CC BY
21
Виготовлено гетероперехо-ди n-TiO2/p-Si методом реактивного магнетронного розпилення. Вимiряно вольт-амперш характеристики (ВАХ) гетероструктур при рiзних умовах обробки тдклад-ки. Дослиджено мехатзми струмо-переносу через гетеропереходи п-TiO2/p-Si
Ключовi слова: геmероперехiд, травлення, полшристал, ТЮ2
Изготовлены гетеропереходы п-ТЮ^р^ методом реактивного магнетронного распыления. Измерены вольт-амперные характеристики (ВАХ) гетероструктур при различных условиях обработки подложки. Исследованы механизмы токопереноса через гетеропереходы п-ТЮ^р^
Ключевые слова: гетеропереход, травления, поликристалл, ТЮ2
УДК 621.315 .592
ВПЛИВ ОБРОБКИ П1ДКЛАДКИ НА ЕЛЕКТРИЧН1 ВЛАСТИВОСТ1 ГЕТЕРОСТРУКТУР n -Ti 02/p -Si
А.I. Мостовий
Астрант*
Контактний тел.: 098-770-25-29 E-mail: mostovysya@mail.ru П.Д. Мар'янчук
Доктор фiзико-математичних наук, професор, завщувач кафедри
Кафедра електрошки i енергетики* Контактний тел.: (03722) 4-68-77 E-mail: p.maryanchuk@chnu.edu.ua *Чершвецький нацюнальний ушверситет iM. Ю. Федьковича вул. Коцюбинського, 2, Черывщ, УкраТна, 58012
В. В. Брус Астрант Чершвецьке вщд^ення 1нститут проблем матерiалознавства iM. I. М. Францевича
НАН УкраТни
вул. 1рини ВЫьде, 5, м. Чернiвцi, УкраТна, 58000 Контактний тел.: (0372) 55-12-32 E-mail: victorbrus@mail.ru
1. Вступ
Кремнш е найпоширешшим напiвпровiдниковим матерiалом в електрошщ та фотовольтаiцi. У зв'язку з великими запасами кремшю i повшстю вщпрацьова-ноi технологii можливе промислове виробництво со-нячних елементiв на його основь На сьогоднiшнiй день актуальним е використання дешевого полiкристалiч-ного кремшю. Ввдомо, що в даний час виготовляються високоефективнi сонячш елементи з р-п-переходами на основi полiкристалiчного кремнiю [1].
У той же час неухильно зростае штерес до на-пiвпровiдникових гетеропереходiв завдяки ряду iх переваг в порiвняннi з гомопереходами. Зараз гетеропереходи активно використовуються в електронiцi, лазерах, фотовольта'Тщ [2]. Тому iснуе значний штерес до дослщжень електричних властивостей гетеропере-ходiв на основi полiкристалiчного кремнiю i широко-зонних провщних прозорих оксидiв.
В останнi роки оксиди металiв з натвпроввднико-вими властивостями, зокрема дюксид титану (ТЮ2), досить широко використовуються в рiзних приладах, особливо в галузi фотоелектричноi технiки для рiзних цiлей: прозорi шари (вiкна) для сонячних елеменпв, антивiдбиваюче покриття [3-4].
У данш роботi дослiджуються електричнi власти-восп анiзотипних гетеропереходiв n-ТiО2/p-Si, отри-маних нанесенням тонкоплiвкового TiO2 на травлеш та полiрованi полiкристалiчнi пiдкладки Si. Оскiльки
електричн1 характеристики компонент гетероперехо-д1в та металургшно'! границ розд1лу суттево вплива-ють на ефектившсть роботи натвпровщникових при-лад1в на основ1 гетеропереход1в, то таю дослщження мають важливе значення для подальшо! розробки прилад1в на основ1 гетеропереход1в n-Ti02/p-Si для електрошки та сонячно! енергетики.
2. Експериментальна частина
Для тдкладок використовували полiкристалiч-ний кремнш. Кристали були р-типу проввдност! Перед використанням кремнiевi пiдкладки тддавалися механiчнiй (шлiфування, полiрування) та хiмiчнiй (травлення) обробцi. Для видалення поверхневих забруднень полiкристалiчнi пiдкладки пiддавались хiмiчному травленню у водному розчинi HF-HNOз. Концентрацiя носив заряду при температурi 295 К до-рiвнюе: р = 1.19 ■ 1014 см-3.
Структури виготовляли нанесенням плiвок ТЮ2 на пiдготовленi поверхнi пластин Si (типорозмiром 5 х 5 х 0,7 мм) в ушверсальнш вакуумнш установцi Lеybold - Heraeus L560 за допомогою реактивного магнетронного розпилення мшеш чистого титану в ат-мосферi сумiшi аргону i кисню при постiйнiй напрузi. Титанова мшень (шайба дiаметром 100 мм i товщиною 5 мм) розмщуеться на столику магнетрона з водя-ним охолодженням. Пiдкладки з полiкристалiчного
© А.
кремн1ю розм1щуються над магнетроном з наступним обертанням столика для забезпечення однор1дност1 пл1вок по товщиш. Перед початком процесу напилен-ня вакуумна камера вщкачувалась до залишкового тиску 10-4 Па [5].
Протягом процесу напилення парщальш тиску у вакуумнш камер1 становили 0.7 Па для аргону 1 0.02 Па для кисню. Встановлена потужшсть магнетрона - 300 Вт. Процес напилення тривав 20 хв при температур! шдкладки 300°С.
Фронтальний електричний контакт з тонкою пл1в-кою ТiО2 формували методом терм1чного осадження шд1ю при температур! шдкладки 150°С. В якост тиль-ного ом1чного контакту до р^ використовували шар А1, напилений методом терм1чного випаровування у високому вакуумь
Для шщ1ювання дифузп частини шару А1 проводили терм1чний ввдпал (при температур1 500°С протягом 20 хв), при цьому утворюеться р+-шар, який знижуе контактний отр [6].
Вольт-амперш характеристики гетероструктур п-ТiО2/p-Si вим1рювали за допомогою комплексу SOLARTRON SI 1286, SI 1255. Електричш властивост1 матер1алу дослщжували двохзондовим методом на постшному струмь
3. Результати та ¡х обговорення
ВАХ дослщжуваних гетероструктур, вим1ряш при юмнатнш температур^ приведено на рис. 1.
Рис. 2. Залежнють диференщального опору Rdif гетеропереходiв n-ТiО2/p-Si вщ напруги V при кiмнатнiй температур^ 1 — полiрована кремнieва шдкладка, 2 — травлена кремнieва шдкладка
Видно, що в област1 напруг б1льше висоти потенщ-ального бар'еру крив1 Rdif(V) виходять на насичення. Це свщчить про те, що напруга на бар'ернш област1 дюда перестае змшюватися, тобто бар'ер практично ввдкритий, а струм через гетероперехщ обмежуеться його послщовним опором Rs, який визначаеться шляхом екстраполяцп област1 насичення до перетину з в1ссю диференщального опору [7].
Прям1 плки ВАХ дослвджуваних гетероструктур у натвлогарифм1чному масштаб1 при юмнатнш температур! представлено на рис. 3. Як видно з рисунка, в област1 прямих змщень V > 3кТ/е спостерпаються прямолшшш д1лянки, що свщчить про експоненцшну залежшсть струму вщ напруги.
Рис. 1. Залежнють ВАХ (I, V) гетероструктур при юмнатнш температура 1 — полiрована кремнieва пiдкладка, 2 — травлена кремшева пiдкладка
Визначено коефщ1енти випрямлення для гетероструктур п-ТЮ2/р^ при зовшшньому змщенш 1,5 В, як1 р1вш 2 ■ 102 1 30 для пол1ровано1 1 травлено! тдкла-док, вщповщно.
Шляхом екстраполяцп лшшних д1лянок ВАХ до перетину з в1ссю напруг V знайдено значення висоти потенщального бар'еру для дослщжуваних гетеро-структур.
Для гетероструктури п-ТЮ2/р^ (пол1рована тд-кладка) вш складае 1,02 еВ, а для гетероструктури п-TiO2/p-Si (травлена шдкладка) - 0,85 еВ.
На рис. 2 представлена залежшсть диференщаль-ного опору Rdif в1д напруги V, на основ1 яко1 можна визначити величину послщовного опору гетероструктур Rs.
Рис. 3. Прямi гiлки ВАХ (I, V) дослщжуваних гетероструктур у напiвлогарифмiчному масштабi (3кТ/е < V < 0.5 В): 1 — полiрована кремшева шдкладка, 2 — травлена кремшева шдкладка
Враховуючи високу концентращю дислокацш не-в1дпов1дност1 N8, можна вважати единим мехашзмом струмопереносу багатостушнчаст1 тунельно-реком-бшацшш процеси за участю поверхневих сташв на меж1 под1лу TiO2/Si [7]. Струм при прямому змщенш визначаеться наступним виразом [6]:
I = Вехр (-а(Фо (Т)-eV)),
(1)
де В - величина, яка слабко залежить вщ темпера-тури 1 напруги, ф0 - висота потенщального бар'еру. Перепишемо вираз (1) в шшому виглядк
I = Вехр(-аф0 (T))exp(аeV) = 10 ехр (аeV),
(2)
де 10 = Вехр (-аф0 (Т)) - струм в1дс1чки, який не за-лежить в1д прикладено! напруги. З виразу (2) випли-вае, що нахил Aln(I)/AV початкових дыянок прямих плок вольт-амперних характеристик (рис. 3) визначае коеф1щент а, який приймае значення 7.3 еВ-1 для поль ровано! шдкладки 1 7.35 еВ-1 для травлено! шдкладки, в1дпов1дно.
В област1 напруг V > 0.6 В (рис. 4) залежшсть ¡(V) добре описуеться формулою Нюмена для тунельного струму [6]:
I = ¡0 ехр(рТ)ехр(аV) = I, ехр(аV), (3)
де = ^ехр (рТ) - струм в1дс1чки, а, р - константи.
З рис. 4 видно, що нахил А ln(I)/AV початкових дь лянок прямих плок ВАХ визначае коеф1щент а (вираз (3)), який приймае значення 2.9 еВ-1 (пол1рована шдкладка) 1 2.95 еВ-1 (травлена шдкладка).
0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 16
К V
Рис. 4. Прям1 плки ВАХ (I, V) гетеропереход1в у
нашвлогарифм1чних координатах (V > 0.6 B): 1 — пол1рована кремшева шдкладка, 2 — травлена кремшева шдкладка
Як видно з рис. 5 зворотний струм через дослщжу-ваш гетеропереходи Irev ~ ехр[(фо - eV)-1/2], що свiдчить
про домшування тунельного механiзму струмоперено-су при прикладанш зовшшньоi напруги у зворотному напрямку [8].
0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1
Рис.5. Залежшсть ln(Itrev) вщ (90-eV)_1/2: 1 — пол1рована кремшева шдкладка; 2 — травлена кремшева шдкладка
4. Висновки
Дослужено вплив умов обробки шдкладки на електричш властивосп ашзотипних гетеропереходiв n-Ti02/p-Si, отриманих нанесенням тонко плiвкового Ti02 на полiкристалiчнi кремшевi пiдкладки.
Встановлено домiнуючi механiзми струмоперено-су для дослщжуваних гетеропереходiв при прямому i зворотному зм^еннях.
Для 3kT/e < V < 0.5 B основним мехашзмом стру-мопереносу е багатоступiнчастi тунельно-рекомбша-цiйнi процеси за участю поверхневих сташв на межi подiлу TiO2/Si, для V > 0.6 B - тунелювання, яке описуеться формулою Нюмена. При зворотному змщенш головним мехашзмом переносу носив заряду через гетеропереходи е тунелювання крiзь потенщальний бар'ер.
Л^ература
1. Razykov T.M. Solar photovoltaic electricity: Current status and future prospects / T.M. Razykov, C.S. Ferekides, D. Morel, E. Stefa-nakos, H.S. Ullal, H.M. Upadhyaya // Solar Energy. - 2011. - №85. - С. 1580-1608.
2. Алферов, Ж.И. История и будущее полупроводниковых гетероструктур [Текст] / Ж.И. Алферов // ФТП. - 1998. - Т. 32, №1. - С. 3-18.
3. Brus, V.V. Electrical and photoelectrical properties of photosensitive heterojunctions n-TiO2/p-CdTe [Текст] / V.V. Brus, M.I. Ilashchuk, Z.D. Kovalyuk, P.D. Maryanchuk, K.S. Ulyanytskiy // Semiconductor Science and Technology. - 2011. - Vol. 26. - 125006.
4. Barrera, M. Antireflecting-passivating dielectric films on crystalline silicon solar cells for space applications [Текст] / M. Barrera, J. Pla, C. Bocchi, A. Migliori // Solar Energy Materials and Solar Cells. - 2008. - Vol. 92(9). - Pages 1115-1122.
5. Брус, В.В. Механизмы токопереноса в анизотипных гетеропереходах n-Тi02/p-CdTe [Текст] / В.В. Брус, М.И. Илащук, З.Д. Ковалюк, П.Д. Марьянчук, К.С. Ульяницкий, Б.Н. Грицюк // ФТП. - 2011. - Т. 45, №8. - С. 1109-1113.
6. Фаренбрух, А. Солнечные елементы: Теория и експеримент [Текст] / А. Фаренбрух, Р. Бьюб. - М.: Энергоатомиздат, 1987.
7. Мостовой, А.И. Механизмы токопереноса в анизотипных гетероструктурах n-^02/p-Si [Текст] / А.И. Мостовой, В.В. Брус, П.Д. Марьянчук // ФТП. - 2012, в печати.
8. Sharma B.L. Semiconductor Heterojunctions [Текст] / B.L. Sharma, R.K. Purohit. - New York: Pergamon, 1974. - p. 216. Abstract
Recently, metal oxides with semiconducting properties, such as titanium dioxide (Ti02), have been widely used in various devices, especially in the photoelectric technology for various purposes. At the same time, the interest to the semiconductor heterojunctions is steadily growing due to their advantages in comparison with homojunctions. Nowadays the heterojunctions are widely used in electronics, lasers andphotogalvanization.
The article studies the electrical properties of the anisotype heterojunctions n-Ti02/p-Si obtained by applying thin-film TiO2 on the etched and polished polycrystalline Si supports. Since the electrical characteristics of the components of the heterojunctions and metallurgical boundary affect significantly the performance of the semiconductor devices based on the heterojunctions, such studies are important for the further development of the devices based on the heterojunctions n-Ti02/p-Si for electronics and solar energy.
The dependence of the height of the potential barrier and the subsequent resistance on the method of processing of the silicon supports was studied. It was determined that the tunneling is a dominant mechanism of current transport through the heterostructures under different conditions of the Si surface processing Keywords: heterojunction, etching, polycrystal, Ti02
Експериментально показано, що час досягнення стащонарних значень контактног рiзницi потенща-лiв i роботи виходу електрона тсля обробки поверхш Si-пласmин у кислотно-пероксидних розчинах меншi, тж в амотачно-пероксидних. Отримаш результати трактуються утворенням на поверхн Si вiдповiдно оксидног плiвки i гидроксидного шару, що пи) час аноду-вання призводить до формування макропоруватого i мшро- чи мезопоруватого шару кремтю
Ключовi слова: поруватий кремнш, фтшна хiмiч-на обробка, контактна рiзниця поmенцiалiв, кремте-
вi пластини
□-□
Экспериментально показано, что время достижения стационарных значений контактной разности потенциалов и работы выхода электрона после обработки поверхности Si-пласmин в кислотно-перок-сидных растворах меньше, чем в аммониачно-перок-сидных. Полученные результаты трактуются образованием на поверхности Si соответственно оксидной пленки и гидроксидного слоя, что при анодировании приводит к формированию макропористого и микро-или мезопористого слоя кремния
Ключевые слова: пористый кремний, финишная химическая обработка, контактная разность потенциалов, кремниевые пластины
УДК 544.653.22:538.975
ДОСЛ1ДЖЕННЯ СТАБ1ЛЬНОСТ1 ЕЛЕКТРОФ1ЗИЧНИХ ПАРАМЕТР1В Si-ПЛАСТИН ПЕРЕД ФОРМУВАННЯМ ПОРУВАТОГО ШАРУ
М.М. Воробець
Кандидат хiмiчних наук, асистент Кафедра анал^ичноТ xiMiT Чершвецький нацюнальний уыверситет iM.Ю.Федьковича вул. Коцюбинського 2, м. Чершвц^ УкраТна,
58012
Контактний тел.: (0372) 58-48-97 E-mail: m.vorobets@chnu.edu.ua
1. Вступ
Базовим матерiалом в електроннш техшщ для створення люмшесцентних пристро'Тв, структурних елеменпв сонячних батарей, поверхнево чутливих сенсорiв для потреб екологи, медицини, бюлоги е поверхнево-модифжований кремнш. Важливий момент у технологи формування поруватого кремшю -питання однорщноси поверхш Si-пластин i стаб^ь-носп и електронних властивостей.
Вщомо [1], що тсля фiзичного чи хiмiчного впли-ву на Si-поверхню И електронний стан, а, отже, i елек-
трофiзичнi параметри змшюються протягом певного часу. Тому, для вибору оптимальних умов мiжопера-цшного збертння Si-пластин, зокрема перед фор-муванням поруватого шару, необхщно контролювати тривалшть релаксацшних явищ, яю вщбуваються на поверхш.
Метою роботи було дослщження впливу способу фшшноТ хiмiчноi обробки Si-пластин у кислотно-пероксидних та амошачно-пероксидних розчинах на часову стаб^ьшсть електронного стану поверхш перед формуванням наноструктурованих i порува-тих шарiв кремшю.
©
