CC BY
19Статья поступила в редакцию 20.02.12. Ред. рег. № 1220 The article has entered in publishing office 20.02.12. Ed. reg. No. 1220
УДК 662.997.537.22.
СПЕКТРАЛЬНАЯ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ, ПОЛУЧЕННОГО ПЯТИКРАТНОЙ ПЕРЕПЛАВКОЙ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ НА СОЛНЕЧНОЙ ПЕЧИ
А.С. Саидов, А.Ю. Лейдерман, Р.А. Аюханов, Ш.Т. Маншуров, А.А. Абакумов
Физико-технический институт НПО «Физика-Солнце» АН РУз Узбекистан, Ташкент, 100084, ул. Г. Мавлянова, д. 2Б Тел.: (+998-71)-235-41-04, e-mail: amin@usci.net
Заключение совета рецензентов: 01.03.12 Заключение совета экспертов: 10.03.12 Принято к публикации: 15.03.12
Приводятся результаты исследований спектральной фоточувствительности «-Si-структур с омическими контактами, изготовленных из поликристаллического кремния, полученного пятикратной переплавкой технического (металлургического) кремния марки КР3 на открытом воздухе в солнечной печи. Обнаружено, что при температуре 30 °С эти структуры с простыми омическими контактами обладают спектральной вольтовой фоточувствительностью в диапазоне 0,3-1,1 эВ, что свидетельствует о чувствительности данного материала в области ИК-спектра.
Ключевые слова: полупроводник, очистка технического кремния бесхлоридным методом, солнечная плавка на открытом воздухе, глубокая примесь, спектральная фоточувствительность, ИК-спектр.
SPECTRAL PHOTOSENSITIVITY OF POLYCRYSTALLINE SILICON OBTAINED BY FIVEFOLD MELTING METALLURGY SILICON ON SOLAR FURNACE
A.S. Saidov, A.Yu. Leyderman, R.A. Ayuhanov, Sh.T. Manshurov, A.A. Abacumov
Physical-Technical institute of Scientific Production Association "Physics-Sun" Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan 2Б Mavlyanov str., Tashkent, 100084, Uzbekistan Tel.: (+998-71)-235-41-04, e-mail: amin@usci.net
Referred: 01.03.12 Expertise: 10.03.12 Accepted: 15.03.12
Results of researches of spectral photosensitivity of silicon formed by fivefold melting technical (metallurgy) silicon in the open air on the solar furnace are resulted. It is found out that at temperature 30 °C «-Si-structure with the simple ohmic contacts has voltage photosensitivity in spectral range 0.3-1.1 eV, that is it has infrared photosensitivity.
Keywords: semiconductor, cleaning of technical silicon by ecology clean method, solar melting in the open air, deep impurity, spectral photosensitivity, infrared.
Сведения об авторе: главный научный сотрудник ФТИ НПО «Физика-Солнце» АН Республики Узбекистан, д-р физ.-мат. наук, профессор, лауреат Государственных премий Республики Узбекистан 2007 г.
Область научных интересов: взаимодействие примесей в алмазоподобных полупроводниках и физические основы выращивания кремния, арсенида галлия, алюминия-арсенида галлия, высокоомных, однородных и варизонных твердых растворов IV1-I-IVI, (IV2)i-i(A3B5)i, (IV2)i-i(A2B6)i, (IV2)i-i-j,(A3B5)i (A2B6)„ а также гетероструктур на их основе. Публикации: 2 монографии, более 250 статей и 36 изобретений.
Амин Сафарбаевич Саидов
O "J International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 04 (108) 2012
82 © Scientific Technical Centre «TATA», 2012
Ада Юльевна Лейдерман
Шерзод Туйчибоевич Маншуров
Сведения об авторе: д-р физ.-мат. наук, профессор. Главный научный сотрудник ФТИ НПО «Физика-Солнце» АН РУз.
Область научных интересов: инжекционные и фотоэлектрические явления в полупроводниках и полупроводниковых структурах на их основе; взаимодействие примесей и дефектов в полупроводниках; процессы самоорганизации в полупроводниках с глубокими примесями и дефектами.
Публикации: 3 монографии, 3 монографических сборника, более 150 статей и 3 изобретения.
Сведения об авторе: аспирант Физико-технического института НПО «Физика-Солнце» АН РУз.
Область научных интересов: взаимодействие примесей и дефектов в полупроводниках; процессы самоорганизации в полупроводниках с глубокими примесями и дефектами. Публикации: 7.
Сведения об авторе: специалист в области физики полупроводников и твердого тела, д-р физ.-мат. наук, ведущий научный сотрудник ФТИ НПО «Физика-Солнце» АН РУз.
Область научных интересов: теория экситонов, акусто-оптическое взаимодействие в твердых телах, теория самоорганизации в полупроводниках. Публикации: 19.
Рашид Ахметович Аюханов
Алексей Александрович Абакумов
Сведения об авторе: специалист в области физики полупроводников, инженер ФТИ НПО «Физика-Солнце» АН РУз.
Область научных интересов: методы очистки кремния. Публикации: 30 статей, 2 изобретения.
Введение
Поскольку кремний все еще остается основным материалом полупроводниковой электроники, сохраняется и интерес к поискам новых, экологически чистых методов его получения. В связи с этим представляется интересным предложенный в [1, 2] метод
очистки металлургического кремния на открытом воздухе в солнечной печи. Поликристаллический кремний, полученный таким методом, а именно путем многократной переплавки металлургического кремния марки КР3 на открытом воздухе в солнечной печи, исследовался в работах [3, 4]. В работе [3] исследовался поликристаллический кремний, полу-
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 04 (108) 2012 © Научно-технический центр «TATA», 2012
ченный восьмикратной переплавкой, а в [4] - пятикратной переплавкой. Оказалось, что в обоих случаях полученные материалы обладают достаточно необычными свойствами - изготовленные из них структуры типа Коьт-и81-Коьт, т.е. полупроводниковые структуры с простыми омическими контактами, при воздействии небольшой температуры (Т > 30 °С) становились генераторами тока и (или) напряжения. Цель данной работы - исследование фоточувствительности таких материалов.
Исследуемый материал и методика эксперимента
Исследовался поликристаллический кремний, который, как и в [4], был получен из металлургического кремния марки КР3 путем пятикратной переплавки на открытом воздухе в солнечной печи. Рентгено-структурный анализ полученного материала дал следующий атомный состав: 81 - 99,1 ат.%, Бе - 0,21 ат.%, 8 - 0,79 ат.%, А1 - 0,01 ат.%, 8е - 0,0053 ат.%, Са - 0,15 ат.%, Р - 0,10 ат.%, Мп - 0,02 ат.%, Си -0,008 ат.%, РЬ - 0,0001 ат.%, Ag - 0,00011 ат.%. Таким образом, удалось получить кремний с чистотой 99,1 ат.%. Образцы имели крупнозернистую структуру с размерами зерен ~ 1x2 мм с различной ориентацией и не имели шунтирующих металлических включений. Без предварительного легирования они обладали «-типом проводимости. Видно, что большинство этих глубоких примесей имели очень высокую концентрацию (см. таблицу). Поскольку концентрация всех примесей меняется периодически вдоль длины образца, в таблице приведены максимальные и минимальные значения.
Содержание основных примесей в поликристаллическом кремнии, полученном пятикратной переплавкой на открытом воздухе в солнечной печи
Concentrations of main impurities in polycrystalline silicon obtained by fivefold melting in the open air on solar furnace
При этом, как показали исследования, проведенные на масс-спектрографе «Elan DRC-II», распределение всех этих примесей вдоль длины образца было не просто неоднородным, но в той или иной степени периодическим. Результаты распределения концентрации для основных глубоких примесей показаны на рис. 1. Следует отметить, что этот рисунок несколько отличается от рис. 5 из работы [4], поскольку на нем присутствует дополнительная примесь -сера (S).
1 ю,7-|—1—|—■—|—I—|—I—|—I—|—■—1—I—|—I—|—■—|—I—|—I
0 0,4 0,8 1,2 1,6 2
Рис. 1. Пространственное распределение концентрации примесей вдоль образца Fig. 1. Space distribution of impurities' concentrations along the specimen
Из полученных таким образом слитков поликристаллического кремния чистотой 99,1 ат.% были вырезаны пластинки толщиной ~ 500 мкм, которые затем были отшлифованы с одной стороны и отполированы с другой, подобно тому, как это делалось в [3, 4]. На шлифованную сторону методом вакуумного напыления, описанным в [5], тонким слоем был нанесен омический контакт, а на полированную сторону был нанесен металлический омический контакт в виде сетки, изготовленный из сплава титана и никеля. Таким образом, была создана полупроводниковая структура Rohm-wSi-Rohm с двумя обычными омическими контактами, подобная той, которая была создана в работах [3, 4] из восьмикратно и пятикратно переплавленного кремния.
Результаты и их обсуждение
Далее была исследована спектральная фоточувствительность этой структуры. Результаты измерения ее вольтовой фоточувствительности, проведенные на спектрометре ИК-21 при комнатной температуре, представлены на рис. 2.
Следует особо отметить, что этот материал практически не обладает токовой чувствительностью -генерируемые в структуре токи были не более, чем 10-15 А и не могли быть измерены на используемой
Элемент Концентрация, см-3
максимум минимум
Si 4,95 1022 4,88 1022
Fe 5,05-1020 9,50-1019
S 3,96 1020 1,06 1020
Ca 2,80-1020 7,69-1019
P 8,85-1019 1,55-1019
Mn 7,09-1019 1,231019
Se 6,05-1019 3,00-1017
Al 2,49-1019 7,15-1018
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 04 (108) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
аппаратуре. В то же время, как видно из рис. 2, он обладает заметной спектральной вольтовой чувствительностью. Ее максимальная величина составляет 5,5 мкВ в интервале 0,27-0,7 эВ, а весь наблюдаемый спектр говорит о чувствительности данного материала в инфракрасной области спектра. При этом проведенные исследования показали, что исходный материал - металлургический кремний марки КР3 -не обладает такой чувствительностью. Не обладают такой чувствительностью ни обычный монокристаллический кремний, ни обычный поликристаллический кремний.
Рис. 2. Спектральная вольтовая фоточувствительность
Rotirrr^Si-Rotim-структуры, изготовленной из поликристаллического кремния л-типа, полученного пятикратной переплавкой металлургического кремния марки КР3 на открытом воздухе в солнечной печи, при комнатной температуре Fig. 2. Spectral voltage photosensitivity of ROhm-nSi-ROhm-structure formed from polycrystalline silicon obtained by fivefold melting metallurgy silicon in the open air on solar furnace
Рис. 3. Положение примесных уровней элементов с наибольшей концентрацией в запрещенной зоне кремния Fig. 3. Energy levels of impurities with great concentration in forbidden zone of silicon
необычной фоточувствительности, по-видимому, заключается в наличии в исследуемом материале высокой концентрации большого количества глубоких примесей, которые, как сообщалось в [4], претерпели самоорганизацию в процессе многократной переплавки. Это - сера, железо, алюминий, селен, свинец, серебро и др. (см. таблицу). Положение глубоких уровней этих примесей в запрещенной зоне кремния показано на рис. 3 (использованы данные из монографии [6]).
При этом следует учесть, что все эти примеси имеют очень высокую концентрацию, начиная от
ОП 'Я 1П ^
510 см- у железа и кончая 10 см- у серебра (см. таблицу). Благодаря этой высокой концентрации все эти примеси будут иметь уже не один дискретный уровень в запрещенной зоне, а соответствующую ему размытую полосу ~10-1 эВ. Это было обосновано теоретически в ранних работах А.Роуза [7], а затем экспериментально доказано многими авторами, в частности в работах А. А. Лебедева с сотрудниками [8-11]. Многие из этих экспериментальных данных собраны также в монографии [12].
При этом известно, что размытый примесный спектр ЩЕ,), возникающий при размытии мелких примесных уровней, хорошо описывается гауссовой
кривой (рис. 4): N(Е,) = ^ехр[-А2 (Е, - Е0 )2 ],
N - плотность локальных состояний, соответствующая энергии Е , = Е0, т.е. энергии дискретного уровня, претерпевшего размытие; Е, - уровни, соответствующие размытому спектру; А'1 - полуширина размытия.
где
L,
/ 0,6-
А \
/ 0,2-
-0.06
-0,04
0,04 0,06
Рис. 4. Функция N(Et) распределения локальных состояний по энергиям в запрещенной зоне Fig. 4. Function N(Ef) of distribution of local energy states in forbidden zone
Итак, исследуемый пятикратно переплавленный поликристаллический кремний обладает чувствительностью в области ИК спектра, причем, как видно из рис. 2, существует плато вольтовой чувствительности в области 0,3-0,7 эВ. Причина этой достаточно
Что касается глубоких примесей, то однозначного аналитического описания их размытия на сегодняшний день не существует. Однако приведенное выражение признано достаточно хорошей аппроксимацией и для них [12].
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 04 (108) 2012 о С © Научно-технический центр «TATA», 2012 ° J
Если опираться на эти представления, то можно, используя данные таблицы, построить качественную картину, которая получается в результате размытия глубоких примесных уровней исследуемого материала (рис. 5).
Рис. 5. Качественная картина размытия примесных уровней с высокой концентрацией в запрещенной зоне исследуемого кремния Fig. 5. Quantitive picture of gap of impurities levels with great concentration in forbidden zone of researched silicon
Из рис. 5 однозначно следует, что в интервале энергий от 0,26 до 0,77 эВ образуется единая полоса размытия, что и объясняет появление ИК чувствительности, показанной на рис. 2.
Выводы
Итак, исследуемый поликристаллический кремний, полученный пятикратной переплавкой металлургического кремния марки КР3 на открытом воздухе в солнечной печи, обладает спектральной вольтовой чувствительностью в инфракрасной области спектра.
Список литературы
1. Абакумов А.А., Захидов Р.А., Харченко В.В. Плавление и кристаллизация слитков поликристаллического кремния с применением гелиоконцентрирую-щих установок // Гелиотехника. 1997. № 3. С. 78-82.
2. Саидов А.С., Абакумов А.А., Саидов М.С. Солнечно-радиационная плавка поликристаллического кремния // Гелиотехника. 2003. № 1. С. 96-97.
3. Саидов А.С. Термоэлектретные свойства технического кремния, полученного восьмикратной переплавкой на солнечной печи // Альтернативная энергетика и экология - ISJAEE. 2010. №3 (83). С. 22-25.
4. Саидов А.С., Лейдерман А.Ю., Маншуров Ш.Т. Необычные свойства поликристаллического кремния, полученного пятикратной переплавкой металлургического кремния на солнечной печи // Альтернативная энергетика и экология - ISJAEE. 2011. № 5 (97). С. 27-33.
5. Турсунов М.Н., Дадамухамедов С. и др. Кремниевые солнечные элементы с тонкими фронтальными диффузионными слоями // Гелиотехника. 2003. № 2. С. 20-25.
6. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. М.: Мир, 1984. Т. 1. С. 451; Sze S. M. Physics of semiconductor devices // New York. John Willey and Sons. 1981. Vol. 1.
7. Rose A. Concepts in photoconductivity and allied problems // New York-London. John Willey and Sons. 1963. P. 192.
8. Лебедев А.А., Мамадалимов А.Т. Зависимость фотоответа в примесной области спектра при низких температурах от степени компенсации образцов // ФТП. 1975. Т. 9, № 8. С. 1609-1611.
9. Капитонова Л.М., Костина Л.С., Лебедев А.А., Махкамов Ш. Спектральная зависимость сечений захвата фотонов на уровни Au в Si // ФТП. 1974. Т. 8, № 3. С. 468- 470.
10. Лебедев А.А., Ахмедов Ф.А., Ахмедова М.М. Исследование фоотоемкости эпитаксиальных диодов из GaAs <Fe> // ФТП. 1976. Т. 10, № 9. С. 1731-1734.
11. Берман Л.Б., Лебедев А.А. Емкостная спектроскопия глубоких центров в полупроводниках. Л.: Наука. 1981. С. 176.
12. Карагеоргий-Алкалаев П.М., Лейдерман А.Ю. Фоточувствительность полупроводниковых структур с глубокими примесями. Ташкент: Фан. 1981. С. 200.
— TATA — i >
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 04 (108) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
