов и систем полупроводникметалл. Светочувствительная система полупроводник-металл представляет собой неравновесную систему. Компонентами такой неравновесной системы являются взаимодействующие между собой слои полупроводника, металла и атмосфера. Это взаимодействие, лежащее в основе фотографической чувствительности систем полупроводник-металл, проявляется во взаимном переносе ионов из металлического и полупроводникового слоев с последующим их химическим взаимодействием. Таким образом,при облучении системы полупроводник-металл фотоактивным светом происходит взаимная диффузия ионов металла и полупроводника 1-5. Для количественной оценки фотохимических превращений, происходящих в системе полупроводник-металл,необходимо определить квантовый выход ионов металла в полупроводник светочувствительной системы. Квантовый выход, являясь важной характеристикой фотохимической реакции, отражает соотношение прореагировавших атомов (ионов) и поглощенных фотонов. Известен метод определения квантового выхода ионов металла в полупроводник, базирующийся на зависимости удельного сопротивления тонких (5-30 нм) слоев металла от толщины 4. В нем из экспериментально построенной зависимости удельного сопротивления от толщины металлического слояопределялась толщина фоторастворенного в 23 слоя , соответственно и количество диффундировавших ионов серебра. Основным недостатком предложенного способа является нелинейная (экспоненциальная) зависимость удельного сопротивления металла от толщины слоя, что сопряжено с большими погрешностями, особенно при возрастании толщины металлического слоя, и значительными временными затратами при построении экспериментальной зависимости . Метод не применим в случае больших толщин металла, для которых удельное сопротивление металла, являясь неизменным, не зависит от толщины металла. Отличительная особенность предлагаемого способа от прототипа 4 состоит в том,что предложено аналитическое выражение для квантового выхода, зависящее от сопротивления металлического слоя. Металлический слой системы берется заведомо большой,чтобы его физические характеристики (электрическое сопротивление) соответствовали характеристикам массивного (толстого) металла. Измерение изменения сопротивления,обусловленного утоньшением металлического слоя за счет ионов, диффундировавших под действием света в полупроводник, выполняется непосредственно в процессе облучения системы традиционным (электрическим) методом. Квантовый выход светочувствительной системы определяется соотношением где- число ионов, диффундировавших из металла в полупроводник под действием поглощенных фотонов- число квантов света, поглощенных исходным веществом 6, 7. Число квантов света , поглощенных системой полупроводник-металл на данной длине волны, определяется с помощью калиброванного фотоприемника по поглощенной 2 14091 1 2011.02.28 системой полупроводник-металл энергии, которая рассчитывается по величине падающей энергии за вычетом отраженной и прошедшей энергий. Таким образом, определениесводится к определению . До облучения системы фотоактивным светом сопротивление металлической змейки 3 где- удельное сопротивление металла,- общая длина металлической полоски- ширина,- толщина полоски. При облучении системы полупроводник-металл происходит диффузия атомов (ионов) металла из металлического слоя 3 в слой полупроводника 2. Экспериментально обнаружено, что проводимость чистого и легированного частицами металла полупроводника значительно ниже проводимости оставшегося металлического слоя. Легко показать, что сопротивление металлического слоя после облучения системы,(3) где- эффективная глубина облучаемого участка ,- толщина металлического слоя и длина облучаемого участка. Эффективная глубина- это глубина металлического слоя, на которой образовались непроводящие продукты реакции. Как следует из выражений (2) и (3), В свою очередь, число ионов металла, диффундировавших из области облучаемого участка в полупроводник,где ,- плотность и молекулярный вес металла соответственно- число Авогадро. Как следует из выражения (5), значениеявно не зависит от эффективной глубины ,удельного сопротивления , и поэтому отпадает необходимость в их определении - достоинство метода. Пример Система полупроводник-металл изготавливается последовательным термическим напылением в вакууме (10-5 мм рт. ст.) на диэлектрическую подложку 1 с токоподводящими серебряными контактами 4 через трафарет металлического слоя в виде полоскизмейки 3 шириной полоски 0,25 мм и общей длиной 92,5 мм (толщиной до 200 нм) и полупроводникового слоя 2 (толщиной 50-150 нм) (фигура). Величина сопротивления металлической полоски-змейки зависит от условий напыления (толщины змейки), рода металла и при комнатных температурах изменяется в пределах от 60 Ом для серебра до 300 Ом для олова. Облучение исследуемых систем 2-металл осуществляется в центральной части змейки монохроматическим светом с 450 нм через экран с прямоугольным вырезом размером 205 мм 2 таким образом, чтобы световое пятно с равномерной освещенностью полностью перекрывало полоску-змейку по ширине. Измерение сопротивления металлической полоски-змейки осуществляется следующим образом. Для предотвращения не связанных с облучением необратимых изменений сопротивления металлического слоя за счет электролиза в измерительном устройстве используются соединенные параллельно генератор и вольтметр переменного тока 8. Вызванное облучением увеличение сопротивления металлического слоя регистрируется вольтметром переменно 14091 1 2011.02.28 го тока по увеличению падения напряжения переменного тока на нем. Плотность тока поддерживается на уровне 0,4 А/мм 2. Облучение системы 2- фотоактивным светом с длиной волны 450 нм в течение 5 мин приводит к поглощению системой энергии 3,271016 эВ. При этом происходит диффузия в слой полупроводника (как это следует из выражения (5 9,51014 ионов . Следовательно, квантовый выход ионовв слой 2 оказался равным 0,08 (8 ). Точность определения ,следовательно, и , как следует из выражения (5), зависит в основном от точности измерения сопротивлений 0,и геометрических размеров , . Еслииизмерены с точностью до 0,1 мм, а 0 и- до 0,5 Ом, погрешности, вносимые в , соответственно составляют ,0,3 и 05 . Таким образом, уменьшить погрешность определенияможно путем повышения точности измерения сопротивлений 0 и . Технико-экономические преимущества предлагаемого способа в сравнении с прототипом заключаются в повышении точности измерений, экономии энергетических и временных затрат, необходимых для реализации способа, обусловленных простотой измерения сопротивления, отсутствием необходимости определения удельного сопротивления и толщины металлического слоя, уменьшением числа операций обработки результатов. Источники информации 1. Костышин М.Т., Михайловская Е.В., Романенко П.Ф. Об эффекте фотографической чувствительности тонких полупроводниковых слоев, находящихся на металлических подложках // ФТТ. - 1966. - 8. - 4. - 571-572. 2.23 /.,.,.,// .. - 1977. - 40. - 1. - 195-198. 3. Костко В.С., Костко О.В., Маковецкий Г.И., Янушкевич К.И. Светочувствительность тонкопленочной структуры 2 стекло и фазовый состав структуры 2-стекло // Весц Акад. навук Беларус, Сер. фз.-мат. навук. - 2001. -1. - С. 103-106. 4..,23// . -. . - 1976. - 22. - 2. - 229-243. 5.8800 1, 2006. 6. Теренин А.Н. Фотоника молекул красителей и родственных органических соединений. - Л. Наука, 1967. - 616 с. 7. Калверт Дж., Питтс Дж. Фотохимия. - М. Мир, 1968. - 672 с. 8.3673 1, 2000. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4