Стартовая >> Архив >> Вопросы прямого преобразования энергии

Исследование возможности создания кремниевых фотопреобразователей с р-n-переходом - Вопросы прямого преобразования энергии

Оглавление
Вопросы прямого преобразования энергии
Методика исследования термоэлектрического преобразователя энергии
Метод  определения максимального кпд термоэлектробатарей плоской конструкции
Метод регистрации малых изменений температуры
Применение разнесенных термоэлементов для уменьшения веса
Преобразование больших постоянных токов в переменные
Радиоизотопные термоэлектрические источники энергии
К созданию полостного высокотемпературного приемника солнечного излучения
Определение кпд светопровода методом нестационарного режима
Перспективы использования солнечных энергетических установок
Исследование возможности создания кремниевых фотопреобразователей с р-n-переходом
Энергетические характеристики фотопреобразователей
Об особенностях механизма проводимости органических полупроводников

В. В. ЗАДДЭ, А. К. ЗАЙЦЕВА, А. П. ЛАНДСМАН
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ СОЗДАНИЯ КРЕМНИЕВЫХ ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ С р—n-ПЕРЕХОДОМ, ПОЛУЧЕННЫМ МЕТОДОМ ИОННОЙ БОМБАРДИРОВКИ
За последние годы было выяснено, что высокий к. п. д. фотоэлектрического преобразователя в сочетании с повышенной чувствительностью в коротковолновой части спектра солнечного света и радиационной стойкостью может быть достигнут созданием в кремнии р—n-перехода на глубине ~1 мк.

Однако существующий метод термической диффузии фосфора на воздухе не позволяет получить такой р—n-переход без загрязнения вредными примесями области кремния, прилегающей к переходу, что сильно снижает время жизни неосновных носителей тока в базовой области фотопреобразователя.
Рассмотренный в данной работе метод создания р—n-перехода ионной бомбардировкой кремния обладает рядом особенностей: дискретностью проникновения ионов в материал, возможностью, управляя энергией, силой тока пучка ионов и временем облучения, вводить в материал заданное количество ионов на заданную глубину. Ионный пучок, проникая через пассивирующий окисел, позволяет также создать тянущее электрическое поле вблизи поверхности и получить постепенное уменьшение напряженности этого поля к р—n-переходу.
Весь процесс изготовления прибора, включая создание контактов, может проводиться в форме единой операции без выноса на воздух.
Схему можно было бы «расписать» на кремниевом блоке, обходясь при этом без маскирования, фотолитографии и травления. Все это обеспечивает методу ионных пучков особые преимущества по сравнению с диффузией, испарением в вакууме, эпитаксией и катодным распылением. Главное же преимущество состоит в возможности исключить термические эффекты.
При бомбардировке поверхности твердого тела ускоренными ионами, наряду с процессами отражения ионов, распыления поверхности (испускание нейтральных атомов), эмиссии вторичных заряженных частиц, происходит внедрение первичных ионов в кристаллическую решетку твердого тела.
Обладая большой кинетической энергией, внедряющийся нон создает по направлению своего движения много радиационных нарушений, причем число образовавшихся при этом радиационных доноров или акцепторов гораздо больше числа бомбардирующих ионов. Подобное явление вызывают любые ионы и тем чаще, чем больше их масса и энергия.
Проникнув в кристалл, ион снижает свою энергию по крайней мере на два порядка и оказывается застрявшим в структуре твердого тела; при этом наблюдается эффект химического легирования. В зависимости от типа иона и его положения в кристаллической решетке примесь может стать электрически активной; при этом образуется система, подобная твердому раствору после термической диффузии примеси.
Ионной бомбардировкой можно создать в поверхностном слое любого полупроводника очень высокую степень концентрации ионов. Особенно высокие степени пересыщения, по сравнению с максимальной термической растворимостью примеси, можно создать, бомбардируя ионами, обладающими малым коэффициентом диффузии, в противном случае происходит их релаксация и осаждение.

Рис. 1. Зависимость среднего значения пробега различных ионов в кремний от энергии:
1 — бор; 2 — азот; 3 — кислород; 4 — неон; 5 — фосфор; 6 — калий; 7 — ксенон
Глубина проникновения (пробег) частиц в материал зависит от его кристаллографического направления, а также от энергии и атомного размера бомбардирующих ионов.

Например, наиболее предпочтительным направлением в кристалле кремния n-типа при бомбардировке ионами цезия является направление 110.
Рис. 2. Типичное распределение по глубине проникших в кремний ионов (имеющих энергию ~ 100 кэв)

На рис. 1 представлены средние значения глубины пробега различных ионов в кремний в зависимости от энергии ионов [2]. Типичная качественная картина распределения по глубине ионов, проникших в кремний, представлена на рис. 2.

Глубина проникновения и концентрация внедрившихся ионов определяются чаще всего с помощью ядерных реакций пли методом меченых атомов. Образующийся р—n-переход при достаточно высокой дозе ионов имеет глубину большую, чем среднее значение пробега ионов; р—n-переход тем глубже, чем ниже концентрация примеси противоположного по сравнению с исходным материалом знака проводимости, выше доза и энергия вбиваемых ионов, меньше размер иона и выше температура полупроводника, при которой происходит бомбардировка.

Рис. 3. График распределения концентрации доноров при бомбардировке кремния ионами натрия:
1 — средняя глубина проникновения ионов; 2 — металлургический переход. Энергия ионов - 7 кэв; плотность ионного пучка~3.10-7см2; продолжительность бомбардировки ~2 ч.
График распределения концентрации доноров при бомбардировке кремния р-типа нонами натрия показан на рис. 3 [3]. Такое распределение концентрации доноров может появиться только в том случае, если поверхностный слой n-типа вследствие радиационных нарушений имеет сравнительно малый коэффициент диффузии и распределение концентрации в области нарушений определяется процессами проникновения ионов в решетку кремния. Более глубокие области, имеющие малый градиент концентрации доноров, должны обладать сравнительно большим коэффициентом диффузии.

Бредов и Нуромский [4] сообщают, что легирование кремния р-типа с исходной концентрацией акцепторов 2x1015 см-3 ионами лития с энергией 10 кэв при дозе 1016 ионов см2 создало р—n-переход на глубине 1 мк.
Распределение концентрации доноров или акцепторов, определяемое по электропроводности легированного слоя, отличается от истинного распределения проникших в материал ионов тем, что не все вбитые ионы оказываются электрически активны.
В работе [5] показано, что при высоких концентрациях часть легирующей примеси в кристаллах «-типа не проявляет донорных свойств. Установлено, что это явление тесным образом связано с комплексообразованием, наличием включений второй фазы, образованием примесных локальных областей вблизи структурных дефектов и примесными субструктурами. Кроме того, образовавшиеся радиационные ловушечные уровни в запрещенной зоне, захватывая свободные носители тока, уменьшают эффект химического легирования.
В работе [1] измеренная по электропроводности концентрация доноров, созданных бомбардировкой цезием кремния р-типа, была в 30 раз меньше концентрации, которая определялась радиоактивным методом. При этом достигнутая максимальная концентрация доноров составляла 1020 см-3. Чем больше была концентрация акцепторов исходного материала, тем меньшая создавалась концентрация доноров. При уменьшении энергии ионов цезия с 10 до 3 кэв поверхностная проводимость уменьшалась в 3 раза, а концентрация создаваемых доноров в 2 раза. Подвижность носителей заряда в слое, легированном цезием, была порядка 100 см2/в-сек.
При легировании ионным пучком натрия подвижность носителей тока составляла 500 см2/в  сек. Бомбардировка проводилась при нагреве кремния до 500° С. Если же бомбардировка шла при комнатной температуре, то получался верхний легированный слой с собственной проводимостью, т. е. радиационные дефекты преобладали над эффектом химического легирования.
В работе [6] после бомбардировки кремния p-типа ионами цезия и натрия с энергией 8—10 кэв получены вольт-амперные характеристики р—n-переходов,удовлетворяющие зависимости
где I — ток через р—n-переход;
I0 — обратный ток (ток насыщения);
q — заряд электрона;
U — напряжение на р—n-переходе;
А — коэффициент, зависящий от рекомбинации в области р—n-перехода;
k — постоянная Больцмана;
Т — абсолютная температура.
Из анализа вольт-амперных характеристик при прямом смещении было найдено А≈1,6 (т. е. в области р—n-перехода наблюдалась рекомбинация носителей тока). Минимальный обратный ток (ток насыщения) I0 составлял 5x10-7 а/см2 для ионов цезия и 10~8 а/см2 для ионов натрия. Рассчитанное из тока насыщения время жизни неосновных носителей соответственно равнялось 3· 10-9 и 2,4· 10-7 сек.
Из работы [7] известно, что на кремнии n-типа с помощью ионных пучков бора уже удалось изготовить фотопреобразователи и достичь к.п.д. 6%.
Авторы настоящей работы проводили эксперименты с образцами кремния p-типа, имеющими удельное сопротивление 4 ом-см и время жизни 10—50 мксек. Бомбардируемая ионами поверхность была предварительно обработана до зеркального состояния.
Бомбардировка образцов ионами фосфора производилась в электромагнитном сепараторе [8] с ускоряющим напряжением 30 кэв. Доза облучения варьировалась в пределах 1·105 мкк/см2. После облучения образцы отжигались, затем изготовлялись фотопреобразователи обычным способом, применяемым при создании р—n-переходов термической диффузией. Степень легирования поверхностного слоя и возникновение р—n-перехода определялись с помощью четырехзондового метода. В неотожженных образцах р—n-переход возникал лишь при дозе облучения 4 · 102 мкк/см,2, в образцах, отожженных при 600 С,— уже при 4·100 мкк/см2.

Рис. 4. Нагрузочные характеристики фотопреобразователей, полученных при энергии ионов 30 кэв:


Наибольшая достигнутая средняя концентрация доноров в легированном слое ncр=1,1·1019 см-2. Максимальная же концентрация доноров у поверхности (на глубине, соответствующей пробегу иона —0.1 м/с) на порядок выше средней концентрации.

Измерение глубины залегания р—n-перехода в образцах, отожженных при температуре 800° С (произведенное методом окрашивания косого шлифа медью), показало, что переход расположен на глубине 0,75—1,1 мк. Увеличение дозы ионов и температуры отжига приводило к возрастанию э. д. с. элемента, т. е. к росту высоты барьера на р—n-переходе, что. по-видимому, происходило как за счет увеличения концентрации доноров, так и за счет изменения характера их распределения в легированном слое.

Рис. 5. Спектральные характеристики фотопреобразователей:
1—3 — р—n-переход создан ионной бомбардировкой (см. рис. 4); 4 — р-п-переход получен с помощью термодиффузии
Фотоэлектрические характеристики измерялись под имитатором внеатмосферного Солнца (освещенность 1370 вт/м2). На рис. 4 приведены вольт-амперные нагрузочные характеристики нескольких элементов. Максимальный к.п.д. лучшего из них 7,9%.
Спектральные характеристики этих же элементов, как видно на рис. 5, заметно лучше характеристики фотопреобразователя, изготовленного методом термодиффузии. Это имеет место как в коротковолновой, так и в длинноволновой области.
Улучшение характеристик в коротковолновой области спектра объясняется мелким залеганием р—n-перехода, а в длинноволновой тем, что время жизни неосновных носителей тока в базе готовых элементов значительно выше (10—20 мксек), чем в случае термодиффузии (1—2 мксек), т. е. собирание носителей в базе происходит со значительно большей глубины.

Рис. 6. Вольт-амперные характеристики фотопреобразователей при прямом смещении:
1— энергия ионов Е=30 кэв, доза ионов D=6·103 мкк/см2 , температура отжига 800’С· 2 — Е=30 кэв, D= 1-10'' мкк/см2, t=500" С; 3 - E=30 кэв, D = 1 · 103 мкк/см2, t=600 С; 4 - E=9 кэв, 0=1·10' мкк/см2, t=800° С
Из анализа вольт-амперных характеристик при прямом смещении (рис. 6) было найдено, что коэффициент А в рассмотренной выше формуле равен ~4, т. е. в области объемного заряда наблюдается значительная рекомбинация носителей тока.
Величина барьерной емкости р—n-перехода (Сб) колебалась от 0,03 до 0,3 мкф. У фотопреобразователей, легированных термодиффузией, Сб равна 0,02—0,03 мкф, следовательно, ионная бомбардировка создавала р—n-переходы с меньшей толщиной.
Проведенная работа показала, что рассмотренным методом легирования можно создать на кремнии р-типа фотопреобразователи. не только близкие по к. п. д. к существующим фотопреобразователям, легированным с помощью термодиффузии, но и обладающие несколько повышенной чувствительностью в коротковолновой части солнечного спектра, за счет возможности расположения р—n-перехода на глубине ~1 мк. Кроме того, ввиду малого времени облучения метод ионной бомбардировки может оказаться и более производительным.


 
« Антикоррозионная защита полимерными порошковыми материалами   Вопросы эффективности производства и качества работы »
электрические сети