Размещено на http://www.allbest.ru/

Київський національний університет імені Тараса Шевченка

УДК 621.383

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Спеціальність 01.04.10 - Фізика напівпровідників і діелектриків

Фізичні властивості кремнієвих фотоперетворювачів з вбудованими дельта та псі шарами

Козинець Олексій Володимирович

Київ-2007

Дисертація є рукописом

Робота виконана на кафедрі напівпровідникової електроніки радіофізичного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка. кремній перетворювач струм фото

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор Скришевський Валерій Антонович, Київський національний університет імені Тараса Шевченка, професор кафедри напівпровідникової електроніки.

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Євтух Анатолій Антонович, Інститут фізики напівпровідників НАН України, провідний науковий співробітник; кандидат фізико-математичних наук Кондратенко Сергій Вікторович, Київський національний університет імені Тараса Шевченка, асистент кафедри оптики.

Захист відбудеться «24» вересня 2007 року о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.001.31 у Київському національному університеті імені Тараса Шевченка (03022, м. Київ, проспект Глушкова 2, корпус 5, радіофізичний факультет).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету імені Тараса Шевченка (м. Київ, вул. Володимирська, 58)

Автореферат розісланий «16»серпня 2007 року

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Кельник О.І.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Останнім часом проблема пошуку альтернативних джерел енергії набула особливої актуальності у зв'язку з неминучою вичерпністю традиційних джерел та рядом екологічних, соціальних, технічних проблем, які виникають при активному їх використанні. Цим обумовлена зацікавленість до прямого перетворення сонячної енергії в електричну. Виключну роль у сучасній промисловій фотовольтаїці відіграють кремнієві фотоперетворювачі на основі p-n переходу. Коефіцієнт корисної дії (ККД) лабораторного зразка на монокремнії обмежується на рівні 24%, а промислових зразків близько 16-20%, ціна одного Вата встановленої потужності складає близько 3 USD, середня окупність фотобатарей до 20 років. Тому основними завданнями є пошук методів здешевлення елемента та збільшення ККД промислових зразків.

Ефективність фотоперетворення сонячного елемента (СЕ) суттєво зменшується за рахунок: впливу послідовного та шунтуючого опору; наскрізного проходження квантів з енергією меншою ніж ширина забороненої зони, рекомбінації носіїв в об'ємі напівпровідника, в області просторового заряду та на межах поділу; відбиття від фронтальної поверхні (чи меж поділу); поглинання частини енергії в приповерхневому неактивному шарі; генерації лише однієї електронно-діркової пари внаслідок поглинання квантів з енергією більшою ніж ширина забороненої зони.

В структурі кремнієвого СЕ на основі дифузійного p-n переходу можна виділити ряд складових, оптимізація яких є предметом постійного наукового пошуку. Зменшення електричного опору металевої гребінки та зменшення оптичних втрат на відбивання та поглинання на лицьовій металізації досягається вибором відповідного типу металу, типу геометрії і товщини контакту, використанням багатошарової чи прихованої металізації. Оптичне пропускання всього елемента підвищують за рахунок антивідбиваючого шару, застосовуючи нові методи текстуризації фронтальної поверхні та багатошарові антивідбиваючі покриття. Рекомбінаційні втрати на поверхні емітера зменшують, використовуючи різноманітні пасивуючі покриття (SiO₂), H⁺ пасивацію шару, польові ефекти для екранування центрів рекомбінації. Параметри області просторового заряду (висота бар'єра, рекомбінаційні властивості, механізми струмопереносу) визначаються параметрами p-бази та дифузійного n-емітера і тому як окремий структурний елемент спеціально не оптимізуються.

На момент виконання дисертаційної роботи була відома дуже невелика кількість робіт, в яких досліджені можливості покращання характеристик СЕ за рахунок створення умов для поглинання квантів з енергією 0.5-1.12 еВ. Не існувало ні теоретичних розрахунків, ні експерименту, що показували б, як за допомогою тонкого порівняно з шириною області просторового заряду широкозонного напівпровідника (д-шару) отримати покращання характеристик фотоперетворення елемента.

Останнім часом багато досліджень присвячено використанню поруватого кремнію (ПК, ш-шару) для створення СЕ. ПК характеризується низьким коефіцієнтом відбиття і, завдяки простій та дешевій технології створення, розглядався як ефективне антивідбиваюче покриття. Рекомбінаційні властивості шарів ПК, можливості використання цього матеріалу для пасивації поверхні досліджені на сьогоднішній день недостатньо. Цікавим видається вивчення можливості, як за умови такої пасивації, контролювати швидкість поверхневої рекомбінації на фронтальній та тильній поверхні елемента, використовуючи зовнішні впливи чи додаткову обробку ( вбудова іонів Cs⁺, магнітне поле, адсорбція молекул). Дослідження рекомбінаційних явищ на межі поділу ПК-Si дозволяє краще зрозуміти фізику генераційно-рекомбінаційних процесів та механізми транспорту носіїв заряду в гетероструктурах з ПК і може бути покладено в основу роботи нових функціональних елементів оптоелектроніки.

Зв'зок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота відповідає основним науковим напрямкам кафедри напівпровідникової електроніки радіофізичного факультету і виконувалася в рамках наступних тем:

- НДР КНУ № держ. реєстрації 0197U003448Ф «Дослідження фізичних процесів в сенсорах на основі багатошарових контактних структур», термін виконання 1997-2000р.;

- НДР КНУ № 01БФ052-07 «Дослідження генераційно-рекомбінаційних процесів та електронного транспорту в напівпровідниках та напівпровідникових структурах як основи для створення елементної бази новітніх засобів комплексної автоматизації та інформатизації, дослідження властивостей інформаційних середовищ і полів та їх практичного застосування», термін виконання 2001-2005 р.;

- НДР 06БФ052-02 «Фізичні основи елементної бази та ефекти взаємодії випромінювання з речовиною для розвитку новітніх технологій інформатизації «, термін виконання 2006-2010 р.;

- НДР Міннауки України 04.07/01051 «Створення промислової технології випуску фотоелектричних батарей та технічних засобів для прямого перетворення сонячної енергії в електрику», 1997-2000 р.;

- НДР Міннауки України ДП/40-2003 «Створення науково-технічних засобів, оцінка вітчизняного потенціалу для ефективного перетворення сонячної енергії та її використання в народному господарстві та побуті», 2003-2006 р.

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є:

- визначити вплив параметрів, вбудованих в область просторового заряду д-шарів, на ККД та механізми струмопереносу в кремнієвих СЕ;

- визначити роль межі поділу ПК-кремній у рекомбінаційних процесах в кремнієвих СЕ;

- встановити можливість керування рекомбінаційними та транспортними ефектами на межі поділу ПК-кремній за допомогою зовнішніх впливів;

- розглянути можливість створення нових функціональних елементів електроніки на основі фоточутливих структур ПК-кремній .

Для досягнення мети вирішувалися такі завдання:

- визначення впливу енергетичних характеристик та геометрії д-шарів, вбудованих в область просторового заряду p-n переходу, на процеси темнового та фото струмопереносу в n-p переході і на параметри фотоперетворення в СЕ з n-p переходом;

- визначення рекомбінаційних характеристик межі поділу ПК-кремній і можливість їх керування зовнішніми діями (магнітне поле, адсорбція молекул, пасивація іонами Cs⁺ ).

Об'єкт дослідження - кремнієвий n-p перехід, в якому може відбуватися домішковий фотовольтаїчний ефект, n-p перехід з шаром ПК та гетероструктури типу ПК-кремній.

Предмет дослідження - рекомбінаційні процеси на межі поділу ПК-кремній, процеси струмопереносу в кремнієвому n-p переході з вбудованим д-шаром.

Для розв'язання цих задач були залучені такі методи дослідження:

- теоретичний розрахунок вольт-амперних характеристик (ВАХ) n-p переходу з д-шаром на основі аналітичного розв'язку дифузійно-дрейфових рівнянь з відповідними крайовим умовами - для оцінки змінии ККД кремнієвого СЕ;

- чисельне моделювання процесів у СЕ з використанням пакету PC-1D - для отримання фотовольтаїчних характеристик структур з ПК;

- вимірювання вольт-фарадних характеристик, світлових та темнових ВАХ - для дослідження контактних явищ та випростуючих властивостей гетероструктур з ПК;

- вимірювання фотопровідності та фотоелектрорушійної сили (в тому числі і в різних атмосферах), вимірювання фоточутливості в магнітному полі - для дослідження механізмів формування фоточутливості та впливу рекомбінації на межі поділу на фотоефекти в гетероструктурах з ПК;

- вимірювання координатного розподілу фоточутливості методом LBIC (фотострум, наведений лазерним променем у певній точці поверхні структури) - для візуалізації неоднорідностей області формування сигналу фоточутливості.

Наукова новизна одержаних результатів

1. Уперше теоретично визначено вплив параметрів д-шарів (висота потенціального бар'єра, геометрія), вбудованих в область просторового заряду, на струмоперенос у n⁺-p кремнієвих СЕ для різних механізмів (для переважного тунельного, надбар'єрного, через локальні рівні) для темнових і для фотоносіїв. Проведена оцінка зміни ефективності фотоперетворення в таких елементах з врахуванням додаткового інфрачервоного поглинання в д-шарі, зміни темнового та фотоструму при різних параметрах д-шару.

2. Уперше досліджено вплив магнітного поля на процеси струмозбирання в структурах з гетерошарами ПК- кремній.

3. Досліджено вплив фронтальної та тильної адсорбції (молекул H₂O, органічних речовин) на фотоелектричне перетворення в кремнієвих фотоприймачах з p-n переходом та фотопровідність кремнієвих гетероструктур з шарами ПК.

4. Уперше досліджено вплив Cs⁺ пасивації на фронтальну рекомбінацію в гетероструктурах ПК-кремній.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що:

1. Теоретично визначені параметри вбудованого д-шару (висота потенціального бар'єра, положення в області просторового заряду), які можуть у випадку практичної реалізації елемента забезпечити зростання ефективності фотоперетворення (1-2%);

2. Досліджено вплив газової адсорбції та магнітного поля на рекомбінаційні характеристики фронтальних та тильних шарів ПК у гетероструктурах ПК-кремній, що може використовуватись при створенні функціональних приладів оптоелектроніки;

3. Запропоновано новий СЕ з індукованим, внаслідок введення в ПК іонів Cs⁺, бар'єром.

Особистий внесок здобувача полягає в проведенні експериментів по дослідженню керуванням рекомбінаційними властивостями структур з гетеропереходом ПК-кремній [1-5,8-11,13], дослідженні розподілу наведеного фотоструму в структурах з ПК [2,3,8,11,12,14], дослідженні фотовольтаїчного ефекту в структурах метал-надтонкий шар ПК-кремній [16], моделюванні фотовольтаїчних характеристик досліджуваних структур за допомогою пакету PC1D [2,5,8,12], теоретичному розрахунку ВАХ n-p переходів з д-шаром в області просторового заряду [6,7,15], участі в розробці моделі кремнієвого фотоперетворювача з д-шаром , в обговоренні та аналізі результатів.

Апробація результатів дисертації.

Матеріали дисертаційної роботи доповідалися на 1-ому Українсько-польському семінарі «New Photovoltaic Materials for Solar Cells» (м. Краків, 1996 рік); «2-World сonference and еxhibition on photovoltaic solar energy convertion» (м. Відень, 1998 рік); на конференції «17 European photovoltaic solar energy conference» (м. Мюнхен, 2001рік); на конференції «1-а Українська наукова конференція з фізики напівпровідників УНКФН-1 « (м. Одеса, 2002 рік); на конференції «Матеріали електронної техніки та сучасні інформаційні технології МЕТІТ 1» (Кременчуг, 2004 рік); на конференції «Physics Chemistry and Engineering of Solar Cells» (Badajoz, Іспанія, 2004 рік); на 1-ому Українсько-корейському семінарі «Nanophotonic and Nanophysics» (м. Київ, 2005 рік); на міжнародній конференції «Functional Materials ICFM-2005» (м. Партеніт, 2005 рік), на 2-ій Міжнародній науково-технічній конференції « Сенсорна електроніка та мікросистемні технології СЕМСТ-2 « (Одеса, 2006 рік).

Публікації. Результати роботи викладені в 16 друкованих роботах, серед яких 7 статей та 1 збірник наукових праць.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів та списку використаних джерел. Вона викладена на 142 сторінках, включає в себе 55 рисунків, 1 таблицю та список використаних джерел з 110 найменувань на 12 сторінках.

Зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми, визначено мету дисертаційної роботи, наведено відомості про новизну, наукову та практичну цінність отриманих результатів, апробацію роботи; подано інформацію про публікації автора; описано структуру дисертації.

Перший розділ присвячено огляду літературних джерел, в яких описуються методи та експериментальні результати зі збільшення ефективності фотоперетворення кремнієвих CЕ в інфрачервоній області спектра (h1.12еВ). Проаналізовано стан проблеми застосування домішкового фотовольтаїчного ефекту в кремнієвих фотоперетворювачах, зокрема введення іонів In в базову або емітерну область елемента.

В усіх варіантах, запропонованих для використання цієї спектральної області, суттєвим є компроміс між збільшенням фотоструму та збільшенням темнового струму, а отже, зменшенням напруги холостого ходу. Оскільки внаслідок введення глибоких домішок в процесі іонної імплантації відбувається часткова аморфізація монокристалічного матеріалу СЕ в певному об'ємі, при теоретичному аналізі потрібно приймати до уваги вплив на темновий та фотострум утворених потенціальних бар'єрів, рекомбінації Шоклі-Ріда та рекомбінації на межах поділу. Показано, що необхідною умовою збільшення ККД в інфрачервоному діапазоні є створення умов для певної кількості проходів світлового потоку через активну область фотоперетворювача.

Проаналізовано сучасний стан проблеми використання ПК у кремнієвій фотовольтаїці. На основі аналізу літературних даних показано, що цей матеріал має ряд перспективних властивостей: можливість створення дифузорів на поверхні елемента, використання в технології селективного емітера, можливість створення ефективного антивідбиваючого покриття, макротекстуризації поверхні. Слід також відзначити, що ПК на поверхні емітера перевипромінює, в силу своїх фотолюмінісцентних властивостей, короткохвильове світло з ультрафіолетової та блакитної частини спектра в більш довгохвильовому червоному діапазоні, для якого квантова ефективність кремнієвих СЕ вища. За рахунок дифузного розсіяння в ПК відбувається збільшення ефективного шляху довгохвильових фотонів (800-1200 нм) і, як наслідок, зростає внутрішня квантова ефективність у структурах типу n-p перехід із тонким шаром ПК на емітері. Однак, у синій області спектра означені структури в деяких випадках характеризуються зменшенням внутрішньої квантової ефективності, що пояснюється можливими рекомбінаційними втратами на межі поділу та в плівці ПК.

Щодо пасивуючих властивостей цього матеріалу на сьогоднішній день не існує одностайної думки. Обґрунтовано необхідність подальших досліджень рекомбінаційних характеристик межі поділу ПК-кремній.

Другий розділ присвячено опису використаних експериментальних методик, зокрема вимірюванню фоточутливості в магнітному полі, вимірюванню розподілу фотоструму по поверхні за методом LBIC.

Для вимірювання спектрального розподілу фоточутливості була реалізована класична схема на основі монохроматора МДР-3. Опір навантаження з'єднувався послідовно із досліджуваним зразком та гальванічним елементом. Фотострум вимірювався в лінійному режимі і був пропорційний падінню напруги на опорі навантаження. У дослідах використовувалось магнітне поле до 0.5 Тл, яке створювалося за допомогою електромагніту.

Описаний технологічний процес виготовлення гетероструктур з ПК. Наведений короткий опис пакету PC-1D для чисельного моделювання.

У третьому розділі на основі аналітичного розв'язку дифузійно-дрейфових рівнянь з відповідними крайовими умовами отримані ВАХ p-n переходу з д-шаром в області просторового заряду. Розглянуті окремо випадки для тунельного, надбар'єрного та через локальні рівні переносу носіїв крізь д-шар. Вибір саме такого положення обумовлений тим, що фотогенеровані в -шарі носії заряду можуть розводитися полем області просторового заряду без рекомбінації. У розрахунках було використано діодне наближення та не бралося до уваги падіння напруги на д-шарі. Потенціал в області просторового заряду шириною L апроксимувався виразом

Вважалося також, що функції розподілу носіїв не порушуються струмом. Наявність д-шару була врахована в крайових умовах, сформульованих для межі поділу область просторового заряду-квазінейтральна область.

Для тунельного переносу носіїв струму. У наведених виразах для f_p та f_n: та - частини загального потенціалу , які падають зліва та зправа від -шару, та коефіцієнти прозорості -шару для електронів та дірок, v_n та v_p - їх теплові швидкості, n_n - рівноважна концентрація електронів в емітері, p_p - рівноважна концентрація дірок у базі, к - стала Больцмана, Т - температура, е - заряд електрона. Слід зазначити, що отримано для випадку, коли -шар знаходиться у межах області просторового заряду.

Показано, що внаслідок введення д-шару фотоструми n-емітера та p-бази елемента, які виникають в результаті поглинання світла з довжиною хвилі л, змінюються порівняно з вихідними значеннями j_е (л), j_б (л).

Враховуючи невелику, порівняно з розмірами області просторового заряду, товщину -шару можна наближенно записати фотострум у цій області у звичайному вигляді

, (3)

де F(л) - густина потоку квантів у спектральній області л<1200 нм, б (л) - коефіцієнт поглинання в кремнії, R - коефіцієнт відбиття.

На основі аналізу виразу для густини струму короткого замикання

j_f=j_{емітера}+j_бази+j_опз+j_д

визначені оптимальні, з точки зору ефективності фотоперетворення, параметри д-шару (висота створюваних потенціальних бар'єрів ^p_b2 , ⁿ_b1, положення в області просторового заряду x). Так, для умов освітлення АМ1.5, 0.1 Вт/см² надбар'єрного механізму струмопереносу у випадку ^p_b2=ⁿ_b1=0.3 еВ оптимальним є положення д-шару в межах від 0.2L до 0.6L. У випадку збільшення висоти бар'єра цей проміжок зменшується і в граничному випадку ^p_b2=ⁿ_b1=0.45 еВ оптимальним є положення д-шару в точці 0.3L. Подальше зростання бар'єра призводить до різкого зменшення струмів j_бази, j_{емітера}, які «збираються» з базової та емітерної областей, і сенс розгляду додаткової фотогенерації втрачається. Оцінки свідчать, що для д-шару товщиною 50 нм з коефіцієнтом поглинання б_д=10² см^-1 у діапазоні 0.5-1.1 еВ, за умови 100 проходів світлового потоку, збільшення густини струму короткого замикання досягає кількох відсотків (1.12 мА/cм²) порівняно з вихідною структурою (33 мА/cм²).

У випадку незмінної величини фотоструму збільшення напруги холостого ходу відповідно до виразу (n - коефіцієнт неідеальності) досягає 10-15% за рахунок зменшення густини темнового струму j₀. Для великих бар'єрів, які створює -шар, напруга холостого ходу може підвищуватися також і внаслідок збільшення фактора неідеальності n, однак, погіршення форми світлової ВАХ призводить, у кінцевому рахунку, до зменшення ефективності фотоперетворення.

Четвертий розділ присвячено застосуванню шарів ПК у фотоперетворювачах дифузійно-польового типу.

З метою визначення рекомбінаційних характеристик межі поділу ПК-кремній була використана структура типу n-p перехід з шаром ПК (товщиною 1мкм) на тильній поверхні. Товщина базової p-області складала 300 мкм, довжина дифузії неосновних носіїв близько 100 мкм. Поверхня ПК освітлювалася через діафрагму з метою виключення впливу поверхні монокристалічного кремнію. В умовах освітлення тильної поверхні квантами із області сильного поглинання кремнію така структура характеризується різкою залежністю фотоструму від швидкості рекомбінації s. Цей висновок базується на результатах чисельного моделювання і має ясну фізичну інтерпретацію: коли структуру освітлено з боку бази, фотострум визначає вплив рекомбінаійного потоку на поверхню, особливо для квантів світла з великим коефіціентом поглинання в кремнії; у випадку ж освітлення n⁺-емітера (товщина близько 0.6 мкм) нерівноважні носії генеруються поблизу області просторового заряду і ефективно розділяються електричним полем.

Методом наближення експериментальних і розрахованих за допомогою пакету PC1D спектральних залежностей фотоструму були визначені величини швидкості рекомбінації на межі поділу ПК-кремній s~10⁵ см/c у вологій атмосфері та s~10⁶ см/c на повітрі. Зміну швидкості рекомбінації на межі поділу можна пояснити в рамках моделі Стівенсона-Кейса, з урахуванням відповідної зміни приповерхневого вигину зон внаслідок адсорбції вологи. Великі значення швидкості рекомбінації, отримані в цих дослідах, підтверджують припущення про збільшену площу фізичної межі поділу в структурах з ПК.

Можливості застосування ПК у фотовольтаїці для активних шарів обмежені в першу чергу його високим електричним опором, а тому доцільно розглянути спеціальні напівпровідникові структури, в яких можна використати діелектричниі властивості цього матеріалу.

Фотовольтаїчний ефект спостерігався в структурах Ti-надтонкий шар ПК (<10 нм)-р-Si. Шари ПК створювалися електрохімічним травленням пластин p-кремнію, на наступному етапі вакумним напиленням через маску наносився напівпрозорий шар барє'рного металу.

Характер залежностей напруги холостого ходу V_хх струму короткого замикання I_кз зовнішньої квантової ефективності від часу травлення (а отже, і товщини шару ПК) дозволяв зробити висновок, що у формуванні фотоструму приймають участь основні і неосновні носії струму, а шар ПК відіграє роль тунельно-прозорого діелектрика в системі метал-діелектрик-напівпровідник (МДН).

Коли товщина проміжного шару невелика, струм дірок зменшується більш сильно ніж фотострум електронів, але при подальшому збільшенні товщини починає зменшуватися і фотострум електронів, це і визначає наявність максимуму I_кз. Можна, таким чином, припустити, що шар ПК в означених структурах є тунельно прозорим для неосновних носіїв (електронів), та водночас створює потенціальний бар'єр для основних носіїв (дірок).

На користь цього свідчить збільшення нормалізованої зовнішньої квантової ефективності в короткохвильовій області (hн>2 еB) при збільшенні товщини ПК. Цей ефект пояснюється переходом основних носіїв у метал, який зменшує загальний фотострум. Роль означеного ефекту тим менша чим менша прозорість проміжного шару. Зростання V_хх із збільшенням товщини ПК зумовлено, в першу чергу зменшенням темнового струму.

Вперше експериментально показана можливість створення фотоперетворювача з інверсійним шаром, який виникає внаслідок вбудови іонів Сs⁺ в ПК. Технологічно процес вбудови позитивних іонів в плівку ПК можна реалізувати, застосовуючи обробку в водному розчині CsCl та на завершальному етапі низькотемпературний відпал (400⁰ С, 10 хв.). Зсув високочастотних вольт-фарадних характеристик після вбудови Сs⁺, а також зникнення фоточутливості в структурі ПК(Cs⁺)-p-кремній при прикладанні позитивного відносно шару ПК потенціалу до підкладинки підтвердили припущення про виникнення інверсійного шару.

Вивчення методом наведеного струму розподілу потенціального бар'єра по поверхні такої структури показало, що області, в яких відбувається поглинання світла, і області (Ti-p-Si), через які «збираються» носії, розділені просторово. Вихідна тестова структура без ПК та обробки означеним способом, характеризувалася фоточутливістю виключно по периметру Ti-p-Si діодів внаслідок латеральної дифузії фотогенерованих носіїв у напрямку бар'єрних областей. Розподіл фотоструму в такому випадку визначається фактором exp(-x/l), де x-відстань від краю Ti -контакту, l- довжина дифузії електронів у p-підкладинці.

Чисельним моделюванням, з використанням експериментальних значень коефіцієнта відбиття ПК, отримані залежності напруги холостого ходу V_х.х від величини вбудованого позитивного заряду та світлові ВАХ. Показано, що такий елемент на підкладинці p-Si з с=0.1 Ом·см при концентрації іонів цезію N_cs >10¹² см^-2 в ПК в умовах освітлення АМ1.5, 0.1 Вт/см² може мати наступні параметри: j_к.з= 36 мА/см², V_х.х=0.69В.

За величиною зсуву напруги плоских зон високочастотної вольт-фарадної характеристики була оцінена величина позитивного заряду в плівці ПК, яка співпадала з результатами чисельного моделювання. Запропонована технологія, яка дозволяє уникнути фотолітографічного процесу при формуванні контактної гребінки на фронтальній поверхні елемента.

П'ятий розділ присвячено вивченню впливу поверхневої рекомбінації на фотоефекти в гетероструктурах ПК-кремній.

Для досліджень були використані гетероструктури напівпрозорий Au-ПК (товщина 1мкм)-n-Si-Ag для двох конфігурацій: планарної - напруга прикладалася до двох сусідніх контактних Au областей; наскрізної - напруга прикладалася між Au та тильним омічним контактом. При наскрізному проходженні спостерігалася ВАХ діодного типу, у випадку прикладання напруги між контактами Au ВАХ були симетричні, що пояснюється, протіканням струму або через високоомномний шар ПК з питомим опором близько 10⁶ Ом·см, або через підкладинку, коли два гетеропереходи ПК-n-Si включено назустріч один одному.

У випадку планарного протікання струму спектри фоточутливості демонстрували подібність до спектрів об'ємного кремнієвого фотоопору (довгохвильова границя складала 1.12 еВ, короткохвильова 1.9еВ). Оскільки ширина забороненої зони шарів ПК була близька до 2.0 еВ, що відповідало максимуму спектра фотолюмінісценції 630 нм, основна фотогенерація відбувалася в кремнієвій підкладинці. Внесок шару ПК зводився до зменшення фоточутливості в короткохвильовій області.

У випадку наскрізного підключення структури фотострум реєструвався при подачі на кремнієву підкладинку додатнього потенціалу і був відсутній при прямому зміщенні. Окрім компоненти, яка зумовлена бар'єром між ПК та Si, спостерігалася компонента внаслідок фотогенерації в шарі ПК. При збільшенні величини оберненого зміщення в області довжин хвиль 600-750 нм на спектрі з'являється «крило», пов'язане з поглинанням світла і виникненням фотопровідності в об'ємі ПК. Нерівномірність наростання фотоструму в області «крила" при збільшенні прикладеної напруги пояснюється зменшенням потенціальних бар'єрів між кремнієвими нанокристалітами. Серед основних механізмів струмопереносу в шарах ПК розглядаються: емісія Пула-Френкеля, стрибковий механізм по закону Мотта через локалізовані стани в ПК та генерація з тунелюванням крізь хвости станів у зоні провідності. При падінні напруги V>1 В на шарі ПК товщиною d<1 мкм напруженість електричного поля становить Е>10⁴В/см і стає можливим ефект Франца -Келдиша.

Адсорбція молекул води та ацетону призводила до немонотонної зміни фоточутливості в усьому спектральному інтервалі, що пояснюється зміною рекомбінаційних характеристик межі поділу ПК-кремній, можливою інжекцією електронів у нанокристаліти кремнію, зміною ефективного діелектричного середовища ПК та висоти потенціальних бар'єрів в контакті.

Для дослідження впливу магнітного поля на рекомбінаційні властивості ПК використовувалися підкладинки p-типу (4 Ом·см, товщина 350 мкм), на які наносилися трьохкомпонентні омічні контакти Ti/ Pd/ Ag у формі смужок шириною 2 мм, відстань між якими складала 2 мм. Між контактними смужками електрохімічним травленням створювався шар ПК товщиною 0.2 мкм.

У магнітних полях В⁺ ( носії відхиляються до поверхні ПК) та В^-(носії відхиляються полем у глибину зразка) спостерігалося асиметричне зменшення фоточутливості I_B у спектральній області =550-950 нм відносно фоточутливості I_B=0 у випадку, коли магнітне поле відсутнє. В області = 950-1100 нм цей ефект не спостерігався, а деяке зменшення фоточутливості зумовлено впливом магнітоопору.

Отже при зростанні величини В⁺ на межі поділу ПК-кремній зростає концентрація n_s і зменшується концентрація дірок p_s. Як наслідок починає виконуватися умова максимуму рекомбінації s у моделі Стівенсона-Кейса

p_sу_p = n_sу_n,

де у_p, у_n .- перерізи захоплення дірок та електронів відповідно.

Величина фотопровідності структури в області середніх і великих значень коефіцієнта поглинання б в кремнії зменшується із зростанням s.

Про роль рекомбінаційних процесів на межі поділу ПК-кремній свідчить також зміна форми спектрів фоточутливості в магнітному полі В⁺ у вологій атмосфері. Оскільки в такому випадку може відбуватися пасивація рекомбінаційних центрів, фоточутливість зростає для короткохвильової частини спектра. Останнє зумовлює зменшення впливу магнітного поля на темп рекомбінації на межі поділу (внаслідок зміни величин n_s та p_s) і зсув спектра в короткохвильову область.

Магнітне поле з орієнтацією В^- діє на фотогенеровані електрони таким чином, що вони відхиляються в глибину зразка, а тому концентрація n_s поблизу межі поділу ПК-кремній буде менша ніж у попередньому випадку і ефект «керування» величиною s для спектральної області =550-950 нм не спостерігається.

Структури такого типу можна використати як функціональні елементи мікроелектроніки: магніто-фотодіод з нелінійними тесла-амперними характеристиками.

Висновки

1. Аналітично розв'язані дифузійно-дрейфові рівняння в одновимірному випадку з відповідними крайовими умовами і отримані ВАХ кремнієвих фотоперетворювачів p-n типу з вбудованими в область просторового заряду д-шарами. Проаналізовані ВАХ для надбар'єрного, тунельного та через поверхневі рівні струмопереносу. Показано можливість збільшення напруги холостого ходу та густини струму короткого замикання внаслідок зменшення темнових струмів та додатковій фотогенерації в області енергій квантів 0.5 еВ<hн<1.12 еВ в д-шарі. Ефект збільшення j_к.з. досягає 2%, а V_х.х.- близько 10 % (за умови незмінної величини густини струму короткого замикання). Визначені параметри д-шару (висота потенціального бар'єра, ширина, положення, коефіцієнт поглинання), які можуть забезпечити зростання ефективності фотоперетворення.

2. Обґрунтовано методику аналізу впливу стану поверхні на рекомбінаційні характеристики гетерограниці ПК-кремній з аналізу спектральних залежностей j_к.з. в умовах тильного освітлення p-n переходу, який має тонкий шар ПК на тильній поверхні. Показано, що адсорбція вологи змінює величину швидкості рекомбінації на межі поділу ПК (наноструктурований кремній)-кремній. Отримані значення цього параметра на повітрі s~10⁶ см/c та вологій атмосфері s~10⁵ см/c.

3. Отримано фотовольтаїчний ефект в структурах Ti-надтонкий шар ПК (<10 нм)-р-Si. Характер залежностей напруги холостого ходу, струму короткого замикання, зовнішньої квантової ефективності від товщини шару ПК свідчить, що останній відіграє роль тунельно-прозорого діелектрика в МДН структурі.

4. Уперше експериментально показана можливість створення МДН сонячного елемента із інверсійним шаром, який виникає внаслідок вбудови іонів Сs⁺ у шар ПК. Запропонована технологія дозволяє уникнути фотолітографічного процесу при формуванні контактної гребінки на фронтальній поверхні елемента. Чисельним моделюванням показано, що такий елемент на підкладинці p-Si з с=0.1 Ом·см при концентрації N_cs >10¹² см^-2 в ПК може мати параметри j_к.з= 36 мА/см², V_х.х=0.69 В (для умов освітлення АМ 1.5, 0.1 Вт/см²).

5. Фоточутливість структур Au-ПК-n-Si у планарному та наскрізному режимах протікання струму демонструє різну поведінку в залежності від довжини хвилі освітлення, прикладання зовнішньої напруги та впливу газової атмосфери. Така поведінка обумовлена тим, що фотоелектричний сигнал у них формується за участю гетеропереходу ПК-n-Si і в самому шарі ПК. Причому форма спектральних залежностей суттєво залежить від рекомбінаційних характеристик межі поділу ПК-кремній, які можуть змінюватись у зовнішньому середовищі, зокрема при адсорбції парів води та ацетону.

6. Експериментально показана «асиметрія» впливу полярності магнітного поля (яке прикладене паралельно поверхні) на фоточутливість кремнієвих гетероструктур із тонкими шарами ПК. Зменшення фоточутливості при відхиленні надлишкових носіїв магнітним полем до освітлюваної поверхні ПК пов'язується із зміною темпу рекомбінації на межі поділу ПК-кремній за моделлю Стівенсона-Кейса. Означені структури можна використати як функціональні елементи мікроелектроніки (магніто-фотодіод з нелінійними тесла-амперними характеристиками).

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Козинець О.В., Ничипорук О.І., Момот М.М., Кислюк В.В., Скришевський В.А. Вплив магнітного поля на фотострум в гетероструктурах кремній-поруватий кремній// УФЖ.-2006.-Т.51,№6.- с.574-579.

2. Скришевський В.А., Літовченко В. Г, Клюй М І., Литвиненко С. В., Козинець О. В., Ничипорук О. І. МДН сонячний елемент із затвором з поруватого кремнію та інверсійним шаром // Вісник Київського університету, сер. Радіофізика і електроніка.- 2006.- № 2 .-c. 346 -352.

3. Козинець О.В., Іванов І.І., Гусак Н.М., Литвиненко С.В., Скришевський В.А. Особливості фотоелектричних процесів в контакті метал-поруватий кремній-кремній // Нові технології.-2004.-№3(6).-С.8-11.

4. Skryshevsky V.A., Kuznetsov G.V., Litvinenko S.V., Kozinetz A.V., Vikulov V.A., Kilchitskaya T.S., Tretiak O.V. Gas sensing properties of metal-nanocrystalline silicon-silicon heterostructures // Фотоэлектроника.-2004.-№13-С.25-29.

5. Литвиненко С.В., Козинець О.В., Скришевський В.А., Третяк O.В. Рекомбінаційні та адсорбційні властивості границі поділу між нанопористим кремнієм і кремнієвою підкладинкою // Вісник Київського університету, сер. Радіофізика і електроніка.- 2002.- № 4.-c. 314-319.

6. Cтріха В.І., Скришевський В.А., Козинець О.В., Петренко В.В. Вплив -шарів на темнові вольт-амперні характеристики кремнієвих p-n переходів при проходженні струму через локальні рівні // УФЖ.- 2000.- T.45, N12.- C.1458-1461.

7. Козинець О.В., Кузницький З.Т., Скришевський В.А., Стріха В.І. Вплив ?- шарів на темнові ВАХ кремнієвих p-n переходів // УФЖ.- 1999.- Т.44, № 8.- C.1003-1006.

8. Litvinenko S., Kozinetz A., Skryshevsky V., Tretyak O. Effect of gas environment on the recombination properties of nanostructured layer-silicon interface // Nanostructures: Synthesis, Functional Properties and Application. Edited by Thomas Tsakalakos, Ilya A. Ovid' ko and Asuri K. Vasudevan, NATO Science Series: Kluwer.-2003. -vol.128.-P.649-653.

9. Литвиненко С.В., Козинець О.В. Газові та хімічні сенсори з фотоелектричним перетворенням // Тези доп. « Сенсорна електроніка та матеріали електронної техніки СЕМСТ-2 « Одеса,Україна 2005-С. 120.

10. Kozinetz A.V., Nichiporuk O.I., Vlasenko N. M., Kisluk V.V., Skryshevsky V.A. Influence of magnetic field on photocurrent of silicon-porous silicon heterostructures // International Conference «Functional Materials ICFM'2005 «, Partenit, Ukraine.- 2005.-P.305.

11. Козинець О.В., Іванов І.І., Гусак Н.М., Литвиненко С.В., Скришевський В.А. Особливості фотоелектричних процесів в контакті метал-поруватий кремній-кремній // Тези доп. «Матеріали електронної техніки та сучасні інформаційні технології МЕТІТ-1», Кременчуг, 2004.- С.31-33.

12. Skryshevsky V.A., Litovchenko V.G., Klyui N.I., Litvinenko S.V., Kozinets A.V., Nichiporuk A.V. Porous silicon cells: a new possibilities for terrestrial application // Proc. 17th European Photovoltaic Solar Energy Conf.-Munich.-2001.-P.1858-1861.

13. Skryshevsky V.A, Kuznetsov G.V., Litvinenko S.V., Kozinetz A.V., Vikulov V.A., Kilchitskaya T.S., Tretiak O.V. Gas sensing properties of metal-nanocrystalline silicon-silicon heterostructures // Тези доп. 1-ої Української наукової конференції з фізики напівпровідників УКНФН-1, Одеса, 2002.-С.170.

14. Skryshevsky V., Litvinenko S., Kozinets A., Benilov A. I., Skryshevski Yu., Blonsky I.V. Analysis of surface recombination velocity in nanocrystalline silicon/ silicon heterostructures: new photovoltaic transducing prinsiple for sensor application// Тези доп. 1-ого Українсько-корейського семінару «Nanophotonic and Nanophysics», Київ, 2005.-C. 21.

15. Strikha V.I., Kozinets A.V., Kuznicki Z.T., Skryshevsky V.A. Influence of a -layer on light current-voltage characteristics of silicon solar cells // Proc. 2nd World Conf. Photovoltaic Solar Energy Conversion.- Wien.-1998.- P.198-200.

Анотації

Козинець О.В. Фізичні властивості кремнієвих фотоперетворювачів з вбудованими дельта- та псі- шарами. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.10 - фізика напівпровідників і діелектриків. - Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Київ, 2007.

Теоретично показана можливість збільшення коефіцієнта корисної дії кремнієвого фотоперетворювача на основі p-n переходу з тонким шаром широкозонного напівпровідника, вбудованого в область просторового заряду, за рахунок поглинання квантів з енергією 0.5 еВ<hн<1.12 еВ та зменшення темнового струму.

Досліджено фотовольтаїчний ефект в структурах метал-тонкий шар поруватого кремнію-кремній і показано, що поруватий кремній відіграє роль тунельно-прозорого діелектрика в означених структурах. Обгрунтовано методику визначення рекомбінаційних характеристик межі поділу поруватий кремній-кремній з аналізу спектральних залежностей фотоструму при освітленні тильної поверхні p-n переходу. Визначено швидкість рекомбінації на межі поділу в повітрі та вологій атмосфері.

Вперше експериментально показана можливість створення фотоперетворювача з інверсійним шаром, який виникає внаслідок вбудови іонів Сs⁺ в шар поруватого кремнію. Чисельним моделюванням отримані параметри фотоперетворення таких елементів. Запропонована технологія дозволяє уникнути фотолітографічного процесу при формуванні контактної гребінки на фронтальній поверхні елемента.

Експериментально показана «асиметрія» впливу полярності магнітного поля (яке прикладено паралельно поверхні) на фоточутливість кремнієвих гетероструктур із тонкими шарами поруватого кремнію. Зменшення фоточутливості при відхиленні надлишкових носіїв магнітним полем до освітлюваної поверхні поруватого кремнію пов'язується із зміною темпу рекомбінації на межі поділу поруватий кремній-кремній за моделлю Стівенсона-Кейса.

Ключові слова: поруватий кремній, гетероструктура, фотоперетворювач, швидкість рекомбінації, магнітне поле.

Козинец А.В. Физические свойства кремниевых фотопреобразователей со встроенными дельта-и пси-слоями. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков. - Киевский национальный университет имени Тараса Шевченко, Киев, 2007.

Теоретически показана возможность увеличения коэфициента полезного действия кремниевого фотопреобразователя на основе p-n перехода с тонким слоем широкозонного полупроводника, встроенного в область пространственного заряда, за счет поглощения квантов с энергией 0.5 еВ<hн<1.12 еВ и уменьшения темнового тока.

Проведено исследование фотовольтаического эффекта в структурах метал-тонкий слой пористого кремния-кремний и показано, что пористый кремний выполняет роль тунельно-прозрачного диэлектрика в таких структурах.

Обоснована методика определения рекомбинационных характеристик границы раздела пористый кремний-кремний исходя из анализа спектральных зависимостей фототока при освещении тыльной поверхности p-n перехода. Определена скорость рекомбинации в воздухе и влажной атмосфере. Изменение этого параметра на границе раздела ПК-кремний объясняется изменением приповерхностного изгиба зон вследствие адсорбции. Впервые экспериментально показана возможность создания фотопреобразователя с инверсионным слоем, который возникает в результате введения ионов Сs⁺ в слой пористого кремния. Возникновение инверсионного слоя подтверждено по сдвигу высокочастотных вольт-фарадных характеристик после введения Сs⁺, отсутствию фоточувствительности в структуре ПК(Cs⁺)-p-кремний при приложении положительного потенциала к подложке. Изучено распределение потенциального баръера по поверхности такой структуры. Предложена технология, которая позволяет избежать использования фотолитографического процесса при создании контактной гребёнки на фронтальной поверхности элемента. Численным моделированием получены параметры фотопреобразования таких элементов.

Фоточувствительность кремниевых гетероструктур с тонкими слоями пористого кремния при планарном и сквозном протекании тока по-разному зависит от длины волны, приложенного напряжения, влияния газовой среды. Причиной этого является формирование фотоэлектрического сигнала как при участии гетероперехода пористый кремний-кремний, так и в самом слое пористого кремния. Форма спектральных зависимостей существенно зависит от рекомбинационных характеристик границы раздела, которые могут изменяться во внешней атмосфере, в частности при адсорбции паров воды и ацетона.

Экспериментально показана «ассиметрия» влияния полярности магнитного поля (приложенного параллельно поверхности) на фоточувствительность кремниевых гетероструктур с тонкими слоями пористого кремния. Уменьшение фоточувствительности при отклонении избыточных носителей магнитным полем к освещаемой поверхности пористого кремния объясняется изменением темпа рекомбинации на границе раздела пористый кремний-кремний в рамках модели Стивенсона-Кейса.

Ключевые слова: пористый кремий, гетероструктура фотопреобразователь, скорость рекомбинации, магнитное поле.

Kozinetz A. V. Physical properties of silicon photodetectors with inserted delta- and psi- layers.-Manuscript.

Thesis for a physical and mathematical sciences candidate's degree, speciality 01.04.10. - Physics of semiconductors and dielectrics. - National Taras Shevchenko University of Kyiv, 2007.

The insertion of wide band gap semiconductor layer within depletion region of silicon p-n junction is shown to increase the cell performance due to photon absorption in range 0.5 еВ<hн<1.12 еV and reduction of saturation dark current.

A Ti-(ultra thin porous silicon <10 nm)-p-Si solar cells have been elaborated. The introduced interface porous silicon layer into Schottky contact is tunnel-transparent for the minority charge carriers and forms the potential barrier for major charge carriers.

The photocurrent of p-n junction induced by short wavelength light illumination from the back side of cell covered by porous silicon layer is an experimental parameter to be sensitive to the adsorption..

A possibility to create the porous silicon-silicon solar cell with incorporated to porous silicon layer Сs⁺ ions has been shown. The impact of the positive charges was investigated experimentally by measurement of spectral response and lateral current collection. The porous silicon technology gives the possibility to avoid the photolitography process at the formation of face metal collector grid.

The influence of magnetic field on photocurrent of heterostructures with thin porous silicon layer is investigated. A reduction of the photocurrent, that accompanies the deflection of charge carriers by magnetic field towards the illuminated surface, is associated with the charge recombination at porous silicon- silicon interface. It is shown that such type of heterostructures can be useful to elaborate magnetic field sensors

Keywords: porous silicon, heterostructure, photodetector, recombination velocity, magnetic field.

Размещено на Allbest.ru

...