[LT] Išradimas skirtas elektronikos sričiai, susijusiai su puslaidininkinių įtaisų, kuriuose reikalingas ominis mažos varžos sąlytis tarp titano dioksido (TiO2) ir skylinio laidumo (p-tipo) puslaidininkio, projektavimu ir gamyba. Pasiūlytas įrenginys apima sluoksniuotą darinį iš skylinio laidumo puslaidininkinio sluoksnio ir ant jo išdėstyto elektroninio laidumo titano dioksido (TiO2) sluoksnio, kur tarp minėtų sluoksnių yra suformuota tunelinė sandūra. Siekiant sumažinti technologinių operacijų skaičių, laiko ir medžiagų sąnaudas ant skylinio laidumo puslaidininkio sluoksnio yra tiesiogiai užaugintas ALD būdu TiO2 sluoksnis, kur TiO2 sluoksnio dalis, esanti prie minėto skylinio laidumo puslaidininkio (1) paviršiaus auginimo metu yra papildomai legiruota niobio (Nb) donorine priemaiša, tokiu būdu suformuojant tunelinę sandūrą tarp elektroninio laidumo sluoksnio TiO2 (3) ir skylinio laidumo puslaidininkio (1).
[EN] The invention relates to the field of electronics associated with the design and manufacture of semiconductor devices which require low contact resistance between titanium dioxide (TiO2) and p-type conductivity semiconductor. The proposed device is a layered structure comprised of a heavily doped p-type semiconductor layer and a n-type TiO2 layer arranged thereon, wherein a tunnel junction is formed between the said layers. In order to reduce the number of technological operations, time and materials by forming a low resistivity contact, the TiO2 layer is directly by atomic layer deposition (ALD) method deposited on the p- type semiconductor, wherein the part of the TiO2 layer adjacent to the said p-type semiconductor surface is additionally doped with niobium (Nb) donor impurity during the ALD-growth process, thus forming a tunnel junction between the TiO2 n-type layer and the p-type semiconductor.
[0001] Technikos sritis
[0002] Išradimas skirtas elektronikos sričiai, susijusiai su puslaidininkinių įtaisų, kuriuose reikalingas ominis mažos varžos sąlytis tarp titano dioksido (TiO2) ir skylinio laidumo (p-tipo) puslaidininkio, projektavimu ir gamyba.
[0003] Technikos lygis
[0004] Pasiūlyme aprašytas mažos varžos ominis sąlytis tarp TiO2 ir p-tipo puslaidininkio ir jo gamybos būdas. Toks sąlytis gali būti naudojamas tandeminiuose puslaidininkiniuose įtaisuose, pavyzdžiui, saulės spinduliuotę naudojančiuose vandens elektrolizės fotoelektroduose, dviejų išvadų daugiasandūriniuose perovskitas/silicis saulės elementuose ar kituose įtaisuose, kuriuose reikalingas optiškai skaidraus ir elektrai laidaus titano dioksido ir p-tipo puslaidininkio mažos varžos sąlytis. Kuo mažesnė sąlyčio varža, tuo mažesni elektros energijos nuostoliai.
[0005] Elektronikoje titano dioksidas yra žinomas kaip plataus draudžiamosios energijos tarpo (virš 3 eV) puslaidininkis, todėl yra skaidrus matomosios šviesos spektro ruože. Dažniausiai būna elektroninio (n-tipo) laidumo. Užauginus TiO2 ant p-tipo laidumo puslaidininkio, susidaro elektroninė skylinė n-p sandūra, kuriai yra būdinga didelė, kelių Ω•cm2 savitoji kontaktinė varža.
[0006] Vienas iš būdų sumažinti TiO2/p-puslaidininkis sąlyčio varžą yra suformuoti mezoakytąjį TiO2 tarpsluoksnį tarp kristalinio TiO2 ir puslaidininkio (patentas WO2019210263). Taip puslaidininkio paviršiuje sukuriami paviršiniai lygmenys, kurie, būdami tiesioginės bei tunelinės elektronų ir skylių rekombinacijos centrais, palankiai veikia elektros srovės tekėjimą per sąlytį.
[0007] Kitas būdas. Prieš auginant TiO2, ant puslaidininkio užgarinamas plonas Ti metalo sluoksnis, ir taip puslaidininkio paviršiuje sukuriamas siauras Šotkio (Schottky) barjeras, per kurį elektronai gali pratuneliuoti [B. Mei, T. Pedersen, P. Malacrida, D. Bae, R. Frydendal, O. Hansen, P. C. K. Vesborg, B. Seger, I. Chorkendorff, Crystalline TiO2: A generic and effective electron-conducting protection layer for photoanodes and -cathodes. J. Phys. Chem. Rev. 119, 15019–15027 (2015)]. Kuo aukštesnis p-puslaidininkio legiravimo laipsnis, tuo Šotkio barjeras siauresnis, tuo stipresnė tunelinė srovė gali tekėti per sąlytį, taigi, tuo mažesnė jo varža.
[0008] Artimiausias analogas yra darinys su puslaidininkine tuneline n-p sandūra suformuota stipriai legiruojant donorais (1019-1020 cm-3) skylinio laidumo tipo puslaidininkio paviršių, kuris po to yra dengiamas TiO2 sluoksniu (patento US20160163904 sudedamoji dalis). Tunelinė sandūra pasižymi maža varža, o TiO2/n-puslaidininkis sąlytis tarp dviejų n-tipo laidumo puslaidininkių yra ominis ir mažos varžos. Analogo trūkumas yra tas, kad jis reikalauja papildomos technologinės operacijos – puslaidininkio paviršiaus legiravimo, papildomų medžiagų – puslaidininkio donorinių priemaišų, papildomo laiko ir sąnaudų.
[0009] Sprendžiama techninė problema
[0010] Išradimu siekiama sumažinti technologinių operacijų skaičių, laiko ir medžiagų sąnaudas formuojant mažos varžos TiO2/p-puslaidininkio sąlytį.
[0011] Uždavinio sprendimo esmė pagal pasiūlytą išradimą yra ta, kad mažos varžos sąlyčio įrenginyje, apimančiame sluoksniuotą darinį iš aukšto legiravimo lygio p-tipo puslaidininkinio sluoksnio ir ant jo išdėstyto n-tipo titano dioksido (TiO2) sluoksnio (2), kur tarp minėtų sluoksnių yra suformuota tunelinė sandūra, kuriame ant minėto p-tipo puslaidininkio sluoksnio (1) yra tiesiogiai atominių sluoksnių nusodinimo (ALD) būdu užaugintas TiO2 sluoksnis, kur TiO2 sluoksnio dalis (3), esanti prie minėto p-tipo puslaidininkio paviršiaus, auginimo metu yra papildomai legiruota niobio (Nb) donorine priemaiša, tokiu būdu suformuojant tunelinę sandūrą (4) tarp n-tipo sluoksnio TiO2 ir p-tipo puslaidininkio.
[0012] Mažos varžos sąlyčio įrenginio gamybos būde, kur įrenginys apima sluoksniuotą darinį iš aukšto legiravimo lygio p-tipo puslaidininkinio sluoksnio ir ant jo išdėstyto n-tipo titano dioksido sluoksnio, tarp kurių suformuota tunelinė sandūra, kuriame ant minėto p-tipo puslaidininkio sluoksnio paviršiaus, tiesiogiai ALD būdu augina TiO2 sluoksnį, kur tunelinei sandūrai suformuoti ant p-tipo puslaidininkio sluoksnio paviršiaus augina keletą TiO2 vienatomių sluoksnių pakaitomis su vienatomiu niobio (Nb) sluoksniu, kartojant pakaitinį auginimą numatytą skaičių kartų reikalingą aukštam TiO2 legiravimo lygiui gauti, ir baigiant auginimą TiO2 sluoksniu, po to, auginimo metu gautą sluoksniuotą darinį kaitina vandenilio atmosferoje ne žemesnėje kaip 500°C temperatūroje dideliam TiO2 laidumui pasiekti ir tunelinei sandūrai gauti.
[0013] Formuojant tunelinę sandūrą ant p-tipo puslaidininkio sluoksnio paviršiaus užaugina pirmuosius tris vienatomius TiO2 sluoksnius, ant jų užaugina vienatomį Nb sluoksnį, ant kurio augina penkis vienatomius TiO2 sluoksnius, po to vėl užaugina vienatomį Nb sluoksnį, taip kartojant vienatomių TiO2 sluoksnių ir vienatomio Nb sluoksnio pakaitinį auginimą numatytą skaičių kartų.
[0014] Išradimo naudingumas
[0015] Pagal išradimą pasiūlytas mažos varžos sąlytis tarp p-tipo (skylinio laidumo) puslaidininkio ir ant jo išdėstyto n-tipo (elektroninio laidumo) titano dioksido (TiO2) palyginus su analogais neturi tarpinių sluoksnių tarp n-tipo TiO2 sluoksnio ir p-tipo puslaidininkio sluoksnio, o būdas jam gaminti apima mažesnį technologinių operacijų skaičių bei reikalauja mažiau medžiagų. Tokios konstrukcijos sąlytyje suformuota tunelinė sandūra pasižymi maža varža ir tiesine elektros srovės priklausomybe nuo įtampos mažų įtampų srityje.
[0016] Išradimas detaliau paaiškinamas brėžiniais, kur
[0017] Fig. 1 pavaizduotas mažos sąlyčio varžos (n-TiO2/p-puslaidininkis) įrenginio skerspjūvis;
[0018] Fig. 2 pavaizduotas TiO2 sluoksnio skerspjūvis iškart po auginimo ALD būdu, iki atkaitinimo;
[0019] Fig. 3 pavaizduotas mažos sąlyčio varžos (n-TiO2/p-puslaidininkis) įrenginio gamybos būdas.
[0020] Vienas iš išradimo realizavimo pavyzdžių
[0021] 1 – stipriai legiruotas p-tipo (skylinio laidumo) puslaidininkis, 2 – n-tipo titano dioksido (TiO2) sluoksnis, 3 – stipriai legiruota TiO2 sritis, 4 - tunelinė sandūra; 5 – pirmieji trys TiO2 vienatomiai sluoksniai, 6 – niobio vienatomis sluoksnis, 7 – penki TiO2 vienatomiai sluoksniai.
[0022] Mažos sąlyčio varžos įrenginys apima p-tipo puslaidininkio sluoksnį 1, kuris yra stipriai legiruotas, ne mažiau kaip iki 1019 cm-3. Ant p-tipo puslaidininkio sluoksnio 1 išdėstytas ALD būdu tiesiogiai užaugintas n-tipo titano dioksido (TiO2) sluoksnis. TiO2 sluoksnio dalis 3, esanti prie p-tipo puslaidininkio sluoksnio 1 paviršiaus, auginimo metu yra papildomai legiruota niobio (Nb) donorine priemaiša, tarp jos ir p-tipo puslaidininkio sluoksnio 1 suformuojant tunelinę sandūrą 4.
[0023] Mažos sąlyčio varžos įrenginio, apimančio sluoksniuotą darinį iš p-tipo laidumo puslaidininkio sluoksnio 1 ir ant jo išdėstyto n-tipo titano dioksido sluoksnio 2, tarp kurių suformuota tunelinė sandūra 4, gamybos būdas apima šią operacijų seką. Ant stipriai legiruoto, ne mažiau kaip iki 1019 cm-3, p-tipo laidumo puslaidininkio 1 paviršiaus užaugina pirmuosius tris vienatomius TiO2 sluoksnius 5, ant jų užaugina vienatomį Nb sluoksnį 6, ant kurio augina penkis vienatomius TiO2 sluoksnius 7, po to vėl užaugina vienatomį Nb sluoksnį 6. Vienatomių TiO2 sluoksnių 7 ir vienatomio Nb sluoksnio 6 pakaitinį auginimą kartoja numatytą skaičių kartų, reikalingą aukštam legiravimo lygiui gauti. Minėtą pakaitinį sluoksnių 6 ir 7 auginimą užbaigia TiO2 sluoksniu 2. Po to visas darinys yra patalpinamas į vandenilio atmosferą ir kaitinamas joje ne žemesnėje kaip 500°C temperatūroje, tokiu būdu n-TiO2 srityje apimančioje Nb sluoksnius suformuojama didelio laidumo n-TiO2 sritis 3, kuri su šalia esančia stipriai legiruota p-tipo puslaidininkio sritimi 1 sudaro tunelinę sandūrą 4.
[0024] Tokiu būdu TiO2 sluoksnis atominių sluoksnių nusodinimo būdu yra tiesiogiai auginamas ant stipriai legiruoto (ne mažiau kaip 1019 cm-3) p-tipo puslaidininkio paviršiaus, auginimo metu į jį įterpiant niobio Nb atominius sluoksnius, kurie, atkaitinus darinį aukštoje temperatūroje, būdami donorine priemaiša titano diokside, nedaro įtakos jo skaidrumui, bet padidina jo laidumą dėl jo aukšto legiravimo lygio, ir tokiu būdu yra suformuojama n-TiO2/p-puslaidininkis tunelinė sandūra pasižyminti maža omine varža mažų įtampų intervale.
1. Mažos varžos sąlyčio įrenginys, apimantis sluoksniuotą darinį iš aukšto legiravimo lygio p-tipo puslaidininkinio sluoksnio (1) ir ant jo išdėstyto n-tipo titano dioksido (TiO2) sluoksnio (2), kur tarp minėtų sluoksnių yra suformuota tunelinė sandūra (4), b e s i s k i r i a n t i s tuo, kad ant minėto p-tipo puslaidininkio sluoksnio (1) yra tiesiogiai atominių sluoksnių nusodinimo (ALD) būdu užaugintas TiO2 sluoksnis (2), kur TiO2 sluoksnio dalis (3), esanti prie minėto p-tipo puslaidininkio sluoksnio (1) paviršiaus, auginimo metu yra papildomai legiruota niobio (Nb) donorine priemaiša, tokiu būdu suformuojant tunelinę sandūrą (4) tarp n-tipo sluoksnio TiO2 (3) ir p-tipo puslaidininkio sluoksnio(1).
2. Mažos varžos sąlyčio įrenginio gamybos būdas, kur įrenginys apima sluoksniuotą darinį iš aukšto legiravimo lygio p-tipo puslaidininkinio sluoksnio (1) ir ant jo išdėstyto n-tipo titano dioksido (TiO2) sluoksnio (2), tarp kurių suformuota tunelinė sandūra (4), b e s i s k i r i a n t i s tuo, kad ant minėto p-tipo puslaidininkio sluoksnio (1) paviršiaus, tiesiogiai ALD būdu augina TiO2 sluoksnį (2), kur tunelinei sandūrai suformuoti ant p-tipo puslaidininkio sluoksnio (1) paviršiaus augina keletą TiO2 vienatomių sluoksnių pakaitomis su vienatomiu niobio (Nb) sluoksniu, kartojant pakaitinį auginimą numatytą skaičių kartų, reikalingą aukštam TiO2 legiravimo lygiui gauti ir baigiant auginimą TiO2 sluoksniu, po to auginimo metu gautą sluoksniuotą darinį kaitina vandenilio atmosferoje ne žemesnėje kaip 500°C temperatūroje dideliam TiO2 laidumui pasiekti ir tunelinei sandūrai gauti.
3. Būdas pagal 2 punktą, b e s i s k i r i a n t i s tuo, kad formuojant tunelinę sandūrą ant p-tipo puslaidininkio sluoksnio (1) paviršiaus užaugina pirmuosius tris vienatomius TiO2 sluoksnius (5), ant jų užaugina vienatomį Nb sluoksnį (6), ant kurio augina penkis vienatomius TiO2 sluoksnius (7), po to vėl užaugina vienatomį Nb sluoksnį (6), taip kartojant vienatomių TiO2 sluoksnių (7) ir vienatomio Nb sluoksnio (6) pakaitinį auginimą numatytą skaičių kartų.