WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 11 Фотоэлектрические явления в гетероструктурах (µcxa1-x)-Si : H / c-Si © H. Mell, Ю.А. Николаев¶, В.Ю. Рудь+, Ю.В. Рудь, Е.И. Теруков Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Philipps-University, D-35032 Marburg, Germany + Санкт-Петербургский государственный технический университет, 195251 Санкт-Петербург, Россия (Получена 11 апреля 2001 г. Принята к печати 19 апреля 2001 г.) Методом плазмохимического осаждения получены гетероструктуры (µcxa1-x)-Si : H / c-Si с различным объемным соотношением x микрокристаллической и аморфной фаз кремния. Вариация соотношения достигалась путем изменения концентрации силана в водороде. Исследованы стационарные вольт-амперные характеристики и спектральные зависимости фоточувствительности полученных структур в естественном и линейно поляризованном излучении в зависимости от фазового состава тонких (d1 0.6-0.8мкм) пленок = микрокристаллической и аморфной фаз кремния. Обнаружен фотовольтаический эффект и наведенный фотоплеохроизм полученных структур. Сделан вывод о перспективах применения нового типа гетеропереходов в фотопреобразователях естественного и линейно поляризованного излучений.

Обнаружение эффективной фото- и электролюминес- фической ориентацией (100) при толщине 0.4мм ценции пористого кремния (P-Si) при комнатных темпе- и температурах осаждения Ts = 160C. Как показал ратурах в видимой спектральной области вскрыло новые анализ спектров комбинационного рассеяния, изменение возможности управления фундаментальными свойства- величины f позволяет воспроизводимо контролировать ми полупроводников исключительно за счет понижения соотношение объемов микрокристаллической и аморфих размерности [1,2] и одновременно стимулировало ной фаз Si (см. таблицу).

развитие новых технологических процессов создания На полученных гетероструктурах проводились измеретонкопленочных материалов, включающих нано- и миния стационарных вольт-амперных характеристик (ВАХ) крокристаллиты. Метод плазмохимического осаждения в и спектров относительной квантовой эффективности фоплазме тлеющего разряда из разбавленного в водороде топреобразования в естественном и линейно полярисилана (концентрация водорода менее 3%) позволязованном излучении (ЛПИ). Некоторые фотоэлектриет получать тонкие пленки кремния, представляющие ческие параметры исследованных ГС в зависимости от собой включения микрокристаллитов (µc) кремния в условий их получения приведены в таблице. Основные его аморфную (a-Si : H) матрицу [3–6]. Размеры крирезультаты проведенных исследований состоят в следусталлитов Si в этих пленках обычно лежат в предеющем.

лах 3.6-5.7 нм, а их объемная часть x может кон1. На рис. 1 приведены типичные ВАХ для двух ГС, тролироваться от 15 до 100% за счет изменения выращенных при различном содержании силана в водоусловий осаждения [4,6]. Излучательная рекомбинация роде, что позволяет контролировать соотношение между пленок, содержащих нано- и микрокристаллы кремния, кристаллической и аморфной фазами Si (см. таблицу).

наблюдается в видимой области и приблизительно на Видно, что полученные ГС независимо от соотношения 2 порядка оказывается более слабой, чем в пористом объемов микрокристаллической и аморфной фаз кремкремнии P-Si [5]. В работе [4] показано также, что анализ ния в пленках обнаруживают четкое выпрямление, приспектров комбинационного рассеяния позволяет контрочем прямым ветвям ВАХ всегда отвечает отрицательная лировать величину x в пленках, осажденных на подложки полярность внешнего смещения на слое (µcxa1-x)-Si : H.

из кварца или кремния. В настоящей работе представлеВ области напряжений смещения U < 0.6-0.8В пряны результаты первых исследований фотоэлектрических мые ветви ВАХ при T = 300 K описываются обычсвойств нового типа гетероструктур (ГС), основанных на ным диодным уравнением с высоким значением фактора контакте двухфазных пленок (µcxa1-x)-Si : H с монокри неидеальности 4.5-6 у разных ГС. Это может = сталлической подложкой c-Si.

быть обусловлено влиянием высокого последовательноПленки (µcxa1-x)-Si : H выращивались плазменным мего сопротивления, что в итоге не позволяет судить о тодом с использованием разбавленного водородом силамеханизме протекания прямого тока в этих ГС. При на (SiH4). Процентное содержание силана f в водороде, напряжениях смещения U > 1В прямые ветви ВАХ использованное при получении таких пленок, приведено во всех исследованных ГС определяются соотношением в таблице. Осаждение пленок (µcxa1-x)-Si : H осущестI = (U - U0)/Rr, где величина напряжения отсечки влялось на полированные пластины p-типа кремния с U0 лежит в пределах 0.6-0.9 В для разных ГС и не удельным сопротивлением 20 Ом · см и кристаллограимеет однозначной связи с фазовым составом пленок.

¶ E-mail: yu.nikolaev@pop.ioffe.rssi.ru Подобное заключение можно высказать и о величине Фотоэлектрические явления в гетероструктурах (µcxa1-x)-Si : H / c-Si Фотоэлектрические свойства гетероструктур (µcxa1-x)-Si : H / c-Si (T = 300 K) m m Номера d1, x, Rr · 10-4, SU, SI, m, 1/2, PI, % f, % U0, B iP /i0 ( = 75) m образцов мкм % Ом В/ Вт мкА / Вт эВ эВ D44 1.5 0.65 86 0.85 20 10 12 1.32-1.55 0.83 1.75 D45 2.0 0.75 81 0.66 8.6 730 80 1.32-1.65 0.81 1.77 D46 2.5 0.70 65 0.80 37 74 8 1.35-1.68 0.78 1.70 D47 3.0 0.65 50 0.62 15 8300 66 1.60-1.70 0.77 1.73 D48 3.5 0.70 0 0.61 50 86 14 1.32-1.74 0.75 1.74 D56 8.0 0.80 0 0.90 26 145 48 1.35-1.65 0.72 1.70 остаточного сопротивления структур Rr (см. таблицу). специфических структурах. Очевидно, что электрические Можно лишь указать на тенденцию роста Rr по мере свойства таких структур должны определяться по крайперехода к ГС на основе аморфных (x = 0) пленок ней мере двумя различными типами гетероконтактов:

кремния. По этой причине, как видно из рис. 1, проис- (µcxa1-x)-Si : H / c-Si и a-Si : H / c-Si. Тот факт, что ВАХ ходит смещение линейного участка прямой ветви ВАХ не обнаружили зависимости от x, позволяет считать, в область более высоких прямых смещений. Тот факт, что энергетический барьер определяется в основном что известное для таких двухфазных пленок возрастание ближним порядком, который для кремния сохраняется практически неизменным в кристаллической и аморфной удельного сопротивления на 6-8 порядков величины с понижением x от 90 до 0% [6] практически не прояви- фазах.

лось в ВАХ ГС, может быть следствием анизотропии 2. При освещении всех полученных ГС возникапроводимости пленок со столбчатой структурой [6], с ет фотовольтаический эффект, знак которого оказалодной стороны, и низких толщин пленок d1 (см. табли- ся независимым от локализации светового зонда (диаметр 0.2мм) на поверхности структур и энергии падацу) в исследованных ГС. Обратные токи в этих ГС ющих фотонов. Поэтому можно считать, что фотовольтапри U 5 В достаточно низкие и обычно не превышают ический эффект в таких случаях определяется единствен(2-5)·10-7 Апри T = 300 K. В целом следует отметить, ным энергетическим барьером, возникающим вследствие что обеспечиваемое в использованном технологическом процессе управление объемным соотношением микро- осаждения тонких пленок на монокристаллическую подложку c-Si. Как правило, фоточувствительность ГС кристаллической и аморфной фаз кремния в пленочной компоненте полученных ГС практически не сказыва- преобладает, если фоторегистрация осуществляется при их освещении со стороны тонких пленок. Максимальные ется на процессах токопрохождения в таких весьма m m значения вольтовой SU и токовой SI фоточувствительности полученных гетероструктур приведены в таблице.

Однозначной связи фоточувствительности ГС с величинами f и x не наблюдается. Пожалуй, можно только отметить, что максимальная фоточувствительность реализуется в структурах, включающих двухфазные пленки (x = 0.81 и 0.5). При этом пленки всегда заряжаются отрицательно, что отвечает направлению выпрямления.

На рис. 2 приведены спектральные зависимости относительной квантовой эффективности для полученных ГС при их освещении неполяризованным излучением со стороны тонких пленок. Видно, что фотовольтаический эффект во всех структурах широкополосный. Длинноволновый край фоточувствительности обусловлен межзонными переходами в подложке ГС.

Высокая фоточувствительность наблюдается в глубине фундаментального поглощения кристаллического кремния, а ее спектральный диапазон m (см. таблицу) и величина сохраняются практически постоянными в пределах от 1.3 до 1.7 эВ. Полная ширина полосы фоточувствительности на полувысоте 1/2 для полученных ГС приведена в таблице. Величина 1/оказывается достаточно высокой, что отражает достаРис. 1. Стационарные вольт-амперные характеристики гететочно хорошее качество гетерограницы. Обращает на роструктур (µcxa1-x)-Si : H / c-Si; T = 300 K. 1 —образец D44, 2 —образец D56. себя также внимание тот факт, что ширина полосы Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 1318 H. Mell, Ю.А. Николаев, В.Ю. Рудь, Ю.В. Рудь, Е.И. Теруков ширины запрещенной зоны вкрапленных в аморфную матрицу микрокристаллитов кремния [5]. По-видимому, получение ГС с x > 86% позволяет обеспечить дальнейшее увеличение 1/2 в актуальном для солнечных элементов спектральном диапазоне.

3. Исследования фоточувствительности ГС (µcxa1-x)-Si : H / c-Si в линейно поляризованном излучении показали, что при их освещении со стороны тонких пленок (µcxa1-x)-Si : H вдоль нормали к их поверхности поляризационная фоточувствительность отсутствует и фотоплеохроизм PI = 0 [7,8]. Это обстоятельство соответствует изотропному характеру фотоактивного поглощения в подложке и тонких пленках, образующих исследованные ГС. Фоточувствительность к положению вектора электрического поля световой волны E полученных ГС возникает только в условиях наклонного падения ЛПИ на их приемную плоскость [8]. На рис. 3, a и b представлены примеры типичных экспериментальных зависимостей фототоков iP (вектор E параллелен плоскости падения (ПП)) и iS (E ПП) от угла падения Рис. 2. Спектральные зависимости относительной квантовой эффективности фотопреобразования гетероструктур (µcxa1-x)-Si : H / c-Si (1 — образец D44, 2 — образец D45, 3 — образец D46, 4 — образец D47, 4 — образец D48, 6 —образец D56) в естественном свете при T = 300 K.

Освещение структур со стороны слоев (µcxa1-x)-Si : H. Кривые смещены вдоль оси.

увеличивается с возрастанием объемного содержания микрокристаллитов, вкрапленных в аморфную матрицу кремния. Последнее обстоятельство позволяет считать, что рекомбинация фотогенерированных пар на гетерогранице между двухфазной пленкой (µcxa1-x)-Si : H / c-Si Рис. 3. Зависимости фототоков iP (1) и iS (2) и коэффициента и монокристаллическим кремнием, а также оптические наведенного фотоплеохроизма PI (3) от угла падения ЛПИ потери в двухфазной пленке относительно ГС a-Si : H / c- на приемную плоскость слоев (µcxa1-x)-Si : H при T = 300 K Si не усиливаются. Это может быть вызвано увеличением (a —образец D44, b —образец D56).

Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. Фотоэлектрические явления в гетероструктурах (µcxa1-x)-Si : H / c-Si эффект, который может быть реализован в фотопреобразователях естественного и линейно поляризованного излучения.

Работа выполнена при финансовой поддержке программы COPERNICUS (грант № IC15-CT98-0819, TIMOC) и проекта Министерства промышленности, науки и технологий по направлению ”Лазерная физика” (проект № 08.01.100 ф).

Список литературы [1] L.T. Canham. Appl. Phys. Lett., 57, 1046 (1990).

Рис. 4. Спектральные зависимости коэффициента наведенно[2] N. Koshida, H. Koyama. Appl. Phys. Lett., 60, 347 (1992).

го фотоплеохроизма PI гетероструктуры (µcxa1-x)-Si : H / c-Si, [3] Y. He, C. Yin, G. Geng, L. Wang, X. Liu, G.Y. Hu. J. Appl.

T = 300 K (образец D = 46, = 75).

Phys., 75, 797 (1994).

[4] E.I. Terukov, V.Kh. Kudoyarova, V.Yu. Davydov, K.V. Koughia, G. Weiser, H. Mell. Mater. Sci. Engin. B, 69–70, (2000).

ЛПИ на приемную плоскость ГС (µcxa1-x)-Si : H / c-Si.

[5] X.N. Liu, X.W. Wu, X.-M. Bao, Y.L. He. Appl. Phys. Lett., 64, Видно, что угловые зависимости фототоков iP и iS в 220 (1994).

этих ГС находятся в соответствии с соотношениями [6] D. Ruff. Elektrischer Transport in mikrokristallen Silizium.

Френеля для амплитудных коэффициентов прохождения (Philips–University, Marburg, 1999).

[7] С.Г. Конников, Д. Мелебаев, В.Ю. Рудь, М. Сергинов.

ЛПИ разных азимутов границы воздух / пленка Письма ЖТФ, 39, 18 (1992).

(µcxa1-x)-Si : H / c-Si [8]. Действительно, во всей области [8] Ф.П. Кесаманлы, В.Ю. Рудь, Ю.В. Рудь. ФТП, 33, фоточувствительности изученных ГС фототок iP с (1998).

ростом в начале возрастает и проходит через [9] Ю.В. Жиляев, Н. Назаров, В.Ю. Рудь, Ю.В. Рудь, Л.М. Фемаксимум iP, после чего происходит его понижение.

m доров. ФТП, 27, 1611 (1993).

Этот рост обусловлен снижением потерь излучения [10] V.Yu. Rud’, Yu.V. Rud’, H.W. Shock. Semicond. Sci. Technol., на отражение и наблюдается в случае достаточно 15, 625 (2000).

высокого качества приемной плоскости [9]. Величина [11] В.Ю. Рудь, Ю.В. Рудь. ФТП, 31, 245 (1997).

отношения фототока в максимуме к фототоку при = Редактор Л.В. Беляков iP /i0 для всех полученных ГС в пределах области m фоточувствительности оказалась близкой (см. таблицу) Photoelectrical phenomena in и характеризует поверхность слоев (µcxa1-x)-Si : H (µcxa1-x)-Si : H / c-Si heterostructures как весьма совершенную. Фототок iS для всех ГС, как видно из рис. 3 (кривая 2), понижается с H. Mell, Yu.A. Nikolaev, V.Yu. Rud’+, Yu.V. Rud’, увеличением, что с учетом результатов [10,11] может E.I. Terukov быть основанием для вывода о том, что интерференция Ioffe Physicotechnical Institute, ЛПИ в тонких пленках входного окна ГС не Russian Academy of Sciences, проявляется. Коэффициент наведенного наклонным 194021 St. Petersburg, Russia падением ЛПИ фотоплеохроизма PI для полученных Philipps-University, D-35032 Marburg, Germany ГС (µcxa1-x)-Si : H / c-Si с ростом угла падения (рис. 3, + St. Petersburg State Technical University, кривая 3) следует квадратичному закону PI 2 195251 St. Petersburg, Russia во всей области фоточувствительности. Величина коэффициента наведенного фотоплеохроизма в этих ГС

Abstract

The heterostructures (µcxa1-x)-Si : H / c-Si with diffeпри = const сохраняется практически постоянной в rent value relation (x) of microcrystalline and amorphous phase пределах области их фоточувствительности (рис. 4), were formed by a glow discharge plasma chemical deposiкак и в случае поверхностно-барьерных структур [7,8].

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.