МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2012, том 41, № 3, с. 188-190
ПРИБОРЫ МИКРО-И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ
УДК 612.315.592
КРЕМНИЕВЫЕ СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ С Si-Ge МИКРОГЕТЕРОПЕРЕХОДАМИ © 2012 г. Б. А. Абдурахманов, Х. М. Илиев, С. А. Тачилин, А. Р. Тошев
Ташкентский государственный технический университет E-mail: mavlonov_g@mail.ru Поступила в редакцию 30.08.2011 г.
Установлено, что отжиг при 850°С монокристаллического кремния, легированного германием, приводит к образованию внутренних микрогетеропереходов Si—SiGe—Si, которые повышают на 2.5% эффективность солнечных элементов изготовленных на его основе.
ВВЕДЕНИЕ
Существующие в настоящее время технологические методы изготовления и используемые полупроводниковые материалы при разработке эффективных солнечных элементов (СЭ) со стабильными параметрами и максимальным коэффициентом полезного действия (КПД) практически достигли своего предела. Для дальнейшего повышения основных параметров СЭ необходимо использовать принципиально новые полупроводниковые материалы или новые физические явления.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
Реальным способом повышения параметров СЭ является использование монокристаллических фотопреобразователей на основе внутренних гетеропереходов германий-кремний [1—8], которые открывают широкие возможности в конструировании наногетеросистем для приборов фотоволь-таики нового поколения. Для системы Ge—Si в институте физики полупроводников СО Российской АН разработаны методы [6, 7] получения массивов квантовых точек Ge, распределенных на атомарно-чистой поверхности Si. Объединение плотного массива нанокластеров в объеме полупроводниковой матрице квантовым транспортом носителей заряда в единую электронно-дырочную подсистему позволяет говорить о появлении нового класса полупроводников с промежуточной или отщепленной разрешенной зоной [8]. Теоретические оценки показывают, что при низкой себестоимости производства, эффективность преобразования излучения в электричество для таких материалов может достигать 60%. Поэтому становится весьма актуальным исследование возможности синтеза материала с кластерами Ge в кремниевой матрице и изготовления СЭ на его основе.
МЕТОДИКА
Содержание атомов германия и их распределение по глубине исследовалось с помощью рентгеновского микрозондового анализа Jeol Super Probe JXA-8800 R-RL.
Для исследования параметров СЭ в одинаковых условиях использовался имитатор солнечного излучения, изготовленный на основе лампы накаливания с корректирующим фильтром. Для получения строго параллельного направления излучения применялся сферический отражатель и конденсатор, состоящий из двух плосковыпуклых линз.
Лампа, используемая в имитаторе, имела мощность 1000 Вт и "квазиплоскую" спираль накала, что позволяло получить малую неравномерность плотности потока излучения по поверхности испытуемого СЭ. Коррекция спектра лампы до солнечного АМ 1.5, проводилась с помощью специального жидкостного фильтра.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Для исследований использовался монокристаллический кремний марки КЭФ выращенный по методу Чохральского с удельным сопротивлением от 0.5 до 1 Ом см с концентрацией кислорода 1018 см-3. Диффузия германия проводилась по специально разработанной технологии низкотемпературной диффузии [9].
На основе полученного материала с микрогетеропереходами Si—SiGe—Si изготавливались СЭ ^-«-переход которых формировался диффузией бора с использованием пластин нитрида бора. Глубина ^-«-перехода составляла 0.5 мкм. Токо-съемные контакты создавались термическим напылением никеля через маску в вакууме, которые залуживались окунанием в припой ПОСК-50-18. В качестве просветляющего покрытия применялся слой SiO2 толщиной 1000 А. Фотоэлементы из-
КРЕМНИЕВЫЕ СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
189
I, отн. ед.
к, мкм
Рис. 1. Распределение атомов германия в приповерхностной области.
готавливались в виде параллелепипедов имеющих размеры 1.5 см х 2 см при толщине 380 мкм.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 1 представлено распределение атомов германия в приповерхностной области полученных образцов. Видно,что до глубины 1 мкм на поверхности содержание атомов германия больше, чем атомов кремния, т.е. получается варизонная
структура на основе непрерывного твердого раствора _хОех с х > 0.5, дальше содержание атомов германия резко снижается, и при d > 3 мкм уменьшается настолько, что из-за ограниченности чувствительности прибора их содержание трудно определить.
Управляя скоростью нагрева между этапами диффузии и выбирая параметры этапов в процессе диффузии удается получить твердый раствор 811 _ хОех с необходимой толщиной и составом. Таким образом, можно получить в кремнии вари-зонную структуру на основе непрерывного твердого раствора _ хОех со значением х от 0 до 1.
Установлено, что дополнительный отжиг полученных образцов при температурах 700—1050°С, позволяет образовывать микрогетеропереходы 81— 81Ое—81 в решетке кремния. При этом существенную роль играет конкретная температура и время дополнительного термоотжига. Экспериментально установлено, что для образования микрогетеропереходов 81—81Ое—81 оптимальным является термоотжиг при температуре 850°С в течение 3 ч. На рис. 2 представлено перераспределение атомов германия в приповерхностной области кремния и образование кластеров германия, после дополнительного отжига при температуре 850°С. Результаты экспериментов показывают, что можно управлять структурой, концентрацией и размерами кластеров атомов германия, как по поверхности, так и по толщине.
В таблице приведены параметры СЭ без атомов германия, параметры СЭ с атомами германия без образования кластеров и параметры СЭ с кластерами германия, после дополнительного отжига в течение 3 ч при температуре 850°С, приводящего к
0 ^ ,, Сг с °
£ л V я- / у у , чм
^ г * О т М
50 мкм
_I
Рис. 2. Фотография приповерхностной области кремния легированного Ое, после отжига при Т = 850°С в течение 3 ч. МИКРОЭЛЕКТРОНИКА том 41 № 3 2012
190
АБДУРАХМАНОВ и др.
Параметры изготовленных солнечных элементов
Эффективность преобразования, (%)
№ Контрольные СЭ на основе Si (P) без Ge СЭ на основе Si (P;Ge)
без микрогетеропереходов Si/SiGe/Si с микрогетеропереходами Si/SiGe/Si с поверхностной плотностью кластеров 3 x 105 см-2
1 16.1 16.9 18.6
2 16.3 16.7 18.8
3 15.9 16. 18..
4 16.2 16.5 18.5
5 16.2 16.9 18.9
6 16.1 16.8 18.5
образованию микрогетеропереходов Si—SiGe—Si в кристаллической решетке кремния. Измерение параметров СЭ проводились при плотности мощности излучения 800 Вт/м2 и температуре СЭ 20°С. Как видно из таблицы, эффективность работы СЭ с микрогетеропереходами Si—Ge на 2.5% выше параметров СЭ без германия, а также выше параметров солнечных элементов содержащих германий, но не подвергнутых кластерообразующему отжигу в оптимальном режиме.
Увеличение эффективности работы СЭ обусловлено с одной стороны стабилизацией исходных параметров Si легированного Ge, а с другой стороны поглощением микрогетеропереходами Si—SiGe—Si ИК спектра солнечного излучения. Также мы предполагаем, что вклад в фототок дают субзонные кванты, генерируемые отдельными связями Si—Ge вне кластеров. Данное утверждение подтверждается спектральной характеристикой изготовленных СЭ, на которой фоточувствительность СЭ с кластерами атомов германия смещается в сторону ИК области с энергией квантов 0.67 эВ.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Согласно анализу полученных результатов исследования можно сделать вывод, что в материале Si(P, Се) содержащем кластеры германия, образуется структура с микрогетеропереходами Si— SiGe—Si способная поглощать излучение солнечного спектра начиная с энергии квантов 0.67 эВ. Оптимальной является концентрация легирования кремния Ge 1.5 х 1020 см—3, с последующим термоотжигом образцов при температуре 850°С в течение 3 ч. В образцах с аналогичной концентрацией атомов германия, но не подвергнутых дополнительному термоотжигу такого эффекта не наблюдается. При концентрации легирования кремния Ge более 1.5 х 1020 см—3 параметры солнечных
элементов вне зависимости от температуры и времени дополнительного термоотжига резко ухудшаются и становятся не воспроизводимыми.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Чаплыгин ЮЛ. Нанотехнологии в электронике. М.: Техносфера, 2005. 444 с.
2. Hermann G. Grimmeiss "Silicon-germanium - a promise into the future?" // ФТП. 1999. Т. 33. № 9. C. 1032-1034.
3. Пoмoзoв Ю.В., Coснин M.Г., Хируненko Л.И., Яшник В.И., Aбрoсимoв H. В., Шрёдер В., Хёне М. Кислородсодержащие радиационные дефекты в Si1 _ xGex // ФТП. 2000. V. 34. № 9. С. 1030-1034.
4. Caидoв A.C., Кyтлимyрaтoв A., Сапаев Б., Давла-тoв У.Т. Спектральные и вольтамперные характеристики Si-Si1 - xGex гетероструктур, полученных методом жидкофазной эпитаксии // Письма в ЖТФ. 2001. V. 27. № 8. С. 26-35.
5. Aнmoнoвa И.В, Cooтс P.A., Принц В.Я. Спектр электронных уровней и заселенность квантовых ям и квантовых точек в пассивированных гетерострук-турах на основе Si и Ge // Сборник трудов VI международной конференции "Кремний-2009", 710 июля 2009, Россия, Новосибирск.
6. Мар^в В.A., Пчеля^в О.П., Coкoлoв Л.В., Стенин С.И., Cmoянoв С. МЛЭ с синхронизацией зарождения // Поверхность. 1991. № 4. С. 70-76.
7. Markov V.A., Pchelyakov O.P., Sokolov L.V., Stenin S.I., Stoyanov S.S. Molecular beam epitaxy with synchronization ofnucleation // Surface Science. 1991. V. 250. № 1-3. C. 229-234.
8. Пчеля^в О.П., Hикифoрoв A.И., Пахатв H.A., Чи-кичев С.И., Якимoв A.И. Перспективные наногете-роструктуры на кремнии для фотовольтаики // Сборник трудов VI международной конференции "Кремний-2009" - 10 июля 2009, Россия, Новосибирск.
9. Aбдyрaхмaнoв Б.A., Бахадырхатв М.К., Илиев Х.М., Насриддитв С.С. О диффузии атомов германия в кремний // ДАН РУз. 2008. № 1. С. 18-20.
МИКРОЭЛЕКТРОНИКА том 41 № 3 2012
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.