close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

Муниципальное бюджетное общеобразовательное;pdf

код для вставкиСкачать
«Наука и образование: новое время» № 1, 2014
Штрекерт Ольга Юрьевна,
канд. физ.-мат. наук, доцент,
Вологодский государственный технический университет,
г. Вологда
ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ p-i-n-СТРУКТУР
В последние годы многими учеными рассматриваются вопросы получения и
исследования p-i-n-структур на основе только неорганических полупроводниковых
материалов. На основе p-i-n-структур создаются фотоэлектрические
преобразователи световой энергии. Данные структуры могут быть использованы
также для измерителей интенсивности излучения. Они открывают принципиально
новые возможности для построения приборов, применяемых в микро-иоптоэлектронике, интегральной оптике и других областях полупроводниковой
техники, а также в экологии.
В p-i-n-структурах в качестве исходных материалов для получения
фотоэлементов используются в основном неорганические полупроводники (a-Si,
мк-Si, пк-Si, ZnSe, GaAs). Хотя фотоприемники, изготовленные на основе
неорганических полупроводников, дают коэффициент полезного действия (КПД)
до 20%, но не все из них обладают широким спектром поглощения и широкой
спектральной характеристикой.
Органические – неорганические p-i-n-гетероструктуры потенциально
открывают новые области исследований и развития в оптоэлектронных материалах
и приборах путем использования оптических функций органических молекул,
высокой подвижности и физической прочности неорганических материалов, а
также приконтактных функций в одной системе.
Поэтому для расширения области спектральной чувствительности в данной
работе были разработаны p-i-n-гетероструктуры p-CuPc/i-CuPc/n-GaAs.
Чувствительность фотоэлементов на основе неорганических полупроводников
примерно в 10 раз ниже, чем у фотоэлементов, изготовленных на основе
органических – неорганических полупроводник. Получение тонких (до 10 нм)
слоев для фотоэлементов на основе неорганических полупроводников затруднено.
В качестве неорганического полупроводника был выбран GaAs, а в качестве
органического полупроводника − фталоцианин меди (CuPc). Выбор компонентов
для p-i-n-гетероструктуры органический – неорганический полупроводник
обусловлен, прежде всего, для органического полупроводника – присущей
фталоцианину меди уникальной сочетаемости в себе широкого диапазона
оптических, электрических и фотоэлектрических свойств, химической стойкости и
термостабильности, достаточной технологичности, способности сублимироваться
в вакууме, создавая тонкие слои; для неорганического полупроводника – арсенида
галлия – многосторонне изученного материала, обладающего высокой
подвижностью
носителей
заряда,
физической
прочностью,
область
чувствительности которого, совместно с фталоцианином меди, позволили
расширить спектральную чувствительность созданной p-i-n-гетероструктуры.
Применение p-i-n–гетероструктур органический – неорганический
полупроводник позволяет получать фотоэлементы с высокой (в 10 раз большей,
чем у фотоэлементов с гетеропереходом) фоточувствительностью в интервале
длин волн от 400 до 500 нм. На основе таких высокочувствительных
фотоэлементов можно изготовить измерители интенсивности излучения и
устройства сенсорного типа для широкой спектральной области.
В последние годы очень широко для изготовления фотоприемников
применяется арсенид галлия (GaAs). Применение GaAs позволяет улучшить
электрические и фотоэлектрические характеристики СЭ, а также увеличить их
КПД. Поэтому в [6] предлагается технология изготовления СЭ на основе GaAs
www.articulus-info.ru
«Наука и образование: новое время» № 1, 2014
методом химического газового осаждения с применением металлорганических
соединений и их исследование.
В [5] рассмотрены СЭ на основе материалов A3 B5 для космического
применения. Среди путей повышения эффективности рассматриваемых СЭ
отмечено расширение их спектральной чувствительности путем оптимизации
состава AlGaAs, создание в базе слоев материалов с меньшей шириной
запрещенной зоны (ΔЕ), образующих одну или несколько квантовых ям,
обеспечивающих более полное поглощение энергии солнечного спектра.
Приведены параметры таких СЭ со структурой InGaP/GaAs, InGaP/GaAs/Ge,
GaAs/GaSb с КПД~23%. Отмечено, что при ΔЕ=1,68 эВ и 1,1 эВ, теоретическое
значение КПД может достичь 33%.
На основе неорганического полупроводника GaAs и органического
полупроводника CuPc получен и запатентован СЭ, который обладает высоким
КПД (18,5%) [1, 2, 4], а также запатентован способ получения измерителя
интенсивности светового излучения [3].
В качестве органического полупроводника выбран фталоцианин меди (i-CuPc,
p-CuPc), структурная схема которого представлена на рис. 1.
Рисунок 1. Структура молекулы фталоцианина меди (CuPc)
Выбор обусловлен следующими причинами:
 широкий спектр поглощения (200 – 1000 нм);
 легко кристаллизуется и сублимируется, что позволило получить CuPc с
общим содержанием примесей до 10-4 %;
 исключительная термическая и химическая стойкость (не разрушается на
воздухе до температуры 400 – 620 оС);
 позволяет получать слои толщиной до 10-20 нм (в работе толщина слоя pCuPc составляет 20 нм, а слоя i-CuPc – 20-25 нм);
 путем легирования удельная проводимость изменяется от 10-14 Ом-1∙м-1до 107
-1 -1
Ом ∙м ;
 хорошо легируется кислородом (образуется слой p-типа);
 устойчив к воздействию радиоактивного излучения.
В кристаллах фталоцианина меди подвижности носителей тока значительно
выше, чем в других молекулярных кристаллах. Объяснением этого является более
сильная межмолекулярная связь за счет d-орбит атомов меди [7]. В этих
кристаллах наблюдается заметное различие холловских и дрейфовых
подвижностей. Свойства CuPc и GaAs представлены в таблице 1.
Таблица 1
Полупроводниковые и оптические свойства CuPc и GaAs, применяемых в p-i-nгетероструктуре
ζ,
n,
Еg,
ε
χ,
λ,
Кλ,
2
Полупроводник
Ом-1∙м-1 μ, см /В∙с
м-3
эВ
эВ
нм
м-1
-6
-5
21
CuPc
1,2∙10
2,25∙10
3,3∙10
2,0
4,0
5,11 600
1,4∙107
5
24
GaAs
9,2∙10
11500
5∙10
1,43 11,5 4,07 400-500
107
www.articulus-info.ru
«Наука и образование: новое время» № 1, 2014
где ζ – удельная проводимость,
μ – подвижность носителей заряда,
n – концентрация примесей,
Eg – ширина запрещенной зоны,
ε – диэлектрическая проницаемость,
χ – энергия сродства к электрону,
λ – длина волны, на которую приходится максимум спектра поглощения,
Кλ – максимальный коэффициент поглощения.
Свойства p-i-n-гетероструктуры зависят от способа ее изготовления, но все же
выбор метода в основном определяется данной комбинацией полупроводников и
требованиям эпитаксиального наращивания. Существуют различные варианты
этого метода: одиночное испарение, взрывное и совместное испарение. Каждый из
этих методов кроме собственных преимуществ имеет ряд недостатков. Наиболее
простой метод – метод одиночного испарения, состоит в нагревании материала,
который требуется осадить, под вакуумным колпаком при давлении не хуже 10-5
Па. Именно этот метод используется для напыления органических материалов, в
качестве тонких слоев, напыленных на проводящие подложки.
Метод термического испарения в вакууме состоит в нагревании материала,
который следует осадить на подложку, в вакууме 10-4 -10-6 Па. Нагревателями
служат проволочка, приготовленная из вольфрама, по которой пропускается
электрический ток, для испарения серебра, в качестве верхнего электрода, а также
спиралеобразная проволока из вольфрама, в которую ставится тигель с
испаряемым веществом, для получения тонкой пленки одного из полупроводников
p-i-n–гетероструктуры.
После изготовления образца толщину пленки определяем по измеренным
значениям I и I0 при  =632,8 нм, из соотношения:
d
2,3  I 0 
 lg  (1)
k
 I 
Требовалось напылить пленку CuPc так, чтобы толщина i-слоя составила не
менее 20 нм (соизмерима с дрейфовой длиной электронов). Поэтому был проведен
расчет времени, необходимого для получения данной толщины i-слоя.
Относительная погрешность измерений составляла 3-5 , что вполне допустимо
для измерений характеристик фотоэлементов. Основные характеристики
полученной структуры приведены в таблице 2.
Таблица 2
Основные характеристики p-i-n-гетероструктуры
p-CuPc/i-CuPc/n-GaAs
Jк.з.,
FF Uxx/P,
Область спектральной
2
Способ изготовления
мА/м2 Uxx, В Е, Вт/м
%
В/Вт
чувствительности, нм
Предлагаемый способ
48,8
0,338
2,55
33 106
400 – 950
Освещение p-i-n-гетероструктуры со стороны p-области приводит к тому, что
излучение с незначительными потерями доходит до i-области, в которой
поглощается с одновременной генерацией носителей заряда (Рис. 2). При этом
возможно доминирование одного из двух случаев: ионизация атомов самого
полупроводника (межзонные переходы) или ионизация специально введенных в
него примесей. Так как CuPc подвергался многократной возгонке в вакууме, то это
достаточно чистый полупроводник (степень очистки до 10-4, %) и случай
ионизации примесных атомов можно исключить. Поэтому здесь говорят о так
называемых фотоструктурах с собственным фотоэффектом.
Генерация фотоносителей в i-слое приводит к нарушению концентрационного
равновесия – начинается их перемещение: дырки движутся к p-области, электроны
– к i-области. Так как в i-слое существует сильное практически однородное
www.articulus-info.ru
«Наука и образование: новое время» № 1, 2014
электрическое поле (Е>106 В/м), перемещение носителей заряда будет
происходить вследствие дрейфа. Длина дрейфа дырок соизмерима с размерами
области поглощения (i-область). Наличие i-области обеспечивает поглощение
света этой областью и, соответственно, эффективную работу элемента. Роль p-iперехода, представляющего потенциальный барьер, удерживающий дырки в pобласти, а электроны в i-области, состоит в максимальном разделении
генерированных электронов и дырок, что приводит к изменению разности
потенциалов между p- и i-областью, то есть имеет место фотовольтаический
эффект.
Рисунок 2. Энергетические зонные диаграммы p-i-n-гетероструктуры n-GaAs/(i-CuPc)/pCuPc в состоянии теплового равновесия (а) и при освещении со стороны p-области (б)
Во внешней цепи это проявляется двояко: при малых приложенных
напряжениях (условно U=0) фотоэлемент сам генерирует некую фото-э.д.с.; при
значительных внешних смещениях перемещение носителей приводит к появлению
фототока IL, добавочного к темновому току Iт, протекающего через p-i-n-структуру
в отсутствие излучения (либо при очень низком излучении).
Добавление фототока к темновому току происходит алгебраически. Оно
заметно, так как собственный ток фотоэлемента мал (при обратном смещении).
При непрерывном освещении, вызывающем появление избыточных
фотогенерированных или инжектированных носителей заряда, возникает
состояние, которое удобно описывать с помощью квазиуровней Ферми,
представляющих собой как бы расщепленный уровень Ферми и расположенных по
отношению к нему наклонно. Избыточные концентрации δn и δp носителей заряда,
генерируемых светом в i-области, как правило, существенно превышают их
значения при термодинамическом равновесии n0 и p0. Следовательно, можно
говорить об объемной рекомбинации носителей заряда, скорость которой
выражается по следующей формуле
np
U
. (2)
n p  p n
www.articulus-info.ru
«Наука и образование: новое время» № 1, 2014
Выводы:
1. Для получения p-i-n-гетероструктуры p-CuPc/(i-CuPc)/n-GaAs были
выбраны следующие компоненты: арсенид галлия, так как он обладает высокой
подвижностью электронов (μn=11500 см2/В∙с), большой шириной запрещенной
зоны (Еg=1,43 эВ при 300 К); фталоцианин меди, обладающий следующими
полупроводниковыми и оптическими свойствами – спектр поглощения от 400 до
800 нм, ширина запрещенной зоны Еg=2,0 эВ; данные полупроводники взаимно
дополняют друг друга и имеют приконтактные функции в одной системе.
2. Применение p-i-n-структур на основе органических (в нашем случае CuPc)
и неорганических полупроводников (GaAs) позволяет получать фотоэлементы с
высокой (в 10 раз большей, чем у гетеропереходов) фоточувствительностью.
Варьируя толщину i-области при этом можно получать необходимое значение
фоточувствительности в определенном интервале длин волн.
3. Разработанный метод получения образцов p-i-n-гетероструктуры на основе
GaAs и CuPc, а также исследование их параметров целесообразно использовать для
дальнейшего изучения фотоэлементов.
4. Чувствительность p-i-n-гетероструктуры p-CuPc/i-CuPc/n-GaAs по фотоэ.д.с. в 2-10 раз выше ( для λ=400-500 нм), чем у гетероперехода на основе этих же
полупроводников.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Корнейчук С.К. Фотоэлектрические характеристики фотоприемника на основе GaAs/CuPc /
С.К. Корнейчук, М.И. Федоров // Известия вузов. Физика. – 1996. – № 7. – С .41-45.
2. Пат. № 2071148 РФ. Способ изготовления твердотельного фотогальванического элемента
для преобразования энергии света в электрическую энергию / М.И. Федоров, В.А. Шорин, С.В.
Масленников, С.К. Корнейчук, ВоПИ. Опубл. 27.12.1997. Бюлл. № 36.
3. Пат. № 2111461 Кл G01 J 1/48. Измеритель интенсивности светового излучения / М.И.
Федоров, В.А. Шорин, С.В. Масленников, С.К. Корнейчук, ВоПИ. Опубл. 20.05.98. Бюлл. № 14.
4. Пат. № 2206148 Кл H01L 31/18. Способ увеличения фоточувствительности фотоприемника с
гетеропереходом / М.И. Федоров, А.М. Чередник, В.К. Максимов, С.К. Корнейчук, ВГТУ.
Опубл.10.06.2003. Бюлл. № 16.
5. Torchynska T.V. ІІІ-V material solar cells for space application / T.V. Torchynska, G.P. Polupan//
Semicond. Phys., Quantum Electron. and Optoelectron. – 2002. – Vol. 5, № 1. – P. 63-70.
6. Tsugami M. GaAs solar cells by MOCVD / M. Tsugami, K. Mistsui // Optoelec.=Devices and Technol.
– 1989. – Vol. 4, № 1. – P. 59-66.
7. Федоров М.И. Влияние легирования на фотопроводимость слоев фталоцианинов: дисс. …канд.
физ.-мат. наук / М.И. Федоров. – Черноголовка: ИХФ, 1972. – 14 7с.
www.articulus-info.ru
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа