Радиационная стойкость кремниевых наноструктурированных фотовольтаических элементов, полученных в компрессионной плазме Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Доклады БГУИР

2013 № 2 (72)

УДК 539.2:533.9

РАДИАЦИОННАЯ СТОЙКОСТЬ КРЕМНИЕВЫХ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ ФОТОВОЛЬТАИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ, ПОЛУЧЕННЫХ В КОМПРЕССИОННОЙ ПЛАЗМЕ

ВВ. УГЛОВ1, Н.Т. КВАСОВ2, В.М. АСТАШИНСКИЙ3, Ю.А. ПЕТУХОВ2, А.М. КУЗЬМИЦКИЙ3, И.Л. ДОРОШЕВИЧ2, С В. ЛАСТОВСКИЙ4

1 Белорусский государственный университет Независимости, 4, Минск,220080, Беларусь

2Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники П. Бровки, 6, Минск,220013, Беларусь

3Институт физики им. Б.И. Степанова НАНБ Независимости, 70, Минск, 220072Беларусь

4Научно-практический центр НАНБ по материаловедению, Минск, Беларусь П. Бровки, 19, Минск, 220072, Беларусь

Поступила в редакцию 10 сентября 2012

Приводятся результаты исследований фотовольтаического эффекта, впервые обнаруженного авторами в легированном кремнии после облучения импульсами компрессионной плазмы. Определены оптимальные режимы обработки, обеспечивающие максимальное значение фотоЭДС. Установлены зависимости фотоЭДС от дозы облучения высокоэнергетическими электронами.

Ключевые слова: фотовольтаический эффект, кремний, радиационные дефекты, компрессионная плазма.

Введение

Явление возникновения фотоиндуцированной электродвижущей силы (фотоЭДС) в полупроводниковых образцах при облучении светом состоит в формировании в их структуре определенной разности потенциалов £/ф .

Полная фотоЭДС в этом случае может быть записана следующим образом: П ¿п_П ф

и ¿Лфс-р_ЖсЬса (1)

где Д и Б - коэффициенты диффузии электронов и дырок; цп и ц - их подвижности, соответственно; п и р - концентрации носителей заряда.

При освещении однородных полупроводников фотоЭДС возникает за счет существенного различия коэффициентов диффузии электронов и дырок. Разделение носителей заряда при освещении светом может быть обеспечено также встроенными электрическими полями. Так, в неоднородных полупроводниках объемная фотоЭДС обусловлена формированием внутреннего электрического поля из-за наклона энергетических зон относительно уровня Ферми. Фотоэлектроны и фотодырки разделяются этим полем, создавая разность потенциалов. Имеет место,

также, возникновение поверхностной фотоЭДС, связанной с наличием вблизи поверхности потенциального барьера. Наиболее широко используется способ получения фотоЭДС с помощью р-п-переходов, сформированных в приповерхностном слое полупроводника. Сегодня это, как правило, многослойные сложные гетероструктуры.

Нами фотовольтаический эффект был обнаружен в кремниевых образцах р- и п- типа, облученных компрессионной плазмой [1].

Методика проведения эксперимента и результаты исследований

Для исследований закономерностей формирования фотоЭДС в кремнии, облученном компрессионной плазмой, использовались образцы монокристаллического кремния различных кристаллографической ориентации, типа и концентраций примеси: КЭФ-20; КДБ-0,3; КДБ-10; КДБ-12. Облучение плазмой производилось при различных значениях напряжения на электродах ускорителя плазмы, что позволяло менять ее энергию и, соответственно, структуру модифицированного приповерхностного слоя кремния. На рис. 1-3 приведены полученные методом Оже-электронной спектроскопии распределения элементов в образцах для различных концентраций примеси бора и режимов обработки. Глубина проникновения азота и кислорода в объем кремния не превышает 100 нм. Проведен рентгеноструктурный анализ модифицированных слоев кремния.

Результаты замеров фотоЭДС облученных плазмой образцов сведены в табл. 1-4.

24 36

Время обработки, с

Рис. 1. Распределение элементов в поверхностном слое кремния (КДБ-0,3), обработанного компрессионным плазменным потоком воздуха (13 Дж/см2, 1 импульс)

1ии 90

70 /** а

60

50-

40

30

20

10 N

и

48

(¡0

14 36

Время оораооткгт с

Рис. 2. Распределение элементов в поверхностном слое кремния (КДБ-0,3), обработанного

2

компрессионным плазменным потоком воздуха (13 Дж/см , 3 импульса)

12 24 36 48

Время обработки, с

Рис. 3. Распределение элементов в поверхностном слое кремния (КДБ-12), обработанного компрессионным плазменным потоком воздуха (13 Дж/см2, 1 импульс)

№ образца Напряжение и, 103 В Число импульсов Давление, Па Расстояние до образца, 10-2 м Рабочий газ ФотоЭДС, иф, 10-3 В

1 4,0 1 400 12 воздух 270-290

2 4,0 3 400 12 воздух 300

3 2,5 1 400 12 водород 210-300

4 2,7 1 400 12 водород 300-380

5 3,0 1 400 12 водород 250-295

6 3,5 1 400 12 водород 200

Таблица 2. Значения фотоЭДС в образцах легированного кремния КДБ-10

№ образца Напряжение и, 103 В Число импульсов Давление, Па Расстояние до образца, 10-2 м Рабочий газ ФотоЭДС, иф, 10-3 В

1 4,0 1 400 12 воздух 280

2 4,1 1 400 12 азот 170

3 4,3 1 400 12 азот 280-334

Таблица 3. Значения фотоЭДС в образцах легированного кремния КДБ-12

№ образца Напряжение и, 103 В Число импульсов Давление, Па Расстояние до образца, 10-2 м Рабочий газ ФотоЭДС, иф, 10-3 В

1 4,0 1 400 12 воздух 130-170

2 2,7 1 400 12 водород Центр: до 200, Периферия: 10-60

Таблица 4. Значения фотоЭДС в образцах легированного кремния КЭФ-20

№ образца Напряжение и, 103 В Число импульсов Давление, Па Расстояние до образца, 10-2 м Рабочий газ ФотоЭДС, иф, 10-3 В

1 4,0 1 467 12 воздух 60

2 3,4 1 467 12 водород 1-2

Исследования оптической микроскопией показали, что фотоЭДС индуцируется как в образцах с развитым микрорельефом и цилиндрическими структурами, так и в образцах с гладкой поверхностью. Кроме того, наноструктурирование поверхности проводилось путем магнетронного осаждения наноразмерных частиц кремния (50-100 нм) на обработанную компрессионной плазмой поверхность кремния. Облучение электронами таких структур с последующим замером фотоЭДС показало, что радиационные дефекты в наночастицах практически отсутствуют.

Для исследования стабильности фотоэлектрических свойств кремния, обработанного компрессионной плазмой, было проведено облучение кремниевых пластин (КДБ-0,3) электронными пучками с энергией 2 МэВ и интенсивностью 1,5• 1016 м-2•с-1. Доза облучения составляла 2,510162,75 1017 м-2 (рис. 4). Как видно из полученных зависимостей, при дозе электронного облучения ~2,5 1016 м-2 значение фотоЭДС практически не изменяется, а при дозе (2,5-2,75) 1017 м-2 уменьшается в 1,5-1,7 раза по сравнению с необлученным кремнием, обработанным плазмой.

Концентрация радиационных дефектов па в кристаллах, облученных электронами, может быть оценена по следующей формуле:

П = БаМ, (2)

где В - доза облучения, а - сечение взаимодействия налетающего электрона с атомом мишени, N - концентрация атомов мишени.

Известно, что дефекты возникают в диапазоне углов рассеяния атомов от ф = 0 до

Ф = фт, причем фт определяется из выражения

Фт = агооо8

/ \1/2 ' Е *

Е

v т у

(3)

где Еа - пороговая энергия смещения (для кремния Еа ~ 22 эВ, железа Еа ~ 50 эВ), Ет - максимальная энергия, передаваемая атому электроном при столкновении.

в г

Рис. 4. Зависимости фотоЭДС пластин кремния КДБ-0,3, подвергнутых воздействию компрессионной плазмы и облученных электронными пучками, от дозы электронного облучения: а - образец 6, б - образец 3, в - образец 4, г - образец 1

В радиационной физике твердого тела для с (при облучении электронами) используется следующее выражение (формула Кейна) [2]:

с

( * ) =

8к Хе те2

2\(

1 - а

2 Л

1

*82 Фт

2е2а яп2(фт /2) 20е0ке 008 фт

Хе

2

40е0 ке )

1П ( С0® Фт)

(4)

где а =

Г Е Г 2 Е 11 1/2

2 1 2 те V те2)

1 -

2Е

, т - масса электрона, М - масса атома мишени, Z - его зарядовое

Ме V те число, Е - энергия электронов.

Здесь речь идет о первично смещенных атомах в тонких образцах (й < 10-3 м). На основе (2)-(4) была определена зависимость концентрации радиационных дефектов пй в кремнии и железе от энергии электронов Е. Результаты представлены на рисунке.

3 4

Е, 10"13 Дж

Рис. 5. Зависимость концентрации радиационных дефектов пй в кремнии (1) и железе (2)

от энергии Е электронов

2

Заключение

В результате анализа полученных результатов установлено, что наибольший фотоволь-таический эффект наблюдается у легированного бором кремния с высокой проводимостью. Область отрицательного заряда располагается у обработанной поверхности. Проведенные дополнительные исследования (лазерная обработка и облучение интенсивными потоками электронов с энергией 25 кэВ, приводящими к плавлению кремния) не подтвердили действие известных на сегодняшний день механизмов формирования фотоЭДС в полупроводниках. Уменьшение фотоЭДС при облучении образцов высокоэнергетическими электронами связано, очевидно, с генерацией в структуре точечных дефектов, являющихся центрами захвата (ловушками) носителей заряда.

RADIATION RESISTANCE OF SILICON NANOSTRUCTURED PHOTOVOLTAIC ELEMENTS FORMED IN COMPRESSION PLASMA

V.V. UGLOV, N T. KVASOV, V.M. ASTASHYNSKI, Yu.A. PETUKHOU, A.M. KUZMITSKI, I.L. DOROSHEVICH, S B. LASTOVSKI

Abstract

Photovoltaic effect in silicon doped by the action of compression plasma pulses is investigated for the first time. Plasma treatment parameters providing maximum values of photo-emf are optimized. Dependences of photo-emf on the dose of electron high-energy post-irradiation are studied.

Список литературы

1. Асташинский В.М., Дорошевич И.Л., Квасов Н.Т. и др. // Тез. докл. XLI Междунар. конф. по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами. Москва, 2011. С. 119.

2. Вавилов В.С., Кекелидзе Н.П., Смирнов Л.С. Действие излучений на полупроводники. М., 1988.