ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ
УДК 621.383.51
ФОТОВОЛЬТАИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ В СТРУКТУРЕ НА ОСНОВЕ АМОРФНОГО И НАНОПОРИСТОГО КРЕМНИЯ, СФОРМИРОВАННОЙ МЕТОДОМ ПЛАЗМЕННО-ИММЕРСИОННОЙ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ
© 2013 г. А. В. Мяконьких, А. Е. Рогожин, К. В. Руденко, В. Ф. Лукичев
Физико-технологический институт Российской АН, Москва, Нахимовский пр-т, 34 E-mail: amiakonkikh@gmail.com, lukichev@yahoo.com, rudenko@ftian.ru Поступила в редакцию 23.01.2013 г.
Предложена и изготовлена методом плазменно-иммерсионной ионной имплантации р—г—«-структура, обладающая фотовольтаическими свойствами. Имплантация ионов гелия в диапазоне энергий 1— 5 кэВ с последующим отжигом создает на поверхности кремниевой подложки область нанопористого кремния глубиной порядка 20—80 нм. Нанокристаллическая структура этого слоя определяет высокое поглощение света в нем и изменение ширины запрещенной зоны, что приводит к образованию гетероперехода. Верхний слой модифицированной области дополнительно легировался бором, для создания ^-области. Полученная структура продемонстрировала фотовольтаический эффект (0.15 В, 6.4 мА/см2) при светом эквивалентным по спектру и интенсивности солнечному.
БО1: 10.7868/80544126913040030
ВВЕДЕНИЕ
Неослабевающий интерес к фотовольтаиче-ским структурам, используемым в качестве источников электрического тока в солнечных элементах, обусловлен активным развитием альтернативной энергетики, основанной на возобновляемых источниках энергии. Эволюция солнечной энергетики идет путем поиска компромисса между максимально достижимым КПД устройств преобразования излучения солнечного спектра в электричество и стоимостью технологии и материалов при массовом производстве солнечных элементов.
При этом, в определенных нишах востребованными оказываются и высокоэффективные, но дорогостоящие структуры на монокристаллическом кремнии с КПД до 25% [1], и гораздо менее эффективные, но дешевые в производстве и массовые тонкопленочные структуры с использованием p—i—n-структур на аморфном кремнии с типичными КПД 9—10% [2]. В i-слое, заряды дрейфуют под действием встроенного поля, а не диффузии, что позволяет существенно повысить эффективность приборов.
Как правило, слои аморфного кремния формируются методами CVD либо PECVD, с легированием слоев a-Si p- и n-примесями в процессе роста, что предполагает, в случае p—i—n-структуры, использование 3-х индивидуальных технологических камер для последовательного роста слоев.
В настоящей работе предлагается г-слой структуры заменить слаболегированным/компенсированным слоем аморфизованного нанопористого кремния (пр81). Известно [3, 4], что такой материал проявляет свойства прямозонного полупроводника, в отличие от 81 в структуре алмаза, за счет квантово-размерных эффектов в окрестностях нанопор. Эта особенность позволила создать на основе структуры с нанопористым кремнием достаточно эффективный электролюминесцентный прибор [5].
Мы полагаем, что слой прямозонного нанопористого кремния (npSi), в котором значительно ослаблен канал безызлучательной рекомбинации неравновесных носителей, также будет способствовать увеличению времени жизни неравновесных носителей в области р—п перехода и увеличению эффективности фотоприемника на основе структуры р-81/пр81/п-81.
Особенности реализации такой структуры заключаются в том, что ее формирование может быть проведено приемами плазменно-иммерсионной ионной имплантации (ПИИИ) в кремниевую подложку (монокристаллический или поликристаллический металлургический 81). В настоящее время разработаны плазменно-иммерсионные ионные имплантеры, рассчитанные на кремниевые пластины диаметром до 500 мм.
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ СОЗДАНИЯ СОЛНЕЧНОГО ЭЛЕМЕНТА НА НАНОПОРИСТОМ КРЕМНИИ
Моно- и поликристаллический кремний традиционно используются в производстве солнечных элементов. Однако, поскольку кремний непрямо-зонный полупроводник, толщина слоя кремния в солнечном элементе должна быть достаточно большой — 200—300 мкм. С другой стороны, активный слой в солнечных элементах на основе прямозон-ных полупроводников, таких как арсенид галлия ^аАз), благодаря высокому коэффициенту поглощения в диапазоне длин волн солнечного излучения и, соответственно, малой длины поглощения, может быть тонким — толщиной несколько микрон. Тем не менее, цена таких материалов обычно существенно выше цены кремния и для их использования нужны специальные подложки и технологии эпитаксиального роста таких материалов.
Исследования фотоэффекта [6, 7] и фотопроводимости [8, 9] кремниевых структур начинались с рассмотрения свойств пористого кремния, получаемого методом электролитического травления в растворе НЕС2Н5ОН. Фотовольтаические свойства Р8 рассмотрены в работе [10]. Измерялись фо-тоиндуцированное напряжение холостого хода УоС и ток короткого замыкания /8С диода на р-Р8, облучаемого светом со спектром, аналогичным солнечному. Были получены значения УоС = 0.3— 0.4 В и 1с = 2 мкА/см2. По всей видимости, низкое значение тока связано с очень высоким последовательным сопротивлением. Удаление самого верхнего слоя дефектного Р8 позволило увеличить /8С до 1 мА/см2. При этом в фотовольтаиче-ский эффект вносят вклад и переход Шоттки Ме/р-Р8 и гетеропереход р-Р8/81 [11]. Авторы [12] предполагают, что из-за вклада гетероперехода и высокой плотности ловушек в Р8, фотоволь-таический эффект в р-Р8 диодах должен быть очень значительным. Получить солнечные элементы на основе Р8 с эффективность около 10% возможно, используя р+—«-структуры на основе микрокристаллического кремния в Р8 [13]. Было также показано, что структура и состав поверхности Р8 оказывают сильное влияние на характер процессов возбуждения, захвата носителей и рекомбинации [14]. Кроме того, измерения коэффициента пропускания и фотопроводимости показали, что рассеяние света в структурах из-за развитости поверхности слоя Р8 приводит к повышению эффективности солнечных элементов на Р8 [15].
Однако технология изготовления пористого кремния методом электролитического травления обладает рядом недостатков. Во-первых, получаемый материал — механически хрупкий и подвер-
жен окислению. Во-вторых, этот процесс сложно интегрировать в стандартную промышленную кремниевую технологию. Другой возможный способ получения пористого кремния связан с высо-кодозовой плазменной иммерсионной ионной имплантацией водорода или гелия в монокристаллические кремниевые подложки [16, 17]. В таком процессе формируется нанопористая структура под поверхностью подложки. Свойства такого материала не так хорошо изучены, как свойства пористого кремния, полученного с помощью электролитического травления.
В работе [5] приведены результаты исследования электролюминесцентых свойств пористого кремния, сформированного методом плазменной ионной имплантации (IPS) ионов водорода и гелия в кремниевые подложки. Были получены спектры люминесценции (EL) для сформированного с помощью плазменной ионной имплантации водорода при энергии имплантируемых ионов 7, 15 и 18 кэВ Au/IPS/Si/Al диода. Пики полученных спектров соответствовали длинам волн 520, 600 и 640 нм. Также исследовались электролюминесцентные свойства кремния, в который с помощью ПИИИ имплантировались ионы водорода, углерода и азота [18]. Изучалась возможность применения такого материала в светодиодах. В работе [5] с помощью ПИИИ была сформирована структура Au/IPS/Si/Al. В процессе формирования в кремний имплантировались ионы водорода, дейтерия и гелия с энергиями 5 кэВ; дозы варьировались в диапазоне 2 х 1015—2 х 1017 см-2. Для сформированных приборов были получены значения EL эффективности 10-6-10-7. Также было показано, что эффективность существенно падает со временем при постоянной работе прибора (на 540% за 10 мин).
Предложенная структура солнечного элемента на основе ПИИИ пористого кремния с NiSi электродами представлена на рис. 1. Интерес с точки зрения оценки потенциала таких солнечных батарей представляет их зонная структура. Если образования нанокристаллической фазы не произошло, то структура запрещенной зоны пористого кремния похожа на структуру аморфного кремния [3, 4]. Ширина запрещенной зоны PS составляет приблизительно 1.8 эВ. На рис. 2 показана зонная структура солнечных элементов на основе нелегированного (сверху) и легированного (снизу) PS. Необходимо отметить, что легирование может повысить эффективность солнечных элементов за счет разделения направлений движения электронов и дырок, сгенерированных под действием солнечного излучения.
(а)
Рис. 2. Зонная структура солнечного элемента на основе нелегированного (а) и легированного В (б) ПИИИ пористого кремния с N181 электродами.
ПРИМЕНЕНИЕ ПЛАЗМЕННОЙ ИММЕРСИОННОЙ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ПОРИСТОГО КРЕМНИЯ
Метод пучковой ионной имплантации исторически был первым подходом к формированию кремниевых гетероструктур, предназначенных для конверсии энергии солнечного излучения в электрическую. В ранних работах [19] ошибочно полагалось, что имплантация нейтральных примесей приводит к образованию р—п-перехода. Имплантация выполнялась высокоэнергетичными ионами (до 100 кэВ). Применение метода пучковой имплантации ограничивало производительность процесса.
Развитый в последние десятилетия метод ши-рокоапертурной плазменной иммерсионной имплантации [20] позволяет достигать высоких доз ионного потока на всю площадь подложки с высокой степенью однородности за короткие промежутки времени (до 1017 см—2/мин) при энергиях ионов в диапазоне 0.1—10 кэВ. Данная технология позволяет конформно обрабатывать структуры со сложной топологией поверхности. В настоящее время коммерчески доступны плазменно-иммер-сионные имплантеры с размером обрабатываемой пластины до 300 мм (в перспективе до 500 мм), плотностью плазмы до 1012 см-3, напряжением имплантации до 5-10 кВ. Это позволяет рассматривать применение ПИИИ для легирования и амор-физации поверхностных слоев кремниевых структур солнечных элементов как перспективную для коммерческого применения технологию.
В настоящее время ПИИИ применяется в легировании кремния для целей создания ультрамелких р—«-переходов. При легировании кристаллического кремния бором был обн
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.