КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ім. ТАРАСА ШЕВЧЕНКА

ЧЕРНЕНКО ВОЛОДИМИР ВАСИЛЬОВИЧ

УДК 621.315.592

ПРОЦЕСИ ФОТОГЕНЕРАЦІЇ І ЗБИРАННЯ НОСІЇВ ЗАРЯДУ

В КРЕМНІЙОВИХ СТРУКТУРАХ З ДИФУЗІЙНО-ПОЛЬОВИМИ БАР’ЄРАМИ

01.04.10 - фізика напівпровідників і діелектриків

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Київ - 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті фізики напівпровідників

ім.В.Є. Лашкарьова НАН України

Науковий керівник кандидат фізико-математичних наук,

старший науковий співробітник

Костильов Віталій Петрович

Інститут фізики напівпровідників

ім.В.Є. Лашкарьова НАН України,

старший науковий співробітник

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор Комащенко

Валерій Миколайович,

Інститут фізики напівпровідників ім.В.Є. Лашкарьова НАН України,

завідувач відділом;

кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник

Литвиненко Сергій Васильович, Київський національний

університет ім.Тараса Шевченка, старший науковий співробітник.

Провідна установа

Інститут фізики НАН України, відділ молекулярної фотоелектроніки,

Національна Академія наук України, м. Київ

Захист відбудеться 4 липня 2005 р. о 15 годині на засіданні

Спеціалізованої вченої ради Д26.001.31 у Київському національному

університеті ім.Тараса Шевченка за адресою: 03127, м.Київ, проспект

Академіка Глушкова, 2, корпус 5, радіофізичний факультет, ауд. 42.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського

національного університету ім.Тараса Шевченка,

01033, м.Київ, вул.Володимирська, 64.

Автореферат розісланий 2 червня 2005 р.

Вчений секретар

Спеціалізованої вченої ради Кельник О.І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Інтенсивний розвиток традиційної енергетики створив цілий ряд складних екологічних, технічних та соціальних проблем, які потребують невідкладного вирішення вже зараз. Тому останнім часом спостерігається значне посилення інтересу до проблем прямого перетворення енергії Сонця в електричну енергію за допомогою екологічно чистих електростанцій, які створюються на основі напівпровідникових фотоперетворювачів (ФП).

Відомо, що індуковані р-n-переходи у кремнійових структурах (КС) є ефективними колекторами генерованих світлом неосновних носіїв заряду, що було використано при розробці різних фотоелектричних приладів. Так, наявність сильного електричного поля (105106 В/см) в інверсійному каналі фоточутливої структури (ФС) та мала його товщина (0,1 мкм) приводять до того, що практично всі електронно-діркові пари, які генеруються в приповерхневій області кремнію електромагнітним світловим випромінюванням, розводяться полем без рекомбінації і дають внесок у фотострум. При цьому навіть відносно велика концентрація поверхневих електронних станів (ПЕС) на межі поділу діелектрик-напівпровідник (ДН) практично не впливає на швидкість поверхневої рекомбінації на освітленій поверхні ФС і на величину фотоструму. До того ж, короткохвильова фоточутливість в інверсійних ФС виявляється на один-два порядки вищою, ніж у дифузійних ФС. Проте практична реалізація переваг інверсійних фоточутливих кремнійових структур (ФКС) можлива за умови реалізації мінімально можливого поверхневого опору інверсійного каналу та контактних електродів при одночасному забезпеченні малих поверхневих і об’ємних рекомбінаційних втрат. Нами було показано, що використання ФКС з комбінованими приповерхневими дифузійно-польовими бар’єрами (ДПБ) дозволяє поєднати переваги дифузійних і інверсійних ФС завдяки використанню комбінованого індуковано-дифузійного способу формування роздільних бар’єрів у багатофазних КС типу ДН чи метал-діелектрик-напівпровідник (МДН), які створюються як за допомогою дифузії мілких легуючих домішок, так і завдяки нанесенню на поверхню дифузійного шару зарядженої плівки SiO2. Відносно невисокий рівень легування емітерної області в ФКС з ДПБ дозволяє зменшити опір приповерхневого шару і забезпечує істотно нижчу інтенсивність генераційно-рекомбінаційних процесів в емітерній області у порівнянні з дифузійними ФКС, а існування приповерхневого польового бар’єру значно зменшує швидкість поверхневої рекомбінації на межі поділу ДН.

На момент постановки даної роботи електрофізичні, фотоелектричні і генераційні властивості структур Si-SiO2 з індукованими бар’єрами були вивчені досить детально. Разом з тим недостатньо дослідженими залишався ряд задач, пов’язаних з механізмами протікання генераційно-рекомбінаційних, оптичних і фотоелектричних процесів в багатошарових ФКС з ДПБ, які істотно впливають на ефективність фотоелектричного перетворення енергії (ФПЕ) в сонячних елементах (СЕ), виготовлених на основі таких структур. Тому дослідження процесів фотогенерації і збирання нерівноважних носіїв заряду в КС з ДПБ було актуальним і необхідним для розробки фізичних і технологічних принципів підвищення ефективності процесів ФПЕ в ФКС і створення на цій основі нових типів високоефективних СЕ, призначених для використання в наземних і космічних фотоенергетичних установках.

Актуальність теми підтверджується зв’язком роботи з науковими програмами і темами, що виконані і виконуються у відділі фізико-технічних основ напівпровідникової фотоенергетики Інституту фізики напівпровідників ім.В.Є. Лашкарьова НАН України. Найбільш важливими в цьому відношенні можна вважати наступні НДР та ДКР.

І. Галузева тематика (роботи по лінії НАН України): НДР за бюджетними темами №23 (1995 - 1999 рр.), №5 (2000 - 2002 рр.), №5 (2003 - 2005 рр.);

ІІ. В рамках Національної космічної програми України: НДДКР за Державним контрактом №4-5/94 з Національним космічним агентством України, ДКР за Договором з ДКБ “Південне” №3-41/99ИФ, ДКР за Договором з ДП “ВО ПМЗ ім.О.М. Макарова” №24-41/2001;

ІІІ. В рамках Державної програми України з питань ліквідації наслідків аварії на ЧАЕС: ДКР за Договорами з МНС України №12-41/97 і №1-41/99.

ІV. В рамках програм Державного комітету України з питань науки і технологій: НДР в рамках Державної науково-технічної програми “Ресурсозбереження” і в рамках науково-технічної програми “Нетрадиційні і відновлювальні джерела енергії і ефективні системи їх використання”.

Мета роботи полягає у встановленні особливостей протікання генераційно-рекомбінаційних і фотоелектричних процесів в багатошарових ФКС з ДПБ. Для досягення мети в роботі вирішувались такі основні групи задач:

- дослідження електрофізичних і генераційно-рекомбінаційних характеристик багатошарових КС з ДПБ;

- встановлення шляхів зниження оптичних втрат у ФКС з ДПБ;

- дослідження особливостей зарядових, генераційно-рекомбінаційних і мікроструктурних характеристик системи Si-SiO2 з текстурованою поверхнею (ТП);

- вивчення особливостей впливу просторово-неоднорідної рекомбінації на ефективність процесів ФПЕ сонячного випромінювання у ФКС;

- розробка конструкції та технологічної схеми виготовлення СЕ дифузійно-польового типу.

Методи дослідження: метод високочастотних вольт-фарадних характеристик (ВФХ) - для дослідження зарядових і електричних характеристик системи Si-SiO2; метод релаксації нерівноважної високочастотної ємності - для визначення генераційних параметрів системи Si-SiO2; методи електронної мікроскопії - для отримання зображення ТП кремнію; метод мас-спектрометрії вторинних іонів (МСВІ) - для вивчення структурно-домішкової природи систем Si-SiO2 з ТП і плоскою поверхнею (ПП); метод спектральних залежностей конденсаторної фотоерс - для визначення рекомбінаційних параметрів систем Si-SiO2 з ТП і ПП; вимірювання спектральних залежностей струму короткого замикання (КЗ) - для визначення рекомбінаційних параметрів СЕ дифузійно-польового типу; метод спектральної еліпсометрії - для визначення спектрів оптичних констант алмазоподібних плівок гідрогенізованого аморфного вуглецю a-C:H (АПП); вимірювання світлових ВАХ (СВАХ) кремнійових СЕ дифузійно-польового типу і сонячних батарей (СБ) на їх основі в стандартних умовах - для визначення фотоенергетичних і електричних параметрів цих СЕ і СБ.

Наукова новизна одержаних результатів.

Вивчені особливості просвітлення шаруватих ФКС, в яких поверхня кремнію запасивована плівкою SiO2 з відносно низьким значенням показника заломлення. Експериментально показано, що при товщині плівки SiO2 до 30 нм поверхня таких ФКС може бути ефективно просвітлена з використанням плівок нітриду кремнію і АПП. Вперше визначені критерії, при виконанні яких використання АПП приводить до підвищення на 20-30% ефективності процесів ФПЕ у ФКС, в тому числі при наявності на їх поверхні тонкої плівки SiO2 товщиною до 30 нм.

На основі результатів комплексних електрофізичних і мас-спектрометричних досліджень вперше показано, що сформовані в однакових умовах шари термічно вирощеного SiO2 на плоских і текстурованих ділянках поверхні кремнію суттєво відрізняються домішковим складом і мікроструктурою перехідного шару. Порівняльними дослідженнями електричних, фотоелектричних і домішково-структурних характеристик цих систем вперше доведено, що існує кореляція між підвищенням концентрації електрично активних домішок, з одного боку, та підвищенням генераційної активності, густини вбудованого в окис заряду та концентрації ПЕС - з іншого.

Вперше для випадку довільного співвідношення між довжиною дифузії неосновних носіїв заряду і товщиною базової області ФКС встановлені критерії, при виконанні яких власний час релаксації малосигнальної фотоерс в області насичення співпадає з ефективним часом життя неосновних носіїв заряду в базовій області. Запропонований і експериментально обгрунтований новий метод визначення ефективного часу життя неосновних носіїв заряду в базі шаруватої ФС, який полягає в одночасному опроміненні її поверхні світлом постійної інтенсивності, яке зменшує висоту потенціального бар’єру в приповерхневому p-n-переході, і світловим тестуючим імпульсом значно меншої інтенсивності, який формує сигнал фотоерс.

Вперше на основі запропонованої тришарової моделі неоднорідної по глибині рекомбінації в базовій області ФС теоретично встановлені і експериментально підтверджені особливості впливу радіаційного опромінення високоенергетичними протонами на ефективність процесів ФПЕ у випадку довільного співвідношення між глибиною порушеного шару, довжиною дифузії неосновних носіїв заряду в базі до опромінення і товщиною ФКС.

Основні практичні результати. На основі проведених в роботі досліджень:

- розроблені базові конструкції і технологічні процеси дослідного виробництва кремнійових СЕ дифузійно-польового типу з використанням пластин кремнію p- і n-типу провідності. Означені СЕ характеризуються ефективністю до 17% в умовах АМ0 і до 20% в умовах АМ1,5, а також високою відтворюваністю параметрів як в межах кожної пластини, так і від пластини до пластини в межах однієї чи різних партій СЕ;

- розроблені конструктивно-технологічні принципи створення кремнійових СБ підвищеної ефективності, призначених для використання в складі сонячно-акумуляторних блоків електроживлення наземної радіоелектронної техніки. З використанням розроблених в дисертаційній роботі СЕ дифузійно-польового типу в СКТБ з ДВ ІФН НАН України освоєні в дрібносерійному виробництві СБ з ефективністю не нижче 16% в умовах АМ1,5 і встановленою потужністю 0,1 і 2 Вт, призначені для комплектації розробленої по замовленню МНС України професійної дозиметричної і радіометричної апаратури нового покоління, яка експлуатується в польових умовах;

- в рамках Національної космічної програми України виконана НДДКР з розробки та виготовлення комплекту СБ, призначених для використання в системі енергопостачання космічного апарату (КА) нового покоління в якості первинного джерела енергії. Зазначені батареї, виготовлені з використанням розроблених в роботі СЕ, мають електричну потужність, яка віддається в навантаження в умовах АМ0, не менше 180 Вт/м2, пройшли повний цикл автономних і комплексних випробувань та встановлені на льотному зразку КА КС5МФ2 “Мікрон”;

- розроблена, виготовлена і метрологічно атестована на державному рівні стендова база для автоматизованого експресного вимірювання СВАХ СЕ і СБ в стандартних умовах АМ0 і АМ1,5 та розрахунку на їх основі електричних і фотоенергетичних параметрів СЕ і СБ. Означена стендова база використовується в складі Центру випробувань ФП та батарей фотоелектричних ІФН НАН України, акредитованого Українським державним науково-виробничим центром стандартизації, метрології та сертифікації Держспоживстандарту України.

Особистий внесок здобувача. Автору належить: проведення експериментальних досліджень (крім досліджень, проведених методами МСВІ і спектральної фотометричної еліпсометрії), систематизація і обробка експериментальних даних, в т.ч. комп’ютерна, математичні розрахунки фізичних величин, активна участь в обговоренні отриманих результатів та підготовці публікацій.

Апробація роботи відбулась на: 6-й Республіканській конференції “Фізичні проблеми МДН-інтегральної електроніки” (Севастополь, 1990), 2-й науковій конференції “Фотоелектричні явища в напівпровідниках” (Ашхабад, 1991), 37-му Міжнародному науковому колоквіумі з мікроелектроніки (Ільменау, НДР, 1992), Міждержавній конференції країн СНД “Алмазоподібні плівки вуглецю” (Харків, 1994), 40-му Міжнародному симпозіумі з оптичної науки і техніки (Сан-Дієго, США, 1995), 13-й Європейській конференції з сонячної енергетики (Ніца, Франція, 1995), 1-му Польсько-українському симпозіумі з нових фотовольтаїчних матеріалів для сонячних елементів (Кракiв, Польща, 1996), 6-й Міжнародній конференції “Фізика і технологія тонких плівок” (Івано-Франківськ, 1997), 17-й Європейській конференції з сонячної енергетики (Мюнхен, Німеччина, 2001), 2-й Українській науковій конференції з фізики напівпровідників (Чернівці-Вижниця, 2004).

Публікації. По темі дисертації опубліковано 18 наукових праць, з них 8 статей в наукових журналах та збірниках наукових праць, 4 матеріалів і 6 тез конференцій.

Структура та обсяг роботи. Робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел на 114 найменувань, двох додатків. Дисертація має 136 сторінок друкованого тексту (в т.ч. додатки - 15 с., список використаних джерел - 12 с.), містить 47 рисунків і 24 таблиці (з них 9 таблиць - у додатках), всього 169 сторінок.

ЗМІСТ РОБОТИ.

У вступі показана актуальність роботи, сформульована мета і поставлені задачі, викладена наукова новизна і практичне значення одержаних результатів.

У розділі 1 наведені методичні принципи визначення електричних і генераційно-рекомбінаційних параметрів структур МДН з високочастотних ВФХ і кривих релаксації нерівноважної ємності в часі після подачі на польовий електрод імпульсної напруги збіднюючої полярності. В оригінальній частині наведені результати дослідження зарядових і генераційно-рекомбінаційних характеристик структур Si-SiO2, виготовлених на основі кремнію зонної плавки, а також зміни цих характеристик під впливом різних активних фізико-хімічних обробок, які використовуються при виготовленні ФС. Наведені результати вирішення задачі ефективного просвітлення ФКС, в якій поверхня кремнію запасивована зарядженою плівкою SiO2 з низьким значенням показника заломлення. Крім того, запропоновані теоретичні і експериментальні засади нового експресного методу визначення часу життя неосновних носіїв заряду у базовій області ФС.

Для ФКС, в яких збільшення товщини бази спричинює збільшення кількості поглиненого світла, значення часу життя нерівноважних носіїв заряду є особливо важливим параметром. Причому високі значення часу життя потрібно забезпечувати не лише в вихідному кремнійовому матеріалі, але і у виготовленій на його основі ФС, оскільки застосування різних активних фізико-хімічних обробок в процесі виготовлення може істотно змінювати рекомбінаційні характеристики кремнію. Тому в роботі були насамперед проведені дослідження впливу різних активних обробок на зарядові і генераційно-рекомбінаційні характеристики структур Si-SiO2, сформованих на основі кремнію зонної плавки, перспективного для досягнення високоефективного ФПЕ.

В результаті досліджень, проведених на виготовлених тестових МДН-структурах з врахуванням якості вихідного матеріалу (використання різних зливків кремнію) і часової нестабільності результатів активних фізико-хімічних обробок (внаслідок проведення цих обробок з рознесенням у часі), показано, що системи Si-SiO2, отримані окисленням в хлорному середовищі (23% HCl), характеризуються відносно великими значеннями об’ємного генераційного часу життя (g=(1,12,0)10-4 с) і низькими значеннями швидкості поверхневої генерації (Sg =0,0350,1 см/с), густини вбудованого в окис заряду (NS0=(0,815,0)1010 см-2) і густини ПЕС (NSS 1010 еВ-1см-2), що свідчить про високу якість межі поділу Si-SiO2 і приповерхневої області кремнію в електрофізичному та структурному відношенні. Відпал при температурі 10000С як нелегованих зразків, так і після проведення операції дифузії електрично-активних домішок суттєво не змінює електрофізичні і генераційно-рекомбінаційні параметри структур Si-SiO2. В той же час, іонна імплантація домішок в поєднанні з цим відпалом істотно впливає на зазначені параметри. Зокрема, об’ємний генераційний час життя зменшувався на 2-3 порядки, що обумовлено введенням в приповерхневу область кремнію великої кількості структурних дефектів при імплантації.

Одним з ефективних шляхів зменшення оптичних втрат в ФС, як відомо, є нанесення на їх робочу поверхню покриттів, що зменшують коефіцієнт відбивання світла. В роботі проаналізовані особливості просвітлення ФС, в яких поверхня кремнію запасивована зарядженою плівкою SiO2 з низьким значенням показника заломлення. Встановлено, що коли товщина плівки SiO2 не перевищує 30 нм, ефективне просвітлення досягається нанесенням на її поверхню оптичних матеріалів певної товщини з показником заломлення n2. Зручними для просвітлення ФС виявились плівки нітриду кремнію внаслідок їх технологічності і відносно великих значень показника заломлення. Розрахунки спектральних залежностей коефіцієнту відбивання світла від структури Si-SiO2 з товщиною шару SiO2 30 нм, просвітленої плівками Si3N4 різних товщин, показали, що при належному виборі товщини Si3N4 коефіцієнт відбивання зменшується в мінімумі до 13%.

Перспективними просвітлюючими шарами виявилися також АПП. Це обумовлено можливістю змінювати в широких межах оптичні характеристики цих плівок при забезпеченні якісних захисних властивостей, обумовлених їх високою механічною стійкістю і хімічною інертністю. Зокрема, в роботі експериментально показано, що в залежності від умов осадження показник заломлення АПП може змінюватися в межах n=1,652,7, причому значення показника заломлення в дослідженому інтервалі енергій фотонів 1,54 еВ можуть залишатись близькими до оптимальних (n=1,952,1).

Вперше теоретично проаналізована ефективність застосування АПП в складі як одношарового, так і двошарового антивідбиваючих покриттів для просвітлення структури Si-SiO2 в діапазоні довжин хвиль 0,41,2 мкм. Результати розрахунків спектральних залежностей коефіцієнту пропускання світла системи АПП-SiO2-Si, проведені з врахуванням експериментально отриманих спектральних залежностей показника заломлення i коефіцієнту поглинання світла АПП, показали, що одношарова АПП зі значенням показника заломлення n=2,2 і товщиною 37 нм може бути ефективним просвітлюючим покриттям для системи Si-SiO2. Ще більш ефективне просвітлення забезпечується шляхом нанесення двошарових оптичних покриттів, в яких показники заломлення шарів зменшуються в напрямку від поверхні кремнію. Визначена ефективність просвітлення зазначених ФКС різними комбінаціями двошарових просвітлюючих плівок (MgF2+АПП з nMgF2 =1,38 і nАПП =2,2; АПП1+АПП2 з nАПП1 =1,65 і nАПП2 =2,2 і 2,6), що дозволило запропонувати конструктивне виконання ФКС з мінімізованими оптичними втратами.

На основі результатів проведеного аналізу вибраний оптимальний технологічний режим і проведене нанесення одношарової АПП на кремнійові СЕ з n- і р-базою, які мали на поверхні шар SiO2 товщиною 2530 нм. Типові експериментальні спектри відбивання до та після нанесення на ці СЕ одношарової АПП з розрахованими оптичними параметрами показали, що коефіцієнт відбивання світла не перевищував 15% в спектральному інтервалі 0,430,85 мкм, який включав в себе як область максимальної інтенсивності сонячного випромінювання, так і область максимальної чутливості ФКС. При цьому коефіцієнт відбивання в мінімумі складав 12%. Експериментально встановлено, що нанесення АПП привело до збільшення струму КЗ досліджених СЕ на 2030%.

З метою встановлення механізмів протікання генераційно-рекомбінаційних процесів у ФКС було проведене теоретичне моделювання і експериментальне дослідження кінетики затухання малосигнальної фотоерс після виключення освітлення. Був запропонований простий для практичної реалізації метод забезпечення малосигнальності фотоерс, який полягає в одночасному опроміненні поверхні структури світлом постійної інтенсивності, яке зменшує висоту потенціального бар’єру в приповерхневому p-n-переході, і світловим тестуючим імпульсом значно меншої інтенсивності, який формує сигнал фотоерс. В таких умовах релаксація малосигнальної фотоерс повинна мати експоненційний характер.

Проведений теоретичний аналіз показав, що у випадку довільного співвідношення між довжиною дифузії неосновних носіїв заряду і товщиною базової області ФКС із збільшенням інтенсивності постійного освітлення значення часу релаксації фотоерс eff зменшується і досягає насичення. На ділянці насичення при виконанні умови Ld >>1 ( - коефіцієнт поглинання світла) час релаксації eff описується виразом

,де Ld - довжина дифузії неосновних носіїв заряду в базі ФКС; Vd =D/Ld - швидкість об’ємної рекомбінації, D - коефіцієнт дифузії неосновних носіїв заряду в базі; d - товщина

ФКС; S0 і Sd - ефективні швидкості поверхневої рекомбінації на фронтальній і тиловій поверхнях ФКС, відповідно. На основі отриманих результатів вперше запропоновані теоретичні і експериментальні засади нового експресного методу визначення часу життя неосновних носіїв заряду у базовій області ФС. З аналізу наведеного виразу видно, що при виконанні умови S0 і Sd <<Vdtgh(d/Ld) значення eff дорівнює об’ємному часу життя неосновних носіїв заряду. Але в загальному випадку на величину eff впливають також швидкості поверхневої рекомбінації на обох поверхнях ФКС, зменшуючи його. Тому в останньому випадку значення eff на ділянці насичення співпадає з ефективним часом життя неосновних носіїв заряду в базовій області ФКС.

З використанням світлодіода, який мав максимум випромінювання на довжині хвилі 0,85 мкм і тривалість заднього фронту імпульсу світла меншу 0,5 мкс, були експериментально виміряні значення фотоерс ФП при імпульсному збудженні нерівноважних носіїв заряду. Рівень постійного підсвітлювання контролювався за допомогою кремнійового фотоприймача з лінійною залежністю струму КЗ від інтенсивності світла. Отримані теоретична і експериментальна залежності часу релаксації фотоерс від інтенсивності постійного підсвітлення для досліджених ФП практично співпали, що дозволило визначити величину eff. Коректність визначення ефективного часу життя неосновних носіїв заряду в базовій області ФКС запропонованим методом була підтверджена результатами вимірів часу життя методом спектральних залежностей фотоерс.

Розділ 2 присвячений дослідженню мікроструктурних, генераційно-рекомбінаційних, зарядових і фотоелектричних характеристик ФКС, виготовлених на основі системи Si-SiO2 з ТП. При аналізі причин більш високої ефективності процесів ФПЕ в СЕ з ТП в роботах різних авторів, як правило, приймався до уваги лише оптичний фактор, в той час як зміни зарядових, рекомбінаційних і мікроструктурних параметрів ФС внаслідок проведення операції текстурування в аналізі не враховувались. У зв’язку з цим в роботі вперше були проведені порівняльні комплексні дослідження характеристик систем Si-SiO2, сформованих в однакових умовах на плоских і текстурованих ділянках поверхні однієї пластини марки КБЕ-2 з провідністю n-типу і з поверхнею орієнтованою в площині (100). ТП, створена травленням поверхні кремнію в анізотропному травнику на основі КОН, мала спонтанний характер рельєфу поверхні і являла собою поле чотиригранних пірамід висотою 25 мкм.

Як свідчать наведені в табл.1 порівняльні дані, отримані на структурах Si-SiO2 з ПП і ТП, анізотропне травлення поверхні кремнію істотно вплинуло на значення електрофізичних параметрів. Зокрема, диференційна густина ПЕС межі поділу Si-SiO2 NSS(E), яка була практично однаковою поблизу середини забороненої зони для обох типів поверхонь, у випадку ТП істотно збільшувалась при наближенні до дна зони провідності і проходила через максимум. Оскільки у випадку зразків з ТП переважною є орієнтація окисленої поверхні (111), а для ПП - орієнтація (100), то збільшення NSS(E) на ТП мало орієнтаційний характер. Природа концентраційного піку, швидче за все, пов’язана зі збільшенням концентрації атомів тривалентного кремнію Si3+ поблизу межі поділу Si-SiO2 на ТП. Це підтверджується тим, що характеристики цих ПЕС і по енергетичному положенню і по концентрації збігаються з характеристиками так званих Рb-центрів в спектрах електронного парамагнітного резонансу, які в ряді робіт ототожнюють з надлишком атомів Si3+ поблизу межі поділу Si-SiO2.

Спектральні залежності конденсаторної фотоерс, виміряні в умовах постійного потоку падаючих квантів світла показали, що в області довжин хвиль, більших 1000 нм, на цих залежностях у випадку ТП існував характерний підйом, пов’язаний зі збільшенням поглинання довгохвильових фотонів внаслідок заломлення випромінювання гранями мікропірамід.

Для встановлення механізмів впливу домішково-структурних чинників на електрофізичні параметри межі поділу Si-SiO2 були проведені дослідження мікроструктурних характеристик текстурованих і нетекстурованих ділянок поверхні термічно окисленого кремнію методом МСВІ. При цьому розпилення мішені здійснювалось первинними іонами Ar+ з енергією Е=2 кеВ і густиною струму в пучку J=20 мкА/см2. Вимірювались товщинні профілі виходу елементарних матричних (Si+) та домішкових іонів (Na+, K+), а також вторинних кластерних іонів (ВКІ) - Si2+, SiO+, SiO2+, Si2O+, SiH+, SiOH+. У випадку зразків з ПП відтворювались всі характерні особливості товщинного розподілу вторинних іонів для системи Si-SiO2. Сталість виходу Si+, SiO+ і інших кремній-кисневих ВКІ, чітка сходинка у виході Si+, відсутність різких викидів біля межі поділу Si-SiO2 свідчили про однорідність шару SiO2 та про досить гарну якість межі поділу. Лужні іони Na+ і K+ давали невеликі піки біля межі поділу, а концентрація ВКІ Si2+ монотонно збільшувалась при переході від матриці SiO2 до матриці Si. Для зразків з ТП зафіксована відсутність характерного для сильно розупорядкованої межі поділу ДН піку виходу іонів Si+, що свідчить про її непогану якість. В той же час сходинковий характер профілю вказує на неоднорідність структури плівки SiO2 по товщині, коли спочатку розпилюється її структурно більш щільна модифікація, а потім - більш дефектна. При цьому менша інтенсивність струму кластерів SiO+ у поєднанні зі збільшеним виходом ВКІ Si2+ свідчили про більш недоокислену структуру плівки SiO2 на ТП.

З аналізу змін потенціалу зовнішньої поверхні шару SiO2 V в процесі іонного травлення були зроблені висновки про його діелектричні властивості. На ПП потенціал лінійно зменшувався із зменшенням товщини окису d, що свідчило про однорідність його питомого опору як по товщині, так і по площі. На ТП характер залежностей V(d) був більш складним: спочатку травлення окису приводило до підвищення потенціалу зовнішньої поверхні його залишкової частини, потім досягалось насичення, і лише після цього потенціал починав монотонно зменшуватися, що підтверджує товщинну неоднорідність характеристик плівки окису на ТП.

Проведені дослідження мікроструктурних характеристик показали, що на відміну від системи Si-SiO2 з ПП система Si-SiO2 з ТП має більш розупорядковану структуру перехідного шару Si-SiO2, більш недоокислену і більш неоднорідну по товщині структуру плівки SiO2, особливо поблизу межі поділу ДН та підвищений вміст домішок натрію і калію у плівці SiO2.

У розділі 3 викладена розроблена вперше теоретична модель, що дозволяє коректно описати вплив на процеси ФПЕ просторово неоднорідної рекомбінації, яка виникає в результаті опромінення ФС важкими частинками (наприклад, протонами) з довжиною пробігу меншою товщини цієї ФС і результати експериментального дослідження деградаційних процесів в СЕ під дією протонного та електронного опромінення. Також проведено теоретичне дослідження енергетичних залежностей відносних протонних коефіцієнтів пошкодження (ВПКП) по струму КЗ і напрузі розімкненого кола (РК) ФКС.

При створенні теоретичної моделі просторово неоднорідну рекомбінацію було розглянуто в тришаровій моделі, cутніть якої полягає в тому, що в ФС після опромінення існують радіаційно пошкоджена фронтальна приповерхнева область а з підвищеною концентрацією дефектів, тонка область наприкінці області а з істотно більш високою концентрацією дефектів, локалізована в кінці шляху пробігу протонів, а також радіаційно непошкоджена область бази з початковою концентрацією дефектів. В рамках цієї моделі вирішувалось дифузійне рівняння струмопереносу з відповідними граничними умовами, що дозволило розрахувати залежності нормованих величин струму КЗ і напруги РК від довжини дифузії носіїв заряду в радіаційно пошкодженій частині бази при різних довжинах пробігу протонів a. Параметрами моделі були безрозмірна швидкість рекомбінації в області максимуму концентрації радіаційних дефектів і ефективна швидкість рекомбінації в області просторового заряду (ОПЗ).

На основі проведених розрахунків було показано, що при радіаційному опроміненні протонами ФС на глибину близьку або більшу за початкове значення довжини дифузії в базі ФС, струм КЗ при збільшенні дози опромінення деградує майже завжди швидше, ніж напруга РК. І тільки при великих дозах опромінення і швидкостях рекомбінації в ОПЗ можлива протилежна поведінка цих характеристик. У випадку ж опромінення протонами, довжина пробігу яких у базі мала, напруга РК при збільшенні дози опромінення практично завжди деградує значно швидше, ніж струм КЗ. Вказана закономірність слабшає при збільшенні глибини пошкодженого шару а і неоднорідності розподілу радіаційних дефектів в межах пошкодженого шару.

Ці теоретично отримані результати якісно підтверджені результатами проведених експериментальних досліджень впливу опромінення потоками електронів з енергією Е=1 МеВ на характеристики СЕ дифузійно-польового типу, виготовлених на основі кремнію марок КДБ-10 і КБЕ-2. Показано, що при опроміненні цих СЕ з фронтальної сторони деградація струму КЗ з набором дози опромінення (до 21014 см-2) відбувається більш швидкими темпами, ніж деградація напруги РК, причому СЕ з n-базою виявились менш радіаційно стійкими порівняно з СЕ з р-базою. Аналогічний характер мали деградаційні зміни цих параметрів СЕ з базами обох типів провідності від дози опромінення потоками протонів (до 21013 см-2) з енергією Е=20 МеВ. Основна відмінність полягала в тому, що для отримання однакової за величиною деградації напруги РК і струму КЗ СЕ дози опромінення протонами повинні були бути приблизно на 34 порядка меншими, ніж у випадку опромінення електронами. З іншого боку, в результаті опромінення СЕ на основі р-кремнію (КДБ-10) потоками протонів з енергією Е=100 КеВ вже деградація напруги РК з набором дози (до 51013 см-2) відбувалася більш швидкими темпами, ніж деградація струму КЗ.

Було проведене теоретичне дослідження енергетичних залежностей ВПКП по струму КЗ і напрузі РК у випадку ФКС з наближеним до реального просторовим розподілом концентрації рекомбінаційно-активних радіаційних центрів, спричиненим опроміненням її поверхні протонами з енергією Е10 МеВ. Зазначені експериментально визначені коефіцієнти використовуються при моделюванні впливу космічного випромінювання на фотоенергетичні характеристики СЕ в рамках концепції еквівалентних доз корпускулярної радіації. Остання базується на експериментально отриманих висновках про те, що опромінення напівпровідника електронами і протонами різних енергій приводить до утворення аналогічних типів дефектів, а відмінність полягає лише в їх кількості і просторовому розподілі. Зокрема, за допомогою ВПКП можна перерахувати потік протонів однієї енергії в еквівалентний йому за ушкодженням потік протонів еталонної енергії (10 МеВ) при нормальному куті падіння обох потоків на поверхню ФКС.

В рамках прийнятої для аналізу двошарової моделі реальний розподіл концентрації створених протонами об’ємних радіаційних рекомбінаційних центрів по товщині ФС замінювався на усереднене значення цієї концентрації. Показано, що енергетичні залежності ВПКП по струму КЗ слабо відчувають неоднорідність розподілу радіаційних дефектів і майже не залежать від товщини ФКС, якщо вона більша за довжину дифузії неосновних носіїв заряду. У випадку опромінення такої ФКС протонами високих енергій (Е10 МеВ) або електронами, коли рекомбінаційно активні радіаційні дефекти генеруються майже однорідно, ВПКП по струму КЗ і по напрузі РК збігаються один з одним і перестають залежати від параметрів ФКС та від дози опромінення. При опроміненні ФКС протонами в діапазоні енергій 2Е10 МеВ для ВПКП по струму зберігаються такі ж закономірності, як і при опроміненні протонами з більшими енергіями, в той час як енергетичні залежності ВПКП по напрузі, які є більш чутливими до конкретного виду неоднорідного розподілу радіаційних дефектів, починають залежати від товщини ФКС.

Розділ 4 присвячений викладенню результатів розробки і дослідження кремнійових СЕ з ДПБ і СБ, а також розробки і створення стендової бази для автоматизованого експресного вимірювання їх ВАХ в стандартних умовах з метою розрахунку електричних і фотоенергетичних параметрів СЕ і СБ.

На основі результатів викладених у попередніх розділах фізичних досліджень були розроблені практична конструкція і технологічний процес виготовлення високоефективних кремнійових СЕ дифузійно-польового типу. В розробленій базовій конструкції СЕ, виготовлений на основі кремнію р-типу, складається з пластини кремнію (910 Омсм) товщиною 350-380 мкм і дифузійного n+-шару, на поверхню якого нанесені шар SiO2 товщиною до 30 нм з вбудованим позитивним зарядом і просвітлюючий шар нітриду кремнію товщиною 4050 нм. Вбудований заряд створює в n+-шарі приповерхневий індукований шар збагачення. Контактування фронтального Al гребінчатого електроду до дифузійного n+-шару здійснюється через вікна в просвітлюючому і діелектричному шарах. Тиловий Al контакт до бази здійснюється через дифузійну антирекомбінаційну р+-область. СЕ з базою n-типу (25 Омсм) має аналогічну конструкцію з відмінностями у типах провідності дифузійних фронтальної та тилової областей.

Для вимірювання темнових ВАХ і СВАХ і розрахунку на їх основі фотоенергетичних параметрів СЕ і СБ була створена і метрологічно атестована комп’ютеризована стендова база. При створенні стендової бази були розроблені технічні пристрої для стандартизації умов фотоелектричних вимірювань і радіоелектронне устаткування для автоматизованого експресного вимірювання основних фотоелектричних характеристик і розрахунку на їх основі фотоенергетичних і електричних параметрів об’єктів випробувань в стандартних умовах АМ0 і АМ1,5. Створена стендова база використовується в Центрі випробувань ФП та батарей фотоелектричних ІФН НАН України, акредитованого Українським державним науково-виробничим центром стандартизації, метрології та сертифікації при Держспоживстандарті України.

В табл.2 наведені результати досліджень фотоенергетичних параметрів СЕ, розроблених і виготовлених в роботі. Отримані значення ефективності цих СЕ (більше 16% в умовах АМ0) обумовлені: високими значеннями дифузійної довжини неосновних носіїв заряду в базі СЕ (більше 300 мкм), малою глибиною залягання p-n-переходу (0,30,4 мкм), малими значеннями швидкості поверхневої рекомбінації (менше 50 см/с) завдяки високій якості межі поділу Si-SiO2 в електрофізичному і структурному відношенні та присутності приповерхневого польового бар’єру і тилового антирекомбінаційного переходу, високою якістю р-n-переходу (фактор ідеальності переходу A=1,051,15, струм насичення зворотно зміщеного р-n-переходу I0=(530)10-12 A/см2), низькими оптичними втратами на відбивання; малим значенням послідовного (0,250,4 Ом) і великим значенням шунтуючого (105106 Ом) опорів.

Розроблені в роботі кремнійові СЕ були використані в СКТБ з ДВ ІФН НАН України, з яким був виконаний ряд спільних робіт зі створення на їх основі високоефективних СБ наземного і космічного призначення. Зокрема, були виконані спільні НДР і ДКР з розробки та освоєння у дрібносерійному виробництві СБ підвищеної ефективності встановленою потужністю 0,1 і 2 Вт, призначених для використання в сонячно-акумуляторних блоках електроживлення переносної дозиметричної і радіометричної апаратури нового покоління. Всього було виготовлено і передано підприємству-виробнику професійних дозиметрів і радіометрів більше 500 штук таких СБ.

В рамках Національної космічної програми України виконана спільна з СКТБ з ДВ ІФН НАН України ДКР з розробки і виготовлення СБ, призначених для використання в системі енергопостачання КА нового покоління КС5МФ2 “Мікрон” в якості первинного джерела енергії. Означені СБ мали ефективність біля 15% в умовах АМ0, вихідну питому електричну потужність біля 190 Вт/м2 і характеризувались стійкістю до дії факторів космічного простору, зокрема, циклічних змін температури від плюс 750С до мінус 850С та іонізуючого випромінювання природних радіаційних поясів Землі. З використанням результатів роботи була розроблена програма-методика випробувань цих СБ на стійкість до дії радіаційних факторів космічного простору, а також успішно проведені їх відповідні випробування.

У додатку А викладені основи розробленої програми-методики і результати випробувань СБ КА “Мікрон” на стійкість до дії радіаційних випромінювань космічного простору. Завдяки проведеним в роботі дослідженням вперше на теренах нинішнього СНД, і в Україні зокрема, успішно вирішена складна проблема підтвердження в наземних умовах стійкості кремнійових СБ космічного призначення до дії космічної радіації для заданих орбіт і термінів їх експлуатації.

У додатку Б наведені технологічні маршрути виготовлення СЕ дифузійно-польового типу на базі монокристалічного кремнію різного типу провідності, орієнтовані на використання промислової виробничої бази підприємств мікроелектронної галузі.

ВИСНОВКИ

В результаті експериментальних і теоретичних досліджень, проведених у даній дисертаційній роботі, встановлені нові важливі закономірності протікання нерівноважних генераційно-рекомбінаційних і фотоелектричних процесів в багатошарових ФС на основі кремнію, визначені електричні, генераційно-рекомбінаційні, оптичні і мікроструктурні характеристики таких структур при різних способах їх формування і наступних обробок і на цій основі розроблені фізичні, технічні і технологічні принципи підвищення ефективності процесів ФПЕ у ФКС. При цьому отримані наступні основні результати:

1. Показано, що система Si-SiO2, сформована методом термічного окислення кремнію зонної плавки в хлорному середовищі при температурі 10500С, має високі значення генераційного і рекомбінаційного часу життя, низькі значення швидкості поверхневої генерації і густини вбудованого в окис заряду, що свідчить про високу якість межі поділу Si-SiO2 і приповерхневої області кремнію в електрофізичному і структурному відношенні. Дифузія електрично активних домішок з наступним відпалом при температурі 10000С практично не змінює електрофізичні параметри межі поділу Si-SiO2, що свідчить про доцільність використання зазначеної системи в ФКС.

2. Вперше показано, що сформовані в однакових умовах шари двоокису кремнію, термічно вирощеного на плоских та текстурованих ділянках поверхні кремнію, суттєво відрізняються як домішковим складом, так і мікроструктурою перехідного шару. Виявлена кореляція між підвищенням концентрації електрично активних домішок на межі поділу Si-SiO2, з одного боку, і підвищенням генераційної активності, густини вбудованого в окис заряду та концентрації ПЕС - з іншого. На основі отриманих результатів експериментально обгрунтовані модельні уявлення стосовно структурно-домішкової природи електрично-активних центрів, створених в процесі термічного окислення поверхні кремнію, текстурованої в водних розчинах КОН.

3. Теоретично та експериментально проаналізовані особливості просвітлення шаруватих ФС, в яких поверхня кремнію запасивована плівкою SiO2 з низьким значенням показника заломлення. Показано, що при товщині плівки SiO2 до 30 нм поверхня таких структур може бути ефективно просвітлена з використанням плівок Si3N4 і АПП. Вперше визначені і експериментально підтверджені критерії, при виконанні яких використання АПП приводить до підвищення на 20-30% ефективності процесів ФПЕ у ФКС, в тому числі і при наявності на їх поверхні тонкої плівки SiO2 товщиною до 30 нм.

4. На основі результатів теоретичного і експериментального дослідження кінетики релаксації малосигнальної фотоерс в ФКС при довільному співідношенні між довжиною дифузії неосновних носіїв заряду і товщиною базової області вперше встановлені критерії, при виконанні яких власний час релаксації малосигнальної фотоерс в області насичення співпадає з ефективним часом життя неосновних носіїв заряду в базовій області цих структур. Запропонований і експериментально обгрунтований новий метод визначення ефективного часу життя неосновних носіїв заряду в базовій області шаруватої ФС. Отримані зазначеним методом значення ефективного часу життя неосновних носіїв заряду в кремнійових СЕ співпали з результатами вимірів часу життя методом спектральних залежностей фотоерс.

5. Вперше теоретично виявлені особливості впливу радіаційного опромінення високоенергетичними протонами на ефективність процесів ФПЕ у випадку довільного співвідношення між глибиною радіаційно пошкодженого шару, довжиною дифузії