Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 10 Влияние внешнего электрического смещения на фотоэлектрические свойства кремниевых MIS/IL-структур й Я.С. Буджак, В.Ю. Ерохов, И.И. Мельник Государственный университет ФЛьвовская политехникаФ, 290013 Львов, Украина (Получена 17 июля 1996 г. Принята к печати 28 января 1997 г.) Теоретически исследован механизм влияния внешнего электрического смещения на фотоэлектрические свойства структур Al/туннельно-тонкий SiO2/p-Si с индуцированным инверсным слоем. Особенностью рассматриваемой структуры являетс наличие специальной инверсной гребенки, между которой и подложкой прикладывается положительное напряжение. Получены соотношения, выражающие функциональную зависимость параметров структуры и выходных электрических характеристик фотоэлектрических преобразователей на ее основе от величины напряжения смещения. Представлены результаты численных расчетов, иллюстрирующие эффективность использования внешнего электрического смещения для повышения коэффициента полезного действия фотоэлектрических преобразователей на основе структур Al/SiO2/p-Si с индуцированным инверсным слоем.

1. Введение ния, следует отметить его существенный недостаток, состоящий в ограниченности применения Ч в качестве Длительное время рядом ученых [1Ц4] ведутся исматериала для инверсионной гребенки Ч металлов с следования структур Al/туннельно-тонкий SiO2/p-Si с работой выхода ниже 4 эВ. И в силу только одного индуцированным инверсным слоем (MIS/IL). Их отлиэтого обстоятельства упомянутый метод мало пригоден чительной особенностью является наличие в приповерхдля существенного увеличения коэффициента полезного ностной области полупроводника мелкого ( 0.1мкм) действия (кпд) фотоэлектрических преобразователей на n-p-перехода, возникающего под воздействием фиксиоснове MIS/IL-структур.

рованного в диэлектрическом слое положительного заряда (рис. 1, a). Простота технологической реализации MIS/IL-структур, отсутствие высокотемпературных процессов диффузии и диффузионных дефектов кристаллической решетки открывают уникальные возможности для производства на их основе высокоэффективных и дешевых фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) солнечной энергии [5Ц7]. Однако практическое достижение предусмотренной теоретически высокой эффективности MIS/IL солнечных элементов (СЭ) оказалось затруднительным вследствие значительных потерь генерируемой мощности в высокоомном инверсном слое (ИС). Предпринятые попытки [8Ц10] уменьшить удельное сопротивление ИС путем увеличения плотности встроенного заряда неминуемо вели к усложнению технологии получения MIS/IL-структур и способствовали повышению себестоимости ФЭП на их основе.

Наиболее примечательным в связи с этим был метод [11], в котором для инверсии типа проводимости приповерхностной области полупроводниковой подложки предлагалось использовать совместно со встроенным в диэлектрическом слое положительным зарядом также эффект разности работ выхода электронов из полупроводника и тонких полос металлической инверсионной гребенки. Инверсионная гребенка на основе металла с низкой работой выхода формировалась поверх диэлекРис. 1. Схематическое изображение солнечных элементрического слоя туннельной толщины между полосами тов с MIS/IL-структурой: a Ч общеизвестная структура, токособирающей гребенки (рис. 1, b). При этом ее b Ч структура с инверсионной гребенкой. 1 Ч тыльный контолщина выбиралась исходя из условия минимизации такт, 2 Ч кремниевая подложка p-типа, 3 Ч область прооптических потерь. Несмотря на приемлемость испольстранственного заряда, 4 Ч инверсный слой, 5 Ч пленка SiO2, зования данного метода с технологической точки зре- 6 Ч токособирающая гребенка, 7 Ч инверсионная гребенка.

1274 Я.С. Буджак, В.Ю. Ерохов, И.И. Мельник 2. Механизм влияния электрического смещения на параметры MIS/IL-структуры Цель настоящей статьи Ч теоретическое обоснование эффективности использования предложенного авторами метода улучшения фотоэлектрических свойств кремниевых MIS/IL-структур. Данный метод основанный на использовании в структурах с индуцированным инверсным слоем наряду с внутренними факторами (встроенным зарядом, низкой плотностью поверхностных состояний, эффектом разности работ выхода) также факторов внешнего воздействия, в частности Ч обратного электрического смещения [12]. Сохраняя все преимущества MIS/IL-структуры, показанной на рис. 1, b, предложено влиять на ее параметры с помощью подачи на инверсионную гребенку положительного напряжения (относительно подложки). В этом случае условие электронейтральности обратно смещенной MIS/IL-структуры в состоянии термодинамического равновесия будет по аналогии с [13] определяться уравнением Qi - Qsc + Qox + Qtd - Qts = 0, (1) где Qi, Qsc, Qox, Qtd, Qts Ч отнесенные к единице площади заряды на металлической инверсионной гребенке, в приповерхностной области полупроводника, в диэлектрическом слое, на донорных и акцепторных поверхностных состояниях соответственно. Представляя Рис. 2. Энергетические диаграммы системы металл/туннельQsc согласно [14], определим из закона Гаусса падение но-тонкий SiO2/p-Si: a Ч без внешнего смещения, b Чпри приложенного напряжения поперек поверхности раздела обратном смещении.

SiЦSiO2:

d d = - Qi = - qNox + Qtd ox ox где Eg и Ч соответственно ширина запрещенной зоны и электронное сродство полупроводника, m Чработа ni выхода электронов из металла инверсионной гребенки, - Qta - 2kT sNaF s,, (2) Na Vp Ч глубина залегания уровня Ферми по отношению к потолку валентной зоны, V Ч величина приложенного к где d и ox Ч соответственно толщина и диэлектричеинверсионной гребенке внешнего напряжения.

ская проницаемость оксидного слоя, а Nox Ч плотность В результате объединения соотношений (3) и (4), с фиксированного в нем положительного заряда;

учетом зависимости степени заполнения акцепторных и донорных поверхностных ловушек от величины поверхni F s, = exp(-s) +s - ностного потенциала [13], получим NA ni q2Dit(s + Vp) 1/ ni 2 F s, + + exp s - s - 1, (3) NA 2kT sNA NA Es + - m - s - Vp + V s Ч поверхностный электростатический потенциал; q = d = q/kT, а все другие обозначения имеют свой 2kT sNA ox традиционный смысл.

qNox + qDit[Ec - q(s + Vp)] Другое выражение для можно получить, как показа+, (5) но в [3], анализируя зонную диаграмму MIS/IL-структуры 2kT sNA в режиме обратного смещения (рис. 2, b). При этом где Dit Ч энергетическая плотность поверхностных ловушек; Ec Ч энергетическое положение дна зоны Eg =- +-m -s - Vp +V, (4) проводимости по отношению к потолку валентной зоны.

q Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Влияние внешнего электрического смещения на фотоэлектрические свойства... Полученное соотношение (5) предоставляет возможность рассчитать зависимость поверхностного потенциала s от величины внешнего напряжения, поданного на инверсную гребенку в режиме обратного смещения (рис. 3).

Поскольку рассматриваемый метод направлен в первую очередь на уменьшение омических потерь мощности при работе ФЭП на основе MIS/IL, определим степень влияния внешнего смещения на последовательное сопротивление Rs. Для этого, основываясь на [15] и принимая во внимание аналогию MIS/IL в приборах СЭ и ФЭП с n+-p-переходом, выразим удельное сопротивление ИС через его поверхностное сопротивление Ri и ширину Рис. 3. Зависимости поверхностного потенциала s (1) инверсионной гребенки dи последовательного сопротивления Rs солнечного элемента на основе MIS/IL (2) от величины внешнего электрического dRinv = Ri. (6) смещения V. При расчете использованы параметры: a Ч Dit = 5 1011 см-2эВ-1, NA = 5 1015 см-3, Nox = 1011 см-2, При этом сопротивление поверхности ИС, согласно [7], d = 30 ; b Ч T = 300 K, A = 110 A/K2 см2, Nv = 1.04 1019 см-3.

определяется соотношением Ri =, n 2kT sNA [s+(ni/NA)2es]1/2-(s)1/(7) где n Ч подвижность электронов в ИС. Исходя из того, что низкоомными сопротивлениями контактов и проводников в приборе ФЭП на основе MIS/IL в сравнении с величиной Rinv можно пренебречь [11], то объединяя (6) и (7) и выражая удельное сопротивление полупроводника Rsc, согласно [11], через сопротивление поверхности Rss, получим выражение для Rs:

2 dRss 2d0 + 3d1 d0 + Rs = Rsc + Rinv = d+, 12n 2kT sNA [s+(ni/NA)2 exp s]1/2-(s)1/2 Рис. 4. Плотность тока насыщения MIS/IL-структуры Js в зависимости от обратного смещения V.

(8) где d0 Ч расстояние между токособирающей и инверсионной гребенками. Так как в MIS/IL-структуре обычно свою очередь связан обратной экспоненциальной зависиRinv 10-1 Ом, а Rsc 10-2 Ом, анализ (8) дает мостью с плотностью тока насыщения Js структуры [14]:

основание с достаточной степенью точности считать последовательное сопротивление Rs структуры этого типа qbp Js = AT exp - exp -(qT )1/2d, (10) функцией поверхностного потенциала и, в соответствии kT с (5), функцией приложенного внешнего напряжения где A Ч эффективная постоянная Ричардсона, а T Ч (рис. 3).

средняя высота барьера в диэлектрическом слое тоПоскольку высота потенциального барьера щиной d. В результате подстановки (9) в (10) и MIS/IL-структуры bp является суммой величины незначительных преобразований можно получить соотизгиба энергетических зон в приповерхностной области полупроводника и глубины залегания уровня Ферми Vp ношение, выражающее зависимость тока насыщения Is от величины поверхностного потенциала:

(рис. 2):

Nv Is = AAT exp - s + ln kT Nv NA bp = s + Vp = s + ln (9) q NA exp -d(qT )1/2, (11) (здесь Nv Ч эффективная плотность состояний в валентной зоне), очевидно, что обратное смещение будет спо- где A Ч площадь индуцированного n-p-перехода, кособствовать повышению bp. Потенциальный барьер в торую вследствие незначительной флуктуации его поФизика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 1276 Я.С. Буджак, В.Ю. Ерохов, И.И. Мельник верхности можно принять равной площади ФЭП. Таким диффузии дырок. Коэффициент R учитывает часть фотонобразом, при известной зависимости Js от величины ного потока, отражающуюся от поверхности полупроэлектрического смещения V можно рассчитать степень водниковой подложки с толщиной l и коэффициентом влияния внешнего напряжения на плотность тока насы- оптического поглощения. В выражении (13) необщения MIS/IL-структуры (рис. 4). ходимо также учитывать влияние электрического поля, Отметим также, что повышение поверхностного по- созданного встроенным в диэлектрик положительным тенциала MIS/IL-структуры в режиме обратного сме- зарядом и приложенным к инверсионной гребенке напрящения будет сопровождаться увеличением толщины ин- жением, на диффузионную длину фотогенерированных в ИС неосновных носителей. Для этого во 2-м слагаемом дуцированного ИС [16]. Используя приведенное в [7] данного соотношения величина p вводится как функция уравнение зависимости электростатического потенциала от координаты x в приповерхностной области полу- электрического поля, зависящего в свою очередь от величины внешнего смещения.

проводника. Определяя толщину ИС t путем нахождения Поскольку фототок IL наряду с током насыщения Is точки пересечения (x) с уровнем Ферми (рис. 2) и, соответственно, принимая в качестве нижней границы определяет величину напряжения холостого хода Voc интеграла в (12) величину b, получим солнечного элемента nkT IL s -1/Voc = ln + 1, (14) s 1/2 ni q Is t = + exp d.

2kT NA NA b можно утверждать, что и Voc является функцией внеш(12) него электрического смещения. Для получения аналитического выражения зависимости Voc(s) используем подстановку (11) в (14) с последующим преобразованием 3. Влияние внешнего смещения функции под логарифмом:

на выходные характеристики ФЭП на основе MIS/IL nkT IL Voc = ln + s q AATПоскольку, согласно с приведенными в [7] соотноNv шениями, толщина ИС наряду с другими структурны+ ln + d(qT )1/2 + 1, (15) ми параметрами определяет плотность генерируемого в NA СЭ на основе MIS/IL фототока, несложно рассчитать где n имеет смысл диодного коэффициента качества.

функциональную зависимость последнего от поданного Определив таким образом кинетику влияния внешнего на инверсионную гребенку внешнего напряжения. Для смещения на структурные параметры и выходные элекэтого представим фототок ФЭП в виде суммы дырочного трические характеристики ФЭП, можно непосредствени электронного токов, генерируемых световым потоком но подойти к исследованию зависимости эффективности F соответственно в обедненной области и в индуцирофотогенерации в СЭ данного типа от приложенного ванном ИС:

к инверсионной гребенке положительного напряжения.

L1n exp nt+L2n exp(-nt)- exp(-t) Для этого представим кпд ФЭП как функцию последоваJL =qF(1-R) 1 - n /2 тельного сопротивления Rs, тока насыщения Is, фототока K1p exp pt +K2p exp(-pt)- exp(-t) +, (13) 1 - p/где e-(l+nt) - e-(t+nl) e-(l+nt) - e-(t+nl) L1 =, L2 =, 2sinh(nl - nt) 2sinh(nl - nt) ( + h)e-pt - (p + h)e-t K1 =, (p + h)ept - (p - h)ept ( + h)ept +(p -h)e-t K2 = ;

(p +h)ept -(p -h)e-pt n иp являются величинами, обратными диффузионным Рис. 5. Зависимости: 1 Ч IL(V )/IL, 2 Ч Voc(V )/Voc, длинам электронов и дырок соответственно; h = S/Dp, 3 Ч (V )/, где IL, Voc, Ч выходные характеристики фотогде S Ч скорость поверхностной рекомбинации на электрические преобразователя на основе MIS/IL без внешнего фронтальной поверхности ФЭП, а Dp Ч коэффициент смещения; IL, Voc, Ч то же в режиме обратного смещения.

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Влияние внешнего электрического смещения на фотоэлектрические свойства... IL и мощности падающего светового потока Pin [16]: Список литературы nkT IL 2 [1] A.M. Cowley, S.M. Sze. J. Appl. Phys., 36, 3212 (1965).

= IL(1 - ) ln - RsIL(1 - )2 Pin, [2] D.L. Pulfrey. IEEE Trans. Electron. Dev., ED-23, 587 (1976).

q Is [3] A.N. Daw, P. Chattopadhyay. Sol. St. Electron., 27, (16) (1984).

где [4] M.Y. Doghish, F.D. Ho. IEEE Trans. Electron. Dev., ED-40, -1446 (1993).

1 IL [5] P. van Halen, R.P. Mertens, R.J. van Overstraeten, = 1 + ln.

q 1 + 2RsIL Is R.E. Thomas, J. van Meerbergen. IEEE Trans. Electron. Dev., nkT ED-25, 507 (1978).

Из анализа полученного соотношения следует, что кпд [6] M.A. Green, R.B. Godfrey, M.R. Willison, A.W. Blakers. Proc.

14th IEEE Photovoltaic Spec. Conf. (N. Y., 1980) p. 684.

СЭ, полностью являясь функцией зависящих от внеш[7] G.S. Salter, R.E. Thomas. Sol. St. Electron., 20, 95 (1977).

него смещения структурных параметров и выходных [8] R. Hezel, Sol. St. Electron., 24, 863 (1981).

электрических характеристик, будет претерпевать суще[9] R. Schorner, R. Hezel. IEEE Trans. Electron Dev., 12, ственное изменение под воздействием приложенного к (1981).

инверсионной гребенке внешнего напряжения (рис. 5).

[10] R. Hezel, K. Jaeger. J. Electrochen. Soc., 36, 518 (1989).

[11] P. Chattopadhyay. Sol. St. Electron., 31, 1641 (1988).

[12] V.Yu. Erohov, I.I. Melnyk, I.M. Rarenko. Proc., First Int.

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам