Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Материалы и элементы электронной техники. Тонкопленочные многослойные структуры и солнечные элементы на основе гидрогенизированного аморфного и нанокристаллического кремния

Покупка
Артикул: 751828.01.99
Доступ онлайн
2 000 ₽
В корзину
В практикуме рассматриваются принципы расчета режимов термического окисления, обеспечивающего заданную толщину маскирующей оксидной пленки, и режимов диффузии при формировании легированных слоев с заданными параметрами для кремниевых приборных структур. Излагается методика расчетов в программе Math Cad 2001. Соответствует программе курса «Материалы и элементы электронной техники». Предназначен для студентов, обучающихся по специальностям 150601 «Материаловедение и технология новых материалов» и 210104 «Микроэлектроника и твердотельная электроника».
Полисан, А. А. Материалы и элементы электронной техники. Тонкопленочные многослойные структуры и солнечные элементы на основе гидрогенизированного аморфного и нанокристаллического кремния : учебное пособие / А. А. Полисан. - Москва : ИД МИСиС, 2007. - 17 с. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/1226617 (дата обращения: 29.03.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
№ 1247

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Кафедра материаловедения полупроводников
и диэлектриков

А.А. Полисан

Материалы и элементы
электронной техники

Тонкопленочные многослойные структуры
и солнечные элементы на основе
гидрогенизированного аморфного
и нанокристаллического кремния

Учебное пособие

Рекомендовано редакционноиздательским
советом института

Москва  Издательство ´УЧЕБАª
2007

УДК 621.382 
 
П50 

Р е ц е н з е н т  
канд. физ.-мат. наук, доц., зам. директора ИФХМ Ю.В. Осипов 

Полисан А.А. 
П50  
Материалы и элементы электронной техники. Тонкопленочные многослойные структуры и солнечные элементы на основе гидрогенизированного аморфного и нанокристаллического кремния: Учеб. пособие. – М.: МИСиС, 2007. – 17 с. 

В учебном пособии рассмотрены базовые технологические процессы, использующиеся при изготовлении тонкопленочных многослойных структур и 
солнечных элементов на основе гидрогенизированного аморфного и нанокристаллического кремния. Приведены конструктивные особенности таких приборов. Для усвоения предлагаемого материала студенту необходимо знать 
физические принципы работы солнечных элементов. 
Пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальностям 
150601 «Материаловедение и технология новых материалов» и 210104 
«Микроэлектроника и твердотельная электроника». 

© Московский государственный институт

стали и сплавов (технологический  
университет) (МИСиС), 2007 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение....................................................................................................4 
1. Гидрогенизированный аморфный кремний и его свойства..............5 
2. Тонкопленочные каскадные фотоэлектрические структуры 
на основе гидрогенизированного аморфного 
и нанокристаллического кремния........................................................9 
3. Эффект Стэблера – Вронского ..........................................................13 
4. а-Si : Н-солнечные элементы и солнечные батареи........................15 
 

ВВЕДЕНИЕ 

В течение последних десятилетий тонкопленочные структуры на 
основе аморфного и нанокристаллического кремния прошли путь от 
лабораторных исследований до завоевания собственной ниши на 
рынке полупроводниковых приборов. В настоящее время на основе 
этого материала серийно изготавливаются солнечные элементы (используются в устройствах автономного электроснабжения, работающих по принципу прямого преобразования солнечной энергии в 
электрическую), фоторецепторы (используются в электрофотографии, в принтерах на светодиодах), фотопроводники (датчики цвета, 
света и др.), датчики изображения (контактные приемники изображения, электронные табло), слои с контролируемым поглощением 
(стекло для нагрева и отражения), антиотражающие / антистатические слои (телевизионные экраны), тонкопленочные полевые транзисторы – ТПТ (дисплеи, телевизоры). 
Предполагается также использование этого материала для производства видиконов, датчиков положения, ТПТ для логических схем, 
биполярных транзисторов, оптических волноводов, приборов оптической записи, светодиодов. 

1. ГИДРОГЕНИЗИРОВАННЫЙ АМОРФНЫЙ 
КРЕМНИЙ И ЕГО СВОЙСТВА 

Полупроводники поглощают излучение в основном при возбуждении электронов из валентной зоны в зону проводимости. Возникающие при этом электронно-дырочные пары обусловливают фототок в солнечных элементах (СЭ). Величина фототока определяется 
главным образом числом поглощенных фотонов солнечного излучения с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны. В кристаллическом кремнии коэффициент поглощения определяется непрямыми переходами, поэтому он сравнительно невелик при энергиях, превышающих ширину запрещенной зоны. Арсенид галлия является прямозонным полупроводником и коэффициент поглощения в 
нем достаточно велик при энергиях, превышающих ширину запрещенной зоны. Что касается аморфного кремния, то коэффициент поглощения в нем по своему поведению ближе к арсениду галлия. 
Разупорядочение в аморфных полупроводниках существенно 
влияет на их электронные и оптические свойства и определяет отличие от кристаллов. Так, щель запрещенных энергий, определяемая 
краями валентной зоны и зоны проводимости, в аморфных полупроводниках имеет иное значение, чем в кристаллических. Этот диапазон энергий определяется как щель подвижности и характеризует 
электронные свойства материала, тогда как оптические свойства связаны с оптической щелью (расстояние между хвостами зон, вызванными разупорядочением), которая меньше щели подвижности. Оптическая ширина зоны в гидрогенизированном аморфном кремнии 
(a-Si : H) приборного качества обычно составляет 1,65…1,8 эВ в зависимости от условий осаждения и содержания водорода, которое 
повышается при увеличении температуры осаждения. а-Si : H приборного качества содержит примерно 5 – 15 % ат. водорода. 
В большинстве случаев в СЭ используются полупроводники с запрещенной зоной 1…1,2 эВ, но при этом эффективное поглощение 
имеет место при условии α (hν)d ≥ 1, где α (hν) – коэффициент поглощения в зависимости от энергии фотона; d – толщина активного 
слоя. В кристаллическом кремнии это условие выполняется при d 
порядка 102 мкм, тогда как в GaAs и a-Si : H это условие выполняется 
при толщине активного слоя порядка 1 мкм, что позволяет использовать эти материалы для создания тонкопленочных СЭ. 

Эксперименты показывают, что в a-Si : H коэффициент поглощения обладает экспоненциальным хвостом до энергий 0,05…0,07 эВ, 
обусловленным собственными состояниями, что влияет на встроенный потенциал в СЭ. Экспериментально показано также, что некоторое оптическое поглощение наблюдается даже при малых энергиях 
фотонов: hν ≤ 1 эВ. Это поглощение при низких энергиях коррелирует с плотностью электронных спинов, т.е. определяется дефектами, 
созданными локализованными состояниями внутри щели подвижности. Эти состояния действуют как центры рекомбинации, снижающие время жизни неосновных носителей. 
Для СЭ наиболее важным параметром является произведение 
подвижности μ на время жизни неосновных носителей τ при стандартной освещенности – атмосферной массе (АМ1,5). Произведение 
μτ входит в характеристики СЭ через дрейфовую длину μτЕ, где Е – 
напряженность электрического поля, и через диффузионную длину 
kТμτ/ q, где k–постоянная Больцмана; Т – температура, K; q – заряд 
электрона. 
Нелегированный a-Si : H приборного качества характеризуется 
следующими параметрами: дрейфовая подвижность электронов 
μе ≥ 1 cм2⋅B–1⋅c–1, дрейфовая подвижность дырок μр ≥ 0,008 cм2⋅B–1⋅c–1, 
время жизни электронов τе ≥ 2,10–7 с, время жизни дырок τр ≥ 10–6 с, 
μеτе ≥ 2,10–7 см2⋅В–1, μрτр ≥ 10–8 см2⋅В–1, диффузионная длина дырок 
Lр = 0,3 мкм, фотопроводимость при стандартном освещении 
σl = 5⋅10–5…1⋅10–4 (Ом⋅см)–1, темновая проводимость σd = 10–10 (Ом⋅см)–1, 
фоточувствительность при стандартном освещении σl/σd = 10–6. 
Тетраэдрические аморфные материалы с ковалентной связью 
(a-Si, a-Ge), характеризующиеся наличием ближнего, но отсутствием 
дальнего порядка, обладают очень высокой плотностью локализованных состояний в запрещенной зоне, вызванных оборванными связями. Энергетические уровни оборванных связей влияют как на процесс рекомбинации, так и на процесс оптического поглощения. Низкая подвижность электронов и дырок в a-Si и, соответственно, малая 
диффузионная длина не позволяют получать материал приборного 
качества. Однако оборванные связи могут быть «залечены», например введением водорода. В гидрогенизированном a-Si : H водород 
находится в основном в связанном состоянии, что дает основание 
считать a-Si : H аморфным сплавом кремния с водородом. Наиболее 
распространенным способом получения слоев аморфного кремния 
является осаждение при разложении кремнийсодержащих газов в 
плазме высокочастотного (ВЧ) тлеющего разряда. Гидрогенизация 

реализуется использованием рабочей смеси кремнийсодержащих газов с водородом, подвергающейся разложению в плазме ВЧ тлеющего разряда. 
Водород осуществляет гидрогенизацию, а SiH4 в плазме ВЧ 
тлеющего разряда под воздействием электронов диссоциирует с образованием ионов и cвободных радикалов: 

e + SiH4 → SiH4 + e; 
e + SiH4 → SiH2 + H2 + e; 
e + SiH4 → SiH3 + H + e; 
e + SiH4 → SiH + H2 + H + e; 
e + SiH4 → SiH2
+ + H2 + e; 
e + SiH4 → SiH3
+ + H + e; 
e + SiH4 → SiH3
– + H; 
e + SiH4 → SiH2
– + H2. 

Ионы и свободные радикалы могут вступать во вторичные реакции между собой по пути к подложке, а достигшие подложки частицы либо принимают участие в процессе роста пленки, либо уходят с 
поверхности в газовую фазу, т.е. могут происходить либо гомогенные реакции (взаимодействие в плазме нейтральных и заряженных 
частиц между собой), либо гетерогенные реакции (реакции частиц 
плазмы с подложкой). 
Доминирующую роль в осаждении играют свободные радикалы и 
особенно SiH3. Особую роль в процессе играет водород. Во-первых, 
он производит травление деформированных и слабых связей растущей пленки, повышая ее качество. Во-вторых, достигая поверхности 
роста, водород принимает участие в реконструкции структуры Si–Si 
и повышает диффузионную длину носителей. Свойства пленок, в 
частности плотность локализованных состояний, зависят от температуры подложки, влияющей на способ вхождения водорода в матрицу 
кремния, от ВЧ-мощности, состава и скорости газовых потоков. 
В тонких a-Si : H-пленках независимо от способа получения во 
время роста происходит ряд одинаковых процессов. Осаждающиеся 
атомы или фрагменты молекул адсорбируются на подложке. В зависимости от поверхностной подвижности и скорости осаждения эти 
частицы мигрируют по поверхности, пока не попадут в потенциальную яму, где миграция прекращается. Потенциальная яма может 
быть вызвана дефектами на поверхности подложки или флуктуациями плотности мигрирующих по поверхности частиц, приводящими к 
локальной конденсации. Такой процесс ведет к островковому росту 

пленки в отдельных точках. Последующие частицы при миграции 
притягиваются к этим ядрам, вызывая дальнейший рост островков в 
трех измерениях до их соприкосновения. В местах соприкосновения 
островков появляется аморфный аналог границы раздела, в силу чего 
такой материал можно охарактеризовать как полиаморфный. При 
анализе методом электронной микроскопии на просвет эти границы 
проявляются в виде флуктуаций электронной плотности, характеризуемых либо как сверхрешетки, либо как решетки микрополостей, 
либо как островковые структуры. В аморфных материалах существование границ раздела может оказывать существенное влияние на их 
свойства, как и в кристаллических аналогах. При продолжении процесса роста пленки (до толщины 1000 Å и более) возникает столбчатая структура. Столбообразование может начаться из-за наличия шероховатостей поверхности подложки или самозатенения, обусловленного флуктуациями топографии растущей пленки. Возникшая 
неровность на поверхности пленки в дальнейшем возрастает, поскольку в углубления новые атомы попадают из меньшего телесного 
угла, чем на возвышения. Поэтому морфология растущей пленки 
связана с направлением потока падающих частиц, их энергии и поверхностной подвижности. Анализ разлома пленки a-Si : H с помощью растрового электронного микроскопа и методом электронной 
микроскопии на просвет показывает, что по мере увеличения толщины пленки размеры столбиков увеличиваются, достигая величины 
свыше 1 мкм, что приводит к образованию пленок с рыхлой поверхностью. 

2. ТОНКОПЛЕНОЧНЫЕ КАСКАДНЫЕ 
ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТРУКТУРЫ НА ОСНОВЕ 
ГИДРОГЕНИЗИРОВАННОГО АМОРФНОГО 
И НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ 

Из-за малого времени жизни в a-Si : H большая часть фототока 
обусловлена генерацией в области объемного заряда. Это обусловливает необходимость создания в аморфных материалах PIN-структур, 
где внутренние поля превышают 10 000 В/см, что приводит к повышению вероятности собирания носителей, особенно вблизи PI- и NIпереходов. Этот процесс получил название фотоэффекта, стимулированного электрическим полем. 
Изложенное выше определяет тот факт, что все современные 
аморфные СЭ изготавливаются на основе гидрогенизированного 
аморфного кремния и включают структуру типа PIN. 
Как известно, наибольшей стабильностью обладают многопереходные аморфные СЭ, характеризующиеся улучшенным соотношением диффузионной длины и физической толщины каждой из PINструктур, входящих в последовательный каскад, что повышает эффективность СЭ и снижает влияние эффекта Стэблера – Вронского, 
рассматриваемого ниже. 
На рис. 2.1 представлена фотоэлектрическая структура СЭ типа 
N1I1P1 / N2I2P2 / N3I3P3 и указаны используемые способы формирования слоев. Этот СЭ сформирован на ленточной подложке из нержавеющей стали толщиной 0,125 мм. На поверхность подложки методом магнетронного распыления Al-мишени нанесен текстурированный слой Al, являющийся рефлектором. Непоглотившееся в фотоактивной части структуры излучение доходит до этого рефлектора 
и, отражаясь под некоторым углом к нормали, еще раз проходит через фотоактивные слои. Таким образом, текстурированный рефлектор позволяет более чем в два раза повысить оптическую длину поглощения солнечного излучения. 
На поверхность текстурированного алюминиевого рефлектора 
также методом магнетронного распыления ZnO-мишени нанесен буферный слой ZnO, являющийся вырожденным полупроводником и 
препятствующий проникновению Al в наносимые выше слои аморфного кремния. 
Рассматриваемый СЭ содержит каскад из трех последовательно 
включенных PIN-структур, каждая из которых с целью более полной 

утилизации солнечного спектра имеет несколько отличную ширину 
оптической щели. Слой с собственной проводимостью в верхней 
(P3I3N3) структуре имеет ширину оптической щели 1,75 эВ, в средней (P2I2N2) структуре – 1,7 эВ (это различие в ширине оптической 
щели достигается за счет подбора технологических режимов осаждения), а в нижней (P1I1N1) структуре ширина оптической щели варьируется от 1,4 до 1,7 эВ за счет того, что материал слоя I1 есть 
аморфный сплав a-SiGe, являющийся непрерывным рядом твердых 
растворов Si–Ge с изменяющимся содержанием Ge по высоте слоя. 

+контакт Ag

 
 
+контакт Ag 

Проводящее просветление 
In2O3  
Терморезистивное вакуумное напыление 
In в атмосфере О2 

P3 nс-Si : H : B : F 
Разложение в плазме ВЧ тлеющего разряда 
SiH4 + H + BF3 

I3 a-Si : H     (1,75 эВ)  
Разложение в плазме ВЧ тлеющего разряда 
SiH4 + H 

N2 a-Si : H : P : F  
Разложение в плазме ВЧ тлеющего разряда 
SiH4 + H + PH3 + SiF4 

P2 nс-Si : H : B : F  
Разложение в плазме ВЧ тлеющего разряда 
SiH4 + H + BF3 

I2 a-Si : H     (1,70 эВ)  
Разложение в плазме ВЧ тлеющего разряда 
SiH4 + H 

N2 a-Si : H : P : F  
Разложение в плазме ВЧ тлеющего разряда 
SiH4 + H + PH3 + SiF4 

P1 nс-Si : H : B : F  
Разложение в плазме ВЧ тлеющего разряда 
SiH4 + H + BF3 

I1 a-SiGe : H    (1,4…1,7 эВ) Разложение в плазме ВЧ тлеющего разряда 
Si2H6 + GeH4 + H 

N1 a-Si : H : P : F  
Разложение в плазме ВЧ тлеющего разряда 
SiH4 + H + PH3 + SiF4 

Буферный слой ZnO 
Магнетронное распыление ZnO 

Текстурированный 
рефлектор Al 
Магнетронное распыление Al 

Подложка – нержавеющая сталь 0,125мм (- контакт) 

Рис. 2.1. Фотоэлектрическая структура трехкаскадного 
СЭ типа N1I1P1/ N2I2P2/ N3I3P3 на основе a-Si : H и nс-Si : H 
c указанием состава слоев, способа их нанесения и материалов 

Разность ширины оптической щели обеспечивает чувствительность 
верхней структуры в коротковолновой области спектра с максимумом 
на длине волны 0,43…0,45 мкм, средней структуры – в области средних 

длин волн с максимумом на длине волны 0,59…0,61 мкм и нижней 
структуры – в длинноволновой области спектра с максимумом на длине 
волны 0,7…0,71 мкм, в результате чего чувствительность всего каскада 
находится в интервале длин волн от 0,35 до 0,95 мкм (рис. 2.2) и 
вполне соответствует стандартному спектру наземного солнечного 
излучения (АМ1,5). 

 

Рис. 2.2. Спектральная зависимость коэффициента собирания 
Q трехкаскадного a-Si : Н СЭ типа N1I1P1/ N2I2P2/ N3I3P3 
(кривая 1), верхней N1I1P1-структуры (кривая 2), средней 
N2I2P2-структуры (кривая 3) и нижней N3I3P3-структуры 
(кривая 4). В правом верхнем углу представлены значения 
плотности фототока [мА/см2] для верхней, средней и нижней 
структур, полученные из данного распределения 
Q и стандартного спектрального распределения 
солнечного излучения при АМ1,5 

Формирование слоев аморфного кремния с собственной проводимостью I3 и I2 осуществляется разложением газовой смеси SiH4 и H. 
Для получения аморфного гидрогенизированного узкозонного сплава 

Доступ онлайн
2 000 ₽
В корзину