Фоточувствительность резисторов на основе пленок поликристаллического кремния

Секция микроэлектроники и технологии больших интегральных схем

УДК 621.315.592

Д.А. Сеченов, В.М. Мамиконова, A.B. Черников

ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ РЕЗИСТОРОВ НА ОСНОВЕ ПЛЕНОК ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ

Создание солнечных элементов (СЭ) — один из перспективных путей перехода человечества к экологически чистому производству энергии. Кроме экологичности, это направление привлекательно и благодаря простоте преобразования энергии солнечного излучения в электрическую, относительно большой долговечности и минимуму затрат на обслуживание.

В настоящее время развитие солнечной энергетики идет по двум направлениям: повышение КПД солнечных преобразователей и снижение их себестоимости. Исследуемый в данной работе поликремний

- подходящий для этой цели материал, поскольку имеет небольшую по сравнению с многими материалами стоимость, обладает высокой относительно монокремния поглощательной способностью. Существует много способов формирования пленок ПК, благодаря чему возможно создание слоев ПК с хорошо управляемыми в широком диапазоне значений параметрами (степень легирования, проводимость, зернистость и т.д.). Наконец, по ширине запрещенной зоны (1,2—1,4 эВ) ПК хорошо согласуется с максимумом спектра солнечного излучения.

ПК представляет собой материал, состоящий из разориентирован-ных относительно друг друга монокристаллических зерен (кристаллитов) примерно одного размера, разделяемых прослойками аморфоподобного кремния. Межзеренная граница содержит большое число "оборванных” связей, представляющих собой для кремния n-типа акцепторные состояния, которые заряжаются отрицательно, захватывая электрон из зоны проводимости монокристаллического зерна, вызывая появление обедненного слоя и присущего ему потенциального барьера типа Шоттки. Глубина проникновения обедненной области в зерно определяется диффузионной длиной носителей.

С точки зрения применимости пленок для преобразования солнечной энергии в электрическую наиболее подходит ПК промежуточной степени легирования, обеспечивающей возникновение барьера на границе зерен, но недостаточной для возникновения надбарьерной эмиссии.

В работе исследовались планарные пленки ПК n-типа проводимости, изготовленные в виде резисторов прямоугольной формы в процессе эпитаксиального выращивания монокристаллических пленок на локально маскированных кремниевых подложках р-типа проводимости. Удельное сопротивление монокристаллической области составляло 0,5 Ом*см, толщина пленки 5 мкм, средний размер зерна - 0,5 мкм.

Секция микроэлектроники и технологии больших интегральных схем

В данной работе измерялись ВАХ в темноте и при освещении (3000 лк). Исследовались зависимость ВАХ-пленок ПК от их геометрических размеров, а также влияние на ВАХ электроформовки и импульсного термоотжига (ИТО) некогерентным ИК-излучением. Результаты измерений интерпретировались с помощью общепринятых моделей и данных, полученных нами ранее [1-4].

ВАХ исходных пленок ПК, измеренные в темноте, содержат линейный участок (до 1-2 В), который затем переходит в экспоненциальный и субэкспоненциальный. При напряжениях порядка 20 В характеристика принимает квадратичный характер.

При освещении значения тока возрастают. Наибольший рост тока

- примерно в 4 раза - при малых напряжениях, а при больших — снижается вследствие насыщения фототока. При малых напряжениях вместо экспоненциального наблюдается суперэкспоненциальный участок, затем хорошо заметный перегиб ВАХ в точке насыщения фототока, вызванный возвращением к экспоненциальной зависимости. Остальные же участки ВАХ сохраняются.

Особенный интерес вызывает появление на начальном участке ВАХ при освещении небольшой асимметрии диодного типа (коэффициент выпрямления не более 2-х) и смещение ВАХ при малых напряжениях в 4-ый квадрант. Таким образом, на исходной пленке ПК проявляется фотогальванический эффект.

Исследования зависимости ВАХ от геометрии ПК-структур показали, что, как и следовало ожидать, при равных напряжениях ток пропорционально зависит от ширины и, вследствие нелинейности ВАХ, обратно пропорционально - от некоторой показательной функции длины пленки. В то же время, измерения показали, что ток короткого замыкания 1кз пропорционален ширине, а напряжение холостого хода 11хх — длине пленки.

В результате воздействия на пленки ИТО или электроформовки была получена четкая асимметрия диодного типа (коэффициент выпрямления 10 и 40, соответственно) уже темновой ВАХ. При освещении ВАХ смещалась в 4-ый квадрант, а полученные 11хх и 1кз, особенно для пленок, подвергнутых электроформовке, намного превосходили аналогичные значения для исходных пленок (для ПК-структур с размерами 40*400 мкм - 50 мВ и 7 мкА для исходных и 400 мВ и 40 мкА - для формованных пленок, соответственно). Зависимость от геометрии ихх и 1кз пленок после ИТО и электроформовки аналогична исходным пленкам.

Поведение ВАХ при различных напряжениях хорошо интерпретируется в рамках модели бикристалла с межгранульными барьерами типа Шоттки в приближении диффузионной теории [1]. Квадратичный характер зависимости при высоких напряжениях указывает на то, что проводимость в высоких полях определяется током, ограниченным пространственным зарядом (ТОПЗ).

Интерпретация полученных ВАХ по методике [2] позволяет определить ток насыщения 1э, который для исходных ПК-пленок с размерами 40*400 мкм составил 3 мкА для темновой ВАХ и 9 мкА - для световой. После электроформовки были получены значения 1б: 14 мкА и 84 мкА, соответственно.

Высота межгранульного барьера при нулевом напряжении вычислялась в предположении барьера типа Шоттки с использованием полученных ранее токов насыщения. Для исходных пленок были получены

значения 0,42 и 0,44 эВ в темноте и при освещении, соответственно, а для формованных пленок, соответственно, — 0,37 и 0,39 эВ.

Таким образом, при освещении барьер на границе зерна возрастает из-за захвата избыточных носителей на ловушки, что косвенно подтверждает наличие незаполненных состояний на границе зерна. После электроформовки снижение высоты барьера объясняется пробоем отдельных барьеров не только против, но и по направлению протекания формующего тока.

Воспользовавшись имеющимися из ранних работ данными о концентрации носителей (электронов) в зерне 1,5*10е14 см'3 [3] и их подвижности 39 см*см/(В*с) [4], из выражения для тока насыщения 1з можно определить плотность заполненных поверхностных состояний границы зерен №. Для исходной пленки в темноте и при освещении значения N5 составили 4*10е9 и 1*10е10 см'2, соответственно, а после электрофор-{ЛОВКИ - 6*10е9 и 4*10е10 СМ'2.

Таким образом, при освещении пленок ПК № увеличивается за счет захвата неравновесных носителей, что ведет к росту межгрануль-ного барьера. Рост Ыэ после электроформовки обусловлен, по-видимому, повышением концентрации свободных носителей в результате исчезновения барьера на одной стороне зерна.

КПД отформованной пленки ПК с геометрическими размерами 40* *400 мкм, полученный при АМ1,5 и коэффициенте заполнения около 0,5, лежит в пределах 4-7 %.

Из вышеизложенного следует, что все фотоэлектрические параметры пленок ПК определяются их микроструктурой, концентрацией свободных носителей и геометрией элемента.

Полученные результаты позволяют утверждать, что путем подбора технологических режимов изготовления и дальнейшей обработки на основе пленок ПК можно получать СЭ с достаточно высоким КПД и низкой себестоимостью.

ЛИТЕРАТУРА

1. Голъдман Е.И., Ждан А.Г. Электропроводность полупроводников с межгрануль-ными барьерами // Физика и техника полупроводников, 1976, № 10. С. 1839.

2. Голъдман Е.И., Гуляев И.Б., Ждан А.Г., Сандомирский В.Б. Полевые характеристики электропроводности полупроводниковых пленок, содержащих межгрануль-ные барьеры // Физика и техника полупроводников. 1976, № 11. С. 2089.

3. Касимов Ф Д-, Абдуллаев А.Г., Ветхое В.А., Мамиконова В.М. Исследование распределения концентрации носителей заряда в объеме и на границах зерен поликристаллического кремния методом С-У характеристик И Диэлектрики и полупроводники. К.: Вища школа, 1985. № 28. С. 64.

4. Касимов Ф.Д., Кучис Е.В., Мамиконова В.М., Пяткунас М.А., Асадов Х.А. Исследование механизма переключения пленок поликристаллического кремния с помощью эффекта Холла // Литовский физический сборник, 1990. №1. С. 67.