Солнечные элементы: Теория и эксперимент - Фаренбрух А.
Скачать (прямая ссылка):
Предложена единая модель [Spicer е. а., 1980] формирования поверхностных состояний и барьеров Шоттки в соединениях III-V групп, с по-
97
lg N (N, cm'3)
GaAs
v/A.c///
a
777ё?77,
1,3
InP
//Л9//У
Ш’УА
^п'УУУ&УУ,
&aSb
ШУМ
-S
~6
S)
Рис. 2.39. Энергетические уровни дефектов, образующихся при наличии покрытий иа поверхности GaAs, InP и GaSb:
а - распределение по энергиям Е концентрации JV дефектов, образующих поверхностные состояния, обычно обнаруживаемые на границе раздела полупроводника и оксида (характеристики Si приведены для сравнения); б - энергетическое положение уровней дефектов, их типы (доноры или акцепторы) и предположения относительно причины их возникновения [Spicer е. а., 1980]
мощью которой найдены показанные на рис. 2.39 распределения поверхностных состояний для GaAs, InP и GaSb. Можно отметить интересное явление, особенности которого обсуждались на протяжении нескольких лет. Суть его состоит в том, что состояния, представляющие собой естественные дефекты (вакансии), являются собственными, однако они не существуют до тех пор, пока на поверхности полупроводника не создан слой металла или оксида.
Что касается материалов, у которых не происходит фиксации уровня Ферми, то, вероятно, в результате самокомпенсации заряд, содержащийся в дефектных состояниях на границе раздела, нейтрализуется. В пользу этого предположения свидетельствует значительная самокомпенсация заряда в объеме ионных кристаллических полупроводников с большой шириной запрещенной зоны.
Существует вместе с зтим и другой набор более ’’глубоких” эмпирических закономерностей для полупроводниковых соединений III—V групп.
1. На сверхчистых поверхностях ковалентных полупроводников, таких, как GaAs, InP и GaSb, собственные состояния внутри запрещенной зоны отсутствуют. Фиксацию уровня Ферми в этих материалах вызывают энергетические состояния дефектов (несовершенств структуры или ва-98
кансий), образующихся при наличии адсорбированных атомов металла или кислорода1.
2. Характерные поверхностные свойства ковалентных полупроводников, в частности изгиб зон, устанавливаются при наличии покрытия, состоящего из атомов металла или кислорода, толщиной менее 0,1 монослоя и слабо изменяются при увеличении его толщины.
3. В некоторых типах систем металл—полупроводник (таких, как Au —InP, Аи —GaSb) происходит разложение полупроводникового материала в пределах нескольких поверхностных мономолекулярных слоев. В отдельных случаях одна из составляющих полупроводникового соединения (эквивалентная нескольким монослоям) распределяется по поверхности осаждаемого металла (например, в структуре Au — n-GaSb сурьма выделяется на поверхности Au). В других случаях они проникают внутрь металлического покрытия на глубину, соответствующую большому количеству монослоев.
4. Изгиб зон и разложение данных полупроводниковых соединений III—V групп в первом приближении, вероятно, не зависят от вида адсорбированных атомов. Следствием этого является отсутствие зависимости Фь (в определенных пределах) от степени чистоты и совершенства любых, но почти идеально совершенных сверхчистых поверхностей. Этот вывод подтверждается опубликованными в литературе данными по высоте барьера.
Из-за отсутствия возможности более подробного рассмотрения данного вопроса здесь представлены результаты, характеризующие в основном одно из направлений исследований. Разумеется, их общий объем достаточно велик, и, кроме того, возможен другой подход к интерпретации получаемых результатов, что отражено в трудах конференций по физике поверхности полупроводниковых соединений (PCS1) 2.
Среди исследований, имеющих важное значение для разработок фотоэлектрических приборов, можно отметить изучение химической активности компонентов и перераспределения заряда на границе раздела металл-полупроводник [Brfflson, 1978, 1979], а также влияния вида анионной составляющей полупроводникового соединения на свойства барьера Шоттки при использовании химически инертных металлов [McCaldin е. а., 1976].
Полупроводниковые материалы, применяемые в солнечных элементах, можно разделить в соответствии с представленными данными на две следующие группы.
1. Ионные материалы с S я* 1, поверхностные свойства которых легко модифицировать. К сожалению, среди этих материалов нет известных полупроводников с соответствующей шириной запрещенной зоны, которые подходили бы для создания поглощающих слоев.
2. Ковалентные слабополярные материалы с S « 0, поверхностные свойства которых плохо модифицируются (с низкой воспроизводимостью
1 Сверхчистые поверхности полупроводников IV группы периодической системы содержат собственные состояния в середине запрещенной зоны.
2 Труды этих конференций публикуются в периодическом издании Journal of Vacuum Science and Technology.
99
результатов) или вообще не изменяются. В эту группу входят, вероятно, все материалы, которые можно применять в качестве поглощающих слоев.
Далее полученные результаты позволяют предположить, что независимо от способа изготовления солнечных элементов в большинстве случаев свойства поверхности ковалентных соединений предопределены задолго до нанесения металлического или какого-либо другого покрытия. Поэтому преднамеренное изменение поверхностных свойств1 требует применения или специальных примесей для легирования границы раздела (которые, будучи чрезвычайно активными по отношению к модифицируемой поверхности, должны вытеснить находящиеся на ней другие вещества), или активных легирующих примесей, вводимых в пленку непосредственно в процессе ее роста. Специально создаваемые дефекты должны обладать очень высокой стабильностью. Примером подобного легирования поверхностей раздела в ковалентных материалах служит введение атомов Н в область границ зерен в Si [Seager, Ginley, 1980]. Другой пример — использование Ru с целью снижения скорости рекомбинации (без увеличения высоты барьера) в солнечных элементах с барьером Шоттки на основе и-GaAs [Nelson е. а., 1980].