Фотоэлектрические преобразователи на квантовых точках

Однако, несмотря на достаточно простую идею, реализация данной технологии требует чрезвычайно сложных технических решений. Основные требования к установке эпитаксии следующие:

•В рабочей камере установки необходимо поддерживать сверхвысокий вакуум – давление остаточных газов должно быть ниже 10^-8 Па (∼10^-10 мм рт. ст.).

•Чистота  испаряемых материалов должна достигать 99,999999%.

•Необходим  молекулярный источник, способный испарять тугоплавкие вещества (такие как  металлы) с возможностью регулировки  плотности потока вещества.

•Особенностью эпитаксии является медленная скорость роста пленки (обычно менее 1000 нм в  минуту).

Метод MЛЭ используется для изготовления квантовых точек, квантовых нитей, квантовых ям, сверхрешеток, плоских  волноводов, псевдоаморфных пленок и  различных наноструктур для полупроводниковых  приборов, например, транзисторов с  высокой подвижностью электронов, лазеров, зеркал и т.п.

Основное  преимущество MЛЭ метода – возможность создания уникальных наноструктур с очень высокой чистотой, однородностью и малым количеством дефектов. К недостаткам метода можно отнести высокую цену оборудования и исходных материалов, малую скорость роста, сложность поддержания высокого вакуума.

 

2. Газофазная эпитаксия из металлоорганических соединений

Эпитаксиальный  рост материалов путем осаждения на подложку продуктов термического разложения (пиролиз) молекул органических газов, содержащих необходимые химические элементы, называется методом осаждения металлоорганических соединений из газообразной фазы (MOC ГФЭ) [7]. Этот термин был предложен создателем метода Гарольдом Манасевитом в 1968 году. В отличие от MЛЭ при MOC ГФЭ рост происходит не в вакууме, а в присутствии газа при умеренных давлениях. При комнатных температурах металлоорганические соединения находятся в жидком или даже твердом состоянии. Поскольку эти вещества, как правило, имеют высокое давление паров, их можно легко доставить в зону химической реакции путем продувки газа носителя через жидкости или над твердыми телами, играющими роль источников. В качестве газа носителя используют водород или инертные газы (гелий, аргон). Идею метода MOCVD можно проиллюстрировать с помощью рис. 1.5, схематически изображающего реактор, в котором происходит эпитаксиальный рост структуры [6].

Кристаллизация  материала на нагретой подложке, расположенной  в реакторе с холодными стенками, осуществляется при пропускании  над ней однородной газовой смеси  реагентов с газом-носителем. В  результате пиролиза, при котором  газообразные соединения разлагаются  на компоненты на горячей поверхности, образуется стабильное твердое полупроводниковое соединение.

Температура пиролиза составляет 600–800⁰С. Подложка и растущая пленка обычно нагреваются высокочастотным генератором с частотой 450 кГц. Пиролиз происходит в открытом реакторе при атмосферном или пониженном давлении (∼70 мм рт. ст.). Снижая давление газовой смеси при выращивании соединений можно управлять градиентом изменения состава основных компонент и примесей в гетероструктуре. При пониженных давлениях выращивание ведется при больших, чем при атмосферном давлении скоростях газового потока, что позволяет получать более однородные слои.

Рисунок 1.5. Схема горизонтального реактора открытого типа с охлаждаемыми стенками для MOCVD: 1 – кварцевый корпус, 2 – катушка высокочастотного генератора для нагревания подложки, 3 – блок нагревания, 4 – подложки, 5 – водяное охлаждение (впуск), 6 – водяное охлаждение (выпуск). Схематически показано распределение скоростей v и температуры T в газовом потоке в диффузионном слое вблизи подложки.

Методом MOC ГФЭ могут быть последовательно  выращены многослойные, многокомпонентные  эпитаксиальные структуры в едином ростовом цикле, поскольку к реактору можно подключить несколько источников различных материалов и изменять состав газовой смеси в реакторе. Скорость, с которой можно обеспечить нужное изменение, зависит от геометрии реактора и величины полного потока газа через реактор. При высоких скоростях потока изменение состава можно осуществлять достаточно быстро и, следовательно, можно получать гетеропереходы с резкой гетерограницей. Методом MOC ГФЭ можно выращивать структуры достаточно высокого качества с толщиной отдельных слоев, составляющих всего 5-6 межатомных расстояний.

Достоинством  технологии MOC ГФЭ является возможность  получать структуры большой площади  с высокой скоростью роста, удовлетворяющие  требованиям массового промышленного  производства. К недостаткам метода МОС ГФЭ относится загрязнение растущего слоя углеродом, источником которого являются металлоорганические соединения. Тем не менее, качество получаемых слоёв сравнимо с качеством, достаточным при использовании других видов эпитаксиальной технологи (например, ЖФЭ).

 

3. Жидкофазная эпитаксия

Метод жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) наряду с методом газофазной эпитаксии (ГФЭ) нашел в прошлом широкое применение для получения различных структур, в первую очередь, гетероструктур. Этим методом был получен ряд твердых растворов, которые не могли быть получены другим методом [7]. Методу ЖФЭ стало уделяться меньше внимания в связи с широким применением молекулярно-лучевой эпитаксии, особенно для получения квантоворазмерных структур, на основе которых были получены, например, высокоэффективные излучательные структуры. Однако метод жидкофазной эпитаксии вследствие своей простоты не потерял актуальности и в настоящее время, в частности, в решении проблемы получения квантоворазмерных структур также. Имеются сообщения в литературных источниках о возможности получения квантоворазмерных структур методом жидкофазной эпитаксии с применением «сверхбыстрого охлаждения».

 

Рисунок 1.6. Фрагмент контейнера пенально-сдвигового типа: 1 – корпус контейнера;  2 – подвижная часть контейнера (слайдер); 3 – крышка; 4 – паз для подложки; 5, 6 – «окна» для растворов-расплавов для выращивания n- и p-слоев соответственно; 7 – щель для ограничения расплава.

Основные  методы получения полупроводниковых  слоев (структур) жидкофазной эпитаксией по модели диффузии (распределения  концентрации) компонент в растворе-расплаве можно разделить на две группы:

• первая – получение слоев из неограниченных объемов растворов-расплавов («бесконечный источник»); основным критерием неограниченных объемов – является сохранение в процессе роста эпитаксиальных слоев постоянными концентрации растворенных компонентов в основной области раствора-расплава (практически это имеет место при достаточно больших объемах-толщинах раствора-расплава);
• вторая – получение слоев из ограниченных объемов растворов-расплавов («конечный  источник»); основным критерием ограниченных – «тонких» объемов является изменение в процессе роста эпитаксиальных слоев концентрации растворенных компонентов во всей области раствора-расплава, но при этом распределение по толщине остается однородным (практически это имеет место при достаточно малых объемах-толщинах раствора-расплава и небольших скоростях роста эпитаксиальных слоев).

На  рис. 1.6 показан фрагмент контейнера пенально-сдвигового типа для структур с использованием модели роста из неограниченных («бесконечный источник», а) и из ограниченных («конечный источник», б) объемов несмешиваемых растворов-расплавов.

 

4. Ионно-лучевое осаждение

Ионно-лучевое  осаждение (ИЛО) – метод вакуумного напыления, в котором осаждаемый атомарный поток получают в результате бомбардировки ускоренными ионами поверхности исходного напыляемого  материала и последующей инжекции распыленных атомов в паровую  фазу [8].

Характер  взаимодействия бомбардирующих ионов  с поверхностью твердого тела определяется их энергией. При энергиях меньших 5 эВ, взаимодействие ограничивается физически и химически адсорбированными слоями, вызывая их десорбцию и обуславливая протекание различных химических реакций. При кинетических энергиях, превышающих энергию связи атомов (определяющую теплоту сублимации материала мишени) в кристаллической решетке, бомбардировка вызывает разрушение приповерхностного слоя и выброс атомов в паровую фазу (распыление) [9]. Минимальная энергия ионов, приводящая к выбиванию атомов с поверхности, называется пороговой энергией распыления. Значение ее находится в интервале энергий от 15 до 30 эВ.

На  рис.1.7. представлена схема ионно-лучевой  системы распыления. Выбитые падающим ионом атомы могут покинуть мишень в электронейтральном состоянии  или в виде положительных или  отрицательных ионов, а также  в состав молекул или кластеров, причем молекула или кластер также  могут нести электрический заряд.

Рисунок 1.7. Схема ионно-лучевой системы распыления.

Пространственные  распределения распыленных частиц, иначе называемые распределениями распыленных частиц по направлениям вылета, можно получить на коллекторе – металлической пластине, поставленной вблизи распыляемой мишени, на которую попадают и к которой "прилипают" распыленные атомы.

При возрастании энергии бомбардирующих ионов свыше 100 эВ коэффициент распыления резко увеличивается и в области 5-10 кэВ выходит на насыщение. Дальнейшее повышение кинетической энергии свыше 100 кэВ приводит к снижению распыления, вызванному радиационными эффектами и внедрениями ионов в кристаллическую решетку. Распыление вызывается, в основном, передачей импульса энергии от бомбардирующей частицы атомам кристаллической решетки в результате серии последовательных столкновений. Передача импульса от падающих ионов происходит в первых атомных слоях решетки, например, при бомбардировке поверхности поликристаллической меди ионами аргона с энергией 1000 эВ глубина проникновения равнялась трем атомным слоям [10].

Коэффициент распыления зависит от мишени (состава, структуры, ориентации поверхности по отношению к кристаллографической решетке, шероховатости поверхности) и от падающих ионов (типа, энергии, направления падения). Чем больше энергия связи атомов на поверхности, тем меньше коэффициент распыления. Чем больше атомный номер падающего иона, тем больше коэффициент распыления. Причина в том, что ион с более высоким атомным номером имеет больший радиус и более сильно взаимодействует с атомами мишени.

Наибольшее  распространение в качестве источника  бомбардирующих ионов получил инертный газ аргон, имеющий массу, достаточную  для распыления, и характеризующийся  относительно малой стоимостью.

Влияние температурных условий на процесс  ИЛО незначительно. Распыление металлов в твердом и расплавленном  состояниях практически не различается. Исключение составляет область температур, при которых переход атомов в  паровую фазу путем испарения  становится существенным и превышает  распыление. С увеличением угла падения  ионов (относительно нормали к поверхности) эффективность распыления возрастает. Поток распыленных атомов создается  в результате бомбардировки ускоренными  ионами, эмитированными автономным источником.

 

4. Классификация ФЭП
1. Кремниевые ФЭП

Кристаллический кремний. Монокристаллические кремниевые солнечные элементы (c-Si СЭ) изготавливаются из кремниевых пластин 0.3 мм (300 мкм) толщины путем их легирования соответственно донорными и акцепторными примесями, создания омических контактов (сплошного тыльного и решеточного лицевого) и текстурирования (направленного химического травления поверхности) для придания антиотражающих свойств [11]. Существуют несколько типов конструкции монокристаллических и тонкопленочных СЭ, отличающиеся способом формирования, структурой и расположением контактов (рис.1.8).

По  состоянию на 2010 год выпуском солнечных  элементов на основе монокристаллического кремния занимался ряд фирм, среди  которых: Siemens Solar, Astropower,  Solec, BP Solarex, Sharp – c общей мощностью производства 60 МВт при средней эффективности элементов до 22 % (рекордная эффективность составляет 24.7 %) и модулей в 10 – 15 %.

Основной  недостаток монокристаллических кремниевых солнечных элементов – большой  расход сравнительно дорогого высокочистого  кремния, большая часть которого играет роль пассивной подложки. Следует  отметить, что технология производства солнечных элементов на кристаллическом  кремнии находится в почти  идеальном состоянии и достаточно сложно найти пути улучшения уже  существующих технологических процессов, отработанных в течении многих лет в рамках производства микроэлектронных устройств.

а)	б)
в)
Рисунок 1.8. Различные типы солнечных элементов на основе монокристаллического кремния: а) простой p-n-переход,  б) металл-изолятор-n-p-структура, в) солнечный элемент с пассивированным эмиттером и микроканавками.

С целью лучшего использования  материала широко разрабатываются  солнечные элементы с поглотителем на основе тонкоплѐночного аморфного кремния (tf-Si СЭ), наносимого CVD (осажденение из химических паров) методом на подложки различных типов (кремний, сталь, SiO₂ и другие).

Аморфный  кремний. Аморфные солнечные элементы используют в качестве поглощающего слоя аморфные вещества, обладающие только ближней упорядоченностью структуры [11]. Идеальным аморфным материалом для использования в качестве поглотителя является a-Si (аморфный кремний). Значение его запрещенной зоны может быть изменено путем введения примеси водорода (гидрогенизации). Аморфный кремний легированный водородом (a-Si:H), является основой аморфных солнечных элементов. Иногда помимо водорода в поглощающем аморфном слое используются также добавки германия (a-SiGe:H).