Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 621.382:621.383

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

Моделювання фотоперетворюючих гетероструктур на основі аморфного та монокристалічного кремнію

01.04.01 - фізика приладів, елементів і систем

Биков Михайло Олександрович

Харків - 2011



Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Харківському національному університеті радіоелектроніки Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України.

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор Сліпченко Микола Іванович, Харківський національний університет радіоелектроніки, проректор з наукової роботи, професор кафедри мікроелектроніки, електронних приладів та пристроїв.

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор Костильов Віталій Петрович, Інститут фізики напівпровідників Національної академії наук України ім. В.Є. Лашкарьова, завідувач відділом, старший науковий співробітник;

кандидат фізико-математичних наук, доцент Опанасюк Анатолій Сергійович, Сумський державний університет, доцент кафедри загальної та експериментальної фізики.

Захист відбудеться «27» жовтня _2011р. о 15.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.052.04 у Харківському національному університеті радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Харківського національного університету радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14.

Автореферат розісланий «26» вересня 2011 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Б.Г. Бородін



АННОТАЦИЯ

Быков М.А. Моделирование фотопреобразующих гетероструктур на основе аморфного и монокристаллического кремния. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.01 - физика приборов, элементов и систем. - Харьковский национальный университет радиоэлектроники, Харьков, 2011.

Диссертационная работа посвящена исследованию фотоэлектрических характеристик фотопреобразующей структуры на основе гетероструктур аморфный - монокристаллический кремний (ГАМК), увеличению эффективности структуры в комплексе с приемлемыми технологическими затратами на производство. Разработке численно-аналитической модели процесса переноса носителей в полупроводниковых структурах на основе ГАМК. Эта задача является актуальной, представляет теоретический интерес и имеет практическое значение.

На основании литературного обзора проанализировано современное состояние теоретических и экспериментальных исследований фото-преобразующих структур на основе аморфных тонкопленочных кремниевых структур и ГАМК. Рассмотрены основные характеристики и достижения при создании кремниевых фотопреобразователей. Проведен обзор существующих моделей, а также технологий получения и характеристик многослойных структур на основе ГАМК.

Создана и реализована новая численно-аналитическая модель ГАМК, позволяющая проводить расчеты дифференциальных и интегральных характеристик фотопреобразующих структур с учетом плотности состояний в щели подвижности гидрогенизированного аморфного кремния, базирующаяся на решении кинетического уравнения и уравнения Пуассона. Данная система уравнений решается методом крупных частиц. На основе предложенной численно-аналитической модели создан пакет программ моделирования позволяющий проводить ряд исследований аморфных кремниевых структур и ГАМК, в результате которых были выявлены зависимости основных фотоэлектрических характеристик от их конструктивных параметров.

Проведен сравнительный количественный анализ ВАХ аморфных структур и структур на основе ГАМК. С использованием разработанного пакета программ численно были получены ВАХ исследуемых образцов. В ходе численных экспериментов с использованием предложенной методики, получены световые нагрузочные ВАХ для структур на основе ГАМК при освещении монохромным светом с энергией кванта 1.85 эВ (0.67мкм) и интенсивностью 10¹⁷ см^-2·с^-1 и структур аморфного кремния, выращенных на стекле с теми же параметрами облучения. Проводился численный расчет КПД в аморфных структурах и ГАМК, при этом удалось достигнуть его увеличение эффективности фотоэлектрического преобразования до 14% в аморфных тонкопленочных структурах и до 16% в ГАМК.

Проведена апробация разработанной модели на реальных фотопреобразующих структурах, решена задача получения образцов для исследования. Разработана методика получения пленок методом магнетронного распыления, и исследованы их характеристики. На полученных образцах проведен ряд экспериментальных и аналитических исследований возможности снижения количества оборванных связей методом гидрирования. Рентгеновским методом было подтверждено наличие фазово-однородного рентгеновского фронта, свидетельствующего о стохастическом расположении атомов, то есть об аморфной структуре кремниевой пленки. В результате дальнейшего развития метода магнетронного напыления аморфных структур с использованием ионного источника выявлены оптимальные технологические режимы напыления. Проведена оптимизация и исследовано влияние концентрации водорода в среде с аргоново-водородной плазмой на электрические и физические характеристики при построении структур аморфного кремния и многослойных структур на основе ГАМК.

Ключевые слова: гетероструктура аморфный - монокристаллический кремний (ГАМК), аморфная тонкопленочная структура, фотопреобразователь, процессы рассеяния, численно-аналитическая модель, метод крупных частиц.



АНОТАЦІЯ

Биков М.О. Моделювання фотоперетворюючих гетероструктур на основі аморфного та монокристалічного кремнію. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.01 - фізика приладів, елементів і систем. - Харківський національний університет радіоелектроніки, Харків, 2011. електричний кремній фотоперетворення

Дисертаційна робота присвячена дослідженню фотоелектричних характеристик фотоперетворюючої структури на основі гетероструктур аморфного та монокристалічного кремнію (ГАМК), збільшенню ефективності структури в комплексі із прийнятними технологічними витратами на виробництво, розробці чисельно-аналітичної моделі процесу переносу носіїв у напівпровідникових структурах на основі ГАМК. Це завдання є актуальним, становить теоретичний інтерес і має практичне значення.

Створено й реалізовано нову чисельно-аналітичну модель ГАМК, що дозволяє проводити розрахунки диференціальних й інтегральних характеристик фотоперетворюючих структур з урахуванням щільності станів у щілині рухливості гідрогенізованого аморфного кремнію, що базується на розв'язанні кінетичного рівняння й рівняння Пуассона. Дана система рівнянь розв'язується методом великих часток. На основі запропонованої чисельно-аналітичної моделі створено пакет програм моделювання, що дозволяє проводити ряд досліджень аморфних кремнієвих структур і ГАМК, у результаті яких було виявлено залежності основних фотоелектричних характеристик від їхніх конструктивних параметрів.

Ключові слова: гетероструктура аморфного та монокристалічного кремнію (ГАМК), аморфна тонкоплівкова структура, фотоперетворювач, процеси розсіювання, чисельно-аналітична модель, метод великих часток.



SUMMARY

Bykov M.A. Simulation of photo converting heterostructures based on amorphous and monocrystal silicon. - Manuscript.

The thesis for the degree of Candidate of Physical-mathematical - sciences on the specialty 01.04.01 - physics of devices, elements and systems. - Kharkov National University of Radio Electronics, Kharkov. 2011.

The thesis is devoted to investigation into photoelectric characteristics of the photo converting structure based on amorphous silicon monocrystal heterostructures (ASMH), increase in the structure efficiency complete with reasonable technological expenditures for production, development of numerical-analytical model of the carrier transfer process in the semiconductor structures based on HASM. This is the urgent problem, it is of theoretical interest and practical significance.

A new numerical-analytical model of ASMH has been developed and realized of, it makes possible to carry out computation of differential and integral characteristics of photo converting structures taking into account density of states in the mobility slit of the hydrogenised amorphous silicon based on solution of kinetic equation and Poisson equation. The given system is solved using the large particles method.

The program package for simulation, making it possible to carry out a number of investigations into amorphous silicon structures and ASMH, was realized on the basis of the offered numerical-analytical model; as a result of these investigations the dependences of the main photoelectric characteristics on their design parameters were reviled.

Key words: amorphous silicon monocrystal heterostructures (ASMH), amorphous thin-film structure, photo converter, dispersion processes, numerical-digital model, large particles method.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Десятиріччя кінця XX століття ознаменувалися великомасштабними досягненнями в розробці, створенні, оптимізації оптичних, електричних параметрів і дослідженні фізичних явищ у напівпровідникових структурах на основі аморфного та гідрогенізованого кремнію (a-Si:Н) і в багатошарових структурах на основі гетеропереходів аморфного та монокристалічного кремнію (a-Si:Н)-(с-Si), що широко використовуються як матеріал для створення сонячних фотоперетворювачів енергії. Дослідження таких структур знаходиться на межі різних наукових напрямків, кожному з яких присвячена велика кількість наукових публікацій. Це роботи зарубіжних учених: Martin A. Green, Jianhua Zhao, C.B. Honsberg; учених із Росії: Ж.І. Алферова, О.А. Голікової, М.М. Казаніна; учених з України: В.Г. Литовченка, А.М. Горбаня, А.В. Саченка, В.І. Стріхі та ін.

Поліпшення параметрів фотоелектричного перетворювача можливе шляхом створення і застосування нових напівпровідникових матеріалів, а також за рахунок використання структур на основі вже освоєних, добрі відомих матеріалів. При цьому існує потреба в напівпровідникових структурах, що мають високу здатність фотоелектричного перетворення разом з низькою собівартістю виробництва. Важливість і своєчасність використання подібних структур безпосередньо пов'язана із зростаючим енергоспоживанням і тенденціями до переходу від традиційних енергоресурсів до поновлюваних, у тому числі, до сонячної енергії. Певні надії при вирішенні цієї проблеми покладаються на розвиток технології отримання фотоперетворюючих елементів на основі гетероструктур аморфний-монокристалічний кремній (ГАМК). Що розглядаються напівпровідникові ГАМК мають перспективні фотоперетворюючі параметри в комплексі з прийнятними технологічними витратами на виробництво. Недостатньо розробленими в теоретичному, експериментальному і технологічному планах є питання, пов'язані з фізикою процесів, що впливають на ефективність фотоперетворення енергії. У зв'язку з цим останнім годиною актуальним є вивчення фотоперетворюючих структур на основі ГАМК.

Проте відсутність поглибленого розуміння фізики процесу, що протікає у фотоперетворюючих структурах на основі ГАМК, робить необхідним проведення моделювання для вивчення процесів фотогенерації і струму перенесення з виведенням нерівноважних носіїв, що виникли в результаті фотогенерації, а також реалізацію експериментальної перевірки отриманих результатів моделювання.

Таким чином, питання теоретичного і експериментального дослідження фотоперетворюючих структур на основі ГАМК, спрямовані на поглиблене вивчення фізичних процесів у них, є важливими і актуальними.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Наукові дослідження дисертаційної роботи проводилися у рамках держбюджетних НДР "Тонкоплівкові фотовольтаїчні перетворювачі сонячної енергії" (№ 5.1.23Б), а також "ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ-2" і "СОЛАР", в яких здобувач був виконавцем, і які проводилися на кафедрі мікроелектроніки, електронних приладів і пристроїв згідно з тематичними планами НДР Харківського національного університету радіоелектроніки (ХНУРЕ).

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є теоретичне й експериментальне вивчення фотоелектричних характеристик фотоперетворюючої структури на основі ГАМК, збільшення ефективності процесів фотоперетворення в ній в комплексі з прийнятними технологічними витратами на виробництво.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити такі завдання:

- розробити чисельно-аналітичну модель для дослідження процесів струмоперенесення і фотоелектричного перетворення в структурах на основі ГАМК;

- провести теоретичні дослідження впливу режимів роботи і параметрів ГАМК на такі диференціальні характеристики в активній області фотоперетворюючих структур, як: щільність розподілу вільних носіїв і струмів, потоки енергії, питомий опір і їх залежності від температури, параметрів матеріалу і розмірів, а також такі інтегральні характеристики структури, як: струм, опір, ВАХ, коефіцієнт фотоперетворення;

- розробити методики експериментального отримання гетероструктур методом магнетронного напилення;

- виявити залежності фотопровідності структур на основі ГАМК від технологічних параметрів їх отримання.

Об'єктом досліджень є фізичні процеси фотогенерації і перенесення заряду у фотоперетворюючих структурах аморфний-монокристалічний кремній.

Предметом досліджень є дослідження оптимальних можливостей фотоперетворюючих гетероструктур на основі аморфного і монокристалічного кремнію.

Методи дослідження. Під час виконання дисертаційної роботи використовувалися методи теоретичного дослідження, включаючи метод великих часток для чисельно-аналітичного моделювання процесів струму перенесення в структурах на основі ГАМК і різницевий метод розв'язання рівнянь в окремих похідних, а також експериментальні методи, зокрема, метод магнетронного напилення плівок, метод дослідження високотемпературної провідності кремнієвих робочих шарів, метод ІЧ спектроскопії, оптичні і електронно- мікроскопічні методи для аналізу дефектів на поверхні структур з використанням комп'ютерних систем.

Наукова новизна отриманих результатів. Під час виконання дисертаційної роботи отримано такі результати:

1. Розроблено чисельно-аналітичну модель процесу перенесення носіїв у напівпровідникових структурах на основі ГАМК з урахуванням щільності станів у щілині рухливості гідрогенізованого аморфного кремнію, що дозволяє проводити розрахунки параметрів фотоперетворюючих структур.

2. Уперше на основі запропонованої чисельно-аналітичной моделі розроблено пакет програм моделювання аморфних напівпровідникових структур, який дозволяє в кінетичному наближенні проводити розрахунки характеристик аморфних фотоперетворюючих структур і структур на основі ГАМК, включаючи їх спектральні, температурні і вольт-амперні характеристики (ВАХ).

3. Отримано залежності між коефіцієнтом фотоелектричного перетворення і геометричними параметрами аморфних тонкоплівкових структур і визначено оптимальне значення товщини плівки, за якої досягається максимальне фотоелектричне перетворення.

4. Проведено порівняльний аналіз ВАХ аморфних структур і структур на основі ГАМК, який показав переваги використання ГАМК при фотоелектричному перетворенні.

Практичне значення отриманих результатів полягає в застосуванні розробленої чисельно-аналітичної моделі ГАМК для моделювання характеристик фото-перетворюючих структур. На основі модельних результатів уперше показано, що існує оптимальна товщина аморфного шару в ГАМК (близько 0,2…0,4 мкм), за якої фотострум досягає максимального значення. Це дозволяє використовувати розроблений пакет програм для створення фотоперетворюючих структур з оптимальними параметрами, а також визначення оптимальних технологічних режимів напилення аморфних тонкоплівкових структур і формування структур на основі ГАМК.

Набув подальшого розвитку метод магнетронного напилення структур на основі ГАМК з контролем технологічних циклів напилення і використанням іонного джерела для поліпшення структурних і електрофізичних властивостей досліджуваних фотоперетворюючих структур.

Результати, отримані в дисертаційній роботі, використовуються у навчальному процесі під час вивчення дисципліни "Матеріали мікро-електроніки та методи їх досліджень" на кафедрі мікроелектроніки, електричних приладів і пристроїв ХНУРЕ (акт впровадження від 31.08.2009р.).

Особистий вклад здобувача. У роботах, опублікованих із співавторами, здобувачеві належить: [1 - 4] - участь в дослідженнях, аналізі результатів і написанні робіт; [5,7,8] - розробка математичної моделі, розробка алгоритмів обчислень і програмного забезпечення, проведення чисельних розрахунків і аналіз отриманих результатів; [9, 10] - створення експериментальної установки, розробка методик і проведення експериментальних досліджень. У роботі [6] містяться результати досліджень, які були отримані автором особисто.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на щорічних професорсько-викладацьких конференціях Таврійського національного університету; міжнародних конференціях - IV-й Міжнародній конференції "Аморфні і мікрокристалічні напівпровідники" (Санкт-Петербург, 2004); 10th International Conference Nonolinear of Liquid and Photorefractive Crystals (October 3-8, 2004, Alushta Crimea, UKRANE); XIV International Symposium on Electrical Apparatus and Technologies ("SIELA 2005" 2-3 June, 2005, Plovdiv, Bulgaria); Міжнародній конференції "Функціональні матеріали" (3-8 жовтня 2005, Крим, Україна); Energy Forum, International Home of Scientists "F.J.Curie" "St. St. Constantine and Helena" - Seaside Resort (VARNA, Bulgaria, June 8-11, 2005); VI-й Міжнародній конференції "Вiдновлювана енергетика XXI столiття" (Крим, смт. Миколаївка 2005); 2-й Міжнародній науковій конференції "Електронна компонентна база. Стан і перспективи розвитку" (30 вересня - 3 жовтня 2009р. Крим, Кацивелі); 3-й Міжнародній науковій конференції "Електронна компонентна база. Мікро-, опто- і наноелектроніки" (30 вересня - 3 жовтня 2010р. Крим, Кацивелі). Тези доповідей опубліковані в Працях конференцій.

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи відображені у 18 роботах: 10 статей в науково-технічних виданнях з Переліку ВАК України [1 - 10] і 8 тез доповідей у матеріалах міжнародних науково-технічних конференцій [11 - 18]. З 10 статей 5 публікацій містяться в журналах з Переліку ВАК України з фізико-математичних наук і 5 - з технічних наук.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація включає вступ, чотири розділи, висновки, перелік посилань. Робота викладена на 150 сторінках, містить 49 рисунків. Перелік посилань містить 139 найменувань на 15 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі наведено загальну характеристику роботи, обґрунтовано її актуальність і доцільність проведення досліджень, вказано зв'язок з науковими програмами, сформульовано мету і завдання дисертаційної роботи, перераховано основні положення, що відображують наукову новизну і практичну значущість отриманих результатів, наведено інформацію про наукові публікації і апробацію результатів роботи на міжнародних конференціях.

У першому розділі "Сучасні методи дослідження фізичних явищ у гетероструктурах на основі аморфного та монокристалічного кремнію" проаналізовано сучасний стан теоретичних і експериментальних досліджень фотоперетворюючих структур на основі аморфних тонкоплівкових кремнієвих структур і ГАМК. Розглянуто основні характеристики і досягнення при створенні кремнієвих фотоперетворювачів. Проведено огляд технологій отримання і характеристик багатошарових структур на основі аморфного і монокристалічного кремнію. Проведено огляд існуючих моделей структур на основі ГАМК.

У першому розділі показано, що для досягнення поставленої в роботі мети необхідно досліджувати фотоелектричні властивості ГАМК. Для цього необхідно розробити модель, яка дозволити досліджувати вплив таких параметрів, як товщина окремих структур і їх порядок, концентрація домішок в структурах, температура, напруженість електричного поля на характер фотопровідності і властивості гетероперехіду.

У другому розділі "Модель струмоперенесення в гетероструктурі аморфного та монокристалічного кремнію" сформульовано конкретні завдання дисертаційної роботи, наведено чисельно-аналітичну модель струмоперенесення аморфних тонкоплівкових кремнієвих структур і ГАМК. У цьому розділі описано основні методи, алгоритми і наближення, використані під час розв'язання рівнянь моделі, подано результати апробації моделі.

Аналіз наближень, використовуваних при описі напівпровідникових структур і методів їх моделювання, показавши, що найбільшу ефективність для досягнення поставленої мети має кінетичне наближення, засноване на спільному рішенні рівняння Больцмана і Пуассона. Ця обставина зводиться в деру чергу до необхідності обліку процесів розсіяння і особливостей міжзонних переходів, пов'язаних з процесами генерації, рекомбінації і захоплення на пастки як рівноважних, так і нерівноважних носіїв у напівпровідникових структурах.

Вирішення поставленої задачі проводилося в кінетичному наближенні. При описі процесів перенесення носіїв у кремнії використовувалася модель монокристалічного кремнію, запропонована на кафедрі радіофізики та єлектроніки Таврійського національного університету ім. В. І. Вернадського, яка була доповнена і модифікована для опису провідності в аморфному кремнії.

Процес перенесення носіїв в аморфному кремнії описувався в термінах стрибкової провідності для неврегульованої системи з наявністю випадкового поля хаотично розташованих заряджених точкових центрів. Кінетичне рівняння цієї системи в нестаціонарному стані з урахуванням усіх основних процесів генерації і рекомбінації носіїв записувалося для функції розподілу носіїв у такому вигляді:

. (1)

Сила визначалася як градієнт потенціалу поля і знаходилася з розв'язку рівняння Пуассона

, (2)

де - швидкість носіїв заряду , - сила, діюча на заряд з боку зовнішнього електромагнітного поля й інших носіїв заряду, - інтеграл зіткнень, - щільність об'ємного заряду іонів кристалічної решітки в зразку, - щільність об'ємного заряду, створюваного вільними носіями струму. Функція випадкового поля, була використана у вигляді адитивної добавки до поля, отриманого з рівняння Пуассона, і подається у вигляді

, (3)

де - радіус екранування, - концентрація центрів, а - відстань між двома точками в зразку. Отже, провідність визначалася переходами носіїв між різними локалізованими станами.

Вірогідність розсіювань, що відповідають різним типам переходів, визначається через перерізи розсіяння. У цьому представленні генерація носіїв струму характеризується темпом оптичної генерації . Для інтерпретації фотопровідності використовувалися наступні моделі рекомбінації. Рекомбінація "зона - хвіст", рекомбінація "хвіст - обірваний зв'язок", рекомбінація "хвіст - хвіст".

Щільність станів у неврегульованому напівпровіднику при дорівнює

, (4)

Размещено на http://www.allbest.ru/

де , - енергія стану, - характерна довжина, роль якої грає радіус екранування.

Розрахунки проводилися для спрощеної моделі щільності станів у щілині рухливості, що складається з чотирьох дискретних рівнів (рис. 1). Рівні і з щільністю станів і - ефективні рівні хвоста валентної зони і зони провідності відповідно. Рівні і - енергетичні рівні станів обірваних зв'язків. Розглядалися стани хвостів зон як дрібні пастки, що знаходяться в термодинамічній рівновазі з найближчою зоною, тобто "пастки для дірок" і "пастки для електронів". Таке спрощене представлення щільності станів у щілині рухливості, не призводить до якісних змін результатів чисельного розрахунку. На рис. 1 показано вірогідні переходи, які враховувалися при розрахунках. Розглядалися два можливі канали рекомбінації: пряме захоплення вільних електронів і дірок на -центри (потоки , , і ) та тунельна рекомбінація між електронами, захопленими на стани хвоста зони провідності, і дірками, захопленими на стани хвоста валентної зони (). Збільшення щільності електронів у зоні провідності обумовлене оптичною генерацією і переходами , , . Зменшення щільності обумовлене переходами , і . Можна записати, що зміна концентрації електронів провідності дорівнює:

. (5)

Аналогічно записуються вирази для щільності дірок у валентній зоні і щільності заповнення рівнів , і . Ці співвідношення дозволяють визначити вірогідність генерації і рекомбінації носіїв, що входять в праву частину кінетичного рівняння. Наведена система рівнянь з урахуванням зазначених вище фізичних положень вирішувалася методом великих часток. У цьому розділі наведено структурну схему пакета програм для дослідження і аналізу фізичних процесів у розглянутих структурах.

У третьому розділі "Чисельне моделювання процесів струмо-перенесення в гетероструктурі аморфного та монокристалічного кремнію", наводяться і аналізуються результати чисельних розрахунків струму перенесення носіїв у структурах, використовуваних при фотоперетворенні. Розроблений на основі моделі пакет програм дозволивши провести комплекс чисельних експериментів з метою дослідження залежності ВАХ і ефективності фотоперетворення структур аморфного кремнію і структур на основі ГАМК від геометричних, технологічних і режимних параметрів.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Розрахунок проводився для структур a-Si:H-c-Si, окремі зразки яких були отримані експериментально методом магнетронного напилення. Результати розрахунків порівнювалися з характеристиками експериментальних зразків. Робочі зразки були двошаровими структурами з омічними контактами (рис. 2). Як підкладка використовувався монокристалічний кремній p-типу, на який напилювалася плівка аморфного гідро-генізованого кремнію n -типу.

Під час проведення розрахунків як параметри моделі використовувалися значення величин, отримані з експериментальних досліджень і літературних джерел. Ширина щілини рухливості приймалася рівною 1.8 еВ. Положення рівня Фермі відносно стелі валентної зони задавалося рівним 1.05 еВ. Для параметрів обірваних зв'язків отримали такі значення: і . Початковий темп фотогенерації приймався рівним , і . Концентрація рекомбінаційних центрів близько 2·10^-16 см^-3. На основі отриманої експериментально спектральної залежності коефіцієнта поглинання на частотах видимого спектра (рис. 3, а) розраховувався коефіцієнт оптичної генерації в області аморфного кремнію. Потім, під час розв'язання кінетичного рівняння з урахуванням процесів рекомбінації нерівноважних носіїв отримано залежності коефіцієнта проходження нерівноважних електронів і дірок від товщини плівки аморфного кремнію для різних значень напруженості електричного поля (рис. 3, б).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3. Спектральні залежності коефіцієнта поглинання світла в a-Si: H (а) і залежності вірогідності проходження вільних носіїв заряду від товщини аморфної структури при 1) E=3 кВ/см, 2) E=8 кВ/см, 3) E=20 кВ/см (б)

Розрахунок температурної питомої провідності плівок проводився для аморфного кремнію з різною мірою гідрування (рис. 4, а). Як видно з рис. 4, а, провідність аморфного кремнію зростає із збільшенням концентрації водню в робочій камері. Отримані результати моделювання добре узгоджуються з експериментальними даними.

Це свідчить про те, що в результаті напилення відбувається збагачення плівки аморфного кремнію воднем, який компенсує обірвані зв'язки. Аналіз залежності питомої провідності від напруженості зовнішнього поля в плівці на a-Si (рис. 4, б) показав що, по-перше, питома провідність залежить від товщини плівки, по-друге, при напрузі близько 3 - 5 кВ/см характер залежності провідності від напруженості поля змінюється.



Рис. 4. Температурна залежність розрахункової (суцільні лінії) і експериментальної (точки) питомої провідності a-Si плівок, отриманих магнетронним методом при концентрації водню: 1 - 10%, 2 - 30%, 3 - 40% (а) і залежність питомої провідності від напруженості зовнішнього поля a - Si плівок, завтовшки: 1 - 0.2 мкм, 2 - 0.1 мкм, 3 - 0.05 мкм (б)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Для порівняння ефективності ГАМК і структур аморфного кремнію скористалися такими характеристиками як ВАХ. Розроблений пакет програм дозволив чисельно отримати ВАХ досліджуваних зразків. Протягом чисельних експериментів з використанням запропонованої методики отримано світлові навантажувальні ВАХ для ГАМК (рис. 5, крива 1) при освітленні монохромним світлом з енергією кванта 1.85 еВ (0.67мкм) й інтенсивністю 10¹⁷ см^-2·с^-1 і структур аморфного кремнію, вирощених на склі з тими ж параметрами опромінення (рис. 5, крива 2). У разі освітленого переходу (рис. 5, крива 2) при негативній напрузі струм значно відрізняється від нуля. Збільшення зворотної гілки ВАХ у разі ГАМК пояснюється втягуванням електронів фотопровідності в p-область монокристалічного кремнію.

Порівняльний аналіз цих кривих на рис. 5 дозволяє встановити долю згенерованих носіїв у сумарному струмі. Використовуючи чисельно отримані ВАХ, проводився розрахунок ККД, при цьому вдалося досягти збільшення ефективності фотоперетворення 16% в ГАМК. З порівняння кривих на рис. 5 видно, що ефективність фотоперетворення в ГАМК вище в порівнянні з аморфною структурою.

У четвертому розділі "Експериментальні дослідження тонких плівок аморфного кремнію" наводяться дані експериментальних досліджень, що підтверджують результати чисельного моделювання напівпровідникових структур a-Si:H - c-Si і описується методика отримання експериментальних зразків. Для підтвердження адекватності розробленої моделі реальним фотоперетворюючим структурам у цьому розділі вирішено завдання отримання зразків для дослідження. Під час розв'язання цієї задачі розроблено методику отримання плівок методом магнетронного напилення, досліджено їх характеристики. На отриманих зразках проведений ряд експериментальних і аналітичних досліджень можливості зниження кількості обірваних зв'язків методом гідрування.

Напівпровідникові плівки a-Si:H було отримано на установці магнетронного напилення типу УРМ3.279.026, при тиску в робочій камері 10^-2 - 10^-3 Па, напрузі і струмі мішені - 500 - 650В і 1,5 - 2А. Залежно від режимів, швидкість зростання плівки складала 0,1 - 0,4 мкм/хв. Підкладки використовувалися на основі ситалу (ЩЕО 781 001 0У, ЩУ 7.817 002-15, Ст-50-1-1-0.6) і плоскопаралельного скла. Товщина скляних підкладок варіювалася від 0,1 до 5 мм при площах від 1 до 30 см². Для зняття електричних характеристик додатково наносилися симетричні алюмінієві омічні контакти з використанням масок, отримано робочі зразки з площею до 30 см².

Размещено на http://www.allbest.ru/

Довговічність структур на основі аморфного кремнію, і їх характеристики, багато в чому залежать від міри адгезії, якості підкладок, наявності дефектів. У зв'язку з цим, після нанесення плівок алюмінію і кремнію, доцільно було провести якісну оцінку отриманої поверхні досліджених структур. За фотографіями мікроструктур, які представлені на рис. 6,а і рис. 6,б і вивчалася зміна структурних частин зразків з розмірами менш ніж 0,5 мкм. Процес відшаровування обумовлений релаксацією внутрішньої напруги, що виникає між плівкою і підкладкою (рис. 6,в і рис. 6,г). У зразках на рис. 6,д і рис. 6,е спостерігається утворення бульбашкової структури а-Si:H. Усередині бульбашок знаходиться атомарний водень при високих тисках. Поява бульбашкової структури обумовлена різким зростанням швидкості ефузії водню з локальних областей з невеликим збільшенням температури в цих областях.

Збільшення діаметру бульбашок пов'язано із збільшенням концентрації водню від 30 до 40% в аргоново-водневій плазмі, як це наочно видно з порівняння (рис. 6,д, і рис. 6,е) спричиняє за собою підвищення значення коефіцієнта спектрального поглинання плівок a-Si:H. Отже показано, що структури, отримані при оптимальному співвідношенні водню в магнетронної камері, а саме при концентрації водню 30% і 40% в аргоново-водневій плазмі, є структури аморфного кремнію з необхідною мірою адгезії і достатньою якістю поверхні. За допомогою рентгенівського методу проводилося експеримен-тальне дослідження наявності фазово-однорідного рентгенівського фронту, що свідчить про стохастичне розташування атомів, тобто про аморфну структуру кремнієвої плівки.

Размещено на http://www.allbest.ru/



Впорядкованість атомарної структури плівок визначалася методом рентгенівської дифракції на модернізованій установці Дрон-3 з трубкою на мідному антикатоді при напрузі 32 кВ і струмі 30 мА. Запропонована схема дослідження тонкоплівкової структури на основі аморфного гідрогенізованого кремнію зображена на рис. 7, а. При падінні плоскої хвилі одиничної амплітуди на досліджувану плівку на екрані 1 (рис. 7, а), фіксуватиметься хвиля з комплексною амплітудою: a(о,з) ~T₁(о,з)+T₂(о,з)exp(-2рiзC₀). На екрані 1 фіксуватиметься хвиля з комплексною амплітудою:

a(о,з) ~T_k(о,з)+T₂(о,з)exp(-2рiзC₀). (6)

Пропускання екрана 1 буде пропорційне інтенсивності випромінювання:

t~T_-kT_j+T₂T₂^*+T₂T₂^*exp(2рiзC₀)T₂^*T₂exp(-2рiзC₀). (7)

Розглядаючи останній доданок, з урахуванням того, що Фур'є перетворювач 2 здійснює зворотне Фур'є перетворення, комплексна амплітуда хвилі на екрані 2 має вигляд: a(x,y) ~F^-1{T_kT_j^*T₂exp(-2рiзC₀)}, де символом F^-1 позначено зворотне перетворення Фур'є. Після перетворень цей вираз зводиться до вигляду: a(x,y) ~[t_k(x,y)¦ t_j(x,y)]t₂(х,у+С₀), де: ¦ - операція кореляції, - операція згортки. Якщо кожному атому плівки поставити у відповідність у - функцію Дірака, кореляційна функція в останньому виразі подається як:



[t_K(x,y)¦t_j(x,y)]=

(8)

Цей вираз відмінний від нуля тільки у тому випадку, коли k=j; отже, підсумовування за k знімається, і співвідношення може бути переписане у вигляді: a(x',y')~[t_k(x,y)¦t_j(x,y)]t₂(х,у+С₀). З виразу випливає, що якщо проходження світла крізь систему в площині екрана 2 вибрано, що функція автокореляції має максимум, то у вихідній площині х',у' екрана 2 сформується фазово - однорідний фронт.

Таким чином, наявність фазово-однорідного рентгенівського фронту на рис. 7, б однозначно свідчить про стохастичне розташування атомів плівки a - Si: H.

Рис. 8. Залежності величини фотоструму від товщини a - Si шару в гетероструктурі, при опроміненні світлом з довжиною хвилі 0.47 мкм; 1 - розрахункова, 2 - експериментальна

З метою апробації моделі, запропонованої в третьому розділі, для зразків з плівками завтовшки, що варіювалася від 0,1 до 0,8 мкм, було експериментально отримано залежність відносної величини фотоструму від товщини аморфної структури. Як видно з (рис. 8), доведено існування оптимальної товщини аморфного шару в ГАМК (0.2 … 0.4 мкм), за якої значення величини фотоструму максимальні. Ці дослідження були проведені для аморфних структур з різною мірою гідрування. Експериментальні і теоретичні дослідження показали, що при концентраціях водню 30% і 40% в аргоново-водневій плазмі, використовуваних в цьому експерименті, в камері, при порівнянні товщини a - Si, виявлено оптимальну товщину (0.2 … 0.4 мкм), за якої значення величини фотоструму максимальні, і не змінюються, від зміни концентрації водню.

Отже, в загальному випадку провідність a-Si залежить, як від технології отримання аморфної структури, структури речовини, так і від напруженості прикладеного зовнішнього поля, температури, товщини плівки.



ВИСНОВКИ

1. Розроблено чисельно-аналітичну модель процесу перенесення носіїв у напівпровідникових структурах на основі ГАМК з урахуванням щільності станів у щілині рухливості гідрогенізованого аморфного кремнію, що базується на загальному розв'язанні кінетичного рівняння і рівняння Пуассона та дозволяє проводити розрахунки характеристик фотоперетворюючих структур. Створений на основі запропонованої чисельно-аналітичної моделі пакет програм моделювання дозволив провести ряд досліджень аморфних кремнієвих структур і ГАМК, у результаті яких виявлено залежності основних фотоелектричних характеристик, таких як ефективність фотоперетворення, ВАХ від їх конструктивних параметрів.

2. Уперше показано, що існує оптимальна товщина аморфного шару в ГАМК (0.2 … 0.4 мкм), за якої фотострум досягає свого максимального значення. Встановлено вплив міри гідрогенізації на провідність a - Si.

3. Проведено порівняльний кількісний аналіз ВАХ аморфних структур і структур на основі ГАМК, який показав переваги використання останніх для фотоелектричного перетворення. Проводився розрахунок ККД в аморфних структурах і ГАМК, при цьому вдалося досягти ефективності фотоперетворення 14% в аморфних тонкоплівкових структурах і 16% в ГАМК.

4. У результаті подальшого розвитку методу магнетронного напилення аморфних структур з використанням іонного джерела виявлено оптимальні технологічні режими напилення. Проведено оптимізацію і досліджено вплив концентрації водню в середовищі з аргоново-водневою плазмою на електричні і фізичні характеристики при побудові структур аморфного кремнію і багатошарових структур на основі ГАМК.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Bykov М.А. Optical spectral characteristics of thin-film constructions on the basis of hydrogenated amorphous silicon/ М.А. Bykov, A.S. Mazinov / Proceedings of SPIE. - 2005. -V. 6023. - P. 60230Q1-60230Q9.

2. Bykov M.A. Research of spectral description films of amorphous hydrogenated silicon received by a magnetron method with the use of an ionic source/ N. I. Slipchenko, M.A. Bykov, A.S. Mazinov / Proceedings of SPIE. - 2008. - V. 7008. - P. 700811-1 - 700811-10.

3. Быков М.А. Изменение свойств аморфных кремниевых пленок в зависимости от концентрации водорода в плазме / М.А. Быков, А.С. Мазинов, Каравайников А.В // Учёные записки ТНУ. - 2006. - №10. - С.36 - 39.

4. Быков М.А. Исследование физических процессов в аморфных кремниевых пленках при различной концентрации водорода в плазме / М.А. Быков, А.М. Быков, А.С. Мазинов, Н.И. Слипченко // Вісник Сумського державного університету. Серія: фізика, математика, механіка. - 2008. - №1. - С.176 - 181.

5. Быков М.А. Модель токопереноса носителей в тонких фото-преобразующих пленках на основе a-Si:H / Н.И. Слипченко, М.А. Быков, А.М. Быков, С.А. Зуев, А.С. Мазинов, В.А. Бахов // Вісник Сумського державного університету. Серія: фізика, математика, механика - 2008. - №2. - С.151 - 156.

6. Быков М.А. Исследование влияния концентрации водорода на свойства пленок аморфного гидрогенизированного кремния полученных магнетронным методом / М.А. Быков // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2006. - №10. - С. 36 - 39.

7. Быков М.А. Модель фотогенерации и переноса носителей в структуре a-Si:H/c-Si / М.А. Быков, А.М. Быков, С.А. Зуев, А.С. Мазинов, Н.И. Слипченко, Д.А. Унжаков // Прикладная Радиоэлектроника - 2008. - №7(1). - С.71 - 77.

8. Быков М.А. Численно-аналитическая модель переноса носителей в фотопреобразователях на гетеропереходах a-Si:H - c-Si / Н.И. Слипченко, М.А. Быков, С.А. Зуев, А.С. Мазинов // Автоматизированные системы управления и приборы автоматики. - 2007. - №139. - С. 43 - 48.

9. Быков М.А. Использование модулей солнечных элементов на основе кристаллического кремния для систем кондиционирования воздуха / М.А. Быков, А.С. Мазинов, С.Л. Сулейманов // Строительство и техногенная безопасность. - 2005. - №10. - С. 189 - 193.

10. Быков М.А. Исследование рабочих режимов комплексной системы ВЭУ-ФЭП для автономного электроснабжения жилого дома котеджного типа / М.А. Быков, А.С. Мазинов, А.М. Быков, С.Л. Сулейманов // Строительство и техногенная безопасность. - 2007. - №18. - С. 157 - 163.

11. Быков М.А. Применение фотоэлектрических преобразователей для систем климатконтроля / М.А. Быков, А.С. Мазинов, С.Л. Сулейманов // Ученые записки КГПИУ. - 2006. - №6. - С. 67 - 70.

12. Bykov M.A.. Structural and optical features of state-of-the-art industrial solar cells and units on their basis / M.A.Bykov., A.A.Mazinov, A.M.Bykov. // Technologies For Future Generations. International Home of Scientists «F.J.Curie» «St. St. Constantine and Helena». -Seaside Resort. - Varna. -2005. - P. 309-312.

13. Bykov M.A. Optoelectronics priperties of hydrogenated amorphous films/ A.S. Mazinov, M.A. Bykov, A.V. Karavainikov // Abstracts of International Conference “Functional Materias” (ICFM-2005). - Партенит, 2005. - С.296.

14. Быков М.А. Оптические характеристики аморфных тонкопленочных структур / М.А. Быков, А.С. Мазинов // Сборник трудов IV Международной конференции «Аморфные и микрокристаллические полупроводники» - Санкт-Петербург, 2004. - С.75-76.

15. Быков М.А. Рациональное использование нетрадиционных и возобновляемых источников энергии на примере современных промышленных солнечных элементов на основе кристаллического кремния / М.А. Быков, А.С. Мазинов, А.М. Быков // Матеріали VI Міжнародної конференції «Відновлювана енергетика XXI століття». - АР Крим, смт. Миколаївка, - 2005. - С.68-71.

16. Быков А.М. Контроль качества сварных швов при использовании поляриметрических и голографических методов / В.А. Санченко, А.М. Быков, М.А. Быков // Труды I Международной научно-практической конференции «Защита окружающей среды, здоровье, безопасность в сварочном производстве». - Одесса, 2002. - С.671-675.

17. Быков М.А. Оптимизация оптоэлектронных характеристик гетероструктур на основе аморфного и кристаллического кремния / М.А. Быков, Н.И. Слипченко, С.А. Зуев, И.Ю. Герчио // Сборник научных трудов 2-й Международной научной конференции «Электронная компонентная база. Состояние и перспективы развития». - Кацивели. - 2009. - С.40-43.

18. Быков М.А. Модель токопереноса в гетероструктуре аморфный-монокристаллический кремний / Быков М.А., Слипченко Н.И., Зуев С.А. // Сборник научных трудов 3-й Международной научной конференции «Электронная компонентная база. Микро-, Опто и наноэлектроники» - Харьков-Кацивели. - 2010. - С.245-247.

Размещено на Allbest.ru