Научная статья на тему 'Фоточувствительность резисторов на основе пленок поликристаллического кремния'

Фоточувствительность резисторов на основе пленок поликристаллического кремния Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

102
19
Поделиться

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Сеченов Д. А., Мамиконова В. М., Черников А. В.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Текст научной работы на тему «Фоточувствительность резисторов на основе пленок поликристаллического кремния»

Секция микроэлектроники и технологии больших интегральных схем

УДК 621.315.592

Д.А. Сеченов, В.М. Мамиконова, A.B. Черников

ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ РЕЗИСТОРОВ НА ОСНОВЕ ПЛЕНОК ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ

Создание солнечных элементов (СЭ) — один из перспективных путей перехода человечества к экологически чистому производству энергии. Кроме экологичности, это направление привлекательно и благодаря простоте преобразования энергии солнечного излучения в электрическую, относительно большой долговечности и минимуму затрат на обслуживание.

В настоящее время развитие солнечной энергетики идет по двум направлениям: повышение КПД солнечных преобразователей и снижение их себестоимости. Исследуемый в данной работе поликремний (ПК)

- подходящий для этой цели материал, поскольку имеет небольшую по сравнению с многими материалами стоимость, обладает высокой относительно монокремния поглощательной способностью. Существует много способов формирования пленок ПК, благодаря чему возможно создание слоев ПК с хорошо управляемыми в широком диапазоне значений параметрами (степень легирования, проводимость, зернистость и т.д.). Наконец, по ширине запрещенной зоны (1,2—1,4 эВ) ПК хорошо согласуется с максимумом спектра солнечного излучения.

ПК представляет собой материал, состоящий из разориентирован-ных относительно друг друга монокристаллических зерен (кристаллитов) примерно одного размера, разделяемых прослойками аморфоподобного кремния. Межзеренная граница содержит большое число "оборванных” связей, представляющих собой для кремния n-типа акцепторные состояния, которые заряжаются отрицательно, захватывая электрон из зоны проводимости монокристаллического зерна, вызывая появление обедненного слоя и присущего ему потенциального барьера типа Шоттки. Глубина проникновения обедненной области в зерно определяется диффузионной длиной носителей.

С точки зрения применимости пленок для преобразования солнечной энергии в электрическую наиболее подходит ПК промежуточной степени легирования, обеспечивающей возникновение барьера на границе зерен, но недостаточной для возникновения надбарьерной эмиссии.

В работе исследовались планарные пленки ПК n-типа проводимости, изготовленные в виде резисторов прямоугольной формы в процессе эпитаксиального выращивания монокристаллических пленок на локально маскированных кремниевых подложках р-типа проводимости. Удельное сопротивление монокристаллической области составляло 0,5 Ом*см, толщина пленки 5 мкм, средний размер зерна - 0,5 мкм.

Секция микроэлектроники и технологии больших интегральных схем

В данной работе измерялись ВАХ в темноте и при освещении (3000 лк). Исследовались зависимость ВАХ-пленок ПК от их геометрических размеров, а также влияние на ВАХ электроформовки и импульсного термоотжига (ИТО) некогерентным ИК-излучением. Результаты измерений интерпретировались с помощью общепринятых моделей и данных, полученных нами ранее [1-4].

ВАХ исходных пленок ПК, измеренные в темноте, содержат линейный участок (до 1-2 В), который затем переходит в экспоненциальный и субэкспоненциальный. При напряжениях порядка 20 В характеристика принимает квадратичный характер.

При освещении значения тока возрастают. Наибольший рост тока

- примерно в 4 раза - при малых напряжениях, а при больших — снижается вследствие насыщения фототока. При малых напряжениях вместо экспоненциального наблюдается суперэкспоненциальный участок, затем хорошо заметный перегиб ВАХ в точке насыщения фототока, вызванный возвращением к экспоненциальной зависимости. Остальные же участки ВАХ сохраняются.

■ Особенный интерес вызывает появление на начальном участке ВАХ при освещении небольшой асимметрии диодного типа (коэффициент выпрямления не более 2-х) и смещение ВАХ при малых напряжениях в 4-ый квадрант. Таким образом, на исходной пленке ПК проявляется фотогальванический эффект.

Исследования зависимости ВАХ от геометрии ПК-структур показали, что, как и следовало ожидать, при равных напряжениях ток пропорционально зависит от ширины и, вследствие нелинейности ВАХ, обратно пропорционально - от некоторой показательной функции длины пленки. В то же время, измерения показали, что ток короткого замыкания 1кз пропорционален ширине, а напряжение холостого хода 11хх — длине пленки.

В результате воздействия на пленки ИТО или электроформовки была получена четкая асимметрия диодного типа (коэффициент выпрямления 10 и 40, соответственно) уже темновой ВАХ. При освещении ВАХ смещалась в 4-ый квадрант, а полученные 11хх и 1кз, особенно для пленок, подвергнутых электроформовке, намного превосходили аналогичные значения для исходных пленок (для ПК-структур с размерами 40*400 мкм - 50 мВ и 7 мкА для исходных и 400 мВ и 40 мкА - для формованных пленок, соответственно). Зависимость от геометрии ихх и 1кз пленок после ИТО и электроформовки аналогична исходным пленкам.

Поведение ВАХ при различных напряжениях хорошо интерпретируется в рамках модели бикристалла с межгранульными барьерами типа Шоттки в приближении диффузионной теории [1]. Квадратичный характер зависимости при высоких напряжениях указывает на то, что проводимость в высоких полях определяется током, ограниченным пространственным зарядом (ТОПЗ).

Интерпретация полученных ВАХ по методике [2] позволяет определить ток насыщения 1э, который для исходных ПК-пленок с размерами 40*400 мкм составил 3 мкА для темновой ВАХ и 9 мкА - для световой. После электроформовки были получены значения 1б: 14 мкА и 84 мкА, соответственно.

Высота межгранульного барьера при нулевом напряжении вычислялась в предположении барьера типа Шоттки с использованием полученных ранее токов насыщения. Для исходных пленок были получены

значения 0,42 и 0,44 эВ в темноте и при освещении, соответственно, а для формованных пленок, соответственно, — 0,37 и 0,39 эВ.

Таким образом, при освещении барьер на границе зерна возрастает из-за захвата избыточных носителей на ловушки, что косвенно подтверждает наличие незаполненных состояний на границе зерна. После электроформовки снижение высоты барьера объясняется пробоем отдельных барьеров не только против, но и по направлению протекания формующего тока.

Воспользовавшись имеющимися из ранних работ данными о концентрации носителей (электронов) в зерне 1,5*10е14 см'3 [3] и их подвижности 39 см*см/(В*с) [4], из выражения для тока насыщения 1з можно определить плотность заполненных поверхностных состояний границы зерен №. Для исходной пленки в темноте и при освещении значения N5 составили 4*10е9 и 1*10е10 см'2, соответственно, а после электрофор-{ЛОВКИ - 6*10е9 и 4*10е10 СМ'2.

Таким образом, при освещении пленок ПК № увеличивается за счет захвата неравновесных носителей, что ведет к росту межгрануль-ного барьера. Рост Ыэ после электроформовки обусловлен, по-видимому, повышением концентрации свободных носителей в результате исчезновения барьера на одной стороне зерна.

КПД отформованной пленки ПК с геометрическими размерами 40* *400 мкм, полученный при АМ1,5 и коэффициенте заполнения около 0,5, лежит в пределах 4-7 %.

Из вышеизложенного следует, что все фотоэлектрические параметры пленок ПК определяются их микроструктурой, концентрацией свободных носителей и геометрией элемента.

Полученные результаты позволяют утверждать, что путем подбора технологических режимов изготовления и дальнейшей обработки на основе пленок ПК можно получать СЭ с достаточно высоким КПД и низкой себестоимостью.

ЛИТЕРАТУРА

1. Голъдман Е.И., Ждан А.Г. Электропроводность полупроводников с межгрануль-ными барьерами // Физика и техника полупроводников, 1976, № 10. С. 1839.

2. Голъдман Е.И., Гуляев И.Б., Ждан А.Г., Сандомирский В.Б. Полевые характеристики электропроводности полупроводниковых пленок, содержащих межгрануль-ные барьеры // Физика и техника полупроводников. 1976, № 11. С. 2089.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

3. Касимов Ф Д-, Абдуллаев А.Г., Ветхое В.А., Мамиконова В.М. Исследование распределения концентрации носителей заряда в объеме и на границах зерен поликристаллического кремния методом С-У характеристик И Диэлектрики и полупроводники. К.: Вища школа, 1985. № 28. С. 64.

4. Касимов Ф.Д., Кучис Е.В., Мамиконова В.М., Пяткунас М.А., Асадов Х.А. Исследование механизма переключения пленок поликристаллического кремния с помощью эффекта Холла // Литовский физический сборник, 1990. №1. С. 67.