Ученые НГУ впервые обнаружили биполярную проводимость в пленках нестехиометрического германосиликатного стекла

Аспирантка Новосибирского государственного университета Гайсаа Хамуд на 16-й Валиевской международной конференции «Микро- и наноэлектроника – 2025» представила свой доклад «Исследование типа проводимости пленок нестихеометрических германосиликатных стекол».

Для Гайсаа Хамуд, приехавшей в Новосибирск из Сирии, это было первое выступление на «взрослой» конференции (ранее она принимала участие только в студенческих и молодежных), но оно оказалось успешным – аспирантка получила диплом за лучший устный доклад.

Изучением свойств германосиликатных стекол Гайсаа занялась в самом начале обучения в аспирантуре около трех лет назад под научным руководством ведущего научного сотрудника Лаборатории функциональной диагностики низкоразмерных структур для наноэлектроники отдела АТИЦ Физического факультета НГУ, ведущего научного сотрудника Института физики полупроводников им. А.В.Ржанова СО РАН, профессора кафедры общей физики, доктора физико-математических наук Владимира Володина. Около года заняло исследование типа проводимости в этих структурах.

«Мы первыми изучили тип проводимости в германосиликатных стеклах. Данные знания важны для понимания механизма проводимости в этих неидеальных диэлектриках (в которых существенны так называемые токи утечки). В любых материалах – как в полупроводниках, так и в диэлектриках, – существует разный тип проводимости: либо электронного типа, либо дырочного, либо биполярного. Чтобы улучшить характеристики приборов, в которых используется тот или иной диэлектрик, важно знать, какой тип проводимости для него характерен. Объектом изучения в моем исследовании стали германосиликатные стекла, которые можно применять для изготовления фоточувствительных МДП-структур (структур металл-диэлектрик-полупроводник). Ранее мы получили в них эффект очень хорошей фоточувствительности, что важно в их приложении для технического зрения, светочувствительных датчиков и мемристоров, и решили объяснить механизм его возникновения. Дело в том, что германосиликатные стекла не являются идеальным диэлектриком, они проводят электрический ток. Мы используем неидеальную природу германосиликатного стекла (токи утечки) для достижения полезных свойств МДП-структур на их основе. Например, в МДП-структурах такие диэлектрики подавляют темновой ток, но при этом не сильно ослабляют фототок. Это приводит к улучшению их фоточувствительности. И, возможно, устройства на основе таких диэлектриков заменят более дорогие промышленные фоточувствительные устройства. Возможно, такие новые материалы и устройства будут недорогими, небольшими по размеру и будут потреблять мало энергии. Однако, чтобы улучшить показатели фоточувствительности, необходимо установить механизм возникновения фототока и тип проводимости», – пояснила Гайсаа Хамуд.

Некоторые обычные методы исследования полупроводников, такие как эффект Холла и термозонд, в этом случае не подходят. Поэтому ученые использовали другой метод, который называется неравновесным обеднением. Этот метод позволяет изучать, как заряды перемещаются из подложки в диэлектрик в специальных структурах. Они проверяли, как ведут себя образцы в темноте и при свете, изучая их электрические характеристики.

В исследовании участвовали 4 разных состава образцов, которые были сделаны на кремниевых подложках двух типов: n-типа (с электронным типом проводимости) и p-типа (с дырочным типом проводимости). В итоге было изучено 8 образцов. Ученые меняли соотношение между оксидом германия и оксидом кремния в своих пленках. Они отметили, что оксид кремния хорошо изучен, а оксид германия – нет, и их смесь до сих пор не исследовалась.

Исследуемые структуры на основе германосиликатного стекла можно использовать как солнечные элементы, но учёные не ставили перед собой такую цель, поэтому не старались улучшить их характеристики. Из-за этого их эффективность как солнечных элементов очень низкая — всего 0,01%, тогда как нужно хотя бы 10%. Поэтому использовать их как солнечные панели не имеет смысла, но это и не было целью исследования.

Учёные изучали эти структуры в темноте и при свете. Они провели анализ, чтобы понять, как заряды движутся внутри пленок, и выяснили, что пленки разных составов могут проводить электричество в обоих направлениях. Это было подтверждено анализом специального эффекта, который наблюдается при освещении.

Этот факт подтвердил, что германосиликатное стекло имеет биполярную проводимость. Учёные планируют улучшить фоточувствительность своих МДП-структур. Результаты исследований помогут создать фотодетекторы без pn-перехода. В настоящее время на рынке есть только устройства с pn-переходом, но новые приборы будут дешевле и проще в производстве.