Анализ орторомбического BaSi2 - перспективного материала для современной фотоэлектроники

Физика и материаловедение

УДК 538.9

Д.С. Новожилов, А.С. Герман, Д. В. Фомин

АНАЛИЗ ОРТОРОМБИЧЕСКОГО BaSi2 - ПЕРСПЕКТИВНОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ СОВРЕМЕННОЙ ФОТОЭЛЕКТРОНИКИ

Статья является обзором свойств орторомбического IiaSi2 а также обзором литературных источников за последние несколько лет, посвященных исследованиям, связанным с данным материалом. BaSi2рассматривается как один из перспективных материалов для создания современных высокоэффективных фотоэлектрических преобразователей. В статье дана также краткая ретроспектива методов формирования пленок BaSi2 в лаборатории физики поверхностей НОЦЛмГУ.

Ключевые слова: силицид, фотоэлектроника, поглощение света, легирование, твердофазная эпитаксия, соосаждение.

ANALYSIS OF ORTHOROMBIC BaSi2 AS A PERSPECTIVE MATERIAL FOR MODERN PHOTOELECTRONICS

The article is devoted to a review of the properties of orthorhombic BaSi2, as well as a review of references in the past few years devoted to research related to this material. BaSi2 is considered as one of the promising materials for the creation of modern high-efficiency photoelectric converters. The article also provides a brief retrospective of methods for forming BaSi2 films in the laboratory of surface physics at the SEC of AmSU.

Key words: silicide, photoelectronics, light absorption, doping, solid-phase epitaxy, coprecipitation.

Дисилицид бария (BaSi2) является полупроводниковым силицидом щелочноземельного металла. Орторомбическая сингония придает ему ряд ключевых физических свойств, которые делают его пригодным для использования в современной фотоэлектронике. Полупроводниковый BaSi2 имеет энергии непрямых и прямых межзонных переходов 0,83-1,1 эВ и 1,23-1,3 эВ соответственно, что свидетельствует о более высокой, чем у кремния, оптической активности. Также отмечаются высокие значения концентрации носителей заряда порядка 1017-102° см"1, их подвижность, способная достигать 1000 см2 В"1с"1, и длительное время жизни. Помимо того, Si и Ва являются достаточно распространенными элементами земной коры, что делает BaSi2 перспективным материалом для недорогих солнечных элементов [1].

Орторомбический BaSi2 устойчив при нормальных условиях и комнатной температуре, имеет постоянные решетки а — 0,891, b — 0,672 и с = 1,153 нм. Этот материал можно эпитаксиально вырастить на подложке Si(l 11) с ориентации BaSi2(100)//Si(l 11), с небольшим рассогласованием решетки в

Выпуск 83, 2018

Вестник АмГУ

27

1% для Ва812[010]//81 [112] и в 0,1% - для Ва812[001]//81[110]. Малое рассогласование решетки подложки и пленки важно, так как множество границ зерен и дефектов в пленке могут ухудшить оптические и электрические свойства тонкой пленки Ва81з. Схематическая модель ориентирования эпитаксиальной пленки Ва81: на подложке с ориентацией (001) изображена на рис. 1 [2].

ООО П О

° Sï[110] J5 0 ^Р Вч

Рис. 1. Схематическая модель пленки Ва81з с двумя вариантами эпитаксиального роста на 81(001) [2].

Внешняя квантовая эффективность пленок Ва81з может достигать 7% при 1,70 эВ при комнатной температуре и при напряжении смещения 7В. Это значение более чем в 100 раз больше, чем ко-гда-либо полученное для полупроводниковых силицидных пленок. На рис. 2 показаны спектры фотоотклика, измеренные при различных напряжениях смещения, при комнатной температуре, для Ва812/81, Ва812/8Ю2 и Р2-81 соответственно. Как можно видеть, фототок резко возрастает с увеличением энергии, достигая максимума примерно на 1,60 эВ [3].

Pholort energ}1

- FZ-Si,

i

>, >

"Û

I

ï &

>. o.cri

= 0.(11

4.

Phuton energv

IЛ IJ

Photon eilÉfgy (cV}

Рис. 2. Фотоотклик: а - 111), Ь - Ва812/8Ю2, с

измеренный при комнатной температуре [3].

Путем легирования Ва81з можно добиться значительного улучшения его электрических свойств. Согласно [3], с энергетической точки зрения, замена 81 в решетке Ва81з более благоприятна, чем замещение Ва. В соответствии с теоретическими расчетами, 8Ь-легированный Ва81з обладает проводимостью п-типа, тогда как 1п-, А1- и А§-лсгированный Ва81з демонстрирует проводимость р-типа. Концентрация электронов 8Ь-легированного Ва81з колеблется в диапазоне от 1017 до 102" см"3 при комнатной температуре. С другой стороны, в 1п8, А1- и Ко,- легированных пленках Ва81з, при тех же условиях, концентрация дырок ограничена 3-4 • 1017 см"3 [4].

Зависимость между подвижностью и концентрацией дырок В-легированного р-Ва81з показана на рис. 3. По мере увеличения концентрации дырок подвижность уменьшается. Эта тенденция обычно объясняется ионизованным рассеянием примесей в обычных полупроводниках [4].

Самая высокая концентрация дырок была достигнута в легированной бором пленке Ва8ь, сформированной методом молекулярной эпитаксии. Применение быстрого термического отжига при температуре 800°С усилило электрическую активацию В-атомов, тем самым увеличив концентрации дырок до 2,0-102" см"3. Уровень акцепторов оценивается примерно в 23 мэВ [4].

В Амурском государственном университете дисилицид бария получают и исследуют в лаборатории физики поверхности Научно-об-разовательного центра. Орторомбический Ва8ъ требует определенных методов формирования. В названной лаборатории были получены тонкие пленки Ва8ь методами твердофазной и реактивной эпитаксии [1, 7]. Использовались различные технологии осаждения - от формирования двуслойной пленки до создания многослойной структуры, с чередующимися слоями Ва и 81. Рекристаллизация пленок проводилась и проводится высокотемпературным прогревом. Однако указанные технологии не позволили сформировать качественные (с точки зрения отсутствия примесей и сплошности) пленки Ва8ь. Одна из причин этого - низкая взаимодиффузия атомов бария и кремния. Поэтому в данный момент в лаборатории образцы формируются также методом твердофазной эпитаксии, но с использованием технологии соосаждения кремния и бария, с последующей рекристаллизацией пленок при оптимальной температуре порядка 600°С, установленной в ходе предыдущих исследований. Из экспериментальных данных [8-9] видно, что такие условия роста дают на сегодня самый качественный результат. Следующим этапом исследований лаборатории является формирование сплошных пленок Ва8ь, поскольку сейчас наблюдается их растрескивание. Также в планах лаборатории получение пленок, легированных бором, с последующим изготовлением приборных структур на основе полученного материала.

Таким образом, формирование и исследование тонких пленок дисилицида бария, пригодных в качестве материала для фотоэлектрических преобразователей, по-прежнему остается актуальной научной задачей. Несмотря на большой объем работ, проделанных отечественными и зарубежными учеными, на полученные значительные результаты, еще остаются вопросы, ждущие своего решения.

1. Дубов, B.J1. BaSi2 - перспективный материал для фотоэлектрических преобразователей (обзор) / B.J1. Дубов, ДВ. Фомин // Успехи прикладной физики - 2016 - № 6. - С. 599-605.

2. Katsuaki, Т. Molecular beam epitaxy of BaSi2 thin films on Si(001) substrates / T. Katsutaki, O.N. Kosuke, U. Noritaka, S. Noriyuki, Y. Noriko, T. Kaoru, S. Takashi // Journal of Crystal Growth. - 2012. - № 345. - P. 16-21.

3. Yuta, M. Epitaxial Growth and Photoresponse Properties of BaSi2 Layers toward Si-Based High-Efficiency Solar Cells / M. Yuta, T. Dai, S. Ryo, T. Michitoshi, S. Takanobu, S. Takashi, U. Noritaka, S. Masato // Japanese Journal of Applied Physics - 2010. - № 49.

4. Ajmal Khan, M. In-situ heavily p-type doping of over 102"cm~3 in semiconducting BaSi2 thin films for solar cells applications / M. Ajmal Khan, K.O. Hara, W. Du, M. Baba, K. Nakamura, M. Suzuno, K. Toko, N. Usami, T. Suemasu // Applied physics letters - 2013. - № 102.

5. Fomin, D. Formation and properties of crystalline BaSi2 thin films obtained by solid phase epitaxy on Si(lll) / D. Fomin, V. Dubov, K. Galkin, N. Galkin, R.Batalov, V. Shustov // Proc. Asia-Pacific Conf. on Semiconducting Sili-cides and Related Materials 2016 - 2017. -№5.

6. Galkin N.G. Comparison of Crystal and Phonon Structures for Polycrystalline BaSi2Films Grown by SPE Method on Si(lll) Substrate / N.G. Galkin, D.V. Fomin, V.L. Dubov, K.N. Galkin, S.A. Pyachin, A.A. Burkov // Defect and Diffusion Forum-2018. - № 386. - P. 48-54.

Рис. 3. Зависимость между подвижностью и концентрацией дырок в В-легированном р-Ва8ь, выращенного при ТВ=1350-1575°С [4].

Выпуск 83, 2018

Вестник ЛмГУ

29

7. Дубов, B.J1. Твердофазный рост и структура пленок дисилицида бария на Si(lll) / В.Л Дубов, Д.В. Фомин, Н.Г. Галкин // Вестник Самарского гос. аэрокосмического ун-та. - 2016. - № 2. - С. 114-121.

8. Дубов, В.Л. Формирование тонких пленок дисилицида бария на Si(l 11) методом твердофазной эпитаксии путем соосаждения// Молодежь XXI века: шаг в будущее. Материалы XIX региональной научно-практ. конф. (Благовещенск, 23 мая 2018 г.). - 2018 - № 3. - С. 29-31.

9. Дубов, B.JI. Формирование тонкой пленки BaSi2 на Si(lll) методами реактивной и твердофазной эпитак-сий // B.JI. Дубов, A.C. Герман, Д.В. Фомин / Физика: фундаментальные и прикладные исследования, образование: Материалы XVI региональной научной конференции. Хабаровск, 1-4 октября 2018 г. - 2018 - С. 173-174.