CC BY
107
УДК 621.315.592
Д.В. Алмазов, А.В. Алпатов, Ю.В. Воробьёв, С.А. Кострюков, В.Г. Мишустин ИССЛЕДОВАНИЕ БАРЬЕРНЫХ СТРУКТУР НА ОСНОВЕ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ НЕУПОРЯДОЧЕННЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ
Исследуются контактные явления в барьерных структурах и фотоэлектрических преобразователях на основе наноструктурированных неупорядоченных полупроводников. Эффект Стеблера - Вронского приводит не только к ухудшению транспортных свойств полупроводника, но и к перераспределению контактного поля и ухудшению собирания фотогенерированных носителей. Таким образом, деградация приборов обусловлена не только возникновением фотоиндуцированных дефектов, но и их влиянием на контактные явления в наноструктурированных неупорядоченных полупроводниках.
барьерные структуры, контактные явления, наноструктурированные неупорядоченные полупроводники, модифицированный времяпролетный метод
Введение
Неупорядоченные полупроводники получили широкое распространение как в экспериментальной, так и в прикладной физике. Одной из областей их применения является оптоэлектроника (детекторы жесткого ионизирующего излучения, фотоэлектрические датчики, солнечные элементы и т.д.). Однако проблемой фотоэлектрических датчиков на основе неупорядоченных полупроводников остается нестабильность их электрофизических характеристик. Одна из причин этого состоит в генерации фотоиндуцированных дефектов в материале под действием света - эффект Стеблера - Вронского [8].
Наиболее распространенным оптоэлектронным материалом является аморфный гидрогенизированный кремний (a-Si:H) и сплавы на его основе (a-SiC:H, a-SiGe:H). Оптические и электрические характеристики a-Si:H определяются плотностью состояний в запрещенной зоне и ее распределением по энергии, а также от содержания кристаллической фазы в аморфной матрице [9]. Наличие непрерывного по энергии спектра плотности состояний в a-Si:H обусловливает отличия контактных явлений в этом материале от кристаллического кремния. Поскольку контакт металл - полупроводник (полупроводник - полупроводник) присутствует в фотоэлектрических датчиках как в качестве активного элемента (барьерная структура), так и в качестве омического контакта, исследование контактных явлений в a-Si:H - актуальная научная и прикладная задача.
Цель данной работы состоит в определении влияния эффекта Стеблера -Вронского на процессы деградации параметров фотоэлемента с учетом контактных явлений в барьере металл - полупроводник в зависимости от параметров контактирующих материалов (работа выхода, плотность состояний вблизи уров-
ня Ферми и т.д.). Задачей эксперимента является измерение распределения напряженности и электростатического потенциала контактного электрического поля в тонкопленочной барьерной структуре на основе а^і:Н.
Методика эксперимента
В данной работе для экспериментального исследования распределения напряженности внутреннего электрического поля в барьерной структуре используется модифицированный времяпролетный метод (МВПМ) [3]. На рисунке 1 проиллюстрирован физический принцип МВПМ-измерений. Суть метода заключается в измерении коэффициента собирания носителей заряда, генерированных коротким импульсом монохроматического света, в зависимости от напряжения внешнего электрического поля. С целью повышения точности измерений импульс внешнего напряжения (2) прикладывается навстречу внутреннему полю (1). В результате в структуре устанавливается суммарное поле (3), для которого в точке (хс) электростатический потенциал имеет минимум, а его напряженность (В) равна нулю.
Поскольку время максвелловской релаксации в неупорядоченных полупроводниковых материалах достаточно велико (вплоть до 103 с), то внутреннее поле (В) в них не успевает перераспределяться и может быть определено по величине внешнего поля, при котором коэффициент собирания заряда равен нулю [10]:
(1)
ф(х)
V
0
сі
Рис. 1. Иллюстрация физического принципа МВПМ-измерений:
1 - потенциал внутреннего электрического поля; 2 - потенциал внешнего поля; 3 - суммарный потенциал
Координата (хс), в которой измеряется напряженность поля, рассчитывается через значения толщины экспериментальной структуры (й) и коэффициента оптического поглощения (а) на данной длине волны [4]:
х.
1 - ехр
с Л
= ехр(-ай )(й - хс)
1 - ехр
с Л.
(2)
При изменении длины волны падающего света и соответственно коэффициента оптического поглощения (а) изменяется координата (хс), в которой внешнее поле компенсирует внутреннее, и таким образом измеряется распределение напряженности внутреннего электрического поля по толщине исследуемой барьерной структуры.
Функциональная схема экспериментально-измерительного комплекса представлена на рисунке 2. Технически МВПМ реализуется следующим образом. Электрическое поле подается от генератора прямоугольных импульсов (1), управляемого ЭВМ (10). Спустя время задержки ^е1, которое выбирается из условия ткс < ^е1 < тге1, где ТкС - постоянная времени прецизионного дифференциального интегрирующего усилителя (8), тге1 - время максвелловской релаксации или время перераспределения поля в структуре из-за инжекции или других механизмов, запускается высоковольтный источник питания (2) и срабатывает импульсная лампа-вспышка (3). Монохроматором МДР-23 (4) выбирается нужная длина волны освещения. Часть светового импульса отводится с помощью полупрозрачного зеркала (5) на блок регистрации и контроля интенсивности освещения (6), другая часть попадает в измерительную ячейку (7) и освещает исследуемую структуру. Ток фотогенерированных носителей интегрируется с помощью прецизионного дифференциального усилителя (8), и измеряемый сигнал поступает в ЭВМ с помощью схемы сопряжения (9). Выполнение условия Тк.с < ^е1 < тге1 проверяется экспериментально. Амплитуда внешнего электрического поля подбирается такой, что суммарный заряд, протекающий во внешней цепи, равен нулю. Напряженность поля определяется по формуле (1), а координата, в которой она измеряется, рассчитывается по формуле (2).
Рис. 2. Функциональная схема экспериментально-измерительного комплекса МВПМ
В качестве объектов исследований были выбраны образцы нанострукту-рированного аморфного гидрогенизированного кремния (nc-a-Si:H ) как «типичного» представителя полупроводниковых материалов этого класса. Содержание кристаллической фазы в аморфной матрице изменяется от 5 до 40 процентов в зависимости от условий его получения [6]. Образцы представляют собой тонкопленочную барьерную структуру с сэндвич-конфигурацией электродов, нанесенную на стеклянную подложку с прозрачным проводящим покрытием ТСО (Transparent Conductive Oxide) (рис. 3 а).
а б
Рис. 3. Барьерная структура на основе пс-а^і:Н: а) структура образца; б) топология поверхности пленки пс-а^і:Н
Результаты и обсуждение
Для экспериментального измерения распределения напряженности электрического поля (F) с помощью МВПМ для каждой исследуемой структуры необходимо определять спектральную зависимость коэффициента оптического поглощения (а) и толщину полупроводниковой пленки (d) [3]. Спектральная зависимость (а) определялась с помощью спектрофотометра СФ-26. Толщина пленки nc-a-Si:H и топология ее поверхности исследовались с помощью атомносилового микроскопа Solver-Pro (рис. 3 б) [6]. Эти измерения проводились на пластинах-спутниках, не имеющих слоя ТСО и металлизации.
Результаты измерений напряженности внутреннего электрического поля в барьерных структурах на основе nc-a-Si:H представлены на рисунке 4. По этим результатам рассчитано распределение электростатического потенциала (рис. 5). Экспериментальные образцы представляют собой структуры с барьером Шоттки (обозначены буквой (а) на рисунках 4 и 5) и p-i-n структуры (обозначены буквой (б) на тех же рисунках) [5].
Анализ экспериментальных результатов показал, что напряженность электрического поля в барьерных структурах на основе nc-a-Si:H так же, как и для c-Si, достигает своего максимального значения вблизи границы раздела металл -полупроводник (полупроводник - полупроводник), но в отличие от c-Si перераспределяется по ширине области пространственного заряда. Это приводит к тому, что профиль барьера «утончается», вследствие чего становится возможным квантово-механическое туннелирование носителей заряда сквозь барьер. В результате эффективная высота потенциального барьера понижается, причем это понижение тем заметнее, чем больше плотность состояний в щели подвижности полупроводника [5].
Рис. 4. Распределение напряженности контактного поля в пс-а^і:Н: а) структура с барьером Шоттки, б) р-і-п структура
ф(х). В
ЧНл). В
Рис. 5. Распределение электростатического потенциала в nc-a-Si:H: а) структура с барьером Шоттки, б) р-і-п структура
Зависимость эффективной высоты потенциального барьера от величины плотности состояний может как негативное влияние на характеристики приборов, так и положительное практическое применение в приборостроении. В частности, описанный эффект лежит в основе предложенного способа создания омических контактов к неупорядоченным полупроводникам за счет создания дополнительных дефектов в полупроводниковой пленке в прикон-тактной области [1].
Негативное влияние такой зависимости является одним из проявлений эффекта Стеблера - Вронского и заключается в деградации фотоэлектрических
преобразователей на основе неупорядоченных полупроводников при длительном освещении. Возникновение дополнительных фотоиндуцированных дефектов, с одной стороны, приводит к ухудшению транспортных свойств полупроводника, а с другой - служит причиной перераспределения встроенного контактного поля и, как следствие, уменьшения коэффициента собирания фотоге-нерированных носителей. На рисунке 6 представлены расчетные зависимости коэффициента собирания фотогенерированного заряда (G) от внешнего приложенного напряжения (U) в барьерной структуре Al - nc-a-Si:H без учета (1) и с учетом (2) дополнительных потерь из-за перераспределения встроенного контактного поля [2].
t і, ЄД.
1
0,9 0,8
0,7 0,6 0,5
О 0,5 1,0 ],5 2,0
и, В
Рис. 6. Зависимость коэффициента собирания фотогенерированного заряда в структуре Al - nc-a-Si:H в зависимости от приложенного напряжения
Одним из технологических методов повышения эффективности и стабильности фотодатчиков и фотоэлектрических преобразователей на основе a-Si:H и его сплавов является введение в аморфную матрицу микро- и нанокри-сталлических включений кремния (^c-a-Si:H, nc-a-Si:H). Это позволяет принципиально улучшить электрофизические и эксплуатационные характеристики a-Si:H и приборов на его основе [8]. На рисунке 7 показана зависимость нормированного коэффициента заполнения (FF) вольт-амперной характеристики как функция от времени воздействия прямого электрического поля для однопереходных фотоэлектрических преобразователях на основе a-Si:H, a-SiGe:H и nc-a-Si:H. Из рисунка видно, что фотоэлектрический преобразователь на основе nc-a-Si:H практически не меняет своих характеристик при данном виде воздействия. Такая стабильность объясняется в рамках модели «встречно включенных барьеров» (back-to-back diode model), предложенной в работе [11]. Ее суть заключается в том, что на границах раздела нанокристаллических включений и аморфного кремния возникают гетеропереходы. Контактное поле таких барьеров затягивает фотогенерированные носители, так что рекомбинация происходит не в аморфной пленке, а на границах раздела. Это позволяет избежать появ-
ления дополнительных фотоиндуцированных (электроиндуцированных) дефектов в пленке а^:Н, что улучшает стабильность материала.
РГпУРРи
Рис. 7. Зависимость нормированного коэффициента заполнения вольт-амперной характеристики от времени воздействия прямого напряжения для однослойных фотоэлектрических преобразователей [11]
Таким образом, модификация а^:Н и родственных ему материалов за счет нанокристаллических включений позволяет получить более стабильный по сравнению с а^:Н материал с требуемыми фотоэлектрическими параметрами. Поскольку пс-а^:Н изготавливается на том же оборудовании, что и а^:Н, он обладает хорошей с ним технологической совместимостью, а наличие нанокристаллических включений в аморфной пленке позволяет стабилизировать как транспортные свойства полупроводника, так и свойства контактов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Авачёв, А.П. Способ создания омических контактов в тонкопленочных устройствах на аморфных нелегированных полупроводниках [Текст] : патент РФ № 2392688 / А.П. Авачёв [и др.] ; заявитель и патентообладатель Федеральное агентство по образованию Г осударственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Рязанский государственный радиотехнический университет - № 2009118861/28 ; заявл. 20.05.2009 ; опубл. 20.06.2010.
2. Вихров, С.П. Коэффициент собирания фотогенерированных носителей заряда в тонкопленочных структурах на основе неупорядоченных полупроводников [Текст] / С.П. Вихров [и др.] // Аморфные и микрокристаллически полупроводники : сб. тр. V Междунар. конф. - СПб. : Изд-во Политехн. ун-та, 2006. - С. 165-166.
3. Вихров, С.П. Разработка фундаментальных основ времяпролетного метода исследования некристаллических полупроводников [Текст] : отчет о НИР 2-05Г /
С.П. Вихров [и др.] ; рук. С.П. Вихров ; РГРТУ. - Рязань, 2007. - 52 с. - № ГР 01200501803.
4. Вихров, С.П. Формирование потенциальных барьеров в нелегированных неупорядоченных полупроводниках [Текст] / С.П. Вихров [и др.] // Физика и техника полупроводников. - 2005. - Т. 39. - Вып. 10. - С. 1189-1194.
5. Мишустин, В.Г. Исследование влияния локализованных состояний на распределение пространственного заряда в барьерных структурах на основе неупорядоченных полупроводников [Текст] : дис. ... канд. физ.-мат. наук. - Рязань, 2008. - 185 с.
6. Уточкин, И.Г. Исследование структурных и электрофизических характеристик пленок на основе a-Si:H, полученных в плазме НЧ разряда [Текст] : дис. ... канд. физ.-мат. наук. - Рязань, 2005. - 171 с.
7. Чопра, К. Тонкопленочные солнечные элементы [Текст] / К. Чопра, С. Дас. -М. : Мир, 1986. - 440 с.
8. Guha, S. High-Efficiency Amorphous Silicon Alloy Based Solar Cells and Modules [Text] / S. Guha, J. Yang // Final Technical Progress Report / United Solar Ovonic Corporation. - Troy (Michigan), 2005. - 130 p.
9. Wronski, C.R. Intrinsic and light induced gap states in a-Si:H materials and solar cells - effects of microstructure [Text] / C.R. Wronski [et al.] // Thin Solid Films. - 2004. -N 451-452. - P. 470-475.
10. Wyrsch, N. Electric field profile in ^c-Si:H p-i-n devices [Text] / N. Wyrsch [et al.] // Proc. of the 11th European PVSEC. - Montreux, 1992. - P. 742-747.
11. Yue, G. Metastability in Hydrogenated Nanocrystalline Silicon Solar Cells [Text] / G. Yue [et al.] // Mat. Res. Soc. Symp. Proc. - 2006. - Vol. 910. - P. A-02-01 - A-02-12.
