Фотоелектричні і оптичні явища в фотодетекторах і сонячних елементах на основі напівпровідників А3В5 з текстурованою межею поділу

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ФІЗИКИ НАПІВПРОВІДНИКІВ імені В. Є. ЛАШКАРЬОВА

УДК 621.315.592 621.383.51

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Фотоелектричні і оптичні явища в фотодетекторах і сонячних елементах на основі напівпровідників А³В⁵ з текстурованою межею поділу

01.04.01 - фізика приладів, елементів і систем

Мамонтова Ірина Борисівна

Київ - 2009

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті фізики напівпровідників ім. В. Є. Лашкарьова НАН України

Науковий керівник:

доктор фізико-математичних наук, професор Дмитрук Микола Леонтійович, Інститут фізики напівпровідників ім. В. Є. Лашкарьова Національної Академії Наук України, завідувач відділу

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор Комащенко Валерій Миколайович, Інститут фізики напівпровідників ім. В. Є. Лашкарьова Національної Академії Наук України, завідувач відділу

доктор фізико-математичних наук, професор Горбик Петро Петрович, Інститут хімії поверхні ім. О. О. Чуйка Національної Академії Наук України, завідувач відділу

Захист відбудеться "18" грудня 2009 р. о 14¹⁵ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.199.01 в Інституті фізики напівпровідників ім. В. Є. Лашкарьова НАН України за адресою: м. Київ, 03028, проспект Науки 41

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту фізики напівпровідників ім. В. Є. Лашкарьова НАН України: 03028, Київ-28, проспект Науки 45

Автореферат розіслано "13" листопада 2009 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат фізико-математичних наук О. Б. Охріменко

світло напівпровідник оптичний поверхневий

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Найбільш ефективними перетворювачами сонячної енергії в електричну є сонячні елементи (СЕ) на основі напівпровідників А³В⁵ (наприклад, GaAs, InP), ширина забороненої зони яких близька до оптимальної. Поверхнево-бар'єрні структури (ПБС) на основі цих матеріалів можна вважати одними з перспективних фотоперетворювачів, тому що вони відповідають наступним вимогам: 1) вони мають достатньо високий коефіцієнт корисної дії (ККД); 2) чутливі в УФ області сонячного спектру; 3) використовують просту технологію виготовлення і не потребують високотемпературних обробок, що негативно впливає на рекомбінаційні параметри напівпровідника і електронні параметри межі поділу. Сонячні елементи з бар'єром Шотткі на основі GaAs і InP є особливо перспективними для використання в космосі (завдяки можливості отримання високого співвідношення коефіцієнта корисної дії до ваги елемента і більш високої стійкості до жорсткої радіації порівняно з кремнієм), а також в системах з концентраторами.

Для збільшення ефективності СЕ такого типу існують дві можливості: 1) зменшення оптичних втрат за рахунок створення поверхневого мікрорельєфу, використання антивідбиваючих тонкоплівкових покриттів та заміни напівпрозорого металевого шару прозорим провідним оксидом (наприклад, ITO) і 2) підвищення внутрішньої квантової ефективності внаслідок оптимізації параметрів напівпровідника і вибору поверхневих обробок, що дозволяють мінімізувати рекомбінаційні втрати на поверхні і межах поділу.

Текстурування межі поділу метал-напівпровідник (МН) збільшує поглинання світла і, отже, фотострум сонячних елементів і коефіцієнт корисної дії. Додаткова хімічна обробка поверхні (пасивація) покращує електронні властивості структури завдяки зменшенню швидкості поверхневої рекомбінації. Використовуються різні технології текстурування (механічне, лазерне, травлення крізь маску, хімічне травлення та ін.) та отримуються різні типи мікрорельєфу: піраміди, канавки, перевернуті піраміди, взаємно перпендикулярні канавки та ін. У випадку прямозонних напівпровідників типу А³В⁵ (GaAs, InP, тверді розчини) для текстурування фронтальної поверхні підкладки розроблена технологія хімічного анізотропного (селективного) травлення, що забезпечує отримання перспективних типів рельєфів без підповерхневого порушеного шару і навіть з дещо покращеними структурними і електронними властивостями. В ПБС текстурована поверхня виступає не лише як пасивний елемент (поліпшення використання світла внаслідок зменшення втрат на відбивання), але й являється активною межею поділу, що здійснює процес фотоелектричного перетворення в полі потенціального бар'єра. Проте відхилення межі поділу від плоскої може призвести до спотворення електричних полів потенціального бар'єру і збільшення електронних втрат на рекомбінацію. Тому використання текстурованої поверхні (межі поділу) як активного елементу фотодетекторів і СЕ передбачає збереження її структурної досконалості. Для оптимізації технології формування меж поділу поверхнево-бар'єрних структур з метою використання їх як сонячних елементів і фотодетекторів необхідне моделювання фізичних процесів в структурі та комп'ютерний розрахунок оптичних і фотоелектричних характеристик ПБС в залежності від статистично-геометричних параметрів мікрорельєфу, розробка надійних та неруйнівних методів визначення їх електричних та рекомбінаційних параметрів та вивчення впливу морфології мікрорельєфу і способу його формування на оптичні і рекомбінаційні параметри структури.

В зв'язку з широким використанням СЕ в космічних цілях необхідне також дослідження радіаційної стійкості таких СЕ з текстурованою активною межею поділу.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами:

Дисертаційна робота виконувалася в рамках тем:

“Дослідження механізмів структурної і компонентної модифікації матеріалів під дією зовнішніх чинників і створення технологій приладів і пристроїв оптоелектроніки”, 1995-1999 р.р. (Постанова Бюро ВФА НАН України № 9 від 20.12.1994 р., номер держ. реєстрації 0195U010991).

“Розробка елементів сенсорної та оптоелектронної техніки на основі нової технології виготовлення періодичних структур на поверхні напівпровідників”, 1997-1998 рр. (Проект №6.97.262; Договір №8/1470-97 від 10.10.1997 р. між Міннауки та ІФН НАН України).

“Розробка та дослідження мікрорельєфних фотоперетворювачів з гетероепітаксійними переходами InGaAs-GaAs та AlGaAs-GaAs” (Проект НТЦУ U-056(J), 2002-2004 р.р.).

Метою дисертаційної роботи є вивчення особливостей фотоелектричних і оптичних явищ в поверхнево-бар'єрних фотодетекторах і СЕ на основі напівпровідників А³В⁵ типу метал(ITO)-напівпровідник з текстурованою активною межею поділу з метою збільшення ефективності роботи таких фотодетекторів і СЕ завдяки керуванню оптичними і електронними властивостями структури.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні задачі:

- провести теоретичний аналіз формування фотоструму в СЕ поверхнево-бар'єрного типу з детальним врахуванням електронних переходів на поверхні, у тім числі в структурах з текстурованою межею поділу;

- провести розрахунок пропускання світла у напівпровідник в залежності від параметрів поверхневої провідної плівки і статистичних характеристик шорсткостей поверхні (межі поділу) з метою визначення внутрішнього квантового виходу;

- дослідити вплив різних хімічних обробок (текстуруючих, пасивуючих) на оптичні і електронні властивості ПБС з текстурованою межею поділу.

- встановити залежність фоточутливості ультрафіолетових фотодетекторів від конкретного типу мікрорельєфу з метою його оптимізації;

- дослідити вплив опромінення -квантами ⁶⁰Со на характеристики макетів СЕ з текстурованою активною межею поділу.

Об'єктом дослідження є процес взаємодії світла з напівпровідниковими гетероструктурами типу метал-напівпровідник та напівпровідник-напівпровідник з мікрорельєфною межею поділу і потенціальним бар'єром.

Предметом дослідження обрані ПБС типу діодів Шотткі на основі GaAs і InP. Тонкі плівки Au, Ag, Al, ITO використовувались як поверхневий провідний шар. За допомогою анізотропного хімічного травлення напівпровідника на межі поділу створювався мікрорельєф різних типів.

В роботі використані такі методи дослідження: феноменологічний розрахунок фотоструму бар'єрної структури при детальному врахуванні електронних переходів на межі поділу і рекомбінації в області просторового заряду (ОПЗ) і на поверхні; розрахунок спектра пропускання світла в напівпровідник крізь поглинаючу (провідну) плівку при різних параметрах шорсткості поверхні (межі поділу) та товщині плівки; вимірювання світлових та темнових вольт-амперних характеристик (ВАХ), за допомогою яких визначаються електричні параметри структури - струм короткого замикання I_кз, напругa розімкнутого кола V_рк, коефіцієнт корисної дії (ККД) , коефіцієнт заповнення світлових ВАХ FF, величини шунтуючого R_ш і послідовного R_п опорів; вимірювання вольт-фарадних характеристик для визначення концентрації вільних носіїв заряду та висоти бар'єру; вимірювання спектрів дзеркального і дифузного відбивання світла та фотоструму короткого замикання ПБС; атомно-силова мікроскопія (АСМ) для кількісного опису мікрорельєфу поверхні.

Наукова новизна роботи полягає в наступному:

1. В рамках розвинутої теорії фотоструму ПБС з плоскою і мікрорельєфною межами поділу розраховано спектр внутрішнього квантового виходу поверхнево-бар'єрної структури в залежності від її актуальних параметрів, що дозволило конкретизувати вплив швидкості поверхневої рекомбінації, швидкості переносу основних носіїв струму в метал, дифузійної довжини неосновних носіїв струму, ступеня легування фотоактивного матеріалу та оптимізувати параметри фотодетекторів і СЕ.

2. Запропоновано рівняння для розрахунку пропускання монохроматичного світла крізь тонку поглинаючу плівку з однією або двома шорсткими поверхнями (межами поділу) на поглинаючій підкладці при нормальному падінні світла. Із розрахунків для типової ПБС Au-GaAs показано, що розсіяння світла на слабких шорсткостях поверхні приводить до збільшення його пропускання в довгохвильовій області спектра.

3. Запропонована флуктуаційна модель для ПБС типу МН з текстурованою межею поділу, коли висоти бар'єрів _В розподілені за законом Гаусса. Така модель дозволяє кількісно описати зменшення напруги розімкнутого кола СЕ зі збільшенням ширини статистичного розподілу висот бар'єрів і пояснити причину аномальної температурної залежності висоти бар'єра. Експериментально показано, що при порівнянних величинах струму короткого замикання, ПБС з текстурованою активною межею поділу типу дендритів мають меншу величину напруги розімкнутого кола у порівнянні з ПБС з рельєфом типу квазігратки.

4. Виявлено особливості сульфідної пасивації в ПБС з текстурованою межею поділу. Ефект сульфідної пасивації на текстурованій поверхні менший, ніж на плоскій внаслідок локальності ефекту пасивації, коли в процесі анізотропного хімічного травлення в першу чергу видаляються порушені області та макрогетерогенності мікрорельєфу. Внаслідок хімічної реакції заміни оксиду на сульфід Ga або As ефект сульфідної пасивації зберігається тривалий час.

5. Встановлено вплив текстурованої межі поділу на фоточутливість структур Au-GaAs, Au-nn⁺GaAs, Au-InP, ITO-GaAs в УФ області сонячного спектра. Показано, що фоточутливість структур з мікрорельєфом як типу квазігратки, так і дендритного типу набагато більша, ніж з плоскою поверхнею як для структур Au-GaAs, так і Au-InP. Досягнуто збільшення фоточутливості до 0,22-0,23 А/Вт в УФ області спектра при =0,250,4 мкм в ПБС типу Au(ІТО)-GaAs та Au-InP з тектурованою межею поділу до рівня кращих зарубіжних зразків фотодетекторів за рахунок вибору морфології мікрорельєфу та технології виготовлення.

6. Проведено порівняння впливу опромінення -квантами ⁶⁰Со дозами 10³210⁵ Гр на радіаційну стійкість СЕ на основі ПБС Au-GaAs з мікрорельєфом дендритного та квазіграткового типу, виготовлених методом хімічного анізотропного травлення монокристалів GaAs. Встановлено, що більш перспективним є мікрорельєф типу квазігратки, тому що він дозволяє отримати СЕ з більшою ефективністю, зниження якої при опроміненні дозою 210⁵ Гр не перевищує 2% від початкової величини.

Практичне значення одержаних результатів:

1. Поскільки методом атомно-силової мікроскопії (АСМ) встановлено, що реальна текстурована поверхня може бути представлена суперпозицією мікро(нано)рельєфу і макрорельєфу, то пропускання світла в структури з мікро(нано)рельєфом може бути визначене за допомогою скалярної теорії дифракції на основі апроксимації Кірхгофа, а з макрорельєфною поверхнею - за допомогою формул геометричної оптики. Такий розрахунок пропускання дає змогу розрахувати внутрішній квантовий вихід і визначити механізм рекомбінаційних втрат в фотодетекторах і СЕ.

2. Встановлено особливості впливу сульфідної пасивації на параметри фотодетекторів і СЕ на основі ПБС Au-GaAs в залежності від морфології мікрорельєфу та попередньої обробки поверхні GaAs. Сульфідна пасивація дозволяє значно покращити структурні та електронні властивості поверхні напівпровідника за рахунок зменшення швидкості поверхневої рекомбінації та зміни структури і складу проміжного шару. Показана перспективність обраного режиму обробки поверхні GaAs для збільшення ККД фотодетекторів і СЕ з текстурованою поверхнею, що зберігається на протязі декількох років.

3. Створено ефективний УФ-фотодетектор на структурах Au-GaAs, Au-nn⁺GaAs, Au-InP, ITO-GaAs з мікрорельєфною межею поділу. Розроблений УФ-фотодетектор на основі ПБС Au-GaAs та Au-InP з текстурованою межею поділу завдяки високій фоточутливості і досить простій технології виготовлення може бути застосований для створення нових приладів і систем.

4. Встановлено, що СЕ з текстурованою межею поділу можна вважати досить привабливими для космічного використання завдяки радіаційній стійкості та ефективності. Особливо це стосується СЕ з мікрорельєфом типу квазігратки, зменшення ККД яких не перевищує 2% від початкового значення, порівняно з СЕ з мікрорельєфом дендритного типу (але і для таких структур погіршення ефективності при опроміненні дозою 210⁵ Гр не перевищує 5% від початкової величини).

Особистий внесок автора. Здобувачеві належать: виготовлення поверхнево-бар'єрних структур з мікрорельєфом типу дендритів та квазіграток на поверхні напівпровідника, створення бар'єрних металевих електродів шляхом термічного випаровування металу в вакуумі, виготовлення омічних контактів; вимірювання і аналіз електричних (ВАХ, ВФХ) та фотоелектричних (спектри фотоструму) властивостей, проведення оптичних вимірювань та інтерпретація спектрів відбивання/пропускання світла, розрахунок ефективного (інтегрального) коефіцієнта відбивання світла; аналіз результатів структурно-морфологічних досліджень методом AСM.

Автор брала участь у постановці завдань досліджень, написанні всіх публікацій, особистому представленні результатів на деяких конференціях та семінарах різного рівня, обговоренні проблемних завдань, проведенні ком'ютерних розрахунків, підготовці і проведенні експериментів.

Постановка завдання та інтерпретація результатів проведені в творчій співдружності із співавторами відповідних наукових робіт.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи були представлені на таких міжнародних та вітчизняних наукових конференціях:

International Conference on Advanced Semiconductor Devices and Microsystems (ASDAM'98), 5-7 October 1998, Smolenice Castle, Slovakia; International Semiconductor Conference (CAS'98), 6-10 October 1998, Sinaia, Romania; 2^nd World Conference on Photovoltaic Solar Energy Conversion, 6-10 July 1998, Vienna, Austria; 6^th International Workshop on Expert Еvaluation & Control of Compound Semiconductor Materials & Technologies (EXMATEC 2002), 26-29 May 2002, Budapest, Hungary; 6^th International Conference and Exhibition "Self-Formation Theory and Application", 26-28 November 2003, Vilnius, Lithuania; 19^th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, 7-11 June 2004, Paris, France; 20^th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, 6-10 June 2005, Barcelona, Spain; XIV International Materials Research Congress (IMRC 2005), Symposium 4: Solar Cells & Solar Energy Materials, 21-25 August 2005, Cancъn, Mйxico; Науково-практична конференція з міжнародною участю “Проблеми оптики та її освітнього аспекту на порозі 3-го тисячоліття”, 5-6 жовтня 1999, Київ, Україна.

Публікації. В дисертаційній роботі узагальнені наукові результати, опубліковані у 25 наукових працях, у тому числі 15 статей у реферованих вітчизняних та міжнародних фахових журналах, 5 - в матеріалах міжнародних конференцій і 5 - у тезах міжнародних конференцій.

Структура і об'єм дисертації. Дисертація складається із вступу, оглядового розділу, чотирьох оригінальних розділів, висновків та списку цитованої літератури, що містить 174 найменування робіт. Роботу викладено на 164 сторінках машинописного тексту, який містить 47 рисунків та 5 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету та задачі досліджень, підсумовано наукову новизну і практичне значення отриманих результатів, коротко викладено зміст дисертації по розділах.

У першому розділі представлено огляд літератури по використанню текстурованої поверхні напівпровідника для збільшення ефективності фотоелектричних перетворювачів сонячної енергії. Наведено способи опису оптичних властивостей шорстких поверхонь, основи статистичної променевої оптики для шорстких поверхонь, а також найбільш поширені типи мікрорельєфів, а також використання поруватих і композитних матеріалів у фотовольтаїці. В кінці розділу надані конструкційно-технологічні аспекти текстурування поверхні СЕ.

У другому розділі проведено феноменологічний розрахунок фотоструму ПБС, в тому числі з текстурованою межею поділу. Діркову та електронну компоненти фотоструму розраховано за допомогою рівнянь неперервності, які розв'язуються окремо в ОПЗ та квазінейтральному об'ємі. При цьому були прийняті допущення про термоемісійно-дифузійний перенос основних та неосновних (формуючих фотострум) носіїв заряду з врахуванням рекомбінації в ОПЗ і в напівнескінченній або тонкоплівковій базі, проведено “зшивання” концентрацій носіїв заряду та їх похідних (потоків) на межі області просторового заряду та квазінейтрального об'єму. Спрощена формула для повного фотоструму короткого замикання ПБС складається з двох членів для діркового та електронного фотострумів:

(1)

, ,

w - товщина ОПЗ (w=[2₀(V_B-k_BT/q)/qN_d]^1/2), V_B - дифузійний потенціал на межі метал-напівпровідник, N_d - легування напівпровідника, D_n (D_р) - коефіцієнт дифузії основних (неосновних) носіїв струму, V_n (V_р) - швидкість переносу електронів (дірок) крізь межу поділу, L_p - дифузійна довжина неосновних носіїв струму, S - швидкість поверхневої рекомбінації, (x) - електростатичний потенціал в ОПЗ, I₁, I₂ - інтеграли по ОПЗ, І - інтенсивність світла на вході в базовий напівпровідник (х=0),

.

Розрахунок фотоструму І_кз фотодетекторів і СЕ на основі ПБС з текстурованою межею поділу здійснюється за допомогою макрогетерогенної (плямистої) моделі, відповідно до якої фотоструми паралельно з'єднаних діодних структур (з різною висотою бар'єрів) додаються. Повна густина фотоструму визначається як , де - густина фотоструму окремих однорідних структур кількістю k з висотою бар'єра _Ві, площею поверхні А_і, - повна площа ПБС. Фотострум , що генерується під час проникнення світла у напівпровідник крізь тонку плівку металу при сонячному опроміненні, визначається як:

,(2)

де E() - густина потоку фотонів як функція довжини хвилі, Q_i() - внутрішня квантова ефективність, T_мi() - пропускання металевої плівки, товщина якої може змінюватись для мікроповерхней з різним нахилом, R_i() - відбивання фронтальної поверхні ПБС. У випадку мікрорельєфної межі поділу (при <<, - середньо-квадратичне відхилення від площини поверхні) дзеркальне відбивання світла, відповідно до скалярної теорії дифракції Кірхгофа, визначається як:

(3)

де R₀() - відбивання ідеально плоскої поверхні, - кут падіння світла.

За допомогою цієї моделі проаналізовано вплив на Q_i() рекомбінації на межі поділу та електронних втрат V_n в залежності від параметрів напівпровідника: L_p і N_d.

На рис. 1 показано вплив різних джерел рекомбінаційних втрат на I_кз. Як видно, залежність I_кз від емісії електронів (V_n/D_n) послаблюється зі збільшенням N_d, тоді як зменшення L_p при збільшенні N_d є більш суттєвим. Таким чином, оптимальна величина N_d для забезпечення максимуму I_кз варіюється від 510¹⁴ до 510¹⁵ см^-3 в залежності від S та V_n. Рис. 1б демонструє вплив оптичних втрат на I_кз, а саме зменшення відбивання світла від фронтальної поверхні ПБС від 45% до 1-2% за рахунок текстурування межі поділу.

Оскільки швидкість поверхневої рекомбінації входить лише через відношення S/V_p, то вона не змінюється при текстуруванні поверхні, а перенос основних носіїв в метал V_n, що ефективний лише в короткохвильовій області спектра, може істотно зростати, але лише в обмеженій короткохвильовій частині сонячного спектра.

В залежності від геометрично-статистичних параметрів рельєфу поверхні застосовувались різні підходи до розрахунку коефіцієнта пропускання Т:

1) для сильнокорельованих рельєфів, тобто при <<l_c (l_c - планарна кореляційна довжина рельєфу), використовувалась скалярна теорія дифракції, заснована на наближенні Кірхгофа;

2) для мікрорельєфів з висотою і псевдоперіодом l_c і >>, l_c>> виконується наближення геометричної оптики, і Т можна розрахувати за її законами з врахуванням багатократних відбиттів.

Реальна текстурована поверхня, як встановлено методом АСМ, може бути представлена суперпозицією мікро(нано)рельєфу з висотою Н<< і макрорельєфу з Н> (=0,30,9 мкм). Тоді пропускання світла Т() визначається як:

(4)

де визначається з формул геометричної оптики, а розраховується за формулами, отриманими із скалярної теорії дифракції на основі апроксимації Кірхгофа. У випадку плоских меж поділу плівка-підкладка (1) і повітря-плівка (2) (рис. 2, а), розрахунок Т можна провести за класичними формулами Френеля:

,(5)

де n₀ і n₂ - дійсні частини комплексної діелектричної функції підкладки (індекс 0) та довкілля (індекс 2) (), d₁ - товщина плівки, - амплітудний коефіцієнт пропускання, що розрахований при нормальному падінні світла, - комплексний фазовий зсув світлового пучка після проходження плівки (1), , - коефіцієнти Френеля для відбивання та пропускання на межі поділу, i, i=1, 2:

(6)

де символ 0 в індексах і0 вказує на випадок відсутності рельєфу.

Із розрахунків для типової поверхнево-бар'єрної структури Au-GaAs показано, що розсіяння світла на незначних шорсткостях поверхні призводить до збільшення пропускання світла в довгохвильовій області спектра (рис. 2, б). Слід підкреслити, що при цьому проводилась чисельна перевірка виконання закону збереження енергії як на обох шорстких межах поділу, так і в тонкоплівковій структурі вцілому.

Розрахунок пропускання дав змогу визначити квантовий вихід Q_i по величині Q_e.

У третьому розділі описана технологія виготовлення зразків і методики вимірювання параметрів фотодетекторів і СЕ.

Текстурування поверхні за допомогою хімічного анізотропного травлення дозволяє отримати різні типи морфології мікрорельєфу за рахунок варіювання умов травлення (склад травника, тривалість, температура) , які підбираються емпірично за критерієм мінімального відбивання світла R() в актуальній області довжин хвиль =0,40,9 мкм (рис. 3, 4, табл. 1).

На основі отриманих результатів розраховувались ефективні коефіцієнти відбивання за формулою:

.

Встановлено, що дзеркального відбивання зменшується від 37,8% для хімічно полірованої поверхні n-GaAs до 0,4-0,6% для мікротекстурованої, а коефіцієнт сумарного відбивання зменшується від 40,4% для полірованної поверхні до 14,8% для поверхні з мікрорельєфом дендритного типу та 31% для оптимізованого мікрорельєфу типу квазігратки.

Таблиця 1 Технологія обробки поверхні та виготовлення мікрорельєфу

Напівпровідни- кові пластини	Технологія травлення	Плоска поверхня	Мікрорельєф типу дендритів	Мікрорельєф типу квазігратки
(100) GaAs	Температура	T=20 С	T=2025 С	T=2224 С
	Травник	3H2SO4:1H2O:1H2O2	HNO3 (конц.)	2HF:2H2SO4:1H2O2
	Час травлення	t=1 хв.	t=1030 сек.	t=13 хв.
(100) InP	Температура	T=20 С	T=105 С	T=20 С
	Травник	1HNO3:1HСl	H2SO4 (конц.)	HСl (конц.)
	Час травлення	t=3 хв.	t=13 хв.	t=17 хв.

Напилення плівки золота було здійснено методом термічного випаровування у вакуумі (10^-5 мм рт. ст.) на підігріту до 120 С підкладку. Для напилення плівок ITO (indium tin oxide - суміш провідних окислів індію In₂O₃ та олова SnO₂ у співвідношенні 95:5%) використовувався метод реактивного магнетронного розпилення.

Для послаблення ефекту збільшення площі поверхні і підсилення електричного поля на виступах рельєфу, при якому зменшується V_рк та збільшується струм насичення зворотної ВАХ СЕ, використовувалась сульфідна пасивація GaAs у 2N водному розчині Na₂S9H₂O (впродовж 20 сек.) перед виготовленням ПБС.

У випадку InP для забезпечення необхідної величини бар'єру в контакті Au-InP здійснювалось спочатку гідротермальне окислення поверхні InP, а потім - сульфідна пасивація.

Четвертий розділ присвячений дослідженню фоточутливості ПБС з бар'єром Шотткі в УФ області спектру з метою використання їх як ультрафіолетових фотодетекторів. Були виготовлені УФ-фотодетектори на основі ПБС з мікрорельєфною межею поділу типу Au(ITO)-GaAs і Au-InP.

На рис. 5 видно, що за рахунок текстурування межі поділу ПБС типу Au-GaAs і Au-InP при відповідному виборі морфології мікрорельєфу напівпровідника та технології виготовлення структури можна досягти значного підвищення фоточутливості таких фотодетекторів в ближній УФ області спектра до рівня кращих світових зразків (табл. 2).

Таблиця 2 Параметри виготовлених УФ-фотодетекторів

Тип структури	Ефективна пло-ща поверхні, мм2	Спектральний діапазон фоточутливості, мкм	Фоточутливість при 25 C, A/Вт
Au-GaAs	1,3 6	0,25 0,88	0,23 (при =0,33 мкм) 0,22 (при =0,35 мкм)
ITO-GaAs	1 6	0,30 0,88	0,07 (при =0,33 мкм) 0,08 (при =0,35 мкм)
Au-InP	1,3	0,25 0,9	0,17 (при =0,30 мкм) 0,19 (при =0,35 мкм)

П'ятий розділ присвячений дослідженню і аналізу експериментальних характеристик СЕ з текстурованою межею поділу, в тому числі в залежності від сульфідної пасивації і радіаційного опромінення.

Внаслідок локальності ефекту пасивації, із врахуванням того, що в процесі анізотропного хімічного травлення в першу чергу видаляються порушені області та макрогетерогенності мікрорельєфу, ефект сульфідної пасивації на текстурованій поверхні виявився меншим, ніж на плоскій. Крім того, у випадку GaAs внаслідок хімічної реакції заміни оксиду на сульфід Ga або As ефект сульфідної пасивації зберігається тривалий час.

Вплив сульфідної пасивації на параметри СЕ на основі ПБС типу Au-GaAs в залежності від морфології мікрорельєфу та попередньої обробки поверхні GaAs показано на рис. 6. Сульфідна пасивація на текстурованій поверхні призводить не тільки до збільшення І_кз, що зумовлено зменшенням S, але і до збільшення V_рк і FF ВАХ, що пов'язано зі зміною структури та хімічного складу проміжнього шару (табл. 3).

Таблиця 3 Параметри фотодетекторів на основі ПБС типу Au-GaAs

Стан поверхні	В , еВ	S/Vp	Vn/Dn , см-1	Lp , мкм
Плоска	0,83	0,31	6,5106	0,60
Плоска+пасивація	0,84	0,10	5,0107	0,90
Квазігратка	0,78	0,29	9,0106	1,0
Квазігратка+пасивація	0,80	0,06	1,0107	0,82

Відповідно до макрогетерогенної (плямистої) моделі контакту МН, висоти бар'єрів _В розподіляються згідно закону Гаусса:

,

де , _В0 - найбільш ймовірна величина висоти бар'єра, - ширина розподілу. Вираз для термоемісійної компоненти струму можна записати:

,(7)

де А* - ефективна стала Річардсона для плоских меж поділу, k_B - стала Больцмана, N - фактор неідеальності. Якщо знехтувати залежністю N від рельєфу, то можна записати вираз для струму насичення:

,,(8)

де - температурний коефіцієнт висоти барьера _В: визначений зі спектральної характеристики струму внутрішньої фотоемісії.

Ця модель пояснює зміну сталої Річардсона та аномально великі значення температурного коефіцієнта висоти бар'єра, а також зменшення V_рк зі збільшенням ширини розподілу . Як приклад, на рис. 7а показані розраховані по формулі (7) прямі ВАХ ПБС в залежності від . Вираз для напруги розімкнутого кола фотодетектора або СЕ з врахуванням (8) можна записати у вигляді:

,

де V_рк0 відповідає V_рк для ідеальних (N=1) та однорідних ПБС.

Модель дозволяє передбачити зменшення V_рк фотодетекторів і СЕ зі збільшенням ширини розподілу висот бар'єрів . Експериментальні порівнювальні дослідження ПБС на основі Au-GaAs з межею поділу типу дендритів та квазігратки підтверджують правильність теоретичних передбачень; найменші величини V_рк при майже однакових значеннях І_кз, що отримані на ПБС з мікрорельєфом межі поділу дендритного типу, пояснюються більшою внаслідок збільшення ширини розподілу висот мікрорельєфу (рис. 7б). Це підтверджують дані, отримані за допомогою АСМ.

Рекомбінаційні параметри текстурованих меж поділу визначаються з експериментальних спектрів Q_e і розрахованих спектрів пропускання світла шляхом порівняння отриманих спектрів Q_i з теоретично розрахованими (рис. 8).

Мікрорельєфна поверхня застосовується також як ростова при рідинно-фазній (або МОС-гідридній газофазній) епітаксії для суттєвого покращення фотоелектричних та оптичних характеристик СЕ на основі p⁺-Al_xGa_1-xAs-p⁺-n⁺-GaAs за рахунок зменшення впливу розузгодження сталих граток компонент гетеропереходу та їх коефіцієнтів термічного розширення із-за релаксації механічних напруг на рельєфі підкладки, а також збільшення поглинання фотонів p-n переходом із-за багатократних відбивань на рельєфі. Ефективність перетворення в умовах імітованого АМ0 випромінювання збільшується на 10-20% (табл. 4).

Таблиця 4 Параметри СЕ на основі p⁺-Al_xGa_1-xAs-p⁺-n⁺-GaAs (рідинно-фазна епітаксія)

Зразок СЕ	Рельєф	Шар AlxGa1-xAs	Jкз, мA/cм2	Vрк, мВ	FF	ККД, %
		х	Товщина, мкм
LPE-144	плоский	0,75	3,5	15,63	869	0,289	2,9
LPE-143	квазігратка	0,74	3,5	8,39	827	0,740	3,8
LPE-145	квазігратка	0,47	< 1	14,44	976	0,795	8,2
LPE-147	дендрит	0,6	3,6	21,8	624	0,499	5,1

При опроміненні -квантами ⁶⁰Со дозами 510³ і 210⁵ Гр розвинутий мікрорельєф дендритного типу Аu-GaAs забезпечує достатньо великі значення І_кз, однак величина V_рк, а разом з тим і FF ВАХ, більші у випадку структур з мікрорельєфом типу квазігратки (рис. 9). Виявлено також, що доза опромінення 10³ Гр покращує, а доза 210⁵ Гр - погіршує ефективність СЕ. Погіршення світлових ВАХ починається з доз, більших за 10⁵ Гр.

Таким чином, більш радіаційно стійкими, а отже і більш перспективним для використання в СЕ космічного призначення, є структури з мікрорельєфом типу квазігратки, для яких погіршення ККД не більше 2% від початкової величини при опроміненні дозою 210⁵ Гр. Менш стійкі є структури з мікрорельєфом дендритного типу, для яких погіршення ККД не перевищує 5% від початкової величини.

ВИСНОВКИ

1. В межах розвинутої теорії фотоструму ПБС був проведений чисельний аналіз спектрів внутрішнього квантового виходу в залежності від актуальних параметрів структури з плоскою і текстурованою межею поділу, що дозволяє конкретизувати вплив швидкості поверхневої рекомбінації, швидкості переносу основних носіїв струму в метал, дифузійної довжини неосновних носіїв струму, ступеня легування фотоактивного матеріалу.

2. В результаті розрахунку спектра пропускання світла в напівпровідник крізь провідну плівку з мікрорельєфною межею поділу з використанням скалярної теорії дифракції на основі апроксимації Кірхгофа для випадку, коли довжина хвилі падаючого світла набагато більша, ніж середньо-квадратичне відхилення поверхні від плоскої, показано, що розсіяння світла на незначних шорсткостях поверхні призводить до збільшення пропускання світла в довгохвильовій області спектра, що необхідно враховувати при розрахунку оптичних втрат і визначенні внутрішнього квантового виходу.

3. Розвинута флуктуаційна модель для ПБС типу метал-напівпровідник з текстурованою межею поділу і розподілом висот бар'єрів _В за законом Гаусса, що передбачає зменшення напруги розімкнутого кола V_рк фотодетекторів і СЕ зі збільшенням ширини розподілу висот бар'єрів . Експериментальні порівняльні дослідження ПБС на основі Au-GaAs з межею поділу типу дендритів та квазігратки підтверджують правильність теоретичних передбачень. Найменші значення V_рк (при майже однакових значеннях струму короткого замикання) отримані на ПБС з мікрорельєфом межі поділу дендритного типу; проте рельєфом-індуковане збільшення струму короткого замикання СЕ переважає і тому величина ККД І_кзV_рк з текстуруванням збільшується.

4. Виявлено особливості сульфідної пасивації в ПБС з текстурованою межею поділу. Внаслідок локальності ефекту пасивації, коли в процесі анізотропного хімічного травлення в першу чергу видаляються порушені області та макрогетерогенності мікрорельєфу, ефект сульфідної пасивації на текстурованій поверхні менший, ніж на плоскій. Внаслідок хімічної реакції заміни оксиду на сульфід Ga або As ефект сульфідної пасивації зберігається тривалий час (роки).

5. Показано, що фоточутливість структур Au-GaAs, Au-nn⁺GaAs, Au-InP, ITO-GaAs в УФ області сонячного спектра з мікрорельєфом типу квазігратки і дендритного типу набагато більша, ніж з плоскою поверхнею, і УФ-фотодетектор на основі ПБС Au-GaAs і Au-InP з текстурованою межею поділу за спектральною чутливістю в області =0,250,40 мкм (S_{=0,33 мкм}=0,23 А/Вт (Au-GaAs), S_{=0,35 мкм}=0,19 А/Вт (Au-InP)) не поступається світовим зразкам за рахунок вибору морфології мікрорельєфу та технології виготовлення.

6. Проведене порівняльне дослідження впливу опромінення -квантами ⁶⁰Со дозами 10³210⁵ Гр на радіаційну стійкість структур Au-GaAs з мікрорельєфом дендритного типу та типу квазігратки. Показано, що із цих двох типів морфології мікрорельєфу перспективнішим для використання в СЕ космічного застосування є мікрорельєф типу квазігратки, оскільки він дозволяє отримати СЕ з більшою ефективністю та радіаційною стійкістю. Для таких структур погіршення ККД не перевищує 2% від початкової величини.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

[1] Дмитрук Н. Л. Поверхностно-барьерные гетероструктуры с микрорельефной границей раздела как фотоэлектрические преобразователи / Н. Л. Дмитрук, О. Ю. Борковская, И. Б. Мамонтова // Гелиотехника. - 1998. - № 5. - C. 3-10.

[2] Дмитрук Н. Л. Сульфидная пассивация текстурированной границы раздела поверхностно-барьерного фотопреобразователя на основе арсенида галлия / Н. Л. Дмитрук, О. Ю. Борковская, И. Б. Мамонтова // ЖТФ. - 1999. - Т. 69, вып. 6. - С. 132-134.

[3] Определение оптических характеристик тонкопленочных солнечных элементов с плоской и текстурированной границей раздела / Н. Л. Дмитрук, О. Ю. Борковская, О. В. Фурсенко, И. Б. Мамонтова // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника. - 1999. - № 34. - С. 156-165.

[4] Ultraviolet photodetector on the base of heterojunction with textured interface / N. L. Dmitruk, O. Yu. Borkovskaya, O. I. Mayeva, I. B. Mamontova // Sensors and Actuators, A. - 1999. - Vol. 75. - P. 151-155.

[5] Texturized interface as a basis of surface-barrier heterostructures for solar cells application / N. L. Dmitruk, O. Yu. Borkovskaya, I. B. Mamontova, S. V. Mamykin // Solar Energy Materials & Solar Cells. - 2000. - Vol. 60. - P. 379-390.

[6] Ultraviolet responsivity control in Schottky barrier heterostructures with textured interface / N. L. Dmitruk, O. Yu. Borkovskaya, O. I. Mayeva, I. B. Mamontova, O. B. Yastrubchak // Thin Solid Films. - 2000 .- Vol. 364. - P. 280-283.

[7] Дмитрук Н. Л. Фотоэлектрические преобразователи с текстурированной границей раздела / Н. Л. Дмитрук, И. Б. Мамонтова // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника. - 2000. - № 35. - C. 67-90.

[8] Влияние гамма-облучения на характеристики фотопреобразования барьерных структур металл-арсенид галлия с текстурированной границей раздела / Н. Л. Дмитрук, О. Ю. Борковская, Р. В. Конакова, С. В. Мамыкин, И. Б. Мамонтова, Д. И. Войциховский // ЖТФ. - 2002. - T. 72, вып. 6. - С. 44-49.

[9] Morphology and interfacial properties of microrelief metal-semiconductor interface / N. L. Dmitruk, O. Yu. Borkovskaya, I. N. Dmitruk, S. V. Mamykin, I. B. Mamontova, Zs. J. Horvath // Applied Surface Science. - 2002. - Vol. 190. - P. 455-460.

[10] Analysis of thin film surface barrier solar cells with microrelief interface / N. L. Dmitruk, O. Yu. Borkovskaya, I. N. Dmitruk, I. B. Mamontova // Solar Energy Materials & Solar Cells. - 2003. - Vol. 76 - P. 625-635.

[11] Fluctuation model for rough metal/semiconductor interface / N. L. Dmitruk, O. Yu. Borkovskaya, Zs. J. Horvath, S. V. Mamykin, I. B. Mamontova // Phys. stat. sol. (c). - 2003. - Vol. 0, No. 3. - P. 933-938.

[12] Control of InP Surface nano/microrelief morphology for optoelectronic applications / N. L. Dmitruk, O. Yu. Borkovskaya, O. I. Mayeva, I. B. Mamontova // Phys. stat. sol. (c). - 2003. - Vol. 0, No. 3. - P. 944-949.

[13] Self-organized corrugated interface for barrier heterostructures to solar cells application / N. L. Dmitruk, O. Yu. Borkovskaya, O. I. Mayeva, I. B. Mamontova, T. V. Malysh // Solid State Phenomena. - 2004. - Vol. 97-98. - P. 97-102.

[14] Fluctuation model for p-n heterojunction solar cells / N. L. Dmitruk, O. Yu. Borkovskaya, I. B. Mamontova, E. V. Basiuk, J. M. Saniger Blesa // Solar Energy Materials & Solar Cells. - 2006. - Vol. 90. - P. 2496-2500.

[15] Фотопреобразователи на основе эпитаксиальных слоев GaAs и AlGaAs на подложках GaAs с развитой площадью поверхности / И. Н. Арсентьев, А. В. Бобыль, О. Ю. Борковская, Д. А. Винокуров, Н. Л. Дмитрук, А. В. Каримов, В. П. Кладько, Р. В. Конакова, С. Г. Конников, И. Б. Мамонтова // ФТП. - 2006. - T. 40, № 7. - С. 876-881.

[16] Processing and characterization of GaAs surface-barrier heterostructures with textured interface / N. L. Dmitruk, O. Yu. Borkovskaya, S. V. Mamykin, I. B. Mamontova : Proceedings [International Conference on Advanced Semiconductor Devices and Microsystems (ASDAM'98)], (Smolenice Castle, Slovakia, 5-7 October 1998). - Smolenice Castle, Slovakia, 1998. - P. 71-74.

[17] Computer simulation of surface barrier solar cells with microrelief interface / N. L. Dmitruk, O. Yu. Borkovskaya, I. B. Mamontova, O. V. Rengevich : Proceedings [International Semiconductor Conference (CAS'98)], (Sinaia, Romania, 6-10 October 1998). - Sinaia, Romania, 1998. - Vol. 2. - P. 535-538.

[18] Characterization of materials and Interfaces in surface-barrier solar cells by spectral and ellipsometric measurements / N. L. Dmitruk, O. Yu. Borkovskaya, I. B. Mamontova, S. V. Mamykin, T. P. Lepeshkina, O. V. Fursenko : Proceedings [2^nd World Conference on Photovoltaic Solar Energy Conversion], (Vienna, Austria, 6-10 July 1998). - Vienna, Austria, 1998. - P. 58-61.

[19] Development of the III-V semiconductor solar cells with microrelief interfaces / O. Yu. Borkovskaya, N. L. Dmitruk, A. V. Karimov, R. V. Konakova, N. V. Kotova, I. B. Mamontova, T. V. Malysh : Proceedings [19^th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition], (Paris, France, 7-11 June 2004). - Paris, France, 2004. - P. 212-215.

[20] Influence of interface roughness on photoelectric characteristics of heterojunction solar cells / N. L. Dmitruk, A. V. Sachenko, V. P. Kostylyov, I. B. Mamontova, O. Yu. Borkovskaya : Proceedings [20^th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition], (Barcelona, Spain, 6-10 June 2005). - Barcelona, Spain, 2005. - P. 499-502.

та в 5 тезах доповідей міжнародних конференцій.

АНОТАЦІЯ

Мамонтова І. Б. Фотоелектричні та оптичні явища в фотодетекторах і сонячних елементах на основі напівпровідників А³В⁵ з текстурованою межею поділу. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.01 - фізика приладів, елементів і систем. - Інститут фізики напівпровідників ім. В. Є. Лашкарьова НАН України, Київ, 2009.

Дисертація присвячена дослідженню фотоелектричних і оптичних явищ у фотоприймачах і сонячних елементах (СЕ) типу метал-напівпровідник на основі напівпровідників А³В⁵ з текстурованою активною межею поділу. Теоретично розраховано фотострум поверхнево-бар'єрної структури (ПБС) та пропускання світла в СЕ з мікрорельєфними межами поділу. Це дозволило визначити рекомбінаційні параметри текстурованих меж поділу шляхом порівняння виміряних спектрів зовнішньої квантової ефективності з розрахованими спектрами внутрішньої квантової ефективності. Досліджено властивості ПБС типу Au(ITO)-GaAs, Au-InP, і гетероперехід GaAlAs-GaAs з текстурованою межею поділу двох типів: квазігратки та дендрити, отриманих способом хімічного анізотропного травлення, в тім числі з додатковою пасивацією. Запропоновано флуктуаційну модель з розподілом висот бар'єрів за законом Гаусса для моделювання фотоелектричних та темнових ВАХ ПБС з текстурованою межею поділу. Виявлено зміну сталої Річардсона та аномально великі значення температурного коефіцієнта висоти бар'єра, а також зменшення напруги розімкненого кола зі збільшенням ширини розподілу . Показано, що УФ-фотодетектори на основі ПБС Au-GaAs і Au-InP з текстурованою межею поділу за спектральною чутливістю в області =0,250,4 мкм (S_{=0,33 мкм}=0,23 А/Вт (Au-GaAs), S_{=0,35 мкм}=0,19 А/Вт (Au-InP)) не поступаються світовим зразкам за рахунок вибору морфології мікрорельєфу та технології виготовлення. Досліджено вплив опромінення -квантами ⁶⁰Со дозами 10³210⁵ Гр на характеристики ПБС з мікрорельєфом типу дендритів та квазігратки. Показано, що перспективнішими для космічного використання є СЕ з мікрорельєфом типу квазігратки.

Ключові слова: фотодетектор, сонячний елемент, поверхнево-бар'єрна структура, текстурована межа поділу, пасивація, фотострум, пропускання.

АННОТАЦИЯ

Мамонтова И. Б. Фотоэлектрические и оптические явления в фотодетекторах и солнечных элементах на основе полупроводников А³В⁵ с текстурированной границей раздела. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.01 - физика приборов, элементов и систем. - Институт физики полупроводников им. В. Е. Лашкарёва НАН Украины, Киев, 2009.

Диссертация посвящена исследованию фотоэлектрических и оптических явлений в фотоприемниках и солнечных элементах (СЭ) типа металл-полупроводник на основе полупроводников А³В⁵ с текстурированной активной границей раздела. Теоретически рассчитан фототок поверхностно-барьерной стуктуры (ПБС) и развита модель для расчета пропускания света в СЭ с микрорельефными границами раздела. Рекомбинационные параметры текстурированных границ раздела определяются из экспериментальных спектров внешней квантовой эффективности и рассчитанных спектров пропускания света путем сравнения полученных спектров внутренней квантовой эффективности с теоретически рассчитанными. Исследованы свойства ПБС типа Au(ITO)-GaAs и Au-InP с текстурированной границей раздела типа квазирешетки и дендритов, полученных способом химического анизотропного травления, и дополнительно химически обработанной поверхностью полупроводника (пассивация), что позволило управлять оптическими и электронными свойствами границ раздела. Предложена флуктуационная модель с распределением высот барьеров по закону Гаусса для моделирования фотоэлектрических и темновых ВАХ ПБС типа металл-полупроводник с текстурированной границей раздела, что позволило объяснить их особенности увеличением распределения высот барьеров . Кроме того, изменение величины постоянной Ричардсона и аномально большие значения температурного коэффициента высоты барьера, а также уменьшение напряжения холостого хода фотодетекторов и СЭ объясняется увеличением . Сравнение экспериментальных исследований ПБС на основе Au-GaAs с границей раздела типа дендритов или квазирешетки подтверждает достоверность теоретических предсказаний. Показано, что УФ-фотодетектор на основе ПБС Au-GaAs і Au-InP з текстурированной границей раздела по спектральной чувствительности в области =0,250,4 мкм (S_{=0,33 мкм}=0,23 А/Вт (Au-GaAs), S_{=0,35 мкм}=0,19 А/Вт (Au-InP)) не уступает известным зарубежным образцам за счет выбора морфологии микрорельєфа и технологии изготовления. Исследовано влияние облучения -квантами ⁶⁰Со дозами 10³210⁵ Гр на ВАХ и спектральные характеристики тока короткого замыкания структур поверхностно-барьерного типа на основе Au-GaAs с микрорельефом типа дендритов и квазирешетки. Показано, что более перспективным для использования в СЭ космического назначения является микрорельєф типа квазирешетки (ухудшение КПД не превышает 2% от исходной величины при облучении -дозой 210⁵ Гр).

Ключевые слова: фотодетектор, солнечный элемент, поверхностно-барьерная структура, текстурированная граница раздела, пассивация, фототок, пропускание.

ABSTRACT

Mamontova I. B. Photoelectrical and optical phenomena in photodetectors and solar cells on the base of A³B⁵ semiconductors with textured interfaces. - Manuscript.

Dissertation for the Ph.D. degree in speciality 01.04.01 - physics of devices, elements and systems. - V. Lashkaryov Institute of Semiconductor Physics of National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2009.

The dissertation is devoted to the research of the photoelectrical and optical phenomena in the photodetectors and solar cells on the base of A³B⁵ semiconductors with textured active interfaces.

Influence of microrelief interface between thin conductive film (emitter) and semiconductor substrate (absorber) on the optical and recombination losses in surface barrier solar cells is analyzed. Equations for the calculation of monochromatic light transmission through a thin absorbing film with one or two rough surfaces, on an absorbing substrate, are presented. The possibility to increase the photosensitivity of the Au/GaAs surface barrier structures (SBS) due to texturization and sulfur passivation of the interface for two types of microrelief (dendritic or quasigrating) obtained by chemical anisotropic etching has been investigated. The recombination parameters of textured interfaces were determined from the experimental spectra of the external quantum efficiency, taking into consideration the calculated spectra of light transmittance. A comparison of the internal quantum efficiency spectra with calculated ones allows a determination of the electronic parameters of the interface. The application of fluctuation model with Gaussian type of lateral barrier height distribution to the simulation of photoelectric and dark electric I-V characteristics of metal/semiconductor SBS with rough interface has allowed explaining their certain special features by a difference in the width of this distribution . In addition to the increase of the effective value of Richardson constant and the apparent temperature coefficient of the barrier height, the decrease of the open-circuit voltage of fotodetectors and solar cells with the increase is predicted. The comparative investigation of Au/GaAs SBS with interface microrelief of dendrite- and quasigrating type verified the theoretical prediction. Specifically, the smaller V_oc value in the case of SBS with dendrite-type microrelief at nearly equal I_sc was explained by a greater that was confirmed by a greater width of microrelief height distribution obtained from atomic force microscopy (AFM) data. Photodetectors with enhanced UV response which is comparable to and even exceeds that of known devices in the spectral range from 0.25 to 0.4 m have been elaborated on the basis of Au/(GaAs, InP) structures by means of developed technology of chemical processing including texturation of the heterojunction interface. Both the photoconversion parameters under AM0 simulated illumination and the tolerance for ⁶⁰Co -irradiation, obtained for structures with various interface microrelief morphologies, allowed identification of the quasigrating type as more suitable for solar cell application.

...