Получение фотоактивных материалов на основе Si и InAs методом ионно-лучевого осаждения

Пащенко, Александр Сергеевич

Получение фотоактивных материалов на основе Si и InAs методом ионно-лучевого осаждения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Пащенко, Александр Сергеевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Ростов-на-Дону МЕСТО ЗАЩИТЫ

2012 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.07 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Получение фотоактивных материалов на основе Si и InAs методом ионно-лучевого осаждения»

Автореферат диссертации на тему "Получение фотоактивных материалов на основе Si и InAs методом ионно-лучевого осаждения"

005019604

На правах рукописи

Пащенко Александр Сергеевич

ПОЛУЧЕНИЕ ФОТОАКТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ Бі И іпЛБ МЕТОДОМ ИОННО-ЛУЧЕВОГО ОСАЖДЕНИЯ

специальность 01.04.07 - Физика конденсированного состояния

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

2 Р ДПР 20¡2

Ставрополь 2012

005019604

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 « 11 » мая 2012 г. в « 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 « 26 » марта 2012.

Ученый секретарь диссертационного совета

'%// Лисицин Сергей Викторович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Акту альность диссертационно»! 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 81 и АШВУ. Это обусловлено фотоэлектрическими, оптическими, электрофизическими параметрами и характеристиками материалов. На основе кремния н соединений АШВУ созданы высокоэффективные солнечные элементы {1}. Сегодня 81 и [пАй являются основными материалами для нового направления развития фотовольтаики - создания приборов на основе фотоактивных наногетероструктур.

Для получения структур с фотоактивными областями она основе 81 и 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 фотоакгивных материалов на основе 81 и АШВУ.

Альтернативным методом получения фотоактивных материалов на основе кремния и соединений АШВУ, 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 81 и [пАй этим методом мало изучено. В связи с чем, установление основных физических закономерностей и особенностей процесса ионно-лучевого осаждения фотоактивных материалов и структур на основе и 1пАв 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 пауки Российской Федерации (г/к №02.513.11.3349, 2007-2008 гг.);

-НИР «Исследование образцов фотоэлектрических преобразователей и определение их функциональных характеристик» (Х.-Д. № 30/10, 2010 г., ООО НПФ «ЭКСИТОН», г. Ставрополь);

-НИР «Исследование кинетики процесса ионно-лучевого осаждения, свойств фоточувствительных гетероструктур АШВУ и параметров фотоэлектрических преобразователей на их основе» (Х.-Д. № 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(«+)/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 />-л-переходов методом ионно-лучевого осаждения, а также свойства и характеристики полученных фотоактивных структур c-Si(n+)/c-Si(/?)/c-Si(^+).

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"1 Па, температуре подложки 550 "С, расстоянии «мишень-подложка» 150 мм, угле наклона «мишень - ионный пучок» 45° и энергии ионов пучка 400 эВ 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-SiOO, полученного методом ионно-лучевого осаждения, позволяет повысить напряжение холостого хода фотоактивной структуры c-Si(/i+)/c-Si(p)/c-Si(n+) до величины 0.6 В;

- ионно-лучевое осаждение 1пАв на подложки ОаАэ при давлении 10"4 Па, температуре подложки 500 °С со скоростью 0.8 нм/с приводит к росту квантовых точек и нанокластеров 1пАв с планарными размерами от 20 до 100 нм и высотой от 5 до 80 нм, стохастически расположенных на поверхности слоя СаГпЛя.

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.;

- всероссшккий смотр-конкурс 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.

Лнчный 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 проведение измерений параметров и характеристик фотоактивных структур на основе 81 и 1пАз, 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 и 1пА$. 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 в! и характеристик структур с-8Кя ')/с-8К/>)/с-8К/Г) на их основе» представлена модель ионно-лучевого осаждения кремния и результаты компьютерного моделирования характеристик фотоактивных стпуктуо с-Щп+)1с-Щр)1с-$1(р>). "

Разработана математическая модель ионно-лучевого осаждения тонких пленок 81 (рис. 1, а). Модель ионно-лучевого осаждения основана на имитационном подходе Монте-Карло. Первичный пучок ионов аргона с энергией Е^, плотностью токау'Аг+, диаметром с/д^ падает на центральную часть мишени под произвольным углом а между вектором jAгi. и плоскостью мишени, выбивает атомы мишени, удаленной от подложки диаметром В,:иЬ на расстояние Ь.

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.

А,

а)

б)

Рис. 1 а) схематическое изображение процесса ионно-лучевого осаждения: 1- источник ионов, 2 - мишень, 3 - подложка; б) модель фотоактивной структуры с-81(и")/с-8Н/1)/с-8Н/0.

Количество ионов N¡0,1 с зарядом q в пучке сечением S и плотностью тока у'.4г+, провзаимодсйствовавших с поверхностью мишени за время проведения процесса т, устанавливается выражением:

Предполагается, что ионы в пучке движутся по равноудаленным параллельным траекториям и сосредоточены в р сечениях. Число ионов в одном сечении равно:

(2)

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 г-го атома xsput L выбирается на отрезке [tleft, trigM] следующим образом:

х.

sput i

{trigM ~ tieft) ■ i = 1, Nwn , (3)

где шi - случайное число, равномерно распределенное в интервале [0;1].

Далее для каждого распыленного атома рассчитывается траектория движения в системе отсчета XY (см. рис. 1, а). Угол, задающий направление движения в системе ЛГУ, моделируется генератором псевдослучайных чисел, подчиняющегося косинусоидальному закону распределения:

esputi = arccosi2ojj-l), i = l,N?on (4)

Уравнение траектории атома распыленного из точки с координатами <х,ри,0) имеет вид:

y = tg(eSputi)-(x + xsputi) (5)

Уравнение подложки в системе ЛТ имеет вид:

У = (6)

Возможная координата осаждения атома на подложке хсопсц находится решением системы уравнений, образованной выражениями (5) и (6): _ к2 • xsput - b

xcondi — ^ _f J

где кг = tg(oC), к2 = tg(arccos{2 ■ (ßL - 1)), Ъ = L/cos (ос), uti - случайное число, равномерно распределенное в интервале [0;1].

Если хсопсц е [Xsubieft > xsubrtght\< 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 М одинаковых ячеек длиной /м. Номер ячейки /, в которую конденсировался атом, определялся из выражения:

1 = Р(м- (ХсопЛ1~уь-1еП\), (8)

\.х$иЬ_г1дМ хэиЬ_1е/1)/ где /•'-функция округления.

Повторяя описанную процедуру для Л^0„, подсчитывалось общее число конденсированных атомов Ысопс1, число атомов в каждой ячейке Ысопа 1 и определялась толщина слоя в /-ой ячейке:

1 / 1/ •

V] Аг+ТПа

-"Т, (9)

VсопйІ/

'Мсопй

РаЧ

где та к Ра~ атомная масса и плотность распыляемого материала.

На основе полученной модели в программной среде МаЛаЬ 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 «ионный пучок - мишень - подложка».

Проведено моделирование влияния толщины и степени легирования фронтального слоя с-$,\(п*) на световые вольтамперные характеристики (ВАХ) фотоактивной структуры с-Ъ^п^/с-ЪЦрУс-ЪЦр*) [4, 5]. Установлено, что увеличение толщины фронтального слоя c-Si(л+) с 102 до 104 нм приводит к уменьшению плотности фототока с 38 до 18мА/см2. Показано, что уровень легирования фронтального слоя с-81(л+) оказывает в большей степени влияние на напряжение холостого хода, чем на плотность тока короткого замыкания.

Исследовано влияние толщины и уровня легирования фронтального слоя ¿■^¡(л4) на спектральные зависимости внешнего квантового выхода фотоактивной структуры на основе ^¡(«^/^¡(рУс-З^4) [4]. Установлено, что увеличение толщины фронтального слоя с-Б{(п+) приводит к росту квантового выхода в спектральном диапазоне 300-600 нм, что обусловлено преимущественным поглощением коротковолновой части излучения фронтальным слоем с-$,\(п+). Компьютерное моделирование позволило установить, что при малых значениях степени легирования фронтального слоя с-5\(п) порядка 1015 см"3 отмечаются низкие значения внешнего квантового выхода в ультрафиолетовой и видимой частях спектра. Повышение степени легирования до 510 см"3 приводит к росту внешнего квантового выхода фотоактивной структуры с-8)(и+)/с-81(р)/с-81(р+) до уровня 95%. На основе результатов исследований световых вольтамперных характеристик и спектральных зависимостей внешнего квантового выхода установлено, что при толщине фронтального слоя с^О*) 100-300 нм и уровне концентрации донорной примеси (0.2-1.0)-1019 см"3 эффективность фотоэлектрического преобразования оптического излучения структурой с-^\(п+)1с-Щр)/с-Щр*) будет не менее 15%. Полученные теоретические результаты были использованы при выращивании фотоактивных структур с-5{(77+)/с-81(р)/с-81(р+) 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 «ионный 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 100 мм 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 «ионный пучок - 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 «ионный 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-S¡(и^/c-Si(p)/c-Sв диссертационной работе исследован процесс формирования ¿»-л-переходов на основе Si методом ионно-лучевого осаждения. В качестве основы для базовой области структуры c-Si(/i+)/oSi(p)/oSi(p+) были выбраны подложки кремния /7-типа проводимости с 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 550°С. Время осаждения фронтального слоя составляло 140 с. За такой временной промежуток осаждался слой c-Si(;i) толщиной ~ 0.1 мкм. Формирование высоколегированных областей п и р+ проводилось стандартным методом диффузии из легированного слоя Si02. Получение р+-слоя структуры осуществлялось при температуре 950 °С в течение 40 мин. в атмосфере кислорода. Фронтальный фотоактивный слой й+-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 /»-«-переходов контролировалась измерением вольтфарадных характеристик барьера Шотгки, образованного ртутным зондом и полупроводниковой структурой. Определение фотоэлектрических характеристик структур с-S i («+)/с- S i (р )/с- S i (р+) 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 500°С, 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(/¡+)/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 Ат". Постоянными параметрами процесса оставались: давление в ростовой камере 104 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 °С 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 "С реализуется оптимальное соотношение скорости поверхностной диффузии атомов к скорости осаждения распыленных атомов.

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 550°С 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).

Рнс. 3 Результаты СЭМ-нсследования 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 «источник ионов - мишень - подложка», при которых

выращенные слои кремния обладают высоким структурным совершенством и минимальным разбросом толщины: давление в ростовой камере 1СГ4 Па; температура подложки 550 °С, 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 с-Si(n+) от длительности температурного отжига. Установлено, что в образцах, которые не подвергались отжигу, при обратном напряжении смещения З В наблюдается смена знака производной емкости от напряжения в точке локального экстремума на положительный (рис.4, а). Положение пика на вольтфарадной характеристике определяет глубину залегания р—«-перехода. Показано, что проведение температурного отжига приводит к снижению зависимости емкости от напряжения смещения.

а) б)

Рис. 4 а) вольтфарадные характеристики фронтального фотоакгивпого слоя ґ-8і(іГ) в зависимости от длительности отжига; б) профили распределения концентрации донорной примеси в фронтальном слое о8і(/Г) при температуре 900 °С и различных временах отжига.

На основе данных вольтфарадных характеристик построены профили распределения концентрации фосфора в фронтальном фотоактивном слое с-8і(«+). Их анализ показывает, что увеличение времени отжига приводит к улучшению равномерности распределения фосфора по глубине фронтального слоя с-8і(и+). Однако, с улучшением однородности распределения концентрации фосфора по глубине фронтального слоя наблюдается смещение границы р-л-перехода в объем структуры, сопровождающееся уменьшением концентрации фосфора в фронтальном слое. Экспериментально установлено, что оптимальная глубина залегания /?-/г-перехода 100-200 нм в сочетании с высоким уровнем легирования 4-Ю18 см"3 и равномерным распределением концентрации фосфора по глубине фронтального слоя с-ві^і^ наблюдается при отжиге в течение 10 минут.

Для оценки качества и анализа эффективности фотоэлектрического преобразования излучения в фотоактивных структурах с-81(л+)/е-81(р)/с^(р+), 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 550-900 нм, который достигает значений до 90%, что, по-видимому, обусловлено высоким структурным совершенством фронтальных слоев с-Бц полученных методом ионно-лучевого осаждения. Полученные экспериментальные данные хорошо согласуются с результатами компьютерного моделирования фотоактивных структур с-вКл )/с-81(/))/с-81(р+) для толщины фронтального слоя с-81(и+) 0.1 мкм и уровня легирования 5-101ь см° в спектральном диапазоне 300-1200 нм при условии освещения АМ 1.5 (рис. 5, а).

а) б)

Рис. 5 а) теоретическая и экспериментальная спектральные зависимости внешнего квантового выхода фотоактивных структур с-8і(и+)/с^і(/і)/с^і(/>*); б) семейство световых вольтамперных характеристик фотоактивной структуры с-вК" )/с-8і(р)/с-8і(/» ) в зависимости от концентрации фосфора в фронтальном слое.

Проведено исследование влияния концентрации фосфора в фронтальном фотоактивном слое с-8і(л ) на световые вольтамперные характеристики фотоактивных структур с-8і(«+)/с-8і(»/с-8і(р+), полученных ионно-лучевым осаждением (рис. 5, б). Установлено, что с ростом степени легирования фронтального слоя с-8і(п+) напряжение холостого хода структуры с-8і(л+)/с-8і(р)/с-8і0о+) увеличивается, а плотность фототока уменьшается. Легирование фосфором фронтального слоя с-§\(п) до уровня 5-Ю18 см"3 позволило получить в структурах с-8і(«+)/с-8і(р)/с-8і(р+) величины напряжения холостого хода 0.6 В, что является хорошим результатом. Экспериментально установлено, что дальнейшее повышение степени легирования фронтального слоя о-Бі(п+) приводит к смещению границы />-/г-перехода в объем структуры, что связано с увеличением времени диффузии при температуре 900°С. В результате нарушается условие малой толщины фронтального фотоактивного слоя для получения высокой эффективности фотоэлектрического преобразования в структуре с-8і(и+)/с-8і(р)/с-8і(о+). Максимальный КПД фотоактивной структуры

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 ¡пАв/ОаАв с квантовыми точками [1, 2, 3, 9]. Методами сканирующей зондовой микроскопии исследована морфология поверхности выращенных гетероструктур (рис. 6, а). Обнаружено, что квантовые точки и наноклаетеры 1пАз в матрице ОаАэ имеют планарные размеры от 20 до 100 нм и высоту от 5 до 80 нм [2, 9].

Рис. 6 а) 30 АСМ-изображение квантовых точек 1пАв на подложке СаЛч, полученных ионно-лучевым осаадением; б) спектр фотолюминесценции гетероструктур г-Оа^н^А^/ и-СаАэ с массивом квантовых точек 1пАэ.

Выполнены измерения фотолюминесценции гетероструктур с квантовыми точками InAs. В спектрах фотолюминесценции (рис. 6, б) выявлен пик с максимумом на длину волны 1150 нм (hv ~ 1.1 эВ), указывающий на наличие в гетероструктурах разноразмерных квантовых точек InAs. Квантоворазмерные кристаллические структуры стохастически расположены на поверхности слоя GaxIni_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 «источник ионов - мишень - подложка». Показано хорошее согласование теоретических и экспериментальных результатов. Определены параметры оптимальной конфигурации системы «ионный пучок - мишень -подложка» для подложек диаметром 100 мм: расстояние «мишень-подложка» 150 мм и угол наклона «мишень - ионный пучок» 45°.

2. Проведено моделирование фотоактивной структуры на основе c-Si^^/c-SiipVc-Si^4). Установлено, что при толщине фронтального слоя c-Si(/;+) 0.1 мкм и концентрации донорной примеси (0.2—1.0)-10 см"3 внешний квантовый выход структуры c-Sii/j^/c-Siipyc-SiO!? ) может достигать - 95 %, а эффективность -15 %. Полученные теоретические результаты использованы при выращивании структур c-Si(n+}/c-Si(p)/c-Sметодом 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 5'Ю1 см"3 внешний квантовый выход полученной структуры c-Si^^/c-Si^yc-Sifj?"1) составил - 90 %, а эффективность лучшего образца составила 14 %.

3. Определены оптимальные параметры формирования слоев Si для получения фотоактивных структур c-Si(«+)/c-Si(/')/c-Si(p^) методом ионно-лучевого осаждения. Установлено, что однородные по толщине, практически бездефектные слои кремния на подложках 100 мм получаются при следующих ростовых режимах: давление в ростовой камере 10"4 Па; температура подложки 550 °С; плотность ионного тока 2 мА/см2; ускоряющее напряжение 400 В; угол наклона «мишень - ионный пучок» 45°; расстояние «мишень-подложка» 150 мм.

4. Исследован процесс формирования р-п-переходов ионно-лучевым осаждением. По данным анализа профилей распределения концентрации фосфора в фронтальном слое c-Si(«+) показано, что увеличение времени отжига приводит к улучшению равномерности распределения фосфора по глубине фронтального слоя c-Sii/^. Отжиг в течение (10-30) мин. приводит к снижению степени концентрации фосфора в тонкой приповерхностной области. Экспериментально установлено, что оптимальная глубина залегания /з-и-персхода (0.1-0.2) мкм наблюдается при отжиге в течение 10 мин. при температуре 900 °С.

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 105шт/мм .

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в рецензируемых журналах ВАК

1. J7. С. Лунин, И.А. Сысоев, Д.Л. Алфимова, С.Н. Чеботарев, A.C. Пащенко. Формирование квантовых точек InAs на подложках GaAs методом ионно-лучевого осаждения// Вестник Южного научного центра.-2010.-Т.6. № 4.- С.46-49

2.Л.С. Лунин, И.А. Сысоев, Д.Л. Алфимова, С.Н. Чеботарев, A.C. 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.

3.Л.С. Лунин, И.А. Сысоев, Д.Л. Алфимова, С.Н. Чеботарев, A.C. Пащенко. Фотолюминесценция гетероструктур i-GaxIni.xAs/n-GaAs со стохастическим массивом квантовых точек InAs// Неорганические материалы.-2011.Т 47. №8. С.907-910.

4. С.Н. Чеботарев, A.C. 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, A.C. 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, A.C. 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, C.B. Лозовский, A.C. 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, A.C. Пащенко, В.И. Паршуков. Исследование зависимости КПД двухпереходных фотоэлементов на наногетерострукгурах GalnP/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, A.C. Пащенко, В.А. Яковлев. Высокоэффективные каскадные ФЭП на основе гетероструктур AnlBv 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. 346-352.

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

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Пащенко, Александр Сергеевич, Ростов-на-Дону

61 12-1/946

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Южный научный центр Российской академии наук

На правах рукописи

Пащенко Александр Сергеевич

ПОЛУЧЕНИЕ ФОТО АКТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ 81И ЫАб МЕТОДОМ ИОННО-ЛУЧЕВОГО ОСАЖДЕНИЯ

01.04.07 - Физика конденсированного состояния

Диссертация на соискание ученой степени кандидата _физико-математических___наук

Научный руководитель Заслуженный деятель науки РФ, д.ф.-м.н., профессор Лунин Л.С.

Ростов-на-Дону - 2012

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ

АСМ - атомно-силовая микроскопия

ВАХ - вольтамперная характеристика

ВФХ - вольтфарадная характеристика

БУЭ — блок ускорения электронов

33 - запрещенная зона полупроводника

ИИ - источник ионов

ИЛО - ионно-лучевое осаждение

КПД - коэффициент полезного действия

КТ - квантовые точки

СЗМ - сканирующая зондовая микроскопия

СЭМ - сканирующая электронная микроскопия

а - угол наклона «мишень-ионный пучок»

a-Si - аморфный кремний

Р - внутренний квантовый выход

£ - диэлектрическая проницаемость воздуха

s0 - диэлектрическая постоянная

А - длина волны

hv - энергия фотона

ра — плотность осажденного материала

г — время, необходимое иону, чтобы достичь мишени

r¡ - коэффициент полезного действия, эффективность

в — угол, под которым вылетает атом из мишени

со i - случайная величина, распределенная в интервале [0; 1 ]

с - постоянная величина

c-Si - кристаллический кремний

dAr+ - диаметр ионного пучка

dSUb - диаметр подложки

tieft > bright" граничные координаты области распыления

хзри{: - область распыления

q - заряд электрона

Е - мощность падающего излучения

ЕАг+ - энергия ионов в пучке

Её - ширина запрещенной зоны полупроводника

Е()Е - внешний квантовый выход

Т7/7 - фактор заполнения вольтамперной характеристики /г, - толщина слоя в г-ой ячейке / - номер ячейки, на которые разбивается подложка /ус - ток короткого замыкания 1р!1 - фототок

]Аг+ - плотность тока ионов

Jsc — плотность тока короткого замыкания

к - постоянная Больцмана

Кт -коэффициент массопереноса

/ - расстояние «источник ионов - мишень»

Ь - расстояние «мишень-подложка»

т - масса

та - масса конденсирующегося атома

М- молярная масса

Иа - концентрация акцепторов

^¿оп число ионов в сечении ионного пучка

Nсопса - число атомов в /'-ой ячейке

- общее число конденсированных атомов

М3[)1а - число распыленных атомов мишени

Ив - концентрация доноров

Г- коэффициент распыления

р - давление остаточных газов в ростовой камере

Р - мощность, вырабатываемая фотоактивной структурой

0 - коэффициент собирания носителей заряда

Яшь - радиус подложки £ - площадь Т - температура ? - время

и ~ разность потенциалов, напряжение смещения Убуэ ~ напряжение блока ускорителя электронов 1]ос - напряжение холостого хода

ОГЛАВЛЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИИ И ОБОЗНАЧЕНИИ.................. 2

ВВЕДЕНИЕ............................................................... 8

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ТЕНДЕНЦИИ

РАЗВИТИЯ ФОТОВОЛЬТАИКИ....................................................................12

1Л Прогресс в фотовольтаике............................................................................................12

1Л Л Кремниевые солнечные элементы......................................................................12

iii v

1Л.2 Каскадные гетероструктуры на гетероструктурах А В ............15

1Л.3 Тонкопленочные солнечные элементы..........................................................19

1Л .4 Фотоэлектрические преобразователи третьего поколения .... 23

1.2 Конструкции фотоэлектрических преобразователей на кремнии......................................................................................................................................27

1.3 Метод ионно-лучевого осаждения......................................................................30

1.3.1 Сравнение метода ионно-лучевого осаждения с другими методами получения фотоактивных материалов................................31

1.3.2 Обоснование выбора фотоактивных материалов для их получения методом ионно-лучевого осаждения..................................34

1.3.3 Использование метода и его аналогов для получения фотоактивных слоев кремния......................................................................................................34

1.4 Выводы......................................................................................................................................36

1.5 Цель работы и постановка задач..........................................................................37

ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ИОННО-ЛУЧЕВОГО ОСАЖДЕНИЯ ФОТО АКТИВНЫХ СЛОЕВ Si И ХАРАКТЕРИСТИК СТРУКТУР c-Si(«+)/c-Si(/?)/c-Si(p+) IIA ИХ ОСНОВЕ......................................................... 39

2Л Модель ионно-лучевого осаждения слоев кремния............. 39

2.1.1 Описание программы моделирования ионно-лучевого

осаждения фотоактивных слоев Si................................... 45

2.2 Моделирование параметров и характеристик структуры c-S\(nl)/c-S>i(p)/c-S\(p ) на основе фотоактивных слоев кремния....................................................................................... 47

2.2.1 Результаты моделирования влияния толщины и уровня легирования фронтального слоя на световую вольтамперную характеристику структуры c-Si(w+)/c-Si(p)/c-Si(/?+).............. 52

2.2.2 Результаты моделирования влияния толщины и уровня легирования фронтального слоя на спектральную зависимость внешнего квантового выхода структуры c-Si(H+)/c-Si(p)/c-Si(p+)................................................. 53

2.2.3 Результаты моделирования влияния толщины и уровня легирования фронтального слоя на КПД фотоактивной структуры с-81(и+)/с-81(/?)/с-81(/?+).................................. 55

2.3 Выводы.................................................................... 56

ГЛАВА 3. ПОЛУЧЕНИЕ ФОТО АКТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ И СТРУКТУР НА ИХ ОСНОВЕ МЕТОДОМ ИОННО-ЛУЧЕВОГО ОСАЖДЕНИЯ.......................................... 57

3.1 Оборудование для получения фотоактивных материалов методом ионно-лучевого осаждения................................ 57

3.2 Исследование зависимости ионно-лучевого осаждения от параметров системы «ионный пучок-мишень-подложка»..... 59

3.2.1 Зависимость ионно-лучевого осаждения от диаметра подложки................................................................... 60

3.2.2 Зависимость ионно-лучевого осаждения от расстояния «мишень -подложка».................................................... 61

3.2.3 Зависимость ионно-лучевого осаждения от угла наклона «мишень - ионный пучок»............................................. 63

3.2.4 Выбор оптимальной конфигурации системы

«ионный пучок - мишень -подложка»............................. 65

3.3 Формирование/?-п-переходов на основе слоев 81 ионно-лучевым осаждением для создания фотоактивных структур с-81(и+)/с-81(р)/с-81(р+).................................................. 67

3.4 Получение фотоактивных гетероструктур с квантовыми точками 1пАз методом ионно-лучевого осаждения............. 71

3.5 Исследование свойств и характеристик фотоактивных материалов и структур на их основе................................ 72

3.5.1 Исследование морфологии поверхности полученных структур на основе 81 и ЫАэ и распределения толщины осажденных слоев методами сканирующей зондовой микроскопии............................................................. 72

3.5.2 Измерение вольтфарадиых характеристик кремниевых р-и-переходов и построение профилей распределения концентрации носителей заряда..................................... 76

3.5.3 Измерение спектральных зависимостей внешнего квантового выхода фотоактивных структур на основе с-81(/1+)/с-Б1(р)/с-81(р+).................................................. 79

3.5.4 Измерение световых вольтамперных характеристик фотоактивных структур на основе с-81(л+)/с-81(р)/с-81(/?+).... 81

3.5.5 Измерение фотолюминесценции фотоактивных гетероструктур на основе 1пАз/ОаА8............................... 86

3.6 Выводы.................................................................... 88

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ И

ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛУЧЕННЫХ ФОТО АКТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ И СТРУКТУР НА ИХ ОСНОВЕ............... 89

4Л Исследование влияния температуры подложки и энергии ионов пучка на структуру и качество выращенных методом ионно-лучевого осаждения слоев кремния....................... 89

4.2 Исследование вольтфарадных характеристик и профилей распределения концентрации фосфора в фронтальном фотоактивном слое с-8\{п+)................................................. 92

4.3 Исследование спектральных зависимостей внешнего квантового выхода фотоактивных структур на основе с-81(и+)/с-81(р)/с-81(р+)...................................................... 95

4.4 Исследование световых вольтамперных характеристик фотоактивных структур на основе с-8\(п )1с-8\{р)1с-8\(р!) ... 97

4.5 Исследование фотоактивных гетероструктур с квантовыми точками ЕпАя, полученных методом ионно-лучевого осаждения................................................................ 100

4.6 Выводы................................................................... 103

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ..................................................... 105

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.................... 107

ПРИЛОЖЕНИЕ № 1................................................... 114

ПРИЛОЖЕНИЕ № 2................................................... 119

ПРИЛОЖЕНИЕ № 3................................................... 122

ВВЕДЕНИЕ 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 81 и АШВУ. Это обусловлено фотоэлектрическими, оптическими, электрофизическими параметрами и характеристиками материалов. На основе кремния и соединении АШВУ созданы высокоэффективные солнечные элементы [1]. Сегодня 81 и ТпАб являются основными материалами для нового направления развития фотовольтаики - создания приборов на основе фотоактивных наногетероструктур.

Для получения структур с фотоактивными областями она основе 81 и 1пАз 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 81 и

Альтернативным методом получения фотоактивных материалов на основе кремния и соединений А'"ВУ, 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 81 и 1пАз этим методом мало изучено. В связи с чем, установление основных физических закономерностей и особенностей процесса ионно-лучевого осаждения фотоактивных материалов и структур на основе 81 и 1пАэ 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-нроизводственных предприятий:

- НИОКР по заказу Министерства образования и пауки Российской Федерации (г/к №02.513.11.3349, 2007-2008 гг.);

Цель работы

Разработать физические основы получения методом ионно-лучевого осаждения фотоактивных материалов и структур на основе 81 и 1пАз и исследовать их свойства.

Задачи необходимые для достижения поставленной цели:

- разработать математическую модель ионно-лучевого осаждения кремниевых слоев;

- провести моделирование фотоактивной структуры с-§\{п )/с-8\(р)1с-§\(рл) и исследовать фотоэлектрические параметры и характеристики;

- исследовать процесс формирования слоев 81 и гетероструктур [пАз/ОаАз с квантовыми точками для получения фотоактивных структур;

исследовать процесс формирования /?-л-иереходов 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

Научная новизна

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

Научные положения, выносимые на защиту

4 s

- ионно-лучевое осаждение кремния при давлении 10" Па, температуре подложки 550 °С, расстоянии «мишень-подложка» 150 мм, угле наклона «мишень - ионный пучок» 45° и энергии ионов пучка 400 эВ позволяет получать фронтальные слои фотоактивных структур на основе c-Si(fii+)/c-Si(jo)/c-Si(p+), которые обладают высоким значением внешнего квантового выхода - 90 %;

18 3

- легирование фосфором до уровня 5 10 см" фронтального слоя с-81(я+), полученного методом ионно-лучевого осаждения, позволяет повысить напряжение холостого хода фотоактивной структуры с-81(и+)/с-81(р)/с-81(р+) до величины 0.6 В;

- ионно-лучевое осаждение ГпАб на подложки ОаАв при давлении 10~4 Па, температуре подложки 500 °С со скоростью 0.8 нм/с приводит к росту квантовых точек и нанокластеров ХпАэ с планарными размерами от 20 до 100 нм и высотой от 5 до 80 им, стохастически расположенных на поверхности слоя Оа1пАз.

Апробация работы

всероссийский смотр-конкурс 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 1», 2007.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ФОТОВОЛЬТАИКИ

1.1 Прогресс в фотовольтаике

1.1Л Кремниевые солнечные элементы

Определяющим фактором в развитии фотовольтаики является наличие ресурсов в недрах Земли. Среди прочих элементов, по запасам в земной коре, кремний занимает лидирующие позиции и составляет около 30%. Другим фактором в пользу кремния является глубоко проработанная на данный момент технология получения и изготовления электронных приборов на его основе. На рисунке 1.1 показана гистограмма зависимости объемов продаж СЭ от типов материалов. Видно, что лидирующую роль в мировом производстве занимают солнечные элементы из моно- и иоликристаллического кремния. На момент 2009 года 90% мирового рынка фотовольтаики составили кремниевые СЭ.

По эффективности преобразования солнечной энергии среди кремниевых фотопреобразователей лидирующее место принадлежит солнечным элементам на основе монокристаллического кремния. Согласно данным [1 ], рекордный КПД монокристаллических кремниевых ФЭП в 2010 году составил (25+0.5) %. Измерение было проведено при следующих условиях: спектр излучения соответствовал AM 1.5 (Л-1000 Вт/м2),

температура окружающей среды 25°С. Площадь составляла 4 см ,

Г ! умп

Mtw-S; Mu.L-b: S;-shi:L4 u-X, Ultimo Рисунок 1.1 Мировой рынок фотовольтаики на 2001 год [2].

напряжение холостого хода 0.706 В, плотность тока короткого замыкания 42.7 мА/см2. Солнечный элемент получен в лаборатории UNSW PERL [3].

На поликристаллическом кремнии достигнут рекордный КПД (20.4±0.5)%. Площадь СЭ составляла 1 см2, напряжение холостого хода 0.664 В, плотность тока короткого замыкания 38 мА/см2. Изготовлен СЭ в Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems (FhG-ISE).

В 2005 г. группой авторов C.J.J. Tool, G. Coletti, F.J. Granek и др. [4] сообщено об изготовлении поликристаллического солнечного элемента с КПД 17%. Комбинацией методов текстурирования поверхности и трафаретной печати металлических контактов н�