WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 10 Высокоэффективные (49%) мощные фотоэлементы на основе антимонида галлия © В.П. Хвостиков¶, М.Г. Растегаева, О.А. Хвостикова, С.В. Сорокина, А.В. Малевская, М.З. Шварц, А.Н. Андреев, Д.В. Давыдов, В.М. Андреев Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 21 февраля 2006 г. Принята к печати 3 марта 2006 г.) Получены и исследованы высокоэффективные GaSb-фотоэлементы, предназначенные для преобразования мощного лазерного излучения и инфракрасного излучения эмиттеров, нагреваемых концентрированным солнечным излучением. Максимальный кпд преобразования излучения ( = 1680 нм) полученных фотоэлементов составил 49% при плотности фототока 50-100 А/см2.

Исследованы пути снижения потерь на омических контактах к антимониду галлия p- и n-типа проводимости. Минимальные значения удельного сопротивления контактов (1-3) · 10-6 Ом · см2 к p-GaSb с уровнем легирования 1020 см-3 были получены при использовании контактной системы Ti/Pt/Au. Для GaSb n-типа проводимости (2 · 1018 см-3) минимальные значения удельного контактного сопротивления составили 3 · 10-6 Ом · см2 при использовании контактных систем Au(Ge)/Ni/Au и Au/Ni/Au.

PACS: 84.60.Jt, 78.55.Cr, 42.79.Fk, 73.50.Pz, 72.80.Ey 1. Введение контактов: от 0.4Ом· см2 [4] до 1.4 · 10-6 Ом · см2 [6] (при уровне легирования (1-5) · 1017 см-3).

Для фотоэлектрического преобразования концентри- Цель настоящей работы — получение высокоэффекрованного солнечного излучения, излучения высоко- тивных мощных фотопреобразователей на основе GaSb температурных эмиттеров в термофотоэлектрическом и проведение исследований по разработке и оптимиспособе получения энергии, требуются фотоэлементы, зации структур и омических контактов к GaSb n- и способные эффективно преобразовывать падающее излу- p-типа проводимости с переходным сопротивлением чение мощностью до 100 Вт/см2. В случае теплового из- менее 1 · 10-5 Ом · см2.

лучения эмиттеров в термофотоэлектрических генераторах перспективным является использование сильноточ2. Получение фотопреобразователей ных фотоэлектрических элементов на основе антимонида галлия, разработанных ранее для повышения эффек- на основе GaSb и обсуждение тивности преобразования концентрированного солнечрезультатов ного излучения в тандеме с GaAs-фотоэлементами [1,2].

При изготовлении мощных фотопреобразователей на 2.1. Получение структур основе антимонида галлия важной задачей является фотопреобразователей снижение последовательного сопротивления полупроВ настоящей работе были получены и исследованы водниковой структуры, поскольку с увеличением плотвысокоэффективные GaSb-фотоэлементы, предназначенности излучения, падающего на фотоэлемент, неизные для преобразования мощного лазерного излучения и бежно растут и потери на внутреннем омическом соинфракрасного излучения эмиттеров, нагреваемых конпротивлении прибора. Проблемы создания омических центрированным солнечным излучением. В структурах контактов к GaSb n- и p-типа проводимости с исс эпитаксиальным базовым слоем n-типа проводимости, пользованием различных технологий рассмотрены, навыращенным методом жидкофазной эпитаксии, осущепример, в работах [3–10]. Опубликованные результаты ствлялось формирование тонкого (0.3 мкм) светочуввеличины удельного переходного сопротивления омичествительного p-n-перехода и относительно толстого ских контактов (Rc) к p+-GaSb находятся в диапазоне (1.0-1.5мкм) p-n-перехода в подконтактных областях 1 · 10-4-5 · 10-7 Ом · см2 [3–5]. При этом в некоторых при помощи двухстадийной диффузии цинка из газовой работах указывается, что такие контакты к p+-GaSb фазы [11]. Для предотвращения окисления поверхности могут быть получены непосредственно после осаждения структур диффузия проводилась в кварцевом реакторе в металла без дополнительного отжига [4], в других, непрерывном потоке водорода, очищенного через палланапротив, необходимы достаточно высокие температудиевый фильтр.

ры отжига для достижения низких значений Rc [5,10].

Фронтальная освещаемая поверхность элементов поРезультаты, полученные для n-GaSb, также имеют сущекрывалась сеткой из токосъемных полос различной ственный разброс по величине удельного сопротивления конфигурации, а на тыльную поверхность наносилось ¶ E-mail: vlkhv@scell.ioffe.ru сплошное контактное покрытие. На светочувствитель1276 В.П. Хвостиков, М.Г. Растегаева, О.А. Хвостикова, С.В. Сорокина, А.В. Малевская, М.З. Шварц...

Величина удельного переходного сопротивления омических контактов к p+-GaSb Удельное переходное сопротивление, Ом · смПараметры отжига Cr/Au Cr/Ag Cr/Ag(Mn) Ti/Pt/Au После напыления (as-deposited) (3-5) · 10-6 (3-6) · 10-5 (8-9) · 10-6 (4-6) · 10-H2, 190C (7-9) · 10-6 (2-3) · 10-5 (3-4) · 10-5 (8-9) · 10-H2, 230C (1-2) · 10-5 (2-3) · 10-5 (2-3) · 10-5 N2, 190C (8-9) · 10-6 (4-5) · 10-5 (7-9) · 10-6 (5-7) · 10-N2, 250C (4-5) · 10-6 - - (1-3) · 10-ную поверхность элементов наносилось двухслойное электронно-лучевое (Ni) испарение. Величина удельного антиотражающее покрытие ZnS/MgF2. переходного сопротивления омических контактов опреПредварительная обработка поверхности структур пе- делялась по методике CTLM, описанной в [12]. Диаметр ред изготовлением контактов существенно влияла на меньшей контактной площадки находился в диапазоне электрические характеристики приборов. В случае, когда 20-60 мкм, второй контакт предполагался бесконечным.

очистка поверхности ограничивалась стандратными про- Отжиг образцов проводился в потоке водорода и в цедурами отмывки в органических растворителях, даже некоторых случаях в потоке азота. Продолжительность после отжига в некоторых случаях контакты демонстри- отжига составляла 1-2мин.

ровали вольт-амперные характеристики выпрямляющего Как и следовало ожидать, при высоком уровне легитипа, а изготовленные структуры обладали высоким рования p-GaSb вольт-амперные характеристики струкпоследовательным сопротивлением. Применение химитур были линейны и без дополнительного отжига ческой обработки n-GaSb (1 · 1018 см-3) в разбавленной (as-deposited). Как видно из данных таблицы, дополнисоляной кислоте (HCl : H2O = 1 : 1) позволило воспротельный отжиг в водороде или азоте в исследованном изводимо получать после отжига омические контакдиапазоне температур 190-250C практически не влияты с величиной удельного переходного сопротивления ет на величину удельного контактного сопротивления, 1 · 10-4 Ом · см2 (для системы Au(Ge)/Ni/Au). Однако что совпадает с результатами работы [3]. Минимальлучшие результаты были получены в случае плазмохиная величина Rc =(1-3) · 10-6 Ом · см2 была получена мического травления ионным пучком (Ar+) поверхности при использовании системы Ti/Pt/Au, которая успешно антимонида галлия. Существенным преимуществом таприменяется при изготовлении омических контактов кой обработки является также улучшение адгезионных к ряду материалов III-V p-типа проводимости [6,13].

свойств контактных покрытий. Приведенные далее реОсновным преимуществом таких контактов является зультаты получены с использованием последней метотот факт, что Pt, являясь эффективным диффузионным дики. Зависимость спектральной фоточувствительности фотоэлементов на основе GaSb от длины волны, демонстрирующие достижение величин внешнего квантового выхода 0.9-0.97 на фотоактивной поверхности в диапазоне длин волн 0.9-1.7 мкм, представлены на рис. 1.

2.2. Получение и исследование омических контактов к фронтальному слою p-GaSb Для экспериментов по формированию фронтальных омических контактов использовался GaSb p-типа проводимости с уровнем легирования 1020 см-3, полученный методом диффузии цинка из газовой фазы в GaSb n-типа проводимости. В качестве контактных систем к p-GaSb использовались Cr/Au, Cr/Ag, Cr/Ag(Mn), Cr/Pt/Au и Ti/Pt/Au, к n-GaSb — Au(Ge)/Ni/Au, Au(Te)/Au и Au/Ni/Au. Композиции металлов последовательно наносились на поверхность полупроводника методами вакуумного осаждения при давлении остаточных гаРис. 1. Спектральная зависимость внешнего квантового выхозов в вакуумной камере 10-6 Торр. Для осаждения да фотоэлементов на основе GaSb: 1 — на основе слиткового металлов и их сплавов использовалось термическое GaSb, 2 — на основе GaSb, полученного жидкофазной эпитак(Au, Au(Ge), Au(Te), Cr), магнетронное (Pt, Ti) или сией.

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Высокоэффективные (49%) мощные фотоэлементы на основе антимонида галлия барьером, препятствует глубокому проникновению Au в полупроводник и предотвращает возможность локального шунтирования мелкого p-n-перехода, обеспечивая стабильность работы приборов при повышенных температурах. Отметим, что нечувствительность контактов к отжигу позволяет наносить металлы на p- и n-области термофотоэлектрического преобразователя и затем применять отжиг для формирования контакта к n-GaSb. Такая технология позволяет предотвращать модификацию свободной поверхности p-GaSb при отжиге и упрощает процесс изготовления прибора в целом.

2.3. Получение и исследование омических контактов к n-GaSb Сложности изготовления низкоомных омических кон- Рис. 2. Зависимость удельного переходного сопротивления омических контактов к n-GaSb в системе Au(Ge)/Ni/Au от тактов к слабо легированным слоям GaSb n-типа провотемпературы отжига при различной концентрации легирующей димости возникают вследствие образования потенциальпримеси подложки.

ного барьера металл/полупроводник с достаточно большой эффективной высотой после осаждения металла на поверхность [4]. Одним из традиционных методов получения омических контактов в подобных случаях является введение в контактную систему элемента, являющегося легирующей примесью. Затем в процессе отжига создаются условия для дополнительного легирования приповерхностной области полупроводникового материала и соответственно возрастает доля туннельной компоненты тока, что обеспечивает снижение контактного сопротивления. В настоящей работе были использованы две системы, содержащие легирующую примесь — Au(Ge)/Ni/Au и Au(Te)/Au.

Эксперименты по изготовлению омических контактов в системах, содержащих легирующую примесь, как правило, приводят к положительным результатам, если в контактное покрытие вводится та же примесь, которой легирован полупроводник. В случае, если происходит Рис. 3. Зависимость удельного переходного сопротивлеодновременное легирование двумя примесями одного ния омических контактов к n-GaSb в системах Au/Ni/Au типа, последовательное сопротивление изготовленной и Au(Te)/Au от температуры отжига при различной конценструктуры может возрасти [14]. Проведенные исследотрации легирующей примеси подложки.

вания свидетельствуют о том, что в случае системы Au(Ge)/Ni/Au подобный эффект не наблюдается. Аналогичная ситуация была отмечена в случае контактной системы Au(Zn)/Ni к p-GaN [15,16].

высоких температур отжига (рис. 3). Более высокое На рис. 2 представлены зависимости величины удельконтактное сопротивление для системы Au(Te)/Au моного переходного сопротивления контактов на основе жет быть объяснено необходимостью для эффективной Au(Ge)/Ni/Au от температуры отжига (Ta) при различдиффузии Te более высоких температур отжига [10].

ном уровне легирования n-GaSb. Отжиг осуществлялся Исследования зависимости удельного сопротивления в атмосфере водорода, диапазон температур отжига контактов на основе Au/Ni/Au и Au(Te)/Au от темперасоставлял 220-350C. Как видно из рис. 2, зависимость туры отжига (Ta) в диапзоне температур (230-340C) Rc = Rc(Ta) имеет минимум в диапазоне температур показали, что величина Rc монотонно снижается с ро240-260C. Низкое контактное сопротивление, полученстом температуры (рис. 3). Отметим, что неодинаковый ное в этом случае, по-видимому, связано с введением характер зависимости Rc = Rc(Ta), а также существенGe в приповерхностную область n-GaSb. Однако конное различие значений Rc при низкой концентрации такты, изготовленные на основе композиции Au(Te)/Au, несмотря на присутствие в составе легирующей приме- примеси в n-GaSb для систем Au(Ge)/Ni/Au и Au/Ni/Au си, характеризуются на порядок более высокими зна- свидетельствуют о разных механизмах формирования чениями контактного сопротивления и требуют более омических контактов.

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 1278 В.П. Хвостиков, М.Г. Растегаева, О.А. Хвостикова, С.В. Сорокина, А.В. Малевская, М.З. Шварц...

Увеличение концентрации примеси (Nd-Na) в n-GaSb приводит к значительному снижению величины контактного сопротивления. При использовании системы Au(Ge)/Ni/Au повышение Nd-Na примерно на порядок снижает величину контактного сопротивления от 6 · 10-5 Ом · см2 до 3 · 10-6 Ом · см2 (рис. 2). Лучшие результаты при формировании омических контактов к n-GaSb с уровнем легирования (1-2) · 1018 см-3 были получены на основе Au(Ge)/Ni/Au и Au/Ni/Au. При этом минимальная величина Rc составила 3 · 10-6 Ом · см2.

Для низколегированного n-GaSb с концентрацией носителей тока 4 · 1017 см-3 минимальное контактное сопротивление 2 · 10-5 Ом · см2 было достигнуто при использовании системы Au/Ni/Au. Однако для формирования такого контакта требуются более высокие температуры Рис. 5. Зависимость кпд преобразования GaSb-фотоэлементов отжига, чем в случае Au(Ge)/Ni/Au.

различной площади (кривая 1 — 0.02, кривая 2 —1 см2) от величины фототока при длине волны излучения 1680 нм.

2.4. Свойства разработанных фотопреобразователей Максимальный кпд преобразования монохроматического излучения полученных фотоэлементов размером 2.5 2.5 мм составил 49% (рис. 4) для длины волны падающего излучения 1680 нм. При этом высокое значение кпд сохраняется до плотностей тока 100 А/см2 и абсолютных значений фототока 2-3 А, что свидетельствует о малой величине омических потерь в разработанных фотопреобразователях. По имеющимся у нас сведениям, достигнутые значения кпд являются наивысшими.

Снижение кпд преобразователя излучения с меньшими длинами волн 1.55 мкм ( = 45%) и 1.315 мкм ( = 38%) связано с увеличением „стоксовских“ потерь.

Как следует из зависимостей, представленных на рис. 5, 6, с увеличением площади элементов от 0.до 1 см2 кпд фотопреобразователей снижается, что является следствием возрастания потерь на последовательРис. 6. Зависимость кпд преобразования GaSb-фотоэлементов на основе GaSb площадью 0.02 см2 (1) и 1 см2 (2) от плотности фототока для длин волн падающего излучения 1550, и 1680 нм.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.