Структура та фізичні властивості кремнійових композицій з розупорядкованими шарами

Дослідження структури розупорядкованих шарів в кремнії було проведено за допомогою оптичної та електронної растрової і просвічувальної мікроскопії.

Густина дефектів в активних областях транзисторної структури вимірювалась за допомогою селективного травлення з використанням оптичної мікроскопії.

Детально описано методику електронно-мікроскопічних досліджень стосовно дефектів структури в багатошарових кремнійових композиціях.

Аналіз численних фотознімків, отриманих за допомогою растрової електронної та оптичної мікроскопії, дозволяє інтерпретувати дефекти, які спостерігаються як пори.

Вивчення структури пористого кремнію виконувалось за методом аналізу чорно-білого контрасту зображення на основі методики визначення структури малих дислокаційних петель.

Обговорюється, що запропонований метод аналізу чорно-білого контрасту зображення дозволяє визначити природу недосконалостей, якщо вони мають розміри не менше 40 Е.

Для посередньої оцінки структури пористого кремнію використовували його ефективну густину, яку співставляли з електронограмами поверхні плівок.

Четвертий розділ дисертації містить результати досліджень електрофізичних властивостей та дефектів структури кремнійових фотоперетворювальних композицій з розупорядкованими шарами.

Дослідження зразків за методом растрової мікроскопії показало, що витравлені пори мають пірамідальну форму з вершиною в глибині кристалу і підставою на поверхні пластини.

Із збільшенням долі плавикової кислоти від 20 до 49% у водному розчині при травленні з фіксованою густиною анодного струму 10 мА/см2 і часу травлення  (3 хвилини)  діаметр пор збільшується. При підвищенні густини струму і постійному часі травлення 5 хвилин у розчині 20% плавикової кислоти і 10% етилового спирту, або збільшенні часу процесу до 10 хвилин у розчині 20% плавикової кислоти і 10% етилового спирту при густині анодного струму 10 мА/см2 відбувається розтравлення пор.

Діаметр пор на досліджених зразках склав 50-210 Е. Виявлено, що він збільшується з збільшенням густини струму, часу анодного травлення та товщини плівки пористого кремнію.

Максимальна кількість пор  (4*108 – 8*109см-2)  відповідає діапазону діаметра 50-80 Е.

Збільшення діаметра пор, як показали дослідження, відбувається не тільки за рахунок розчинення кремнію на їх стінках, але і через ефект об'єднання дрібних, близько розташованих пор.

З мікродифракційних знімків видно, що зразки з пористим шаром мають рефлекси, які відповідають за присутність аморфної складової. Однак лінії Кикучі, характерні для монокристаличного кремнію, повністю не зникають. Із збільшенням густини струму травлення зростає доля аморфної фази.

Для повної оцінки якості композиції необхідно також детально дослідити шар широкозонного напівпровідника. З цією метою проведено вимірювання залежності електричного поверхневого опору плівки InxSnyO від процентного складу SnCl4 (5H2O)  в розчині. Визначено, що при невеликих концентраціях олова в суміші його атоми заміщують атоми індію в структурі плівки, тим самим виступаючи в якості донорів. Проте, при збільшенні в розчині концентрації з'єднання SnCl4 (5H2O)  зростає наявність фази SnO2 у складі плівки InxSnyО, що призводить до зниження концентрації вільних носіїв заряду і зменшення електропровідності.

Проведено вимірювання поверхневого електричного опору плівки InxSnyO, які леговані ацетілацетонатом алюмінію Al (AA3). Встановлено, що при цьому поверхневий опір плівок зменшується до значень 10 Ом/, при наявності Al (AA) 3 у розчині біля 2%.

Це може бути пояснено тим, що домішка Al має більш низький власний питомий опір ніж In і Sn.

Проведено розрахунок залежності коефіцієнта відбиття шару ITO від товщини. Найменший розмір коефіцієнта відбиття мають покриття з товщиною від 500Е до 800Е у діапазоні довжин хвиль 0, 42-0, 61 мкм.

Вивчено вплив температури підкладки на формування плівок InxSnyO. Проведено дослідження спектральних характеристик фотоперетворювачів з товщиною плівки 800 Е, з яких видно, що найбільш сприятливою температурою напилення плівки є 4000С для n-типу кремнію та 4250С для р-типу кремнію.

Вивчення властивостей області просторового заряду гетероперехіду методом вольтфарадних характеристик показало, що зразки з пористим шаром мають напругу відсічки VD=0. 53 В, тоді як для зразків без пористого шару ця величина складає – 0. 45 В. Розраховано концентрацію донорних домішок в слаболегованій області епітаксійного шару, яка склала: для зразків без пористого шару -6, 55*1014см-3, а для зразків з пористим шаром – 3, 95*1014см-3.

Досліджено залежність напруги холостого ходу від довжини хвилі  (спектральні характеристики)  для фотоперетворювальних композицій типу ITO/SiOx/porSi/nSi/n+Si, ITO (легованого Al (AA) 3) /SiOx/porSi/nSi/n+Si та ITO/SiOx/nSi/n+Si.

Виходячи з отриманих експериментальних даних, визначено коефіцієнт заповнення  ()  і коефіцієнт корисної дії.

Встановлено, що відбувається додаткове поглинання фотонів у пористому кремнію, що веде до збільшення напруги холостого ходу, струму короткого замикання та і коефіцієнт корисної дії до значень Uoc= 4953 мВ, Isc= 29 мА/cм2, =0, 63.

Для з’ясування механізмів, що відповідають за процеси поглинання фотонів, проведено статистичне моделювання ВАХ гетеропереходу напівпровідник – діелектрик – напівпровідник з урахуванням внеску механізмів дифузії, об’ємної, поверхневої рекомбінації та генерації носіїв заряду в об’ємному шарі.

Розрахунок коефіцієнтів вольтамперних характеристик було виконано за допомогою формули:

де Dp, Dn – коефіцієнт дифузії носіїв; pn0, np0 – рівновагові концентрації носіїв; Ln, Lp – довжина дифузії; Nc, Nv – ефективна щільність станів відповідно в зоні провідності та валентній зоні; q – заряд електрону; U – напруга зміщення; k – постійна Больцмана; T – температура; n – коефіцієнт неідеальності, який відповідає за перевищення дифузійного струму над рекомбінаційним;  Eg -ширина забороненої зони; W-ширина області просторового заряду;   -час життя