Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по физике
На правах рукописи
Пащенко Александр Сергеевич
ПОЛУЧЕНИЕ ФОТОАКТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ Si И InAs
МЕТОДОМ ИОННО-ЛУЧЕВОГО ОСАЖДЕНИЯ
специальность 01.04.07 - Физика конденсированного состояния
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата
физико-математических наук
Ставрополь 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Южном научном центре Российской академии наук
Научный руководитель д.ф.-м.н., профессор Лунин Леонид Сергеевич
Официальные оппоненты: Резниченко Лариса Андреевна, д.ф.-м.н., профессор, НИИ физики ЮФУ,
зав. отделом активных материалов
Михнев Леонид Васильевич, д.ф.-м.н., доцент, ФГБОУ ВПО Северо-Кавказский государственный технический университет, кафедра физики и электроники, профессор
Ведущая организация ФГБУН Физико-технический институт
им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук
Защита состоится л 11 мая 2012 г. в л 12:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.245.06 при ФГБОУ ВПО Северо-Кавказский государственный технический университет по адресу: 355029, г. Ставрополь, просп. Кулакова, 2.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО
Северо-Кавказский государственный технический университет
Автореферат разослан л 26 марта 2012.
Ученый секретарь
диссертационного совета Лисицын Сергей Викторович
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность диссертационной работы
Достижения в фотовольтаике стимулировали исследования фотоактивных материалов и структур, а также разработку методов их получения. В настоящее время наибольший интерес для фотовольтаики представляют фотоактивные материалы на основе Si и AIIIBV. Это обусловлено фотоэлектрическими, оптическими, электрофизическими параметрами и характеристиками материалов. На основе кремния и соединений AIIIBV созданы высокоэффективные солнечные элементы {1}. Сегодня Si и InAs являются основными материалами для нового направления развития фотовольтаики - создания приборов на основе фотоактивных наногетероструктур.
Для получения структур c фотоактивными областями она основе Si и InAs широкое распространение получили методы молекулярно-лучевой, газофазной и жидкофазной эпитаксии. Несмотря на стремительное развитие в течение последних трех десятилетий технологии получения фотоактивных материалов и структур, методы производства становятся все сложнее. Внимание многих исследовательских лабораторий приковано к поиску альтернативных методов получения фотоактивных материалов на основе Si и AIIIBV.
Альтернативным методом получения фотоактивных материалов на основе кремния и соединений AIIIBV, представляется относительно простой метод ионно-лучевого осаждения (ИЛО). Следует отметить, что метод ионно-лучевого осаждения известен достаточно давно и широко применяется для нанесения просветляющих покрытий и тонких пленок металлов и диэлектриков, однако получение фотоактивных материалов и структур на основе Si и InAs этим методом мало изучено. В связи с чем, установление основных физических закономерностей и особенностей процесса ионно-лучевого осаждения фотоактивных материалов и структур на основе Si и InAs представляется весьма актуальной задачей.
Актуальность темы диссертационной работы подтверждается использованием полученных результатов при выполнении НИР и НИОКР по заказу Фонда содействия малых форм предприятий в научно-технической сфере, Министерства образования и науки РФ и научно-производственных предприятий:
- НИОКР конкурса Фонда содействия малых форм предприятий в научно-технической сфере Участник молодежного научно-инновационного конкурса (г/к № 5614Р/8050, 2008 г.; г/к № 6632Р/9196, 2009 г.);
- НИОКР по заказу Министерства образования и науки Российской Федерации (г/к №02.513.11.3349, 2007-2008 гг.);
-НИР Исследование образцов фотоэлектрических преобразователей и определение их функциональных характеристик (Х.ЦД. № 30/10, 2010 г.,
ООО НПФ ЭКСИТОН, г. Ставрополь);
-НИР Исследование кинетики процесса ионно-лучевого осаждения, свойств фоточувствительных гетероструктур AIIIBV и параметров фотоэлектрических преобразователей на их основе (Х.ЦД. № 38/10, 2010-2011 гг., ООО НПФ СОЛНЕЧНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ, г. Ставрополь).
Цель работы
Разработать физические основы получения методом ионно-лучевого осаждения фотоактивных материалов и структур на основе Si и InAs и исследовать их свойства.
Задачи необходимые для достижения поставленной цели:
- разработать математическую модель ионно-лучевого осаждения кремниевых слоев;
- провести моделирование фотоактивной структуры c-Si(n+)/c-Si(p)/c-Si(p+) и исследовать фотоэлектрические параметры и характеристики;
- исследовать процесс формирования слоев Si и гетероструктур InAs/GaAs с квантовыми точками для получения фотоактивных структур;
- исследовать процесс формирования p-n-переходов методом
ионно-лучевого осаждения, а также свойства и характеристики полученных фотоактивных структур c-Si(n+)/c-Si(p)/c-Si(p+).
Объекты и методы исследования
Объектами исследования данной диссертационной работы являются фотоактивные слои и структуры на основе Si и InAs, полученные методом
ионно-лучевого осаждения. Выбор объектов исследования обоснован фотоэлектрическими, электрофизическими и оптоэлектрическими параметрами материалов. Предметом исследования являются спектральные, фотолюминесцентные, вольтамперные и вольтфарадные характеристики фотоактивных структур на основе Si и InAs, полученных методом ионно-лучевого осаждения.
Научная новизна
- впервые установлены физические закономерности и особенности
ионно-лучевого осаждения фотоактивных слоев Si;
- впервые, методом ионно-лучевого осаждения, получены и исследованы фотоактивные структуры с квантовыми точками на основе InAs.
Практическая значимость
- предложен способ получения фотоактивных материалов на основе
Si и InAs;
- определены оптимальные параметры ростового режима, при которых выращенные фотоактивные слои Si субмикронных размеров обладают высоким структурным совершенством и имеют минимальный радиальный разброс толщины по поверхности подложки 100 мм.
Научные положения, выносимые на защиту
- ионно-лучевое осаждение кремния при давлении 10-4аПа, температуре подложки 550 C, расстоянии мишеньЦподложка 150амм, угле наклона
мишень - ионный пучок 45 и энергии ионов пучка 400аэВ позволяет получать фронтальные слои фотоактивных структур на основе
c-Si(n+)/c-Si(p)/c-Si(p+), которые обладают высоким значением внешнего квантового выхода - 90 %;
- легирование фосфором до уровня 51018 см-3 фронтального слоя
c-Si(n+), полученного методом ионно-лучевого осаждения, позволяет повысить напряжение холостого хода фотоактивной структуры c-Si(n+)/c-Si(p)/c-Si(p+) до величины 0.6 В;
- ионно-лучевое осаждение InAs на подложки GaAs при давлении
10-4 Па, температуре подложки 500 C со скоростью 0.8 нм/с приводит к росту квантовых точек и нанокластеров InAs с планарными размерами от 20 до 100 нм и высотой от 5 до 80 нм, стохастически расположенных на поверхности слоя GaInAs.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались на научных семинарах отдела Нанотехнологий, солнечной энергетики и энергосберегающих технологий Южного научного центра РАН (г. Ростов-на-Дону), кафедры Нанотехнология в электронике Южно-Российского государственного технического университета (г. Новочеркасск), были опубликованы на 1 международной конференции и в 3 сборниках научных трудов:
- X юбилейная международная научная конференция Химия твердого тела: наноматериалы, нанотехнологии, г. Ставрополь, Россия, 17-22 октября, 2010 г.;
- всероссийский смотрЦконкурс научно-технического творчества студентов высших учебных заведений Эврика- 2006, г. Новочеркасск, 20-26 ноября 2006 г.;
- труды центра коллективного пользования Высокие технологии/
- Новочеркасск: ЮРГТУ, 2006. - Вып. 2.;
- материалы 56 научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, научных работников, аспирантов и студентов ЮРГТУ (НПИ). - Новочеркасск: Оникс+, 2007.
ичный вклад автора
Научным руководителем и автором сформулирована цель и поставлены задачи исследований. Личным вкладом автора в результаты диссертационной работы является: участие в экспериментах по получению фотоактивных структур методом ионно-лучевого осаждения, разработке математической модели
ионно-лучевого осаждения кремния, моделировании фотоактивной структуры
c-Si(n+)/c-Si(p)/c-Si(p+), проведение измерений параметров и характеристик фотоактивных структур на основе Si и InAs, интерпретация и обсуждение результатов, выдвижение и проверка научных идей. Вклад соавторов совместных научных работ состоял в проведении операций по получению фотоактивных структур, участии в проведении экспериментов, а также в обсуждении результатов. Отдельные элементы кода программного обеспечения по компьютерному моделированию ионно-лучевого осаждения выполнены С.А. Дудниковым и Л.Н. Болобановой.
Публикации
Основные научные результаты диссертации опубликованы в 12 работах, среди которых: 5 статей в рецензируемых журналах списка ВАК, 1 доклад на международной конференции, 3 работы в сборниках научных трудов, 3 свидетельства РФ о государственной регистрации программы ЭВМ.
Объем и структура диссертационной работы
Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка литературы из 91 наименования и 3 приложений. Общий объем работы составляет 122 страницы, включая 47 рисунков и 8 таблиц.
Содержание диссертации
Во введении обоснована актуальность проведенных в диссертационной работе исследований, показана научная новизна и практическая значимость полученных результатов.
В первой главе Современное состояние и тенденции развития фотовольтаики рассмотрены новейшие достижения и перспективы развития фотовольтаики. Проведен обзор литературы по использованию метода ионно-лучевого осаждения и его аналогов для получения фотоактивных материалов и структур на основе Si и InAs. Показано, что в настоящее время вопросы применения ионно-лучевого осаждения для описанных задач в литературе недостаточно освещены, а зачастую полностью отсутствуют.
Проведен сравнительный анализ ионно-лучевого осаждения с существующими методами получения фотоактивных материалов и структур на их основе. Выявлены основные преимущества метода: более простая оснастка, высокая воспроизводимость, минимальное внесение фоновых примесей, возможность провести травление подложки перед процессом осаждения, возможность получать квантоворазмерные структуры [1, 2, 3, 9].
Во второй главе Моделирование процесса ионно-лучевого осаждения фотоактивных слоев Si и характеристик структур c-Si(n+)/c-Si(p)/c-Si(p+) на их основе представлена модель ионно-лучевого осаждения кремния и результаты компьютерного моделирования характеристик фотоактивных структур
c-Si(n+)/c-Si(p)/c-Si(p+).
Разработана математическая модель ионно-лучевого осаждения тонких пленок Si (рис. 1, а). Модель ионно-лучевого осаждения основана на имитационном подходе Монте-Карло. Первичный пучок ионов аргона с энергией EAr+, плотностью тока jAr+, диаметром dAr+ падает на центральную часть мишени под произвольным углом между вектором jAr+ и плоскостью мишени, выбивает атомы мишени, удаленной от подложки диаметром Dsub на расстояние L.
а) | б) |
Рис. 1 а) схематическое изображение процесса ионно-лучевого осаждения: 1- источник ионов, 2 Ц мишень, 3 - подложка; б) модель фотоактивной структуры c-Si(n+)/c-Si(p)/c-Si(p+). | |
Условия и симметрия задачи допускают одномерное моделирование процесса при следующих допущениях: 1) распыленные атомы распределяются в пространстве по закону косинуса; 2) распыленные атомы не сталкиваются друг с другом и с атомами рабочего газа; 3) распыленные атомы конденсируются в точке соударения с подложкой; 4) максимальная интенсивность выбитых атомов наблюдается при углах распыления, близких (или равных) углу зеркального отражения; 5) ионы первичного пучка имеют одинаковую энергию и распределяются по сечению ионного пучка равномерно.
Количество ионов Nion с зарядом q в пучке сечением S и плотностью тока jAr+, провзаимодействовавших с поверхностью мишени за время проведения процесса , устанавливается выражением:
Предполагается, что ионы в пучке движутся по равноудаленным параллельным траекториям и сосредоточены в p сечениях. Число ионов в одном сечении равно:
Процесс моделирования является итерационным. Так как ионы первичного пучка моноэнергетичны и распределены по его сечению равномерно, то для получения координат локальной области распыления атомов мишени, можно воспользоваться генератором псевдослучайных чисел, подчиняющегося равновероятностному закону распределения. Координата точки распыления i-го атома выбирается на отрезке [, ] следующим образом:
где - случайное число, равномерно распределенное в интервалеа[0;1].
Далее для каждого распыленного атома рассчитывается траектория движения в системе отсчета XY (см. рис. 1, а). Угол, задающий направление движения в системе XY, моделируется генератором псевдослучайных чисел, подчиняющегося косинусоидальному закону распределения:
Уравнение траектории атома распыленного из точки с координатами
(xsput i, 0) имеет вид:
Уравнение подложки в системе XY имеет вид:
Возможная координата осаждения атома на подложке находится решением системы уравнений, образованной выражениями (5) и (6):
где , ), , - случайное число, равномерно распределенное в интервалеа[0;1].
Если , то атом считается осажденным на подложку. В противном случае атом не взаимодействует с подложкой и не учитывается при моделировании роста слоя.
Для построения профилей распределения толщины выращиваемых слоев подложка разбивалась на M одинаковых ячеек длиной lM. Номер ячейки i, в которую конденсировался атом, определялся из выражения:
где F-функция округления.
Повторяя описанную процедуру для Nion, подсчитывалось общее число конденсированных атомов , число атомов в каждой ячейке и определялась толщина слоя в i-ой ячейке:
где ma и - атомная масса и плотность распыляемого материала.
На основе полученной модели в программной среде MatLab 6 разработана компьютерная программа моделирования процесса ионно-лучевого осаждения однокомпонентных полупроводниковых материалов [7].
Результаты теоретических исследований массопереноса при ионно-лучевом осаждении были использованы при исследовании зависимости ИЛО от параметров конфигурации системы лионный пучок - мишень - подложка.
Проведено моделирование влияния толщины и степени легирования фронтального слоя c-Si(n+) на световые вольтамперные характеристики (ВАХ) фотоактивной структуры c-Si(n+)/c-Si(p)/c-Si(p+) [4, 5]. Установлено, что увеличение толщины фронтального слоя c-Si(n+) с 102 до 104 нм приводит к уменьшению плотности фототока c 38 до 18амА/см2. Показано, что уровень легирования фронтального слоя c-Si(n+) оказывает в большей степени влияние на напряжение холостого хода, чем на плотность тока короткого замыкания.
Исследовано влияние толщины и уровня легирования фронтального слоя c-Si(n+) на спектральные зависимости внешнего квантового выхода фотоактивной структуры на основе c-Si(n+)/c-Si(p)/c-Si(p+) [4]. Установлено, что увеличение толщины фронтального слоя c-Si(n+) приводит к росту квантового выхода в спектральном диапазоне 300Ц600анм, что обусловлено преимущественным поглощением коротковолновой части излучения фронтальным слоем c-Si(n+).
Компьютерное моделирование позволило установить, что при малых значениях степени легирования фронтального слоя c-Si(n+) порядка 1015 см-3 отмечаются низкие значения внешнего квантового выхода в ультрафиолетовой и видимой частях спектра. Повышение степени легирования до 51018 см-3 приводит к росту внешнего квантового выхода фотоактивной структуры c-Si(n+)/c-Si(p)/c-Si(p+) до уровня 95%. На основе результатов исследований световых вольтамперных характеристик и спектральных зависимостей внешнего квантового выхода установлено, что при толщине фронтального слоя c-Si(n+) 100Ц300 нм и уровне концентрации донорной примеси (0.2Ц1.0)⋅1019 см-3 эффективность фотоэлектрического преобразования оптического излучения структурой
c-Si(n+)/c-Si(p)/c-Si(p+) будет не менее 15%. Полученные теоретические результаты были использованы при выращивании фотоактивных структур
c-Si(n+)/c-Si(p)/c-Si(p+) методом ионно-лучевого осаждения.
В третьей главе Получение фотоактивных материалов и структур на их основе методом ионно-лучевого осаждения приведено описание оборудования для получения методом ионно-лучевого осаждения фотоактивных материалов, рассмотрено оборудование для исследования свойств и характеристик полученных материалов и структур на их основе, дано описание экспериментов по получению методом ионно-лучевого осаждения фотоактивных материалов и структур на основе Si и InAs.
В работе теоретически и экспериментально исследована зависимость процесса ионно-лучевого осаждения от параметров конфигурации системы лионный пучок - мишень - подложка и проведено сравнение результатов. Исследование зависимости процесса ионно-лучевого осаждения от величины диаметра подложки показало, что интегральный коэффициент массопереноса повышается с увеличением диаметра подложки. Для подложки 100 мм коэффициент массопереноса составил величину 0.5.
Выполнено исследование зависимости ионно-лучевого осаждения от расстояния мишень-подложка. Установлено, что радиальная равномерность толщины осажденного слоя улучшается с увеличением расстояния
мишень-подложка. Для диаметра подложки 100амм оптимальным расстоянием
мишень-подложка является 150 мм.
Исследована зависимость ионно-лучевого осаждения от угла наклона мишень - ионный пучок. Установлено, что интегральный коэффициент массопереноса возрастает при увеличении угла наклона вплоть до значения 45. При больших углах наклона отмечается спад интегрального коэффициента массопереноса. Подобная зависимость отмечается для любых расстояний мишень-подложка. Показано, что максимальный коэффициент массопереноса наблюдается при угле наклона в 45 и диаметре подложки 100 мм. Проведено исследование зависимости относительной толщины слоя от угла наклона мишень - ионный пучок. Выявлено, что наиболее симметричное распределение толщины слоя наблюдается при угле 45, при этом с увеличением диаметра подложки повышается радиальная равномерность распределения толщины осажденного слоя.
Для всех зависимостей процесса ионно-лучевого осаждения от параметров конфигурации системы лионный пучокн - мишень - подложка показано хорошее согласование теоретических и экспериментальных результатов. Проанализированы причины расхождения результатов теории и эксперимента, обусловленные принятыми допущениями при моделировании. Выполненные исследования позволили определить оптимальные параметры конфигурации системы лионный пучок - мишень - подложка при ионно-лучевом осаждении слоев кремния на подложки 100 мм: расстояние мишень-подложка 150 мм, угол наклона мишень - ионный пучок 45. В указанных условиях отмечается минимальная радиальная асимметрия осажденных слоев кремния.
Для изучения фотоэлектрических свойств структур c-Si(n+)/c-Si(p)/c-Si(p+) в диссертационной работе исследован процесс формирования p-n-переходов на основе Si методом ионно-лучевого осаждения. В качестве основы для базовой области структуры c-Si(n+)/c-Si(p)/c-Si(p+) были выбраны подложки кремния
p-типа проводимости c ориентацией (100). В качестве мишени для выращивания фронтального слоя были использованы пластины низкоомного кремния с ориентацией (100). Выращивание фронтального слоя Si проходило при следующих условиях: давление в ростовой камере 10-4 Па, энергия ионов пучка 400 эВ, плотность ионного тока 2 мА/см2, расстояние мишень-подложка
150 мм, угол наклона мишень - ионный пучок 45, температура подложки
550C. Время осаждения фронтального слоя составляло 140 с. За такой временной промежуток осаждался слой c-Si(n) толщиной 0.1 мкм. Формирование высоколегированных областей n+ и p+ проводилось стандартным методом диффузии из легированного слоя SiO2. Получение p+-слоя структуры осуществлялось при температуре 950 С в течение 40 мин. в атмосфере кислорода. Фронтальный фотоактивный слой n+-типа формировался при температуре 950 С в течение 10 мин в атмосфере кислорода. Исследование морфологии поверхности выращенных слоев кремния проводилось методами сканирующей зондовой микроскопии. Глубина залегания p-n-переходов контролировалась измерением вольтфарадных характеристик барьера Шоттки, образованного ртутным зондом и полупроводниковой структурой. Определение фотоэлектрических характеристик структур c-Si(n+)/c-Si(p)/c-Si(p+) проводилось измерением спектральных зависимостей внешнего квантового выхода и световых вольтамперных характеристик.
Проведены эксперименты по получению кватоворазмерных структур InAs методом ионно-лучевого осаждения. Для экспериментальных исследований использовались подложки n-GaAs (100), подвергнутые предварительной стандартной обработке. Подложки GaAs помещались в ростовую камеру, угол наклона мишень-ионный пучок устанавливался равным 45, расстояние мишень-подложка - 80 мм, диаметр ионного пучка - 45 мм. В камере откачивался вакуум до уровня 10-4 Па, подложка нагревалась до температуры
500C, после чего проводился процесс ионно-лучевого осаждения арсенида индия. Исследование морфологии поверхности выращенных структур проводилось на атомно-силовом микроскопе Solver HV и сканирующем электронном микроскопе Quanta 200. Так же были измерены спектры фотолюминесценции выращенных структур на основе InAs.
В четвертой главе Результаты исследования свойств и характеристик полученных фотоактивных материалов и структур на их основе представлены результаты исследования влияния температуры подложки и энергии ионов пучка на структуру и качество выращенных методом
ионно-лучевого осаждения слоев кремния, а также исследования электрофизических и фотоэлектрических параметров и характеристик структур
c-Si(n+)/c-Si(p)/c-Si(p+). Представлены результаты исследования фотоактивных гетероструктур с квантовыми точками InAs методами СЗМ и фотолюминесценции.
В диссертационной работе методами сканирующей зондовой микроскопии исследовано влияние температуры подложки и энергии ионов пучка на структуру и качество выращенных методом ионно-лучевого осаждения слоев кремния.
Для этого методом ионно-лучевого осаждения были выращены слои кремния при различных температурах и энергиях распыляющих ионов Ar+. Постоянными параметрами процесса оставались: давление в ростовой камере 10-4 Па; плотность ионного тока 2 мА/см2; угол наклона мишень - ионный пучок 45; расстояние мишень-подложка 150 мм; диаметр подложки 100 мм. После чего проводились СЗМ-исследования структуры поверхности осажденных слоев. Результаты влияния температуры подложки представлены на рис.2. Видно, что при температуре 550 C получаются практически бездефектные и однородные слои кремния высокого качества (рис.2, а). Это может быть объяснено следующим. При ионно-лучевом осаждении для создания условий равномерного роста слоя необходимо обеспечить достаточную скорость осаждения материала, чтобы при данной температуре происходил равномерный послойный рост пленки на всей площади подложки Si. На основе данных рис. 2 можно сделать вывод, что при температуре подложки 550 C реализуется оптимальное соотношение скорости поверхностной диффузии атомов к скорости осаждения распыленных атомов.
а) T = 400 C | б) T = 550 C | в) T = 700 C |
Рис. 2 Результаты СЭМ-исследования влияния температуры подложки на качество осаждаемых слоев кремния. | ||
Результаты исследования влияния энергии ионов на качество формируемых кремниевых слоев при температуре подложки 550C отражено серией
СЭМ-изображений поверхности центральной части слоев (рис. 3) при трех различных значениях энергии распыляющих ионов.
Из приведенных на рис. 3 данных видно, что при энергии ионов 400 эВ наблюдается практически эпитаксиальный рост малодефектных слоев кремния (рис.3, б). При энергиях ионов отличных от 400 эВ превалируют процессы дефектообразования и ухудшения структуры выращенного слоя (рис. 3, а, в).
а) EAr+ = 150 эВ | б) EAr+ = 400 эВ | в) EAr+ = 600 эВ |
Рис. 3 Результаты СЭМ-исследования влияния энергии распыляющих ионов на качество осаждаемых слоев кремния. | ||
В результате проведенных СЭМ-исследований влияния температуры подложки и энергии ионов на структуру поверхности осажденных слоев кремния экспериментально установлены оптимальные параметры ростового режима и конфигурации системы листочник ионов - мишень - подложка, при которых выращенные слои кремния обладают высоким структурным совершенством и минимальным разбросом толщины: давление в ростовой камере 10-4 Па; температура подложки 550 C, плотность ионного тока 2 мА/см2; энергия ионов пучка 400 эВ; угол наклона мишень - ионный пучок 45; расстояние мишень-подложка 150 мм; диаметр подложки 100 мм; диаметр ионного пучка 44 мм.
Исследованы вольтфарадные характеристики и профили распределения концентрации фосфора в фронтальном фотоактивном слое c-Si(n+) от длительности температурного отжига. Установлено, что в образцах, которые не подвергались отжигу, при обратном напряжении смещения 3аВ наблюдается смена знака производной емкости от напряжения в точке локального экстремума на положительный (рис.4, а). Положение пика на вольтфарадной характеристике определяет глубину залегания pЦn-перехода. Показано, что проведение температурного отжига приводит к снижению зависимости емкости от напряжения смещения.
а) б) |
Рис. 4 а) вольтфарадные характеристики фронтального фотоактивного слоя c-Si(n+) в зависимости от длительности отжига; б) профили распределения концентрации донорной примеси в фронтальном слое c-Si(n+) при температуре 900 C и различных временах отжига. |
На основе данных вольтфарадных характеристик построены профили распределения концентрации фосфора в фронтальном фотоактивном слое c-Si(n+). Их анализ показывает, что увеличение времени отжига приводит к улучшению равномерности распределения фосфора по глубине фронтального слоя c-Si(n+). Однако, с улучшением однородности распределения концентрации фосфора по глубине фронтального слоя наблюдается смещение границы pЦn-перехода в объем структуры, сопровождающееся уменьшением концентрации фосфора в фронтальном слое. Экспериментально установлено, что оптимальная глубина залегания pЦn-перехода 100Ц200 нм в сочетании с высоким уровнем легирования 41018 см-3 и равномерным распределением концентрации фосфора по глубине фронтального слоя c-Si(n+) наблюдается при отжиге в течение 10аминут.
Для оценки качества и анализа эффективности фотоэлектрического преобразования излучения в фотоактивных структурах c-Si(n+)/c-Si(p)/c-Si(p+), полученных ионно-лучевым осаждением, в диссертационной работе проведено исследование спектральных зависимостей внешнего квантового выхода (рис. 4, а). Полученная спектральная зависимость характеризуется высоким внешним квантовым выходом в спектральном диапазоне 550Ц900анм, который достигает значений до 90%, что, по-видимому, обусловлено высоким структурным совершенством фронтальных слоев с-Si, полученных методом ионно-лучевого осаждения. Полученные экспериментальные данные хорошо согласуются с результатами компьютерного моделирования фотоактивных структур
c-Si(n+)/c-Si(p)/c-Si(p+) для толщины фронтального слоя c-Si(n+) 0.1 мкм и уровня легирования 51018 см-3 в спектральном диапазоне 300-1200 нм при условии освещения AM 1.5 (рис. 5, а).
а) б) |
Рис. 5 а) теоретическая и экспериментальная спектральные зависимости внешнего квантового выхода фотоактивных структур с-Si(n+)/c-Si(p)/c-Si(p+); |
Проведено исследование влияния концентрации фосфора в фронтальном фотоактивном слое c-Si(n+) на световые вольтамперные характеристики фотоактивных структур c-Si(n+)/c-Si(p)/c-Si(p+), полученных ионно-лучевым осаждением (рис. 5, б). Установлено, что с ростом степени легирования фронтального слоя c-Si(n+) напряжение холостого хода структуры
c-Si(n+)/c-Si(p)/c-Si(p+) увеличивается, а плотность фототока уменьшается. Легирование фосфором фронтального слоя c-Si(n+) до уровня 51018 см-3 позволило получить в структурах c-Si(n+)/c-Si(p)/c-Si(p+) величины напряжения холостого хода 0.6аВ, что является хорошим результатом. Экспериментально установлено, что дальнейшее повышение степени легирования фронтального слоя c-Si(n+) приводит к смещению границы pЦn-перехода в объем структуры, что связано с увеличением времени диффузии при температуре 900C. В результате нарушается условие малой толщины фронтального фотоактивного слоя для получения высокой эффективности фотоэлектрического преобразования в структуре c-Si(n+)/c-Si(p)/c-Si(p+). Максимальный КПД фотоактивной структуры c-Si(n+)/c-Si(p)/c-Si(p+), полученной методом ионно-лучевого осаждения, для условий освещения АМ 1.5 составил 14%.
В ходе выполнения диссертационной работы методом ионно-лучевого осаждения получены фотоактивные гетероструктуры InAs/GaAs с квантовыми точками [1, 2, 3, 9]. Методами сканирующей зондовой микроскопии исследована морфология поверхности выращенных гетероструктур (рис. 6, а). Обнаружено, что квантовые точки и нанокластеры InAs в матрице GaAs имеют планарные размеры от 20 до 100 нм и высоту от 5 до 80 нм [2, 9].
а) | б) |
Рис. 6 а) 3D АСМ-изображение квантовых точек InAs на подложке GaAs, полученных ионно-лучевым осаждением; б) спектр фотолюминесценции гетероструктур i-GaxIn1-xAs/ | |
Выполнены измерения фотолюминесценции гетероструктур с квантовыми точками InAs. В спектрах фотолюминесценции (рис. 6, б) выявлен пик с максимумом на длину волны 1150 нм (h 1.1 эВ), указывающий на наличие в гетероструктурах разноразмерных квантовых точек InAs. Квантоворазмерные кристаллические структуры стохастически расположены на поверхности слоя GaxIn1-xAs. Результаты исследований фотоактивных гетероструктур InAs/GaAs с квантовыми точками методом фотолюминесценции подтверждают данные сканирующей зондовой микроскопии о наличии квантовых точек InAs [3].
В разделе Общие выводы представлены основные результаты, полученные при выполнении диссертационной работы:
1. Разработана математическая модель ионно-лучевого осаждения кремниевых слоев. Теоретически и экспериментально исследована зависимость процесса ионно-лучевого осаждения слоев Si от параметров конфигурации системы листочник ионов - мишень - подложка. Показано хорошее согласование теоретических и экспериментальных результатов. Определены параметры оптимальной конфигурации системы лионный пучок - мишень - подложка для подложек диаметром 100амм: расстояние мишень-подложка 150амм и угол наклона мишень - ионный пучок 45.
2. Проведено моделирование фотоактивной структуры на основе
c-Si(n+)/c-Si(p)/c-Si(p+). Установлено, что при толщине фронтального слоя c-Si(n+)
0.1 мкм и концентрации донорной примеси (0.2Ц1.0)1019 см-3 внешний квантовый выход структуры c-Si(n+)/c-Si(p)/c-Si(p+) может достигать - 95 %, а эффективность - 15 %. Полученные теоретические результаты использованы при выращивании структур c-Si(n+)/c-Si(p)/c-Si(p+) методом ионно-лучевого осаждения. Показано хорошее согласование теоретических и экспериментальных результатов исследования выращенных фотоактивных структур. Для толщины фронтального фотоактивного слоя c-Si(n+) 100 нм и концентрации 51018 см-3 внешний квантовый выход полученной структуры c-Si(n+)/c-Si(p)/c-Si(p+) составил - 90 %, а эффективность лучшего образца составила 14 %.
3. Определены оптимальные параметры формирования слоев Si для получения фотоактивных структур c-Si(n+)/c-Si(p)/c-Si(p+) методом
ионно-лучевого осаждения. Установлено, что однородные по толщине, практически бездефектные слои кремния на подложках 100амм получаются при следующих ростовых режимах: давление в ростовой камере 10-4 Па; температура подложки 550 C; плотность ионного тока 2амА/см2; ускоряющее напряжение 400аВ; угол наклона мишень - ионный пучок 45; расстояние
мишень-подложка 150 мм.
4. Исследован процесс формирования p-n-переходов ионно-лучевым осаждением. По данным анализа профилей распределения концентрации фосфора в фронтальном слое c-Si(n+) показано, что увеличение времени отжига приводит к улучшению равномерности распределения фосфора по глубине фронтального слоя c-Si(n+). Отжиг в течение (10-30) мин. приводит к снижению степени концентрации фосфора в тонкой приповерхностной области. Экспериментально установлено, что оптимальная глубина залегания p-n-перехода (0.1-0.2) мкм наблюдается при отжиге в течение 10 мин. при температуре 900 C.
5. Экспериментально показана возможность формирования ионно-лучевым осаждением фотоактивных гетероструктур на основе InAs/GaAs с квантовыми точками. Полученные квантовые точки и нанокластеры InAs на поверхности GaAs имеют планарные размеры от 20 до 100 нм и высоту от 5 до 80 нм и стохастически расположены по поверхности. Поверхностная плотность квантовых точек InAs достигает 105 шт/мм2.
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Статьи в рецензируемых журналах ВАК
- .С. Лунин, И.А. Сысоев, Д.Л. Алфимова, С.Н. Чеботарев, А.С. Пащенко. Формирование квантовых точек InAs на подложках GaAs методом ионно-лучевого осаждения// Вестник Южного научного центра.-2010.-Т.6. № 4.- С.46-49
- .С. Лунин, И.А. Сысоев, Д.Л. Алфимова, С.Н. Чеботарев, А.С. Пащенко. Исследование фоточувствительных гетероструктур InAs/GaAs с квантовыми точками, выращенных методом ионно-лучевого осаждения // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. -2011.- №6.- С. 58-62.
- .С. Лунин, И.А. Сысоев, Д.Л. Алфимова, С.Н. Чеботарев, А.С. Пащенко. Фотолюминесценция гетероструктур i-GaxIn1-xAs/n-GaAs со стохастическим массивом квантовых точек InAs// Неорганические материалы.-2011.T 47. №8. С.907-910.
4. С.Н. Чеботарев, А.С. Пащенко, М.Л. Лунина. Моделирование зависимостей функциональных характеристик кремниевых солнечных элементов, полученных методом ионно-лучевого осаждения, от толщины и уровня легирования фронтального слоя// Вестник Южного научного центра. -2011.-Т. 7. № 4.-С.25-30
5. Л.С. Лунин, А.С. Пащенко. Моделирование и исследование характеристик фотоэлектрических преобразователей на основе GaAs и GaSb// Журнал технической физики. - 2011. - Т. 81, вып. 9. - С. 71-76.
Авторские свидетельства и патенты
6. Л. С. Лунин, С. Н. Чеботарев, А. С. Пащенко, Л. Н. Болобанова. Моделирование массопереноса однокомпонентных полупроводниковых материалов в процессе ионно-лучевого осаждения // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011614787; зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 19.08.2011.
7. В. Н. Лозовский, Г. В. Валов, С. В. Лозовский, С. Н. Чеботарев, А. С. Пащенко. Моделирование массопереноса в процессе зонной сублимационной перекристаллизации// Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011616518; зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 19.08.2011.
8. С. Н. Чеботарев, А. С. Пащенко, С. А. Дудников. Одномерная деконволюция АСМ-профиля полупроводниковых квантовых точек // Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ № 2011618323; зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 21.10.2011.
Доклады на международных конференциях
9. Л.С. Лунин, И.А. Сысоев, С.Н. Чеботарев, А.С. Пащенко. Получение методом ионно-лучевого осаждения структур GaAs с квантовыми точками InAs для фотоэлектрических преобразователей III поколения // X Юбилейная международная научная конференция Химия твердого тела: наноматериалы, нанотехнологии, г. Ставрополь, Россия, 17-22 октября, 2010 г, С. 153-155.
Статьи в сборниках научных трудов
10. Г.В. Валов, В.А. Ирха, С.В. Лозовский, А.С. Пащенко. Выращивание наноразмерных острий в вакууме воздействием электронного пучка// Эврика-2006: сб. конкурс. работ Всерос. смотра-конкурса науч.-техн. творчества студентов высш. учеб. заведений, г. Новочеркасск, 20-26 нояб. 2006 г., ЮРГТУ (НПИ), 2006. - С. 133-134.
11. С.Н. Чеботарев, А.С. Пащенко, В.И. Паршуков. Исследование зависимости КПД двухпереходных фотоэлементов на наногетероструктурах GaInP/GaAs от величины потока солнечного излучения// Научные основы высоких технологий: тр. центра коллективного пользования "Высокие технологии" / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т . - Новочеркасск : ЮРГТУ, 2006. - Вып. 2. - С. 27 - 31.
12. Л.С. Лунин, А.С. Пащенко, В.А. Яковлев. Высокоэффективные каскадные ФЭП на основе гетероструктур AIIIBV с квантовыми точками// Ученые ЮРГТУ (НПИ) к юбилею университета: материалы 56-й науч.-техн. конф. профессорско-преподават. состава, научных работников, аспирантов и студентов / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). - Новочеркасск : "Оникс+", 2007. - С. 219-220.
СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
{1} Progress in photovoltaics: research and applications. Prog. Photovolt.: Res. Appl., 2010, Vol. 18: pp. 346Ц352.
_______________________________________________
Подписано в печать 06.03.2012
Формат 60x84 1/16. Усл. п. л. - 1.
Бумага офсетная. Заказ № 11056. Тираж 100 экз.
ФГБОУ ВПО Северо-Кавказский государственный технический университет
355029, г. Ставрополь, пр. Кулакова, 2
___________________________________________________________
Издательство ФГБОУ ВПО Северо-Кавказский государственный технический университет
Отпечатано в типографии СевКавГТУ
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по физике