Транспортные свойства гетероструктур a-Si+ПК/p-Si, полученных анодированием кремния Хмара Александр Николаевич

Введение к работе

Актуальность работы. Аморфный кремний (а-Si) – это перспективный материал для изготовления дешевых и эффективных солнечных батарей (максимальный к.п.д. ~13% для батареи с тремя p-i-n переходами), а также анодов с высокой удельной емкостью для литий-ионных батарей (теоретическая удельная емкость - 4212 мАчг^-1, достигнутая на данный момент 3400-3700 мАчг^-1 , в то время как у применяемых сейчас графитовых анодов максимальная удельная емкость – 372 мАчг^-1). Также он используется для фотодетекторов и детекторов ионизирующего излучения на основе p-i-n структур, светодиодов, тонкопленочных транзисторов (TFT), устройств хранения информации и датчиков. Традиционно а-Si получают разложением силана SiH₄ в тлеющем разряде, магнетронным напылением, термическим вакуумным напылением, термическим разложением силана SiH₄. Так же применяется электрохимическое осаждение кремния из растворов его соединений. По сравнению с другими методами, этот метод осаждения является более дешевым, ресурсосберегающим и энергоэффективным. Как показало изучение существующих публикаций, транспортные свойства аморфного кремния, полученного электрохимическим осаждением, являются недостаточно изученными, что, в свою очередь, затрудняет практическое применение аморфного кремния, полученного по такой технологии.

Пористый кремний (ПК) образуется при анодировании кремния в электролитах на основе HF и обладает такими уникальными свойствами, как зависимость ширины запрещенной зоны от структуры, прямозонность, несвойственная кристаллическому кремнию, и высокая удельная поверхность.

Согласно одному из представлений о механизме образования ПК,
основную роль в его образовании играет аморфный вторичный кремний,
образующийся на поверхности и стенках пор по реакции

диспропорционирования и создающий условия для анизотропного травления кремния [1]. Образующееся при этом количество аморфного кремния мало. Поэтому представляет интерес получение поверхностных слоев, содержащих

большее количество аморфного кремния и сочетающих в себе свойства обеих материалов, а также исследование их транспортных свойств.

Таким образом, целью работы является получение гетероструктур на основе слоев пористого кремния и исследование их транспортных свойств, определяемых переносом заряда в слоях a-Si+ПК/p-Si, полученных электрохимическим травлением кремния.

Для достижения указанной цели решались следующие задачи:

1. Установить влияние параметров технологии получения, таких как состав электролита, время и плотность тока на особенности морфологии полученных гетероструктур.

2. Определить влияние условий получения на транспортные свойства гетероструктур a-Si+ПК/p-Si.

3. Установить особенности распределения плотности локализованных состояний по энергии посредством анализа вольтамперных характеристик (ВАХ) на основе теории токов, ограниченных пространственным зарядом [2].

Научная новизна:

1. Впервые при анодировании кремния были получены гетероструктуры
со слоем макропористого кремния с порами, полностью заполненными
вторичным аморфным кремнием, осажденным из электролита.

2. Впервые установлены механизмы проводимости на постоянном и
переменном токах в гетероструктурах a-Si+ПК/p-Si, полученных
электрохимическим травлением кремния, а также распределение уровней
прилипания (ловушек) по энергии.

Практическая значимость:

4. Полученная информация о механизмах проводимости и параметрах переноса носителей заряда в поверхностных слоях гетеростуктур, полученных при анодировании кремния, может быть использована при проектировании устройств на его основе (литий-ионные батареи, солнечные батареи, фотодатчики).

5. Выяснено влияние параметров процесса получения на распределение по энергии уровней прилипания и их концентрацию, что позволит создавать

гетероструктуры с требуемыми свойствами для их использования в качестве поглощающего слоя в солнечных батареях или анода в литий-ионных батареях.

Основные положения, выносимые на защиту:

6. Влияние перемешивания электролита на морфологию поверхностных слоев a-Si+ПК, заключающееся в образовании слоя ПК с порами, полностью заполненными вторичным кремнием.

7. Влияние условий получения на транспортные свойства гетероструктур a-Si+ПК/p-Si, такие как величины удельной электропроводности и энергии активации, а также механизм низкотемпературной прыжковой проводимости.

3. Глубина залегания хвоста зоны проводимости и плотность
локализованных состояний в запрещенной зоне материала слоя a-Si+ПК.

Связь работы с научными программами и темами.

Работа выполнена при финансовой поддержке программы Министерства образования и науки Российской Федерации для высших учебных заведений, ФЦП, проект №14.578.21.0192 (RFMEFI57816X0192).

Апробация работы Материалы диссертационной работы были доложены и обсуждены на 2-й Международной научно-практической конференции «Физика и технология наноматериалов и структур».

Публикации. По результатам диссертационных исследований

опубликовано 5 печатных работ, отражающих основное содержание диссертации (включая 4 статьи в журналах, входящих в Перечень ВАК, и 1 статью в зарубежном периодическом издании).

Личный вклад автора в проведение исследований и получение результатов является определяющим. Все результаты, приведенные в диссертации, получены либо самим автором, либо при его непосредственном участии.

Структура и объем диссертации. Диссертации состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы, включающего 119 наименований, и содержит 119 страниц, 42 рисунка и 11 таблиц.