Технологія мікроелектронних електрогенераційних пристроїв на основі органічних напівпровідникових бар’єрних структур

Abstract

The thesis is devoted to development of technologies for thin-film vacuum deposition of organic semiconductors and conjugated polymers and modification methods of their structural, electrical and physical properties for formation of electrogenerating microelectronic devices on their basis. We experimentally verified that the high-quality films with improved parameters made from molecular semiconductors, when these films are used for formation of electrogenerating photosensitive devices, at thermovacuum deposition sublimate at low deposition speed (1 nm/s depending on nature of organic semiconductor material), which is defined by temperature evaporator. In contrast to photosensitive functional films, the chemically active phthalocyanine nickel films were formed at high sublimation speed (5-7 nm/s) to obtain high-developed surface and structure porosity. We propose technology conception for improvement of photovoltaic properties of organic barrier structures by formation of injection layers between optically transparent electrode made of indium tin oxide and active organic layer with hole conductivity in photosensitive electrogenerating devices based on: cathode sputtering of electroconductive polymers (polyaniline) in permanent crossed electrical and magnetic fields and thermovacuum deposition of copper iodide on flexible (lavsan) substrates. It is shown, that developed process of oxygen doping into NiPc films, in technology of formation of ITO/NiPc/Al barrier structures formed on flexible lavsan substrates, provides increasing short-circuit current in one order as a result of improving structure ordering of phthalocyanine films. The thermovacuum technologies of alternate and simultaneous formation of composite and film photosensitive organic structure with wide photosensitive spectral range (400-700 nm) are described and the results of dark and light I-V and impedance spectroscopy are presented. The physical and technological fundamentals of formation of barrier structures (ITO/NiPc/Al), that are able generating electrical energy at interaction with gaseous medium of ammonia aqueous solution. Работа посвящена разработке технологий вакуумного осаждения тонких пленок низкомолекулярных полупроводников и сопряженных полимеров для органических барьерных структур, а также способов модификации их структурных и электрофизических свойств для создания на их основе электрогенерационных микроэлектронных приборов. Установлена корреляция электрофизических и оптических свойств нанесенных пленок сопряженных полимеров и низкомолекулярных полупроводников с технологией их получения, что положено в основу создания новых барьерных структур электрогенерационных приборов. Разработаны термовакуумные технологии поочередного и одновременного формирования композитных и пленочных фоточувствительных органических структур с широким спектральным диапазоном фоточувствительности (400-700 нм) и наведены результаты темновой и световой вольт-амперометрии и импедансной спектроскопии. Разработана технология повышения фотовольтаических параметров органических барьерных структур путем формирования инжекционных слоев между оптически прозрачным электродом и активным органическим слоем с дырочной проводимостью в фоточувствительных электрогенерационных приборах на основе: катодного распыления в скрещенных постоянных электрическом и магнитном полях электропроводящего полимера (полианилина) и термовакуумного напыления иодида меди на гибкие лавсановые подложки. Показано, что разработанный процесс легирования кислородом пленок NiPc в технологии создания барьерных структур ITO/NiPc/Al, сформированых на гибких лавсановых подложках, приводит к возрастанию тока короткого замыкания на порядок в результате возрастания степени упорядоченности структуры пленок фталоцианина. Разработана технология барьерных структур (ITO/NiPc/Al), способных генерировать электрическую энергию во время взаимодействия с газовой средой водного раствора аммиака, и обосновано физику проходящих процессов. В работе определены особенности механизмов инжекции зарядов в разработанных фотогенерационных структурах ITO/NiPc/Al, ITO/CuI/пентацен/Al, ITO/пентацен/DiMe-PTCDI/Al, ITO/ПАН:пентацен/Al, ITO/ПЕДОТ:ПСС/Pc/Al. Так, при малых смещениях напряжения они описываются термоэлектронной эмиссией Ричардсона-Шоттки, а при высоких наблюдается доминирующий вклад в прохождение тока ловушек, находящихся вблизи потолка валентной зоны. Реализованы микроэлектронные электрогенерационные приборы на основе органических полупроводниковых барьерных структур, обеспечивающие токи короткого замыкания (Iкз), напряжение холостого хода (Uхх), и спектральную фоточувствительность: ITO/пентацен/DiMe-PTCDI/Al (Iкз=0.8 мкА/см2, Uхх=0.55 В, 400-700 нм), ITO/ПАН:пентацен/Al (Iкз=0.4 мкА/см2, Uхх=0.56 В, 440-820 нм), ПЕТ/ITO/ПЕДОТ:ПСС/Pc/Al (Iкз=0.6 мкА/см2, Uхх=0.5 В, 400-700 нм), ITO/CuPc/Pc/Al (Iкз=8,3 мкА/см2, Uхх=0.6 В, 550-750 нм). Робота присвячена розробці технології вакуумного осадження тонких плівок органічних напівпровідників і спряжених полімерів для бар’єрних структур та способів модифікації їхніх структурних і електрофізичних властивостей для створення на їх основі електрогенераційних мікроелектронних пристроїв. Встановлена кореляція електрофізичних та оптичних властивостей осаджених плівок спряжених полімерів та низькомолекулярних напівпровідників з технологією їх отримання, що покладено в основу створення нових бар’єрних структур електрогенераційних пристроїв. Розроблені вакуумні технології почергового та одночасного формування композитних і плівкових фоточутливих органічних напівпровідникових структур з широким спектральним діапазоном фоточутливості (400-800 нм) та наведені результати темнової та світлової вольт-амперометрії та імпедансної спектроскопії. Розроблена технологія підвищення фотовольтаїчних параметрів органічних бар’єрних структур шляхом формування інжекційних шарів між оптично прозорим електродом та активним органічним шаром з дірковою провідністю в фоточутливих електрогенераційних пристроях на основі: катодного розпилення в постійних схрещених електричному і магнітному полях електропровідних полімерів (поліаніліну) та термовакуумного напилення йодиду міді на гнучкі (лавсанові) підкладки. Розроблено технологію електрогенераційних бар’єрних структур (ITO/NiPc/Al), здатних генерувати електричну енергію під час взаємодії з газовим середовищем водного розчину аміаку та обґрунтовано фізику процесів, що відбуваються при цьому. Реалізовані мікроелектронні електрогенераційні пристрої на основі органічних напівпровідникових бар’єрних структур, які забезпечують струми короткого замикання (Iкз), напругу холостого ходу (Uхх) та спектральну фотовольтаїчну чутливість до значень: ITO/пентацен/DiMe-PTCDI/Al (Iкз=0.8 мкА/см2, Uхх=0.55 В, 400-700 нм), ITO/ПАН:пентацен/Al (Iкз=0.4 мкА/см2, Uхх=0.56 В, 440-820 нм), ПЕТ/ITO/ПЕДОТ:ПСС/Pc/Al (Iкз=0.6 мкА/см2, Uхх=0.5 В, 400-700 нм), ITO/CuPc/Pc/Al (Iкз=8,3 мкА/см2, Uхх=0.6 В, 550-750 нм).