УФ-ФОТОПРИЕМНИК НА ОСНОВЕ ОРГАНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, чувствительным к электромагнитному излучению, в частности к полупроводниковым диодам, чувствительным к световому излучению (фотодиодам).

Известны и широко применяются в технике фотодиоды на основе кристаллического кремния и других неорганических полупроводниковых материалов. Такие фотодиоды обладают, как правило, широкополосным спектром фоточувствительности (Э.Розеншер, Б.Винтер. Оптоэлектроника, М.: Техносфера, 2004, с.442), что затрудняет создание селективных фотоприемников, настроенных на определенную сравнительно узкую спектральную область, например на ультрафиолетовую (УФ) спектральную область. В то же время целый круг прикладных задач связан с разработкой селективных УФ-фотоприемников, нечувствительных к излучению в видимой области спектра. Эти фотоприемники представляют значительный интерес для применений в таких сферах как технологический контроль в промышленности, биомедицинские исследования, мониторинг озонового слоя Земли, для оборонных применений (N.Savage, Laser Focus World, 1999, v.35, N 11, p.15-16). Для создания селективных приемников на основе обычных фотодиодов требуется применение фильтров, что усложняет конструкцию фотоприемника.

Одним из решений проблемы создания узкополосных селективных фотодиодов без применения фильтров может быть использование в таких фотодиодах полупроводниковых материалов с узким спектром поглощения электромагнитного излучения. В качестве таких материалов перспективно применение органических веществ, которые обладают, как правило, существенно более узкими спектрами поглощения по сравнению с традиционными неорганическими материалами. В частности, перспективно применение органических материалов, использующихся в органических светоизлучающих диодах, а также применение конструктивных элементов, разработанных для органических светоизлучающих диодов. Известно, что диоды на органических материалах в ряде случаев могут обладать двойным действием: они могут использоваться и как светоизлучающие диоды, и как фотодиоды.

Наиболее близким к настоящему изобретению является техническое решение, описанное в патенте США №5504323 от 02.04.1996. В этом патенте описаны диоды на основе органических полисопряженных полимеров, обладающие двойным действием: они могут работать как светоизлучающие диоды и как фотодиоды. Устройство имеет тонкопленочную структуру и состоит из трех слоев: прозрачный слой инжекции дырок (анод) из смешанного оксида индия-олова In₂O₃:SnO₂, нанесенного на твердую прозрачную подложку, органический полупроводниковый слой, содержащий активный полимер, и металлический слой инжекции электронов (анод). Обратные ветви вольт-амперных характеристик, измеренные в темновых условиях и при освещении, существенно отличаются, что позволяет использовать это устройство в качестве фотодиода.

Недостатком этого решения является то, что спектры поглощения полисопряженных полимеров имеют максимумы в видимой области спектра, в результате чего максимум фоточувствительности фотодиода также расположен в видимой области, а чувствительность в УФ-области мала.

Задачей настоящего изобретения является создание фотодиода на основе органических материалов с максимумом чувствительности в УФ-области спектра с пониженной чувствительностью в видимой области.

Указанная задача решается тем, что в диоде, состоящем из чередующихся слоев: прозрачного слоя инжекции дырок (анода), нанесенного на твердую прозрачную подложку, органического полупроводникового слоя и металлического слоя инжекции электронов (катода), органический полупроводниковый слой содержит активный фоточувствительный слой, состоящий из 3-(4-бифенилил)-(4-трет-бутилфенил)-5-(4-диметиламинофенил)-1,2,4-триазола (DA-BuTAZ) и примыкающий к катоду, и органического дырочно-проводящего слоя, примыкающего к аноду. Назначение дырочно-проводящего слоя - снижение потенциального барьера между анодом и активным слоем. В качестве дырочно-проводящего слоя предпочтительно использование смеси олиготрифениламинов с числом олигомеризации n=8-9 (РТА), хотя возможно и использование других дырочно-проводящих материалов, таких как TPD и т.п.

Предлагаемые вещества (DA-BuTAZ и РТА) впервые описаны в Патенте РФ N 2131411 от 10.06.99, где они применялись в составе светоизлучающего диода. Преимуществом DA-BuTAZ для целей настоящего изобретения является то, что это вещество характеризуется полосой поглощения света в УФ-области (максимум поглощения около 320 нм) и не поглощает в видимой области спектра. Благодаря этому максимум чувствительности предлагаемого фотодиода также находится в УФ-области спектра. Преимуществом РТА по сравнению с другими дырочно-проводящими материалами является его высокая температура стеклования (185°С), что повышает термическую стабильность устройства.

В качестве катода предпочтительно использование сплава магний-серебро в соотношении 10:1, хотя возможно применение других металлов Mg, Al, Ca. В качестве прозрачного анода, как правило, используется смешанный оксид индия-олова In₂O₃:SnO₂.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами

Пример 1.

Используют стеклянную подложку с прозрачным слоем смешанного оксида индия и олова с сопротивлением 30-70 Ом/квадрат, на которую наносят слой РТА толщиной 0.05-0.1 мкм методом центрифугирования из раствора в толуоле. Затем методом испарения в вакууме наносят активный фоточувствительный слой - DA-BuTAZ толщиной 0.02-0.05 мкм. Образец помещают в вакуумную установку ВУП-4, откачивают в динамическом режиме до вакуума 10^-6 мм рт.ст. и напыляют металлический электрод путем испарения сплава, содержащего магний (90%) и серебро (10%). Толщина металлического электрода порядка 0,1 мкм. Площадь рабочей поверхности 4-5 мм². Измеряют вольт-амперные характеристики (ВАХ) полученного устройства в темноте и при освещении лампой накаливания мощностью 40 Вт с расстояния около 50 см. Прямые ветви ВАХ, измеренные в темноте и при освещении, отличаются слабо, в то время как обратные ветви существенно отличаются (фиг.1). Таким образом, обратные ветви ВАХ могут использоваться для индикации освещения, например, по изменению тока при постоянном напряжении.

Пример 2.

Устройство по примеру 1 освещается монохроматическим излучением от монохроматора. Измеряется ток при постоянном отрицательном смещении. Варьирование длины волны излучения позволяет получить спектральную чувствительность фотодиода. Результат приведен на фиг.2. Максимум спектральной чувствительности приходится на 350 нм, при больших длинах волн чувствительность резко падает и практически исчезает при длинах волн более 420 нм. Понижение чувствительности при длинах волн менее 350 нм видимо связано с поглощением стеклянной подложки. Таким образом, полученное устройство обладает высокой фоточувствительностью в УФ-области (340-400 нм) и не обладает фоточувствительностью в видимой области спектра.