Измерение разрывов зон в энергетической диаграмме гетероструктуры CdS/Si( p), изготовленной методом гидрохимического осаждения пленки CdS

УДК 621.383.51

В.В. Трегулов

ИЗМЕРЕНИЕ РАЗРЫВОВ ЗОН В ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ДИАГРАММЕ

ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ CdS/Si(p), ИЗГОТОВЛЕННОЙ МЕТОДОМ ГИДРОХИМИЧЕСКОГО ОСАЖДЕНИЯ ПЛЕНКИ CdS

Для гетероструктуры CdS/Si(p), изготовленной с помощью гидрохимического осаждения пленки CdS на поверхности монокристаллической подложки, определены величины разрывов зоны проводимости и валентной зоны. Использовалась методика, основанная на измерении высокочастотной вольт-фарадной характеристики гетероструктуры.

Гетероструктура, гидрохимическое осаждение, вольт-фарадная характеристика, зонная диаграмма, фотоэлектрический преобразователь

V.V. Tregulov

MEASUREMENTS OF BAND OFFSETS TO THE ENERGY DIAGRAM OF THE CdS/Si(p) HETEROSTRUCTURE FABRICATED BY THE HYDROCHEMICAL DEPOSITION CdS FILM METHOD

The offset values of the conduction and valence bands are defined for the CdS/Si(p) heterostructure fabricated using hydrochemical deposition of the CdS film on the surface of the monocrystalline substrate. To conduct the measurements the author used the technique based on high-frequency capacitance-voltage characteristics of the heterostructure.

Heterostructure, hydrochemical deposition, capacitance-voltage characteristics, the band diagram, a photoelectric converter

Перспективным направлением применения гетероструктуры CdS/Si(p) является солнечная энергетика. На ее основе может быть изготовлен фотоэлектрический преобразователь солнечной энергии с эффективностью до 26% [1]. Технология изготовления этих приборов должна обеспечивать возможность формирования полупроводниковых структур с большой площадью поверхности, низкую себестоимость изделий при условии достижения высокой эффективности преобразования солнечной энергии. Этим требованиям отвечает метод гидрохимического осаждения полупроводниковых пленок. В то же время полупроводниковые пленки, сформированные гидрохимическим осаждением, отличаются большей дефектностью по сравнению с пленками, изготовленными с помощью традиционных эпитаксиальных технологий современной микроэлектроники [2]. Таким образом, исследование электрофизических характеристик гетероструктур, изготовленных методом гидрохимического осаждения, является актуальной задачей.

Целью данной работы является определение значений разрывов зоны проводимости AEC и валентной зоны AEV гетероструктуры CdS/Si(p), изготовленной методом гидрохимического осаждения. Как известно, AEc и AEv являются важнейшими параметрами энергетической зонной диаграммы гетероперехода и определяют физические процессы в гетероструктурах [1, 3].

Исследуемые гетероструктуры были изготовлены на пластинах монокристаллического кремния p-типа проводимости с удельным сопротивлением 1 Ом- см и ориентацией поверхности (100). Предварительно подложки подвергались текстурирующему травлению в водном растворе КОН с целью снижения отражательной способности.

Пленка CdS выращивались методом гидрохимического осаждения из водных растворов хлорида кадмия CdCh и тиомочевины N2H4CS с использованием раствора аммиака NH4OH в качестве комплексообразователя для ионов кадмия.

Более подробно технология изготовления исследуемых образцов описана в [4], где была проведена оптимизация процесса гидрохимического осаждения пленки CdS с точки зрения эффективности преобразования солнечной энергии гетероструктурой CdS/Si(p).

В данной работе представлены результаты исследования гетероструктуры CdS/Si(p), изготовленной в оптимальных условиях с точки зрения [4]. Пленка CdS исследуемого образца имела n-тип

проводимости и толщину 2,5 мкм. Для проведения измерений омические контакты к кремниевой подложке и пленке CdS формировались посредством пайки индия с последующей формовкой электрическим импульсом.

Гетероструктура CdS/Si(p) относится к II типу [1], ее зонная диаграмма показана на рис. 1.

Рис. 1. Зонная диаграмма гетероструктуры ССБ/Э^р)

Пленка CdS играет роль оптического окна. Кванты света с энергиями, находящимися в интервале значений ширины запрещенных зон CdS и Si, проходят через широкозонный слой CdS и поглощаются в области пространственного заряда (ОПЗ) гетероперехода, а также в квазинейтральной области кремниевой подложки. Носители заряда, генерируемые солнечным светом в CdS, не вносят существенного вклада в общий фототок [1].

Электронно-дырочные пары, генерированные светом в ОПЗ или вблизи него, разделяются полем гетероперехода. Дырки (рис. 1) выводятся из ОПЗ в квазинейтральную область кремния. В CdS дырки не попадают вследствие потенциального барьера АЕу на гетерогранице. Электроны переходят через гетерограницу в CdS [1]. При наличии поверхностных состояний на гетерогранице имеет место захват и рекомбинация носителей заряда в ОПЗ.

Величины АЕс и АЕу для исследуемой гетероструктуры CdS/Si(p) определялись по методике, представленной в [5], которая основана на исследовании высокочастотной вольт-фарадной характеристики (ВЧ ВФХ). Используемая методика базируется на модели Андерсона, которая, в свою очередь, использует следующие представления:

1) величины АЕс и АЕу определяются разностью ширины запрещенных зон контактирующих полупроводников;

2) величины АЕс и АЕУ не зависят от уровня легирования контактирующих полупроводников;

3) на значения АЕс и АЕу не оказывают влияния поверхностные состояния на гетерогранице;

4) концентрация легирующей примеси в контактирующих полупроводниках определяет величину диффузионного потенциала УЬ1, характеризующего изгиб зон на энергетической диаграмме [6].

Согласно [5], величина АЕс связана с основными параметрами зонной диаграммы гетероструктуры CdS/Si(p) на рис. 1, следующим образом:

еуЬ1 =АЕс +

где е- заряд электрона, (Ес, — р) - расстояние между дном зоны проводимости и уровнем Ферми

для полупроводника р-типа (Есп — ЕРп)- аналогичное расстояние для полупроводника п-типа

(CdS). Как следует из рис. 1, величина Уы определяется суммой потенциалов Уйр и Уп, характеризующих изгибов зон в р- и п-области, соответственно [1]:

УЬ1 = Ур + Уп.

Величина Уы определяется по ВЧ ВФХ исследуемой гетероструктуры. При этом значение Уы зависит только от разрывов зон и не связано с влиянием поверхностных состояний на гетерогранице [7]. Для определения AEc использовалось выражение, полученное автором [5] на основе (1):

DEn

eVbl -kTln

N

\

C, p

N

V v C,N J

Л

V np,0 J

где к - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура; Ыс,р и Ыс,ы - эффективные плотности состояний в зонах проводимости полупроводников р- и «-типа, соответственно; ппо и пр,о - равновесные концентрации электронов в полупроводниках п- ир-типа, соответственно. Концентрация неосновных носителей заряда Пр,о в кремниевой области гетероструктуры вычисляется следующим образом:

пр ,о =

p ,о

где n— собственная концентрация для кремния, pp,о- концентрация основных носителей заряда в p-области гетероструктуры [3].

Значение AEy определялось из выражения

DEy = Eg2 -Egi -DEc ,

где Egi и Eg2 - значения ширины запрещенной зоны для полупроводников, образующих гетерострук-туру (рис. 1) [5].

Измерение ВЧ ВФХ гетероструктуры CdS/Si(p) проводились с помощью цифрового измерителя иммитанса Е7-20. Частота измерительного сигнала составляла 1 МГц, температура образца - 300

К. Полученная ВЧ ВФХ представлена на рис. 2 в координатах С2 = f(У) . Знак постоянного напряжения смещения У на рис. 2 соответствует знаку напряжения, приложенного к пленке CdS. Таким образом, положительные значения У на рис. 2 соответствуют обратному смещению гетероперехода CdS/Si(p). Из рис. 2 видно, что ВЧ ВФХ образована двумя отрезками прямых линий с небольшим различием наклона в области У~2 В. Следовательно, исследуемый гетеропереход CdS/Si(p) можно считать резким в области напряжений обратного смещения от 0 до 2 В.

Величина Уы, определенная по ВЧ ВФХ (рис. 2), составила 0,67 В. Концентрация носителей заряда, определенная по наклону ВЧ ВФХ (рис. 2) в области У от 0 до 2 В, составила 1,7-1016 см-3. Это значение практически совпадает с концентрацией акцепторной примеси (Na) в базовой области n^p-диодов, изготовленных диффузией фосфора на кремниевых пластинах p-типа, полностью аналогичных использованным в гетероструктуре CdS/Si(p). Таким образом, величина pp,0 в p-области гетероструктуры CdS/Si(p) принимается равной 1,7-1016 см-3.

-1 О 1 2 3 V, В

Рис. 2. Экспериментальная высокочастотная вольт-фарадная характеристика гетероструктуры Сс13/31

Согласно многочисленным литературным данным, например [2, 8, 9], для пленок CdS, изготовленных в условиях, аналогичных рассматриваемым в данной работе, концентрация электронов п«о составляет величину 1016 - 1017 см-3.

Пленка CdS, изготовленная методом гидрохимического осаждения, содержит дефекты донор-ного и акцепторного типа, создающие в запрещенной зоне мелкие и глубокие энергетические уровни, поэтому она представляет собой частично компенсированный полупроводник [9]. Удельное сопротивление пленки CdS определяется концентрацией п«о, в то время как ширина ОПЗ в ней (Щ на рис.

0

2

n

1) и изгиб зон (^п на рис. 1) зависит от концентрации некомпенсированных доноров N[9], [3]. Концентрации ппо и N^ совпадают, если электропроводность материала определяется донором, создающим в запрещенной зоне CdS мелкий уровень с энергией ионизации (Есп — EFn) <В противном случае, концентрация электронов п,о при постоянной степени компенсации, может изменяться на несколько порядков в зависимости от положения энергетического уровня компенсированной примеси. При этом концентрация N^ в CdS будет на несколько порядков превышать пп,0 [9].

Таким образом, исследуемая гетероструктура CdS/Si(p) является резкой и несимметричной, ОПЗ практически полностью находится в кремниевой области (Wp>>Wn на рис. 1), изгибом зон в CdS можно пренебречь (Vна рис. 1). Измеренная величина Vbi определяется изгибом зон в кремниевой области гетероструктуры CdS/Si(p).

На основе полученных результатов по формулам (4), (3) и (5) были рассчитаны значения АЕс и АEvдля разных концентраций пп,о в пленке CdS. Эти значения представлены в таблице.

С другой стороны, согласно модели Андерсона, величина АЕс для гетероструктуры CdS/Si(p) может быть определена как разность энергий электронного сродства

АЕс = Х* — Хс* ,

где и %сс£ - значения энергий электронного сродства для Si и CdS, соответственно [6].

В [6] для монокристаллических образцов Si и CdS достаточно высокого качества приведены следующие данные: = 3,99 эВ, = 4,70 эВ. Полученные в результате расчета по (6) и (5) для указанных величин и %сс£ значения АЕс и АEv приведены в таблице.

Сравнение разных оценок величин АЕс и АЕ¥ для гетероструктуры ССБ/Э^р)

Разрыв зон Экспериментальная гетероструктура CdS/Si

rin, 0= 1016 см-3 nn,o= 1017 см-3

AEc, эВ 0,08 0,14 0,71

AEv, эВ 1,21 1,15 2,02

Из таблицы видно, что величины АЕс и AEv для экспериментальной гетероструктуры CdS/Si(p), исследуемой в данной работе, и рассчитанные по формулам (6) и (5), заметно различаются. Это можно объяснить, прежде всего, более высокой дефектностью пленки CdS, сформированной гидрохимическим методом, по сравнению с монокристаллическим образцом [6]. В то же время, согласно [7], для достижения высокой эффективности преобразования солнечной энергии величина АЕс для гетероструктуры с зонной диаграммой II-го типа и поглощающим слоем ^-типа проводимости должна быть как можно меньше. Как следует из таблицы, технология гидрохимического формирования гетероструктуры CdS/Si(p) может обеспечить указанное требование.

Таким образом, в результате проведенных исследований установлены величины разрывов энергетических зон гетероструктуры CdS/Si(p), изготовленной методом гидрохимического осаждения. На основе полученных данных можно утверждать, что такие гетероструктуры могут обеспечить высокую эффективность преобразования солнечной энергии.

ЛИТЕРАТУРА

1. Шарма Б.Л. Полупроводниковые гетеропереходы / Б.Л. Шарма, Р.К. Пурохит. М.: Сов. радио, 1979. 232 с.

2. Чопра К. Тонкопленочные солнечные элементы / К. Чопра, С. Дас. М.: Мир, 1986. 435 с.

3. Зи. С. Физика полупроводниковых приборов. т. 1 / С. Зи. М.: Мир, 1984. 456 с.

4. Трегулов В.В. Оптимизация технологии изготовления гетероструктур CdS/Si(p) / В.В. Тре-гулов // Научно-технический вестник Поволжья. 2012. № 2. С. 31-34.

5. Palmer D.W. Characterization of semiconductor heterostructures by capacitance methods / D.W. Palmer // Microelectronics Journal. 1999. No 30. P. 665-672.

6. Бехштедт Ф. Поверхности и границы раздела полупроводников / Ф. Бехштедт, Р. Эндер-лайн. М.: Мир, 1990. 448 с.

7. Фаренбух А. Солнечные элементы: Теория и эксперимент / А. Фаренбух, Р. Бьюб. М.: Энергоатомиздат, 1987. 280 с.

8. Durose K. Materials aspects of CdTe/CdS solar cells / K. Durose, P.R. Edwards, P.D. Halliday // Journal of Crystal Growth. 1999. № 197. P. 733-742.

9. Косяченко Л.А. Напряжение холостого хода, фактор заполнения и коэффициент полезного действия CdS/CdTe-солнечного элемента / Л.А. Косяченко, Е.В. Грушко // Физика и техника полупроводников. 2о1о. т.44. вып. 1о. С. 1422-1429.

Трегулов Вадим Викторович -

кандидат технических наук, доцент кафедры общей и теоретической физики и МПФ Рязанского государственного университета имени С.А. Есенина

Vadim V. Tregulov -

Ph. D.., Associate Professor

Department of General and Theoretical Physics,

and Teaching Methods,

S.A. Esenin State University of Ryazan

Статья поступила в редакцию 20.03.14, принята к опубликованию 16.06.14