ВЕСТНИК ЮЖНОГО НАУЧНОГО ЦЕНТРА Том 10, № 1, 2014, стр. 3-7
ФИЗИКА
УДК 621.383
КОНТРОЛЬ И ДИАГНОСТИКА НАНОГЕТЕРОЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СТРУКТУР С КВАНТОВЫМИ ТОЧКАМИ, ПОЛУЧАЕМЫХ ИЗ РАСТВОРОВ
ЛЕГКОПЛАВКИХ МЕТАЛЛОВ
© 2014 г. Д.Л. Алфимова1, Т.Ф. Кулюткина2, М.Л. Лунина1, Е.В. Мирошниченко3, М.В. Найденкова4
Поступила 08.07.2013
Методом жидкофазной эпитаксии выращены многослойные наногетероструктуры с квантовыми точками ¡пАв^Б/ваАв и ве^Б/ваР для солнечных элементов. Интерес к технологии получения наногетероструктур методом жидкофазной эпитаксии обусловлен тем, что только этим методом в импульсном режиме охлаждения и нагревания подложки можно сформировать массивы идеальных квантовых точек. Получение многослойных наногетероструктур осуществлялось путем многократного повторения роста сверхрешеток. Каждая сверхрешетка содержит наноразмерный слой матричного материала и массив квантовых точек. Формирование массива квантовых точек осуществлялось по механизму Странского - Крастанова. Вначале образовывался смачивающий слой, затем из-за механических напряжений происходило формирование зародыша. Развитие квантовых точек происходило по схеме Освальда.
Солнечные элементы на основе квантоворазмерных гетер о структур представляют собой многослойные структуры, содержащие легированные полупроводниковые слои различного типа проводимости толщиной от сотен микрометров до десятков нанометров, слои прозрачных проводящих оксидов, металлические контакты, размещенные на подложках достаточно большого диаметра.
Выбор аналитических методов исследования обусловлен необходимостью контролировать микро- и наноструктуру, электрические и оптические свойства слоев, а также функциональные характеристики солнечных элементов. Объектами исследования были буферный слой, массивы квантовых точек, спейсерный слой, подконтактный слой, контакты солнечного элемента на основе наногетероструктур с квантовыми точками.
Показано, что использование сканирующей туннельной и просвечивающей электронной микроскопии позволяет определить геометрические параметры квантовых точек и толщину спейсерных слоев. Продемонстрировано, что исследования фотолюминесценции позволяют контролировать оптические свойства наногетероструктур с целью совершенствования технологии изготовления высокоэффективных солнечных элементов. Установлено, что измерения вольт-амперных характеристик солнечных элементов, изготовленных на основе наногетероструктур с квантовыми точками, позволяет определить качество омических сопротивлений контактов.
Ключевые слова: квантовые точки, наногетероэпитаксиальные структуры, фотолюминесценция, раствор-расплав, солнечные элементы.
1 Южный научный центр Российской академии наук (Southern Scientific Center of the Russian Academy of Sciences), 344006, г. Ростов-на-Дону, пр. Чехова, 41; тел. 8 (863) 250-98-10, e-mail: Lunin_LS@mail.ru
2 Кременчугский университет экономики, информационных технологий и управления, г. Кременчуг, Украина (Kremenchuk University of Economics, Information Technology and Management, Kremenchuk, Ukraine), 39600, Украина, г. Кременчуг, ул. Пролетарская, 24/37; e-mail: nanotecsv@gmail.com
3 Севастопольский университет ядерной энергии и промышленности, г. Севастополь, Украина (Sevastopol National University of Nuclear Energy and Industry, Sevastopol, Ukraine), 99015, Украина, г. Севастополь-15, пос. Голландия, ул. Курчатова, 7; e-mail: uchsec1@sinp.com.ua
4 Университет Нью-Мексико (The University of New Mexico, Albuquerque, USA), 87131, США, г. Альбукерке; e-mail: naidyon-kova@hotmail.com
Вследствие чрезвычайной сложности процесса изготовления наногетероэпитаксиальных структур (НГЭС), содержащих нано- и микрообъекты различных размеров, необходим не только строгий входной контроль исходных материалов и технологических режимов, но и межоперационный контроль на различных стадиях технологического процесса.
Особую сложность для контроля и диагностики представляет НГЭС с квантовыми точками (КТ), получаемые в процессе жидкофазной эпитаксии. Методы контроля и диагностики на различных стадиях изготовления НГЭС с квантовыми точками являются сложным многостадийным процессом, включающим получение объемных эпитаксиаль-ных слоев, самоорганизацию многослойных на-норазмерных структур, содержащих квантовораз-мерные слои, нити и квантовые точки узкозонного материала, а также покрывающие (спейсерные) слои матричного материала.
В случае выращивания таких наноструктур в высоком вакууме методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) или ионно-лучевого осаждения (ИЛО) [1-3] имеется возможность осуществлять контроль параметров и исследование свойств каждого элемента выращиваемой структуры в процессе и после завершения их формирования методами оптических, фотолюминесцентных, катодолюми-несцентных исследований, Оже-спектроскопии и другими методами, достаточно хорошо разработанными и имеющимися в установках по выращиванию многослойных НГЭС (например, МВЕ-6000 фирмы ЫВЕЯ и др.).
В случае кристаллизации из газовой, а тем более из жидкой фазы определение параметров и свойств элементов наногетероструктур не может быть реализовано в процессе их формирования путем непосредственного исследования, это возможно только после извлечения сформированной структуры, содержащей соответствующий элемент.
В этой связи контроль параметров и исследование свойств каждого элемента осуществляется на одной из партии наноструктур в предположении, что режимы выращивания всех наноструктур этой партии осуществлялись в идентичных условиях. Использование программного обеспечения и автоматизированных систем управления установок для выращивания наноструктур позволяет выдерживать идентичные технологические режимы при выращивании достаточно больших партий наноструктур.
Получение многослойной НГЭС КТ осуществляется путем многократного повторения роста сверхрешеток, каждая из которых содержит нано-размерный слой матричного материала (как прави-
ло, материала, из которого изготовлена подложка) и массив КТ, расположенный на его поверхности. Механизм формирования массива КТ в начальной стадии включает образование так называемого смачивающего слоя, в котором в связи с различием постоянных решеток материала КТ и матричного материала образуются периодически изменяющиеся напряжения с минимумом в местах нониуса совершенства, где происходит формирование квантовых точек по механизму Странского - Крастано-ва, которые в процессе оствальдовского созревания увеличивают свои размеры. Размер и плотность КТ обусловлены различием постоянных решеток материала КТ и матричного материала, на поверхности которого они формируются.
Интерес к технологии получения наноструктур методом жидкофазной эпитаксии обусловлен прежде всего тем, что только метод импульсного охлаждения и нагревания подложки в процессе жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ ИОНП) позволяет формировать НГЭС с массивами "идеальных" квантовых точек, не содержащих "смачивающих" слоев между КТ.
С позиции контроля и диагностики основными составляющими частями НГЭС КТ являются:
1) буферный слой, сформированный на поверхности подложки;
2) массивы КТ, незаращённые спейсерными слоями;
3) наноразмерные спейсерные слои, заращивающие массивы КТ;
4) подконтактные слои толщиной более 300 нм;
5) многослойные НГЭС КТ;
6) солнечные элементы на основе многослойных НГЭС КТ.
К основным характеристикам контроля параметров составляющих частей НГЭС КТ, многослойных структур и СЭ на их основе относятся:
- размерные, геометрические параметры КТ, распределение их в плоскости структуры, поверхностная плотность (на 1 см2), а также их электрофизические характеристики;
- размерные, электрофизические характеристики и структурное совершенство буферных, спей-серных и подконтактных слоев;
- механические характеристики на гетерограни-цах КТ и нанослоев;
- однородность распределения оптических, люминесцентных, электрофизических, структурных параметров по площади НГЭС КТ;
- параметры транспорта носителей заряда и их распределение по площади многослойных НГЭС КТ;
- исследование омических сопротивлений на границах металлические контакты - НГЭС КТ;
- исследование и контроль темновых, нагрузочных и спектральных вольт-амперных характеристик солнечных элементов при облучении прямым и концентрированным солнечным излучением;
- исследование процессов деградации параметров солнечных элементов под действием солнечной радиации, температуры и радиационного облучения.
Наиболее информативной для диагностики и контроля параметров незаращённых массивов КТ является сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) и спектры фотолюминесценции (ФЛ). Представленное на рисунке 1 изображение массива незаращённых квантовых точек 1пАз, выращенных на подложке ваАз методом жидкофазной эпитаксии [4], позволяет определить разброс параметров КТ (по радиусу и высоте) и изменение их плотности по площади структуры.
На рисунке 2 представлены спектры ФЛ этой же структуры с одним массивом незаращённых КТ, измеренные при комнатной температуре (300 К) и температуре жидкого азота (77 К). Наблюдаемый в коротковолновой части спектра пик ФЛ обусловлен наличием "смачивающего" слоя. Наблюдаемый с понижением температуры сдвиг спектра ФЛ в коротковолновую область находится в хорошем согласии с температурным изменением ширины запрещенной зоны материала квантовых точек и увеличением вклада от КТ меньшего размера. Значительное увеличение интенсивности ФЛ при температуре жидкого азота свидетельствует о существенном влиянии температуры на излучательную рекомбинацию в наноразмерных структурах.
Из представленных примеров следует, что использование СЗМ и спектров ФЛ позволяет достаточно полно характеризовать свойства и изменение параметров незаращённых КТ по площади структуры.
Характеризация наноструктур, содержащих массивы КТ, заращённые спейсерными слоями, осуществляется неразрушающими методами, в основном оптическими и фотолюминесцентными, или при использовании просвечивающей электронной микроскопии с применением кросс-методов.
Оптические (отражение, поглощение) и фотолюминесцентные методы с использованием расчетных зависимостей энергии оптиче
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.