Фотоэлектрические процессы в гетеро-P-I-П-структурах на основе аморфного гидрированного кремния тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

РГ6 од

• t. i \ f» f ~

I ( \М\л i—-

АКАДЕМИЯ НАУК РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН

НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ „ФИЗИКА-СОЛНЦЕ" им. С. А. АЗИМОВА

ФИЗИКО ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им С. В. СТАРОДУБЦЕВА

На правах рукописи УДК 621. 31Ъ. 592.

КАБУЛОВ РУСТАМ РАШИДОВИЧ

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ГЕТЕР0-Р-1-П-СТРУКТУРАХ НА ОСНОВЕ АМОРФНОГО ГИДРИРОВАННОГО КРЕМНИЯ

Специальность 01.04.10 — физики полупроводников и диэлектриков

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

диссертации на соискапне ученой степени кандидата физпко-эттоиатнческнх наук

Ташкент. 1093

Работа выполнена в физико-техническом институте НПО Физика-Солнце, АН Республики Узбекистан.

Научный руководитель: доктор .физико-математических

наук! Ю.М.Юабов.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических

наук, О.АТоликова. доктор физико-математических наук, ШАМарсагатт.

Ведущая организация: Институт полупроводников АН Украины.

Защита диссертации состоится

в 40 часов на заседании специализированного совета Д.0!о-08.21, при физико-техническом институте НПО "Физика-Солнце* АН Республики Узбекистан по адресу: 700084, ул. Г. Мавлонова. 2-6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разосла;; . ' парта 1993 г.

Ученый секретарь Специализированного Совета, доктор технических наук

Г7я. аве:юв

Общая характеристика работа ,

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕШ, В последнее время получило развитие новая концепция полупроводникового аморфного материала, позволившая широко использовать его в практике' современного приборостроения 11*1. Суть этой концепции состоит в гидрогенизации .аморфного материала, что обеспечивает такую форму аморфизации, когда отсуствует трансляционная симметрия в решетке, но при этом нет оборванных связей между атомами. Такая форма воздействия на валентную связь позволила управляемо легировать аморфный полупроводник донорными и акцепторными примесями, что невозможно осуществить в обычных аморфных материалах. Первый полупроводниковый материал, в котором специально введен водород, "залечивающий" оборванные связи, были пленки аморфного кремния. Как известно," кремний - основа современной твердотельной электроники и это определило широкий фронт исследований гидрированного аморфного кремния в научных и прикладных целях. Высокое значение коэффициента поглощения излучения видимой "области спектра, возможность низкотемпературного получения больших поверхностей на нео-ркеятируемых подложках и др.' отличительные свойства, позволили к настоящему времени считать его наиболее перспективным в качестве материала для фотоэлементов.

Фотоэлементы на основе аморфного гидрированного кремния используются как источники питания в микроэлектронных устройствах (например, микрокалькуляторы), работоспособных в условиях низкой («100 лк.) освещенности, а также э "малой" энергетике при прямой солнечной радиации. Эта область на западе развивается настолько быстро, что промышленные разработки появляются раньше, чем опуб- ' ликойываотся результата научных исследований. Наряду с этим, до начала настоящей работа ряд вопросов, связанных с технологией изготовления и физикой процесса фотопреобразсвания не были решены.

В силу ■ этих обстоятельств является актуальным комплексное исследование и изучение взаимосвязи технологических параметров процесса роста пленки аморфного гидрированного кремния с их физическими параметрами.

Цель настоящей диссертации состоит в :

-I. углублешпгфгаико-тегнэлогической основы изготовления "собственных" и легированных слоев аморфного кремния и карбэда кремния из отечественного сырья ( Б1Н4, СН4, 82%, РН3 ),

2. создании гетеро- и вариз'онных .р-1-п- структур в качестве фотопреобразователей, работоспособных при низких освещенностях,

3. построении энергетической зонной диаграммы исследуемых структур,

4. определении природа фототока и особенностей фотоэлектрического эффекта, связанного с дрейфом неосновных носителей в р-3-п- структурах,

5. теоретическом.и экспериментальном исследовании фототока от длины волны возбуждаемого света-для определения кинетических и рекомбинационных микропараметров в слоях. .

Научная новизна диссертации состоит в том, что :

1. показано влияние остаточного кислорода в реакционной ка- • мере на электрические, оптические и фотоэлектрические параметры "собственных" слоев аморфного кремния, выраженных высокочастотным разложением 100 Ж моносилана, состоящее в увеличении щели подвижности и уменьшена (|Л1)п>р с ростом содержания. 02;

2. выявлена роль неосновных носителей (дырок) в процессе переноса тока в р-1-п- а-Б1:Н структурах, область напряжений и ' температур в которых генерационно-рекомбинационные токи являются доминирующими; •

3..построена энергетическая зонная диаграша р(а-Б1С:Н,В>-1(а-51:Н)-п(а-Б1:Н,Р) -гетероструктуры; .

4. .изготовлены и исследованы р(а-51С:Н,В)-1(а-511_хСг.:Н)-Ка-Б1:Н)-п(а-Б1:Н,Р) структуры с варизонной областью между р(а-51С:Н,В)- и 1(а-51:Н)- областями, позволяшие улучшить ко»ф- • фпциент собирания неосновных носителей;

5. в рамках модели переменного транспорта неосновных носителей получены аналитические выражения для фототока при сильном и слабом поглощении света, позволившие совместно с экспериментальными характеристиками определить р- произведение подвижности на Бремя жизни и 5 п р- эффективные скорости рекомбинации для электронов и дырок.

Приведенные результаты составляют существо основных научных

положений,- выдвигаемых аа защиту.

Практическая ценность работа определяется тем, что-на основе проведенных исследования, позволивших раскрыть влияние параметров технологического процесса выращивания на электрические, оптические и фотоэлектрические характеристики слоев и структур, изготовленных из 100 % моносилана метана и легирующих газов (I % В2Н^ . и РНд в аргоне), изготовлены высокоэффективные гетеро- и вари-зонные р-1-п- структуры, эффективно работоспособные в условиях слабых ( « 100 лк. ) освещенностях. Технологический процесс изготовления таких фотоэлементов передан в отраслевые предприятия.

Апробация работы. Результаты работ, вошедших в диссертацию, докладывались на 8-ой международной конференции "Некристаллические полупроводники-89" ( СССР, Ужгород, 1989 ), на Всесоюзной конференции по фотопреобразователям (Ашхабад, 1989), 1-ой Всесоюзной конференции "Фотоэлектрические процессы в полупроводниках" (Ташкент, 1Э89), Всесоюзном семинаре по некристаллическим полупроводникам (Ленинград, ЛФТИ им.Иоффе, 1989), Всесоюзном семинаре "Аморфные гидрированные полупроводники и их применение" (Ленинград, 1991), 2-ой Всесоюзной конференции "Фотоэлектрические процессы в полупроводниках" (Ашхабад, 1991), а такзе семинарах и научных сессиях Физико - технического института иг,и С.В.Стародубцева АН Республики Узбекистан.

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в И работах, включающих статьи в отечественных и зарубежных журналах, перечисленных в конце автореферата. ';'■'-.

Структура и объем -работы. Диссертация состоит из введения, .пяти глав, выводов, содержит 169 страниц машинописного текста, включающих 48 рисунков,'6 таблиц, а таюкв список. цитируемой литературы, содержащий 109 "наименований.

• Содержание " работы. ..

Во введении приводится обазя характеристика работа, обоеяо-5£зается его актуальность, определены цели исследования, сформулирована- научная новизна, а таюга дано краткое содерязниэ днссер-тзции.

Первая глава диссертации посвящена краткому обзору и анализу состояния технологии изготовления пленок и фотоэлементов из аморфного гидрированного кремния и исследованию их физических свойств. Из анализа'следует, что метод высокочастотного разложения моносилана в плазме-тлеющего разряда позволяет выращивать наиболее качественные пленки и структуры. Исследования а-Б1:Н фотоэлементов показали, что при использовании аморфного материала основной вклад в фототек могут дать те неосновные носители, которые генерируются в'области электрического поля перехода [2*1, в случае кристаллических фотоэлементов - неравновесные носители заряда, фотогенерированкые в квазинейтральной облает базы. . Поэтому аморфные фотоэлементы относятся к приборам с дрейфовым механизмом собирания фотогенерированных носителей, а кристаллические фотоэлементы к приборам с -диффузионной природой фототока. Базовой конструкцией аморфных фотоэлементов является р-1-п-структура, а кристаллических фотоэлементов р-п-структура. Для улучшения коэффициента собирания неосновных носителей разработаны гетеро-р-1-п-структуры с использованием аморфной пленки карбида кремния, а также каскадные фотоэлементы.

Главная задача, стоящая перед разработчиками этих приборов, заключается в разработке технологии выращивания качественных "собственных" и легированных слоев, используемых в качестве компонентов структуры фотоэлемента.

Наряду с технологическими задачами исследования анализируются и физические методы анализа качества пленки. Одной кз важ-яейгой характеристикой пленки является форма связи между атомами кремния и водорода. В работе Е3* 3 описан экспериментальный метод определения содержания водорода в кремнии по ПК - спектрам многократно нарушенного полного внутреннего'отражения (МНПВО). Показано, что в отличие от обычной ИК-спектроскопии пропускания, спектр МНП80 позволяет разрешить пики для Б1-Н и Б1-Н2 связей

о

В СЛОЯХ ТОЛЩИНОЙ йЮОО А. ■

Проведен физический анализ работы 12"! в которой, в рзмкзх модели переменного транспорта неосновных носителей, сделан расчет на ЭВМ вольт-амперных и спектральных характеристик р-1-п-а- 51:Н структур.

Во второй глава диссертации приведены г£тзкко-толнологпческиэ 1 основы изготовления пленок и структур на основа аморфных гидрированных слоев кремния и карбида 'кремния. В работа использован высокочастотный ?/.етод разложения• 100 % коносилана и метана, а в качестве легирующих примесей - газы I % BgHg и РН3 в аргоне. Получение высококачественных слоев и структур ставит жесткие требования на используемое технологическое оборудование, материалы и п])оцесс изготовления. В качестве основы для создания Зх-камерноП технологической установки использована серийная установка УВП-2М. Для предотвращения попадания кислорода и других компонентов из атмосферы, разработаны и изготовлены илюовые камеры загрузи; и Епгрузки, состыкованные с основной реакционной камерой.

ВысокоЕакуумная безмасленная откачка реакционной камеры осуществлялась турбомолекулярным насосом ТШ-500. Кассета размером 300x200 мм2 с помощью транспортирующей систем! перемещается из. камеры загрузи-! в реакционную камеру и затем в камеру выгрузки. Регулируемая подача газов в реакционную камеру осуществлялась с помощью расходомера РРГ-I. Разработанная конструкция 3- камерной установки позволила з широких пределах варьировать технологическими параметрами процесса.

Проведенные исследования показали, что увеличение остаточного кислорода в реакционной камере приводит к увеличению цели подвижности (Е ) и уменьшению характеристического.параметра слоя как произведение подвижности носителей на их время гизпи Установлено; что с изменением давления моносилсна в .'реакционной камере от 0.1 до 0.7. Topp величина Е изменяется от 1.6 до 1.80 'с-3. а с увеличением мопчости ВЧ разряда от 0.03 до 0.5 Вт/см2 величина возрастает'от Ю-9 до 1СГ^сиг/3.

В третьей главе диссертации описаны экспериментально измеренные параметры пленок и р-1-п-структур. Для анализа фотопреобразования в р-1-п-структурах из a-Sl:H необходимо знание ряда параметров пленок, образующих структуру, таких как положение уровня Ойрми, световая и темновая проводимость, ¡п для электронов и дырок. Описаны методы измерения этих параметров. .

Установлено, что в зависимости от технологических пзрамет-' ров ЕыращиЕания p-1-п- структуры памкдаотся один или два оке-

1_дЗкз,А/ст'. .•

-3.0 -423

-5.0

-7.0'

Ухх.В

'I I I I I Г1 I I / I I I I I I

<Е>

И

№

Д

-о о-

Рис.1.8,б.Г — Т = 358 К;'2 - 330 К; 3 - 314 К; 4 - 295 К; 5 - 272 К.

0.0 •

понециальных участка на световой и темновой вольт-амперной характеристиках (рис.1.а). Анализ экспериментальных характеристик могшо описать в рамках эквивалентной схемы, приведенной на рис. 1.6. Расчет ВАК [3] для такого "реального" фотоэлемента дает соотношение (3.1) '

"02

г г

ЕЬЁГ

1 V

Л.

• и

(3.1)

где ^о? - предэкспоненциальнк& мнозштели, П| 2 - факторы идеальности для двух-участков, БдСВ) - последовательное сопротивление, В - освещенность, Р.^. - шунтирующее сопротивление. Согласно (3.1) ВАХ содержит три составляющие. При низком уровне фотозозбуждения, когда падение напряжения на р-1- и 1-п- переходах и на последовательном сопротивлении приблизительно одинаковы - Ьрт*15!!(В)], первое слагаемое в (3.1) мало и весь ток определяется вторым и третьим членами. Так как на экспериментальных ВАХ наблюдались'лишь два наклона, то 'составляющая тока через Г^ гфи таких освещенностях мала. Следовательно, при низких освещен-костяк ток определяется, вторам членом формулы (3.1). С ростом уровня фотовозбуждения Р^В) попихается и при больших иктевкж-

ностях света выполняется условие У^ >. 1^(8) и п^ > ^ и

• поэтому доминирупаим становится первое слагаемое и ВАХ шеет вид:

» * еар^У^Гп^КШ. (3.2)

Температурная зависимость тешового тока такзхе имеет два экспоненциальных участка. Найденше по наклону прямых 02

(1/кТ)) энергии активации темнового тока составляют Е^« 0.8 'и Еа2 « 0.08 эВ. Вследствие того, что - 0.8 эВ, т.е. уровень рекомбинации залегает вблизи середины щели подвижности и величина ^ = 1.7, механизм переноса тока на первом участке ВАХ определялся процессами генерации ,-.рекомбинации в области объемного заряда р-1-п-структуры. Появление второго экспоненциального уча' стка на ВАХ с п2 = 5 и Ба1 - 0.08 9В может бить связано с переносом, и захватом неосновных носителей уровнем Еа2. в 1-слое, либо с. гененерационно-рекомбилационными процессами на границе 1-слоя . с сильнолегированкыми р+- и п+- областями. Для Еняснения механизма, ответственного за появление второго экспоненциального участка, изучены температурные зависимости темновых токов, ограниченных пространственным зарядом в симметричных р+-1-р+- и п+-1-п+- структурах. Анализ этих зависимостей показал, что погаление второго экспонециального:участка должно быть связано с

• дисперсионнил транспортом дырок. ' ' ■ _ . .

6 случае фотоэлементов из аморфного гидрированного кремния,' базовым" элементом которых является р-1-п- структура,. 1-область фактически полностью, обеднена, и-в: те ж о те в ней "отсутствуют" свободные 'носители.. Поэтому стандартная С(V) методика для опре-■■ деления, встроенного-деффузионного потенциала не пригодна для аморфных фотоэлементов. В работе использоезн метод электропогло-цения, фгзическую основу которого составляет эффект Срэнца-Кел-дкшэ з области собственного поглощения .'света,.-которай.'Проявляется как сдвиг края погяспейкя' в "сторону меньших энергий.

• 1йтенс:!пяость монохроматического'света прозеднего через р+-, I- и л+- слои и отражоннного от тыльного металлического Ш) контакта зависит от напряженности электрического поля в 1-слое.

• Если высоту барьера р-1-п-структурп модулировать внешними ( ?Пр -

- переменное, Уп - постоянное) приложенными напряжениями, то разность между интенсивностью падающего и отраженного света (ДБ) будет зависеть от Удр и Уп:

АБ = - (3-3)

где - константы зависящие от длины волны света, Ув - величина встроенного - диффузионного потенциала. Построив линейную зависимость А5(УП) можно определить величину Ув исследуемой р-1-п-структурн.

Экспериментальные исследования показали, что при Ьу--^ выполняется соотношение (3.3) и сигнал ДБ линейно зависит от приложенного напряжения Уп для гомо- и гетеро- р-1-п-структур. В случае. варизокной гетеро- р-1-п-структуры линейность зависимости ЛБ(УП) нарушается. Наблюдается два линейных участка на зависимости А5(УП), что указывает на нарушение.однородности электрического поля в 1,-слое, для которого получено выражение (3.3). Величины встроенного потенциала Ув, измеренные для гомо- и геторо- структур составили « 0.85 и 0.95 В.

Четвертая глава посвящена одной из важнейших характеристик гетероперехода - энергетической зонной диаграмме.

Основными параметрами энергетической зонной диаграммы яв-лнитгся следующие величина: диффузионный потенциал {V ), злек-тротюъ сродство (В), ширины запрещенных зон (Е^) контактирующих «'ляряалов, положение_уровня Ферми в р*- и г>+- слоях.

Для конокристаллкчвских гетеропереходов основная задача построения зонной диаграммы сводит-р(и-.Ч1С:Н,В) 1(а-31:Н) пСа-Б1:11,Р)' 'ся к определению дкфрузион-|лдЕ - ного потенциала'из вольт-

| ------г '' емкоотнщ характеристик и

Б •—|УВ положения уровня Ферми в ® —бс2 полупроводаже. Электронное и/п сродство, как правило, является известной величиной. В случае аморфного полупро-Рнс.З - Еу2 водникового материала элек-

тронное сродство ке только

отличается от монокристаллического материала, но и зависит от технологического процесса изготовления структуры. Поэтому в каждом конкретном случае необходимо'измерять 9 для построения зонной диаграммы. Построение энергетической зонной диаграммы гетеропереходной р+(а-Б1С:Н)-1(а-Б1:Н) ■-п+(а-Б1:Н)-структуры проводилось с учетом Еытекавдего из рис.2 следующего соотношения:

Ег " е/Р =!17в + АЕс+ Е/п • <3-4>

где У^ -г щель подвижности легированного бором карбида кремния, АЕС = - (\_з}.н - разница в электронном сродстве этих

материалов. Из приведенного анализа следует, что креме ДЕЛ все остальные величины можно определить экспериментально: величины Е^р » 0.40 эЭ , Е^ « 0.30 эВ. « 1 .95 .?В (р^БМ.-Н) и

« 0.95 ?В. С учетом полученных эг/тарпнеятзльтв результатов и соотнесения (3.4) следует, что величина ДЕ„ *> 0.30 г«В.

Анализ энергетической осиной диаграммы покзгшзет, что разрыв зоны проводаюста на границе карбида кремния с кремнием достигает величины ДЕС «0.3 зВ. Для улучшения собирания неосноЕШП носителей, генерируемых в 1- области и собственно фототека, увеличения диффузионного потенциала следует в структуру включить варизоккую область, с переменной щелью подбижности от карбида кремния до кремния.

' Технологический процесс выращивания вэризонной области проводится в едином технологическом цикле путем увеличения содержания моносилзна в газовой смеси метана с моносиланом. После вы-

о

регшвгнвя р+. слоя карбида кремния толвиаой бр+ « 100 к з газовый 'тракт подается моносиланотэк, чтобы варизонная область достигла толщины йд < 1000 А и щель подвижности уменьшилась до .1.75 зВ.

Сопоставление спектрзльннх зависимостей кос-ффиштеатэ собирания носителей 'двух типов гетерофотоэлементоз с заркзошой об-

МОЛЕНО 1.Т Кй1} зай П'М'О'ЗОПЛ ГТТ>Л *

** V у '.IV»

I) варизонная область уменьшает потери неосновных носителей в коротковолновой области спектра, связанные с рекомбинацией на контакте между р+- и 1- слоями;

- и -

2) увеличивается эффективность сбора б'длиноводноеой части

спектра, обусловленная увеличением встроенного электрического

л AE«

поля в 1-области (E^^ i ^);

3) наблодается увеличение всех фотоэлектрических параметров ВАХ на » 10 % из-за уве;:-ления диффузионного потенциала (7В) на : величину ДЕС.

В пятой главе диссертации теоретически и экспериментально исследуются спектральная зависимость фототока, вольт-амперная ' характеристика p-l-n-фотоэлементов в отсутствии и при прилогенш обратного или прямого смещения с тем, чтобы-с их помощью'определить фотоэлектрические характеристики,■а также параметры материала и структуры и таким образом контролировать их совершенство.

В'монокристаллических.р-п-фотоэлементах концентрации термически равновесных носителей, как правило, намного более высокие, чем концентрации избыточных носителей. Иначе обстоит дело в случае p-I-n-фотоэлемевтов из аморфного гидрированного кремния, поскольку в качестве "основной" области здесь выступает нелегированная i-область, в которой избыточные концентрации обеих типов носителей намного преЕшают термически равновесные. Поэтому концепция транспорта неосновных носителей-трансформируется в так называемую "модель транспорта переменных неосновных носителей" t2l. Следовательно, в пределах Д-области неосновные носители оказываются переменными. На рис.3 показаны областа, разделенные характеристической границей х = хс, в которой скорости _ рекомбинации "переменных" неосновных носителей сравниваются Лп(хс)/т;п = ¿р(хс)/Тр. Решение уравнения непрерывности для элек-л нов и дырок в указанных частях 1-области, где" qP+ - .они выступают в качестве неосновных носителей, х . при учете диффузии и дреГфз в постоянном элек-■с трическом поле приводит к следущим выражениям 1 для относительного, коэффициента собирания для . длинноволновой и коротковолновой области спек-Рис.З s трз 19].

Длинноволновая область спектра ( а « 1/1, 1/1^ р, qS/кТ)

4 . „B^-fu-^f-^-;:-^г]]«р(- -¿-1} • «...

L^ -лиффузионно-дрейфОБЫв длины электронов и дырок, jit = ¡j^Tn + liptp. В0 и а - интенсивность и коэффициент поглощения света, Е - электрическое поле, Sn р- отнесенные к подеихностям эффективны© контактные скорости поверхностной рекомбинации электронов в плоскости p*-i- (х = 0) и дырок в плоскости i-n+-(х=1) контактов. Отсвда для относительного коэффициента собирания фотояосэтвлзй (т}°/т}°), соответствующего отношению фототока в режимах обратного или прямого смещения к току короткого замыканию, находим:

tf Е '"f1 f + -Т^ГЫ ' "PH.

а--£-Z-. (5.2)

И? г .4 . X

qa'E^ ук

кг Г Sn t л,

Измерение этого коэффициента для двух значений прилоаенного напряжения (двух значений обратного или одного обратного'и прямого), позволяет получить го (5.2) два уравнения с тремя неизвестными параметрами: ул, Зп,5р_ -

Коротковолновая область спектра (а ~> 1/2,1/Ь^р)

7°aqB0fl---^й- ft+ilT, (5.3)

ф ■ at qE/M L аЬ*«- jJ

где, fin

S,

3p,n, Согласно (5.3), для отзосягельного когффяпйатз собирания з.агопем:

-—n+Uiйц,

^ a + qE/K . Sn -f Е L aSCvyt^

]

a 'ST г ¡л ___ь ____ I 1

•to a + qEQ/KS Sn * EQL aB0(t.'

4 (it V- J

(5.4)

Отсшз при двух значениях приложенного поля Е, (7_ - 71 полутом .-юполшггельную к (5.2) дзз уравн?яхч с тр?мя Емггвестякми:

V Цр1р. ц^; всего неизвестных 4: бп, ¡уу

Подставив экспериментальные результаты относительного коэффициента собирания фотогенерированных носителей для гетеропереходной р+(а-Б1С:Н,В)-1(а-31:Н)-п+(а-51:Н,Р)-структуры, для которой Ув= 1.0 В, в полученные соотношения (5.2) и (5.4) и решив систему из 4 уравнений получили следувдие величины для микропараметров р-1-п- структуры: ЦдТд = 4*10-8, р^у = 1*Ю_8см2/В, Бп = 2*104, Бр = 3*10 В/ст. -.

Сопоставление экспериментальных результатов с теоретическими указывает на их количественное согласие. Действительно в согласии с соотношениями, вытекающими из формулы (5.1), ВАХ содержит

линейный участок (соответствующий низким напряжениям, JJ)lV) «

V IV ф

дВ^Ср^гд+ЦрТр)-^— ) и участок с насыщением фототокз ( при

больших величинах дрейфовой длины носителей или значительных обратных напряжениях ^ф'(^) " ЯВ0а1 ). Из анализа экспериментальных результатов для гомопереходных а-51:Н р-1-п- структур получили, что экстраполяция линейных участков пересекает ось

^ 1А

напряжения при различных интенсивностях света-(В0 = 4*10 н -1.2*1015 кв/см~*с) в одной и той же точке V = ' = 0.85, что согласуется с величиной встроенного потенциала, определенного • по методу' электропоглоцения. Соотношение для тока насыщения при различных В0 дает величину толщины 1- слоя I = Jф0^ac^/qЪ0a « 0.57 * .0.58 мкм. ' .

'Используя полученные соотношения для фототока в случае слабого (5.1) и сильного (5.3) оптического поглощения были проанализированы температурные зависимости тока короткого замыкания ( ) и напряжения холостого хода ( В/Л фотопреобразова-

теля описывается следующий! соотношениями [10,113:

■ ^з = -УаД)ко • • (5-б)

Анализ соотношений (5.1),(5.3),(5.5-5.6) -показывает, что е общем случае температурные зависимости фотоэлектрических параметров различны для различных участков спектра фототека. Они оп-

редел чотся'изменением высота барьера.р-1-п- перехода про-

изведением подвижности и времени жизни электронов и дырок (р^ р* 1П р) и темповым током («70). Встроенный потенциал уменьшается с ростом температуры вследствие повышения концентрации собственных носителей п1 = С*ехр(-Ед/2кТ). Вследствие активационного характера температурной зависимости произведение подвижностей и времен жизни носителей растет с повышением температуры и темп изменения рТ^ р = Г(Т) тем больший, чем больше их энергия активации. Что касается темнового тока J0, то его рост'с температурой обусловлен в основном ростом термически равновесной концентрации неосновных носителей, которая пропорциональна концентрации собственных носителей. Наконец, в приведенные формулы входит и непосредственная зависимость через Т, что связано с наличием теплового барьера для транспорта носителей. В общем случае температурные зависимости исследуемых величин сложны и не поддаются простому количественному описанию. Поэтому рассмотрены зависимости Л,„ и У„„, соответствующие слабому поглощению

Кч^ лл *

(а « 1/1, 1/1, qE/M)

В области сравнительно низких" температур, где = < I,

'кз * "Т^ « ехР[- ). , (5-8)

т.е. величина Jк.ч и суммарная диффузионно-дрейфовая длина фото-

носителей'коррелируют между.собой, причем-для а~Б1:К р-1-п-структур (2(Е^о+х!о)/£2Т>0 величина Jкз растет с повышением тем-_ поратуры в отличие от р-п-монокристоллических фо^-.элеглентоБ, в которых сна уменьшается. В области высошк температур, где + > 1 имеем: Jкrt « чВ0са, Jкз должен еийтк на яасщенке. Напряжение холостого хода в области слабого шглоаепия для

Ч](хх) + г'р(хх) = > 1 записывается:

« пЕэ(.и/С1 - пкТIп(,70/а.30аI)/ц, (о.;

где Eg{JT) - энергия активации и J'Q- предэкспоненцкальный кноги-тель темнового тока.-'Если же ^(¿j +^p(zx) <г

n(Ea(JT)-Ea(^)]/q - i«Tln(j;i/qB0aI(VB-VD)(^)J/q,

(5.IO)

'V* = е .(JVOe«axp(rFa(|M)/KC).-

где Еа(цт) - энергия активации величины jit. Как видно "из соотношений (5.9) и (5ЛО) вследствие неэкспоненциального убывания VB и V^ с температурой зависимость V^CT) слабо отличается от .линейной.

Для случая сильного оптического поглощения (а > 1/1^^,1 /I) фототок описывается соотношением (5.3). Поскольку Од < 1,'ои qE/KP велики, фототок и ток к.з. слабо зависят от высоты барьера, приложенного напряжения и температуры и, следовательно, ток практически постояненпри всех температурах JK3 * qB0, Вследствие . слабой зависимости J^ от напряжения, согласно (5.5),. напряяенко холостого хода имеет вид: .. :

п Бл-ат) п кг J'

• -â_JL -г--în—, • (5.11)

• и . q q qB0 .

как и в случае, описываемом формулой-(5.9), V-^ линейно спадает с ростом Т< но с наклоном, V^(T) заметно меньшим, чем в случае ' слабого поглощения (qB0aî« qB0); кроме того, отсекаемый на оси напряжений отрезок, для любого соотяошёния -^(хх) 15 г»

пропорционален .знертьахсшвдцш темнового тока. .

Полученные теоретические -результаты сопоставлялись с данными эксперимента для p(a-SiC:H)-l(a-Si:H)-nCa-Sl:H) - структур с толщиной и 0.6 мкм, при освещении светом из. области сильного (а - 2.3 и 4*Ю5 см-1) и слабого оптического поглощения (а « 1С3 см-1). Из экспериментальных результатов следовало, что в согласии с теорией в области сильного оптического поглощения (а»1 >> I) ток к.з. фактически не изменяется в широкой области температур ( Т = 130 f 400 °С), напряжение z.x. линейно уменьшается с ростом .температуры и отсекает величину « 1,8 В для Т=0 К. На после-

дованнщ образцах Фактор '.реальности диода растет , с уменьшением 1 температуры и при Т « ISOK; п « 2.0. Энергия активации темнсвого тока a-Sl:H гетеро - p-1-n- структуры EaUm) " 0.90,эВ. Из соотношения (Б.II) получаем величину- V^ .= 1.80 В.

Экспериментальная зависимость.'фототока короткого замыкания от температуры при освещении светом из области слабого оптического поглощения (а*1. «. 1) имезт два экспоненциальных участка с энергиями активации 5 .,» 0.054 и £а2"* 0.073 эВ, которые, по-видимому, соответствуют температурным зависимостям ц_ и i^. Темпера-турне я зависимость напряжения голостого хода для области спектра слабого поглощения, как и предсказывает теория, линейно уменьшается с ростом температуры и при Т - О К дает отсечку *> 1.63 В. Из соотношения''(S-IO), с учетом определенных параметров, имеем V^y ~ 1.65 В. Экспериментальная зависимость соответствует

преобладающей роли в ней темноього тока, а из фототока, т.е. как и должно быть из физических соображений.

- Основные результаты и вывода

I. Разработан метод выращивания высококачественных "собственных" и легированных слоев и p-i-n-фотоэлементов на основе аморфного гидрированного кремния в трехкэмерноЯ установке, позволяющей осуществлять безмаслезвуи откачку реакционной камеры, плюсование кассета с подложками, что суоественно уковыгает содержание кислорода в слоях, которая оценена с помощью вксоксчугст-вительной методики, основанной на ИК спектроскопии МКПВО.

2..Показано, что в "собственных" слоях аморфного гидркровсн-.ного кремния оптическая ширина запрещенной гонн изменяется от 1.65 зВ до 1.8 эВ при изменении давления моносиланз в реакционной камере от 0.1 до 0.7 Topp. Энергия активяцю: проводи!octi; passs 0.9 эВ пол =1.75 оВ и тсхнолоптческих: паргмотрэх осч:-;дс"ня:

230°С,°Кп = 0.18 Вт/си2 к iL, 2.5 аР/гял. лепт-

ПОД L) 1 v-* -- > • »

ронянных слоев : p+-a-SlC(B,H) - = 2.05 «1$, а,, - л:.-; -r—m) .

= 0.4 ЭВ; n+-a-51 (Р,Н? - * 1?75'сЗ, £г? 4*1й~ Г. % .

о.з эв; ■ °

■ г 13 -

■3. Установленочто" вольт-амперные характеристики р-1-п- фотоэлементов при.освещении и в темноте содержат два экспоненциальных участка.-Анализ экспериментальных результатов показал, что появление первого экспоненциального участка (область сильного возбуждения) связано с механизмом переноса фотогенерированных носителей, определяемым процессами генерации-рекомбинации в области объемного заряда' р-1-п-перэхода с энергией активации Еа£ « 0.8 эВ. Второй экспоненциальный участок (область слабого возбуждения) определяется дисперсионным транспортом дырок с энергией активации 2а2 « 0.03 эВ.

4. Исследован злектрооптический эффект в р-1-п-а-Б1:Н структурах, физическую осеову которого составляет эффект Сранца-Кел-дша и определен один из основных параметров фотоэлемента -встроенный потенциал.

5. Построена энергетическая зонная диаграмма гетероперехода ■ р+(а-Б1С:Ю-1Та-Б1:Н)-п+(а-Б1:Н) и определена величина разности электронного сродства ¿Ес« 0.30 эВ между карбидом кремния и кремнием •■

6. Показано, что введение варизонного слоя между легированны}.; карбидом кремния и кремнием с плавным изменением Е„ приводит к исключению, разрыва сон проводимости контактирующих материалов, устранению-влияния поверхностных состояний на гетеро-контакте, увеличению встроенного диффузионного потенциала и, как следствие, я дополнительному встроенному электрическому полю, приводящему к повизевио коэффициента собирания фотогенерарованнах- носителей, ' напряжения холостого .хода и/эффективности фотопреобразователя.

7. Рассчитаны зависимости фототока для длинноволновой и коротковолновой областей спектра в рамках модели транспорта переменных неосновных носителей в однородном электрическом поле. Сопоставление экспериментальных зависимостей 1фШ р*"(а-Б1С:Н,3) --1(а-Б1:Н)-п+(а-Б1:Н,Р)-структуры для различных участков спектра и приложенных нагояжений с полученными аналитическими вираже-

~ ' О

ниямя позволило вычислить величины |п для глектронов (4*10 * см2/В) и дырок (1*10~®см2/В), а также эффективные контактные скорости рекомбинации на контакте р+-1- и п+-1- областей (бп = 2*104В/см и бр = 3*ю3В/см).

В. Проведен- анализ экспериментальных температурных зависимостей I, и с PacC4IITaH3I!?ra аналитическими выражениями и показано, что величина тока короткого замыкания аморфного p-1-n- фотоэлемента растёт с повышением температуры в отличие от р-n- монокристзллическиз кремниевых фотоэлементов , в которых она уменьшается. Напряжение холостого хода линейно уменьшается с •ростом температуры.

9. Создан высокоэффективный фотоэлектрический источник питания интегрального типа на основе взризонной гетеро-р-1-д-структуры, состояший из 4- последовательно соединенных фотоэлементов, работоспособный з условиях рассеянного света и генерирующий пои В=Ю0 лк: V^,. = 2.6 В, L,_ = 12.6 мкА/см2 и коэфФициен-

¿i-Л Г. J

том заполнения ВАХ FF =0.65.

Основные результата диссертации опубликованы в следующее работах:

1. Д.А.Аронов,- Р.Р.Кабулов, Ю.М.Юабов, Д.А'.Ягудаев. Вольт-амперные характеристики a-Sl1 р-1-п-структур при различных уровнях фотовозбу":деш:я и температур. ДАН УзССР, I9S7, BIO, с.26.

2. D.A.Aronov, R.R.Kabulov & Yu.M.Yuabov.The Current Characteristics of p-i-n & p-l-p Structures Based on Hydra-ganated amorphous Silicon at Various Temperatures & Excitation level, Fn.ys.3tat.sol. (a), 109, 221 (19S3). .

3. Д.Д.Ароноз, Р.Р.Кабулов, Ю.М.Юабов. Спектральная зависимость фототока в то'нкопленочных р-1-п-структто аз основе пщяфовзнного auoptaoro кремния. Приприня. 70-38-С'Ш, Ташкент, 1988. с. 1-25,

' 4. Р.Р.Кабулов, Ю.И.С-ойфер, У.Н.Юабог, г^ьге^п^:::-^ гу.нлзя диаграмма р-1-п-гетерос1р;Астури- на основе агомлого гидрированного кремния. ДАН 7s'X?, ISC?, ..'5, с.??..

о. Д.А.Аронов, Р.Р.Кабулоз, Ю.М.Зобов, Сольтуж;^;?^ -грзк-теристика (ВАК) солнечных р-1-п-структур па осяо-е тарированного аморфного кремния (а-31:Н). ДМ 7сСС?. ЪЛЭ, йП, с.33.

6. Р.Р.Кабулов, Ю.И.Сойфер, Ю.М.Юзбов, Энергетическая зонная

■ диаграмма и спектральная зависимость фототока в тонкопле-

'-ночных p-i-n-фотозлементов на основе a-Sl:H. Труды IX Меж' йукародкой конференциях "HeiqxiarjxumecKue поиупроводншси-

■ 83". Узгород-1989, т.III, стр.192.

7. Р.Р.Кабулов, Т.О.Мазец, Е.И.Шифрин.'Ю.М.Юабов.Электрсоп-тические явления в р-1-п-структурах на основе ■ a-Sl:H. TptjCu II Международной конференции "Нокриапалличеасие палупро6однша1-89". Ужгород-1989, т.III, стр.201.

8. Р.Р.Кабулов, Ю.И.Сойфер, Ю.М.Юабов. Варизонные гетерофо-тоэлемзяты на основе a-Sl:H. Труды I-Всесаозной конференции. "Ясяозлекщях^ескиз явления в полупроводниках". 'Тапкент-1939, стр. 80.

9. D.A.Aronov, R.R.Kabulo? & Yu.M.YuBboi/.Kie Photoelectric Characteristics oí Solar p-l-n Photocells Eased on Hydro-ganated amorphous Silicon with Built-in Electric Field Homogenous in the 1-Layer ТЫскпезз, Fnya.stat."зи1. (a), 118, 557 (1990).

10: Д.А.Аронов, Р.Р.Кабулов, Ю.М.Юабов. Температурные зависимости тока короткого замыкания и напряжения холостого хода 'в a-Sl:H р-1-п-структурах. Телиатпэхкит, 1991, #6, с.39.

II. Д.А.Аронов, Р.Р.Кабулов, Ю.М.Вабов. Влияние спектрального состава сЕета на температурные зависимости фотоэлектрических параметров p-1-п солнечных элементов го гидрированного ' аморфного .кремнид. Узбекский физический гурнал, 1992, й5, . с.50-56. . .

Цитируемая литература .

I* Spear SJ.E., leCoffiber P.G. "Solid state Саза. ,17,1193 (1975).

Z". H.OIíomoto & et.al. Solar cells, v.8, M, p.317-336 (1981).

3* Попов B.fi. .Лаврентьев С.П., Юабов Ю.М., Ягудаев Д.А. Журнал пршаеднсй спекпросхспш, ?.45, М, с.685-689, 1986.

4! NonoKira S..et.ál. J Jlon-Cryst.Solids, 59150, 1099 (1933;.

- 21. Гадрзрланган анорф крзшша асосадагп р-1-а-струнтураларяэ фотоэлакгршс ааравюгар.

Кобулов Рустам Раиид Угли ' Киокача мззмугга ,

100% В1Н4ни ЕЧда парчалаш воонтасэда пда>рп сифатли "шохоиЯ" ва киритмалл a-SiíH катламлар хецда р-1-n- фото еломэгггларпа уста-рш усуля ишлаб чикилдо». БШ^нинг босшга 0.1 дан 0.7 Торргача уз-гариоа билан "шахсий" а-б1:Вларнивг Egcn 1.65 дан 1.8 вВгача успии аникландп. Реакциои камэрадуги коддиц 0Z "шэхсиа" о-В1:Н катлашга-рининт физик иарямэтрларяга таъсири, /гьни Og михдора оргазм билан Е^нинг отип¡и на (ЦТ)П р каягайкии «Урсатляда.

p-i-n- а-Б1:Н фэтоаломэнтларяникг ВАХлари ташувчиларнининг структурадаги хежмий зарядларида Е^/2 0.8 эВ анэргия активация-ли генерацяя-ракомбинацил процесслари (икори брутлик уйготилган-лигида) ва энергия активацияси 0.08 аВ булгая ковикларнпнг транспорта (паст бруглик уйготилганлиглда) билан белгяланада.

Илк бор p+(a-SiC:H,B)-l(a-Si:H)-ií,'(a-Sl:H,Pb хэтерострукту-

ранинг энергетик зоняли диаграммасжганг микдориЯ кУришшп тузял-

ди, структуранинг Уряатилган потенцнали (Yg) хаыда l(a-Sl:H) ва

р+(а-Б1С:К,В)ларгшнг электрон бирикувчанлигининг фзрки &Е0<х 0.3 еВ

га тенглигя аншслаяда. p+(a-SlC:H,B) ва i(a-Si:H) областларя орасл-

га Е„си бир тркисда узгарадиган катлампипг киряталгиа контактловчл

ь' _

матараалларнянг Утхазувченлак зоналаридаги узилнпга барзаы верно

фото уйготияган твшувчилврни йигш хоэффяциэпппи ва узшс зангяр

кучланииини (Ууг>) оширадп. В=100 лк Врктилганлпкда Vy3=2.5 3,

киска туташув тока 1^=12.6 мкА см2 во ВАХ тулгизувчанлпк коэ^фа-

'цяэнти ??=0.65 булган интеграл тлздаги кетма-кет улгнген 4 фото-

элемэптли оффектив олоктр манбяи яратилдп.

К. учли в а кучсиз бруглпк ютптталахзи учун ^ототокг'зпг еваиятис

ифодасг узгарувчан зсосий булмэгаа тацувчилзр изделл ясослдя гсел-

тяриб чпхарилда за таярибави® характорястпиаларя билал биргзлгкдз

электроллар ва коваклар учун (Ц1)п>"р- харякзтчазжкяшвт яг «а дав-

ритв-хупайтмаси, хамдя вффвктав рококбипзцдеп тэ.тспгязра

апиклацда. Т„„(Т) ва V (Т) ларнинг тагрюЗадаге тгетэрггуралз бог-кт уз

ллЧляти аналитик пфодалари билан таккослаяди вз I.„f кггййтл т*;(.слз-ратура Силяя Успел, Y„^(T) sea кадайзез кУрсэтилдл,

Photoelectrical procesaes In hetero- p-i-n- structursB baaed on fcydrogeoated amorphous silicon.

• . Bustam R. Kabulov

, ..•'■ Suaasary

Sha method of hlgb-qjialltative undoped and doped a-Si:H layers and p-i-n'photocells growth by rf 100 % SIH^ decomposition was elaborated. In undoped a-Si:H layers Bg chcnges from 1.65 to' 1.8 e7 when tha pressure Is ohanged from 0.1 to 0.7 Torr. Th^ ef-feot of the reaudial Og In the reaotion chamber on the physical characteristics of undoped a-Si:B layers, consisting In Eg increase and (^it )n p deorease when Og oont6nts is increased.

She current-voltage characteristics of a-Si:H p-i-n- photocells are fixed to be defined by carriers generation-recombination processes in tha space charge ragion of the structure having activation energy Ea1 — Eg/2 " 0.8 eV (high exoitation region) and by holes transport with aotivation energy B^ »» 0.03 eV (ldw -excitation region).

?or the first time a quantitative energy band diagram ol p+(a--SiC:H,B)-i(a-Si:H)-n+(a-Si:H,P)- heterojunotion was built. The built-in potential (7g) of the structure and the difference magnitude of electron affinity energy ABq a 0.30 eV between p+(a-SiC:H,B) and I(a-S1:H) with a saooth Eg change la shown to cause to the contacting materials conduction bands break exolusion, photogeneration carriers* collection efficiency and open circuit volt ago (,VQC) increase. An effeotive integral type power supply consisting of 4 successive photo cells and generating-when B=100 Lux: VQO=2.6 V„-1=12.6 BkA/cm2 and CVC fulling factor ??=0.65 was created.

■» Within the variable minority carriers transport model the analytical expression for photocurrent when the light absorption is "both strong and weak vrerq obtained. They enablei, together with the experimantal characteristics, to determine - product

of tha mobility and life-time and S^ the effeotive recombination rates for electrons and holes. The analysis of ezporiitantal I3C(!?) and 7oc(2) dependance3 with analitioal expressions was carried out, and it was shown that I magnitude increases with the temperature increase and VQO decrease lineary.