Аннотация результатов, полученных в 2018 году
В рамках проекта разработана одномерная и стационарная модель, основанная на системе нелинейных дифференциальных уравнений, которая решается численно после замены производных конечными разностями. Модель является дальнейшим развитием аналогичной модели, которая использовалась для описания монослойного униполярного органического фототранзистора [V.A. Trukhanov, at al., Proc. of SPIE 9942, 994210 (2016)]. В данном проекте модель была расширена путём добавления более подробного описания процесса генерации носителей заряда при поглощении фотонов, а также путём учёта неравномерного распределения интенсивности падающего излучения вдоль оси х. Генерация свободных носителей под действием излучения происходит через промежуточное состояние связанных электронно-дырочных пар и зависит от напряжённости электрического поля в активном слое. Основными уравнениями модели являются уравнение Пуассона для электрического потенциала, уравнения непрерывности для плотностей токов электронов и дырок, и соотношения, описывающие дрейф и диффузию носителей заряда. В настоящем проекте исследовался отклик фототранзистора на падающее излучение, интенсивность которого имела различные формы распределения вдоль координаты х, а именно постоянное, ступенчатое, прямоугольное и гауссово. В настоящем проекте с помощью разработанной численной модели впервые показана возможность создания органического фототранзистора с высоким пространственным разрешением за счёт пространственно-локализованного фотоэффекта [В.А. Труханов, Письма в ЖЭТФ, в печати (2019)]. Были рассчитаны распределения потенциала, напряжённости электрического поля, концентраций электронов и дырок в канале транзистора при различных значениях напряжений на стоке VD и на затворе VG. Рассчитывались зависимости положения максимума напряжённости электрического поля xm (который соответствует фоточувствительной области) от VG, показано, что зависимость xm(VG) однозначная и монотонная. Затем для различных распределений интенсивности падающего излучения рассчитывались зависимости нормированного фототока Jph/Jdark от VG. Далее для данных зависимостей шкала VG преобразовывалась в шкалу х, исходя из зависимости положения максимума электрического поля xm от VG, и показано, что зависимости нормированного фототока от VG с высокой степенью точности воспроизводят пространственные характеристики, а именно пространственное положение и ширину пика неоднородного падающего излучения. Для случая гауссова распределения интенсивности падающего излучения вдоль х, дfнные результаты получены как для малой длины канала, равной 1 мкм, так и для большей длины канала, равной 10 мкм. Обнаруженный в данной работе пространственно-локализованный фотоэффект является нетривиальным и требует дальнейшего исследования, в частности, с помощью эксперимента. Далее согласно плану работ, простая одномерная модель фототранзистора была расширена путём учёта зависимости от времени. Для этого для всех неизвестных функций (а именно электрического потенциала и концентраций электронов и дырок) добавлена зависимость от времени t, а их полные производные по координате заменены частными производными. Также были видоизменены уравнения непрерывности путём добавления в них частных производных по времени от концентраций носителей заряда. Напряжение на затворе VG и темп генерации связанных e/h пар G, который пропорционален интенсивности падающего излучения, также теперь подразумеваются зависящими от времени. В проекте для исследования быстродействия фототранзистора рассчитывались зависимости фототока от времени при мгновенном включении или выключении падающего излучения, а также при мгновенном переключении напряжения VG, то есть VG(t) и G(x,t) описывались ступенчатыми функциями t, а темп генерации G(x,t), кроме того, описывался гауссовой функцией координаты х. В случае включения и выключения падающего излучения, зависимости фототока фототранзистора Jph/Jdark от времени могут быть аппроксимированы биэкспоненциальной зависимостью с характерными временами релаксации 3 нс для компоненты с большой амплитудой и 100 нс для компоненты с малой амплитудой. Зависимости нормированного фототока фототранзистора от времени при переключении напряжения VG с одного значения на другое могут быть аппроксимированы экспоненциальной функцией с характерными временами релаксации несколько микросекунд. Далее в рамках работ по проекту был проведён поиск параметров модели, описывающих материалы и структуру фототранзистора, которые бы обеспечили высокие значения пространственного разрешения при приемлемых значениях внешней квантовой эффективности, чувствительности и быстродействия. Поскольку оптимальное соотношение таких характеристик как пространственное разрешение, внешняя квантовая эффективность, чувствительность и быстродействие сильно зависит от конкретного практического применения, по данному пункту было решено получить зависимости этих характеристик от каждого из параметров, характеризующих материалы и структуру фототранзистора. Пространственное разрешение фототранзистора характеризовалось параметром wR – шириной на половине высоты максимума зависимости нормированного фототока Jph / Jdark от напряжения VG (VG определяет положение фоточувствительной области по координате х) при освещении фототранзистора излучением, интенсивность которого описывается прямоугольной функцией x. Увеличение параметра wR означает ухудшение пространственного разрешения. Внешняя квантовая эффективность равна отношению числа фотогенерируемых зарядов к числу падающих фотонов и поэтому пропорциональна фототоку, делённому на темп генерации связанных e/h пар Jph/G0. Чувствительность фототранзистора определялась как отношение фототока к темновому току Jph/Jdark в точке максимума по VG. Для исследования быстродействия рассчитывались зависимости фототока от времени при мгновенном включении в момент времени t=0 освещения фототранзистора излучением, интенсивность которого описывается гауссовой функцией координаты х, и рассчитывались характерные времена релаксации. Уменьшение времен релаксации соответствует улучшению быстродействия. Были рассчитаны зависимости параметра wR, фототока, чувствительности и времен релаксации поочередно от всех параметров модели – каждый из параметров варьировалася, остальные параметры оставались неизменными. Исходя из полученных зависимостей сделаны выводы о том, как различные параметры влияют на данные характеристики фототранзистора. Изменение только двух параметров, а именно снижение длины канала и интенсивности падающего излучения ведёт одновременному улучшению всех характеристик фототранзистора. Изменение остальных параметров влияет на характеристики неоднозначно, например, увеличение диэлектрической проницаемости полупроводника, составляющего активный слой, ведёт к существенному увеличению ВКЭ и чувствительности, однако сильно снижает быстродействие и пространственное разрешение. В проекте показано, что фототранзистор со значениями параметров его материалов и структуры, типичными для органических полевых транзисторов, но с пониженной диэлектрической проницаемостью и повышенной удельной электрической ёмкостью, может обладать высоким пространственным разрешением, в частности, с точностью до десятков нанометров позволяет воспроизводить пространственное положение гауссова или прямоугольного пучка падающего излучения. Также фототранзистор с такими параметрами обладает невысокими, но приемлемыми с точки зрения измерения значениями фототока, внешней квантовой эффективности, чувствительности. Кроме того, фототранзистор с такими параметрами обладает высоким быстродействием с характерными временами релаксации менее нескольких микросекунд. Поэтому использованные в работе численные значения параметров могут служить первым приближением для создания первых экспериментальных образцов фототранзисторов для исследования в них пространственно-локализованного фотоэффекта. Кроме того, в рамках проекта проводятся расчёты двухмерных и трёхмерных распределений напряжённости электрического поля, электрического потенциала, концентраций электронов и дырок в объёме активного слоя органического полевого фототранзистора с использованием системы технологического автоматизированного проектирования (TCAD). Также исследуется новый тип фототранзистора с двумя дополнительными электродами в котором возможно наличие пространственно-локализованного фотоэффекта по двум координатам. Подготовлен задел для экспериментальной части проекта: проведён предварительный подбор органических полупроводников, выполнена их очистка, изготовлены образцы амбиполярных органических полевых транзисторов. Результаты проведенных исследований представлены в виде тезисов 3 докладов на двух международных научных конференциях и опубликованы в одной статье в журнале, входящем в базы данных Сеть Науки, Scopus, РИНЦ.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
На данном этапе проекта проводились работы по экспериментальному подтверждению результатов моделирования, полученных на предыдущем этапе. Была спроектирована и собрана экспериментальная установка, позволяющая измерять ток образцов органических полевых фототранзисторов при различных значениях напряжения на затворе и на стоке в темноте и при освещении оптическим излучением с различными длинами волн и неоднородным распределением по пространственным координатам. В основе данной установки содержалась зондовая станция, состоящая из подвижной платформы, на которой размещаются образцы фототранзисторов, и трёх щупов (зондов), один из которых подсоединяется к электроду затвора, а два другие к электродам стока и истока. Данные два щупа и подвижная платформа оборудованы шаговыми двигателями, позволяющими позиционировать платформу по двум горизонтальным координатам и щупы по вертикали с точностью до 5 мкм. Зондовая станция расположена в герметичном газонаполненном перчаточном боксе с инертной аргоновой атмосферой, оборудованном системой очистки газа от примесей кислорода и водяного пара; остаточные концентрации кислорода в боксе составляли 2 - 4 ppm, водяного пара менее 0.1 ppm. Щупы зондовой станции были подключены к прибору для измерения вольтамперных характеристик, который позволяет измерять зависимости тока от напряжения с точностью до 1 пкА в диапазоне от 0 до 200 В, а также считывать показания тока с шагом по времени до 20 мкс. Над платформой для исследуемых образцов размещена оптическая система, состоящая из 10-кратного объектива (с возможностью замены на 100-кратный), делительной пластины, CCD-камеры. Через делительную платину подавалось оптическое излучение для исследования фотоэффекта в исследуемых образцах фототранзисторов. Излучение подавалось двумя способами. Первый способ – через оптическое волокно и систему линз и зеркал подавалось прошедшее через монохроматор излучение газоразрядной ксеноновой лампы, длина волны могла быть установлена в диапазоне от 350 до 900 нм с точностью 1 нм; при этом освещался весь образец (весь канал фототранзистора). Второй способ – на делительную пластину подавался растянутый вдоль одной координаты пучок лазерного излучения с длиной волны 532 нм; такой способ позволял освещать узкую полосу в канале фототранзистора шириной до 2 мкм (при использовании 100-кратного объектива) для исследования пространственно-локализованного фотоэффекта. Для исследования времён отклика на включение/выключение падающего излучения перед делительной пластиной был установлен также механический прерыватель пучка. Руководствуясь результатами моделирования, а также различными особенностями органических полупроводниковых материалов и другими факторами, была выбрана следующая структура для создания органического полевого амбиполярного фототранзистора. В качестве подложки и одновременно электрода затвора выступает пластина легированного кремния, покрытый слоем оксида кремния толщиной 200 нм, выступающего в роли подзатворного диэлектрика. Поверх SiO2 имеется ещё один диэлектрический слой полимера ПММА толщиной 30 нм. Благодаря малой толщине диэлектрических слоёв было обеспечено высокое значение электрической ёмкости около 1.7х10-4 Ф/м2. Далее идёт активный слой из поликристаллов органического полупроводникового сопряжённого олигомера толщиной 50 нм. Всего было исследовано 7 различных органических полупроводников, среди которых выбран олигомер TMS-P4TP-TMS. Данный олигомер обладает малой диэлектрической проницаемостью, небольшими и сравнимыми значениями подвижностей электронов и дырок порядка 10-7 м2В–1с–1, наиболее близкими к нулю значениями порогового напряжения, наименьшим разбросом этих характеристик от образца к образцу, а также наиболее высоким фототоком среди остальных олигомеров. Поверх активного слоя нанесены электроды стока и истока, имеющие специальный рисунок, обеспечивающий ширину канала 1 мм и различные длины канала от 10 до 150 мкм. В качестве электронно-инжектирующего электрода применяется слой кальция, а в качестве дырочно-инжектирующего электрода применяются слои MoO3 и Ag. Была разработана методика изготовления лабораторных образцов органических полевых фототранзисторов. За основу была взята известная методика изготовления органических полевых транзисторов, и доработана с учётом особенностей фототранзисторов, необходимых для исследования пространственно-локализованного фотоэффекта. Процесс изготовления образцов состоял из следующих этапов: подготовка кремниевых подложек, нанесение активного слоя, нанесение электродов стока и истока. Почти все этапы изготовления и исследования образцов фототранзисторов проводились в условиях инертной атмосферы. Подготовка подложек заключалась в очистке с помощью ультразвуковой мойки и облучения ультрафиолетом и нанесении поверх слоя SiO2 дополнительного слоя полимера ПММА. Активный слой и электроды стока и истока наносились с помощью вакуумного термического напыления. При этом при напылении электродов применялись теневые маски, формирующие несколько образцов на одной подложке с различными длинами канала. Получены зависимости фототока фототранзисторов на основе олигомера TMS-P4TP-TMS при освещении всего канала однородным по пространству излучением, а также излучением, интенсивность которого неоднородно распределена вдоль канала, а именно когда пучок падающего излучения представлял собой узкую прямоугольную полосу шириной 50 мкм и освещал часть канала фототранзистора (длина канала составляла 140 мкм). Такие зависимости были получены для трёх различных положений пучка падающего излучения в канале транзистора: вблизи дырочно-инжектирующего электрода (слева), по центру канала, и вблизи электронно-инжектирующего электрода (справа). Полученные зависимости нормированного фототока Jph/Jdark от напряжения на затворе VG имеют вид пиков, положение которых согласуется пространственным положением падающего пучка на канале фототранзистора. При освещении области канала вблизи дырочно-инжектирующего электрода пик смещается в область отрицательных напряжений, которая соответствует дырочной проводимости транзистора, при освещении области канала вблизи электронно-инжектирующего электрода пик зависимости нормированного фототока от VG смещается вправо в область положительных напряжений, которая соответствует электронной проводимости. Однако при этом масштаб по напряжению для зависимостей, полученных в эксперименте, оказывается увеличенным, ширины пиков оказываются примерно 10 – 15 в раз больше, чем для зависимостей, полученных с помощью численной модели. Это может быть объяснено наличием дополнительных (паразитных) сопротивлений, в частности, на контактах электродов стока и истока с активным слоем, на которых происходит падение напряжения, в результате чего напряжение в канале транзистора может быть значительно ниже, чем подаваемое напряжение на электроды. Кроме того, видно, что экспериментальные зависимости нормированного фототока от VG имеют несимметричную форму относительно максимума. Это связано с неравенством электронной и дырочной подвижности. Из измеренных зависимостей тока через канал от времени при освещении фототранзистора падающим излучением на длине волны 532 нм, прерывающимся с частотой ~2.5 Гц, при различных значениях напряжения на затворе, определены времена отклика на включение и выключение освещения. Времена отклика на включение и выключение освещения при различных VG в диапазоне от –20 до 20 В совпадают в пределах погрешности и составляют 30±15 мс. Из измеренных зависимостей тока через канал от времени при переключении напряжения на затворе с одного значения на другое время отклика на малый скачок напряжения VG с –11 до –10 В составило 60±26 мс, а на большой скачок VG с –20 до –10 В время отклика составило 130±40 мс. Времена отклика фототранзистора, полученные в эксперименте, оказались существенно больше времён отклика, полученных путём численного моделирования. Это может быть объяснено большими контактными сопротивлениями, а также наличием дополнительных паразитных электрических ёмкостей электродов стока и истока. Численная модель фототранзистора была доработана путём учёта паразитных сопротивлений и ёмкостей электродов стока и истока. Модель адекватно описывает наблюдаемые в эксперименте зависимости нормированного фототока от VG и времена релаксации при сопротивлениях RS,D равных 2.2±0.7 х109 Ом, и паразитных ёмкостях CSR, D порядка ~10 пФ. Измерены спектры внешней квантовой эффективности (ВКЭ) в диапазоне длин волн от 350 до 800 нм для органического фототранзистора на основе TMS-P4TP-TMS, а также для органического фотодиода с вертикальной структурой электродов на основе данного вещества. Обнаружено, что ВКЭ фотодиода приблизительно повторяет по форме спектр поглощения вещества TMS-P4TP-TMS, тогда как для фототранзистора ВКЭ не убывает до нулевого значения при длинах волн, больших чем край спектра поглощения (~530 нм), а остаётся на уровне 3 – 6%. Это может быть объяснено наличием ловушек на границе активного слоя с диэлектриком, которые имеют энергетические уровни внутри запрещённой зоны полупроводника. Результаты проведенных исследований представлены в виде тезисов 1 доклада на международной научной конференции и опубликованы в одной научной статье в журнале, входящем в базы данных Сеть Науки, Scopus, РИНЦ.