Investigation of electrical properties of photosensitive structures of reduced dimension based on silicon

Full Text

Введение

В настоящее время кремний и арсенид галлия чаще всего применяются для изготовления фотоэлектрических преобразователей (ФЭП). Не смотря на более высокие эксплуатационные характеристики арсенид-галлиевых ФЭП, кремний остается фаворитом в выборе сырья для производства, что объясняется широким распространением кремниевого сырья, а также наличием качественно разработанной технологии создания самого материала и приборов на его основе. Вследствие этого, кремниевые ФЭП выгоднее в производстве за счет своей дешевизны, по сравнению с арсенид-галлиевыми.

Характеристики кремниевых ФЭП с нанокристаллическим кремнием существенно выше, КПД структур на его основе может составлять 25–27 %. Это возможно в связи с реализацией квантово-размерных эффектов, увеличиващих поглощение вблизи ультрафиолетовой части диапазона. В качестве нанокристаллического материала может использоваться пористый кремний, по причине того, что стенки его пор представляют собой хаотичную систему наноразмерных кристаллов. Кроме реализации квантово-размерных эффектов, сравнительно большое количество пор позволяет увеличить площадь поглощающей поверхности ФЭП.

Одной из проблем ФЭП являются потери, связанные с отражением света, падающего на его поверхность. Решить эту проблему помогают разного рода просветляющие покрытия, благодаря им увеличивается поглощение солнечного элемента и, следовательно, уменьшаются отражение и потери [1–2].

В просветляющих покрытиях для солнечных элементов уменьшение отражения происходит вследствие интерференции лучей, отраженных от границ пленка-воздух и пленка-подложка. Для нормального падения показатель преломления просветляющей пленки n₂ должен быть равен квадратному корню из произведения значений показателей преломления n₃ и n₁ двух сред, граничащих с пленкой (подложка и покровный материал) n₂ = (n₃n₁)^1/2. Далее для уменьшения отражения необходимо подобрать правильную толщину пленки. Разность хода лучей Δ при нормальном падении света на плоскую поверхность равняется удвоенной оптической толщине пленки: Δ = 2n₂h₂, где h₂ – геометрическая толщина пленки. Взаимное уничтожение интенсивности отраженных лучей при нормальном падении возможно, если: Δ = 2n₂h₂ = l/2, отсюда n₂h₂ = l/4, где l – длина волны излучения, для которого выполняется условие минимального отражения.

В работах [3–5] в качестве антиотражающих пленок для кремниевых ФЭП применяются алмазоподобные покрытия, пленки из оксидов кремния и гафния и слои наноструктурированного кремния. В работе [6] авторы используют пористый кремний в качестве рабочего слоя солнечного элемента, что увеличивает его эффективность. При этом возникает новая проблема, связанная с появлением дополнительных центров рекомбинации. Для блокировки этих центров пористый кремний можно стабилизировать использованием специальных пассивирующих покрытий.

Подобрать оптимальную толщину слоя для шероховатой поверхности пористого кремния ранее не представлялось возможным, поскольку физика нанесения покрытия работает только для планарных структур, а в случае сложных поверхностей появляются неточности в расчетах оптимальной толщины покрытия.

В качестве стабилизирующих покрытий предлагается применять пленки фторида диспрозия, поскольку он обладает наиболее подходящими значениями показателя преломления и коэффициента прозрачности [7].

В данной работе приведены результаты исследования характеристик фоточувствительных структур с пористым слоем и покрытием фторида диспрозия различной толщины.

1. Методика эксперимента

Основой фоточувствительных структур были пластины монокристаллического кремния с текстурированной поверхностью и готовым p-n переходом (рис. 1):

 

Рис. 1. Текстурированная поверхность (вид сбоку)

Fig. 1. Textured surface (side view)

 

Далее методом анодного электрохимического травления на n-типе был сформирован пористый слой на всех образцах [8]. Травление проводилось в растворе плавиковой кислоты и этилового спирта в соотношении 1:1. Плотность тока составляла 10 мА/см². Толщина пористого слоя на каждой пластине составляла 10 мкм.

Алюминиевые контакты были нанесены методом термического испарения в вакууме с двух сторон: на p-сторону был нанесен сплошной контакт, на n-сторону – контакт в виде гребенки. Покрытие также наносилось методом термического испарения порошкоообразного фторида диспрозия.

2. Методика определения толщины покрытия

Для определения толщины покрытия фторида диспрозия использовался цветовой метод [9]. Данный метод используется для экспресс-контроля толщины пленок SiO₂ и Si₃N₄ до 1,5 и 0,33 мкм соответственно. Точность определения толщины пленки данным методом 100–200 А.

Вычисление толщины пленки фторида диспрозия осуществлялось по формуле:

$S_{{\text{DyF}}_3}=S_{{\text{SiO}}_2}\frac{n_{{\text{DyF}}_3}}{n_{{\text{SiO}}_2}},$ (1)

где S_DyF3 – толщина пленки фторида диспрозия, S_SiO2 – толщина пленки оксида кремния. Соотношение показателей преломления DyF₃ и SiO₂ составляет 1,08 (Показатель преломления фторида диспрозия и оксида кремния составляют 1,6 и 1,48, соответственно [9]).

 

Таблица. Масса и толщина пленки DyF₃

Table. DyF₃ film weight and thickness

№ образца	Масса DyF3, г	Толщина пленки DyF3, мкм
1	0,1	0,37
2	0,09	0,29
3	0,08	0,27
4	0,07	0,17
5	0,06	0,11
6	0,05	0,096
7	0,04	0,089
8	0,03	0,06
9	0,02	0,025
10	–	–
11	0,01	0,019
12	–	–
13	–	–
14	0,05	0,1

 

3. Методика исследования

Для исследования характеристик полученных образцов были проведены измерения спектров фоточувствительности и спектров коэффициента отражения.

Измерения спектров фоточувствительности проводились с помощью монохроматора МДР-3. Источником служила ксеноновая дуговая лампа марки ДКСЭЛ-100.

Для вычисления фоточувствительности применялась формула:

$R_{\lambda }=\frac{I_{ph}}{P}.$ (2)

Измерения спектров отражения проводились на спектрофотометре Shimadzu UV-2450 в диапазоне от 190 до 1000 нм с шагом 0,5 нм.

4. Результаты

Далее представлены РЭМ (рис. 2) и схематическое изображение структуры с пленкой фторида диспрозия (рис. 3).

 

Рис. 2. РЭМ поперечного зеркального скола структуры возле стыка пирамид с пленкой фторида диспрозия

Fig. 2. SEM of a transverse mirror cleavage of the structure near the junction of pyramids with a film of dysprosium fluoride

 

Рис. 3. Схематическое изображение структуры

Fig. 3. Schematic representation of the structure

 

Поскольку покрытия из фторида диспрозия обладают пассивирующим эффектом, для тонких пленок может быть достаточно много открытых центров рекомбинации, что приводит к уменьшению фоточувствительности до значений образцов без покрытий (рис. 6).

Покрытие фторида диспрозия было нанесено равномерно по всей поверхности пирамиды. Однако очень тонкие пленки могут обладать дефектами и «рваться» о вершины пирамид, нарушая равномерность и влияя на свойства полученных структур.

На рис. 4 приведены спектры фоточувствительности образцов 2–15.

 

Рис. 4. Спектры фоточувствительности образцов 2–15

Fig. 4. Spectra of photosensitivity of samples 2–15

 

Из анализа графиков видно, что фоточувствительность структур сильно зависит от покрытия. Большинство образцов с покрытием (№ 1–9, 11, 14) имеют более высокую фоточувствительность, чем образцы без покрытия (№ 10, 12, 13, 15). Наилучшими характеристиками обладают образцы со средней толщиной покрытия - порядка 0,096–0,29 мкм (образцы № 2, 5, 6). Данные образцы обладают и малыми коэффициентами отражения (рис. 5). Образцы с меньшей толщиной покрытия (менее 0,1 мкм) обладают меньшей фоточувствительностью. Следует отметить положительное влияние пористого слоя на фоточувствительность. Образцы с пористым слоем (№ 12 и 13) обладают более высокими характеристиками, чем образец без пористого слоя (№ 15). Для более корректного сравнения на рис. 5 показаны спектры фоточувствительности образцов 2, 5 и 6 (0,29 мкм, 0,11 мкм и 0,089 мкм) в сравнении с 13.

 

Рис. 5. Спектры фоточувствительности образцов 2, 5, 6 и 13

Fig. 5. Photosensitivity spectra of samples 2, 5, 6, and 13

 

Рис. 6. Спектры фоточувствительности образцов 3, 4, 7–9, 11 и 13

Fig. 6. Photosensitivity spectra of samples 3, 4, 7–9, 11, and 13

 

Наиболее эффективной оказалась толщина пленки 0,1 мкм, позволившая значительно увеличить фоточувствительность образца. Наибольшей фоточувствительностью обладает образец № 14, превышающий другие образцы в более чем в десятки раз (20 000 нА/Вт от 700 до 850 нм).

На рис. 7 показаны спектры коэффициента отражения образцов 1–15 в диапазоне длин волн 250–1000 нм.

 

Рис. 7. Спектральные характеристики коэффициента отражения образцов 1–15

Fig. 7. Spectral characteristics of the reflection coefficient of samples 1–15

 

Все структуры с покрытием имеют меньшее отражение (1–9, 11), чем образцы без покрытия (10, 12, 13). С уменьшением толщины покрытия уменьшается коэффициент отражения. Имеются пики в коротковолновой части спектра, что может быть связано с интерференционными эффектами покрытия на пирамидальной поверхности (рис. 1). Различные коэффициенты отражения при одинаковых толщинах пористого слоя структур можно объяснить влиянием неконтролируемых факторов, возникающих при изготовлении пористого кремния [10].

На рис. 8 показаны спектры коэффициента отражения образцов 8, 9, 11 и 14 в сравнении с 13.

 

Рис. 8. Спектры коэффициента отражения образцов 8, 9, 11, 14 и 13

Fig. 8. Reflectance spectra of samples 8, 9, 11, 14, and 13

 

Анализ графиков показывает, что пленки фторида диспрозия в целом снижают коэффициент отражения из-за уменьшения эффекта рассеяния. Образцы 2 и 4 с толщинами пленок 0,29 мкм и 0,17 мкм соответственно показывают наиболее равномерное снижение коэффициента отражения во всем исследуемом спектре. А образцы 8, 9, 11 и 14 (толщины пленок равны 0,06 мкм, 0,025 мкм, 0,019 мкм и 0,055 мкм) наоборот, показывают повышение коэффициента отражения в коротковолновой части спектра и приближение характеристик этих образцов к характеристикам образца с пористым слоем. Это говорит о том, что уменьшение толщины пленок (менее 0,1 мкм) негативно сказывается на характеристиках структур.

Заключение

Таким образом, в работе выявлено значительное влияние пленок фторида диспрозия на спектральные характеристики фоточувствительных структур. Исследование показало, что существует оптимальный диапазон толщин покрытия (0,1–0,29 мкм), позволяющих заметно повысить фоточувствительность структур. Одновременно с этим для ряда образцов наблюдается небольшое повышение отражения в коротковолновой области (порядка 0,2 %) и снижения коэффициента отражения структур в длинноволновой области. Из серии образцов наилучшими характеристиками обладает образец № 14 с толщиной пленки 0,11 мкм.

About the authors

Natalia A. Poluektova

Samara National Research University

Email: natapolivekt37@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-4189-6192

Postgraduate Student

Russian Federation, 34, Moskovskoye shosse, Samara, 443086

Daria A. Shishkina

Samara National Research University

Author for correspondence.
Email: daria.lizunkova@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-4118-1429

Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Senior Lecturer of the Department of Nanoengineering

Russian Federation, 34, Moskovskoye shosse, Samara, 443086

Alexander N. Bazanov

Samara National Research University

Email: vosovsky@list.ru

Master’s Student

Russian Federation, 34, Moskovskoye shosse, Samara, 443086

Roman A. Perebalin

Samara National Research University

Email: gsamylifemanager@gmail.com

Master’s Student

Russian Federation, 34, Moskovskoye shosse, Samara, 443086

Ivan A. Shishkin

Samara National Research University

Email: shishkinivan9@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-8413-9661

Postgraduate Student

Russian Federation, 34, Moskovskoye shosse, Samara, 443086

Natalya V. Latukhina

Samara National Research University

Email: natalat@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-2651-0562

Associate Professor of the Department of Solid State Physics and Nonequilibrium Systems

Russian Federation, 34, Moskovskoye shosse, Samara, 443086

References

Supplementary files