Гетероструктурний омічний контакт до полікристалічних шарів телуриду кадмію р-типу провідності

Реферат: Гетероструктурний омічний контакт до полікристалічних шарів телуриду кадмію включає полікристалічний шар телуриду кадмію р-типу провідності, а також метал з високою роботою виходу. Між металом та телуридом кадмію розміщується полікристалічний шар сильно легованого телуриду свинцю р-типу провідності, причому контактний метал є акцептором у телуриді свинцю. UA 91417 U (12) UA 91417 U UA 91417 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до напівпровідникової фотоелектроніки, а саме до напівпровідникової сонячної енергетики і може бути використане для виготовлення омічних контактів до тонкоплівкових сонячних елементів, базовим матеріалом яких є полікристалічний шар телуриду кадмію р-типу провідності. Прикладом застосування полікристалічного шару телуриду кадмію р-типу як базового в тонкоплівкових сонячних елементах є, наприклад, гетероперехід n-CdS/p-CdTe [І]. На такому гетеропереході було досягнуто значення коефіцієнта корисної дії (к.к.д.) ~16 % [2], який співмірний зі значенням цього коефіцієнта у типовому сонячному елементі, виготовленого з об'ємного монокристалічного кремнію [3]. Відомі також інші варіанти гетеропереходів за участю телуриду кадмію р-типу як базового матеріалу, наприклад: n-SnO2/p-CdTe [1], n-ITO/p-CdTe [4,5], а також n-ZnO/p-CdTe [6] у яких к.к.д. досягав значень 9-14 %. Однією з важливих проблем у виготовленні сонячних елементів на основі тонкоплівкового телуриду кадмію р-типу провідності, є створення омічних контактів, здатних зберігати омічні властивості в широкому інтервалі температури від мінус 40 °C до плюс 50 °C, що обумовлюється кліматичними змінами температури. Основні вимоги до омічних контактів метал-напівпровідник наведені у літературі [3, 7]: 1) спад напруги на контактному опорі при будь-якій полярності прикладеної напруги повинен бути значно меншими, ніж на активній області приладу; 2) вольт-амперна характеристика (ВАХ) контакту повинна мати лінійний характер; 3) контакт повинен бути механічно міцним, надійним та стабільним; 4) в омічному контакті відсутній 1/f- шум. Вибір металу для омічного контакту базується на теоретичній моделі Шотткі [9], згідно якої для напівпровідників n-типу провідності робота виходу електронів з металу повинна буту меншою, ніж у напівпровіднику. Для напівпровіника р-типу провідності - навпаки: робота виходу електронів з металу повинна бути більшою, ніж у напівпровіднику. При виконанні цих умов приконтактна область напівпровідника n-типу збагачується електронами, а приконтактна область напівпровідника р-типу провідності - дірками. Експериментально було показано, що вибір металу для омічного контакту до напівпровідника за моделлю Шотткі можна реалізувати для обмеженої групи напівпровідників (CdSe, CdS, ZnSe, ZnS та ін.), у яких переважає іонний тип хімічного зв'язку [8, 9]. Для 3 5 напівпровідників з переважаючим типом ковалентного зв'язку, наприклад група сполук А В , вибір металу за цією моделлю як правило не реалізується, що обумовлюється закріпленням рівня Фермі EF напівпровідника поверхневими станами. При цьому на межі металнапівпровідник завжди формується потенціальний бар'єр, висота якого не залежить від роботи виходу металу, а ВАХ є нелінійною. Така модель формування потенціального бар'єру запропонована Бардіним [9]. Подальший розвиток модель Бардіна набула у працях Спайсера [10], у яких з'ясована природа поверхневих станів. Були отримані експериментальні докази того, що поверхневі стани зумовлені власними точковими дефектами, або їх комплексами, які виникають при нанесенні металу. У цьому випадку омічний контакт формується шляхом створення сильно легованих областей напівпровідника [9]. Сильно легована приконтактна область дозволяє реалізацію тунельного струму крізь потенціальний бар'єр структури. Контакти з тунельно прозорим потенціальний бар'єром мають опір, значно менший ніж активна область приладу, і лінійні ВАХ, що відповідає умовам омічного контакту. При цьому для формування сильно легованих областей використовують метали з донорними та акцепторними властивостями для напівпровідників з електронним та дірковим типом провідності, відповідно. Важливою вимогою до металів є висока розчинність у напівпровіднику [10, 11]. Для створення + + n - та p -областей використовують різні методи, як, наприклад, термічний відпал або вирощування сильно легованих епітаксійних шарів. Відомо, що телурид кадмію має змішаний іонно-ковалентний тип хімічного зв'язку з перевагою іонної складової, а тому вибір контактного металу для виготовлення омічного контакту може здійснюватись за моделлю Шотткі [9, 12]. Встановлено, що при підготовці у надвисокому вакуумі сколотої поверхні монокристалічного об'ємного телуриду кадмію р-типу провідності і нанесенні на таку поверхню індію, висота потенціального бар'єру структури In/pCdTe відповідає моделі Шотткі [13]. У випадку окисленої поверхні рівень Фермі у р- та n-CdTe був закріплений поверхневими станами, а висота потенціального бар'єру відповідала моделі Бардіна-Спайсера [10, 11]. Також встановлено, що полірування поверхні телуриду кадмію у кислотних травильних композиціях [14-17] перед нанесенням металу призводить до збагачення приповерхневої області телуром, а на межі метал-напівпровідник формується потенціальний бар'єр за тим же механізмом. Показано [16], що товщина нестехіометричної приповерхневої області, зумовлена хімічною обробкою, може сягати 60 нм, а ступінь нестехіометричності залежить від складу травника. Значення висоти потенціального бар'єру структур Au/p-CdTe корелювало зі ступенем нестехіометричності поверхні, на яку після хімічної обробки наносилась 1 UA 91417 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 тонка плівка золота хімічним способом з розчину хлорного золота. Найбільше значення висоти потенціального бар'єру (~0,8 еВ) спостерігалось у структур з найбільшою нестехіометрією поверхні, найменше значення (~0.06 еВ) - у структурах з майже стехіометричною поверхнею. ВАХ з найменшим потенціальним бар'єром були лінійні, а з найбільш високим - діодні. Важливим етапом у виготовленні омічних контактів до p-CdTe є вибір контактного металу, який здійснюється за умовою Шотткі для напівпровідника р-типу провідності W=Eg-EF+χ, де Eg ширина забороненої зони; EF - енергетичне положення рівня Фермі відносно валентної зони, χ енергія спорідненості до електрона. Для CdTe при кімнатній температурі значення Eg та χ відповідно становлять 1,5 еВ та 4,3 еВ [18]. Так як енергетичне положення рівня Фермі визначається рівнем легування напівпровідника, а у сонячних елементів цей рівень, як правило, 15 17 -3 становить 10 -10 см , це відповідає діапазону значень EF=0,1-0,2 еВ [12]. Використовуючи відомі значення параметрів Eg, ЕF та χ для p-CdTe отримаємо значення W=5.6-5.7 ев. Згідно [20], не існує металів з таким значення роботи виходу. Найбільш наближені до цього значення W мають нікель (5,1-5,2 еВ), золото (5,0-5,2 еВ), платина (5,3-5,4 еВ). Саме ці метали найбільш частіше використовують для виготовлення омічних контактів до p-CdTe [21-25]. Відомий омічний контакт до полікристалічного шару p-CdTe, який включає сам шар p-CdTe та нанесену на нього термовакуумним способом плівку Ni [21]. Причому поверхня шару p-CdTe перед нанесенням металу обробляється іонами аргону з енергією ~500 еВ. Автори [21] стверджують, що ВАХ двох Ni - контактів нанесених поряд на полікристалічному шарі p-CdTe мали лінійний характер у всьому діапазоні струмів, при яких проводились вимірювання ВАХ + гетеропереходів n -CdS/p-CdTe. Діапазон температур вимірювання ВАХ становив 29-85 °C, а відомості про поведінку ВАХ при більш низьких температурах відсутні. Крім цього, шар p-CdTe + 17 наносився на досить низькоомний полікристалічний шар n -CdS з концентрацією електронів 10 -3 + см , що обумовлює локалізацію області просторового заряду виключно в p-CdTe. Тому шар n CdS проявляє шунтуючу дію на ВАХ, виміряних на поряд розташованих Ni-контактах. Крім того, у роботі [21] ВАХ Ni-контактів не приведені. Одним з поширених способів виготовлення омічних контактів до p-CdTe хімічним методом є нанесення плівки золота із золотохлористоводневої кислоти на підготовлену відповідним чином робочу поверхню матеріалу [23]. У цьому способі обов'язковою є фінішна обробка поверхні контактних площадок об'ємного монокристалічного p-CdTe іскровим розрядом конденсатора з наступним нанесенням плівки золота хімічним способом. З наведених у роботі [23] ВАХ структур Au/p-CdTe при Т=300 К та Т=77 К видно, що при кімнатній температурі ВАХ є лінійною, а при Т=77 К в діапазоні напруг зміщення ±1В нелінійною. Цей факт свідчить про присутність потенціального бар'єру на межі структури, який зменшує к.к.д. сонячних елементів. Такий спосіб створення омічних контактів доцільно використовувати лише для виготовлення дослідних малорозмірних контактних площадок, призначених для вимірювання фізичних властивостей 2 матеріалу або приладів. Так як площа сонячних елементів перевищує 1 см , то запропонований спосіб буде неефективним. Відомий також омічний контакт до полікристалічного шару p-CdTe, який включає шар p-CdTe та графітову або срібну пасту, до складу якої входять мідь та ртутьвмісні сполуки СuТе та HgTe [26]. Точний склад пасти та спосіб формування омічного контакту не наводяться, але к.к.д. сонячних елементів досягало рекордних значення 16,5 %. Зазначимо, що мідьвмісні сполуки СuхТе (СuТе, Сu2Те) або Сu широко використовуються для виготовлення омічних контактів до p+ CdTe [27], завдяки акцепторній дії Сu та високій розчинності, що забезпечує формування p області при більш низьких температурах термовідпалу, ніж Аu або Pt [25]. Крім цього, Сu має значний коефіцієнт дифузії в об'ємному CdTe [28], завдяки чому омічні контакти до p-CdTe за участю міді швидко деградують. У полікристалічних шарах CdTe прискорюється дифузія металів по міжзеренних межах, що спричиняє збільшення темнового струму і зменшення к.к.д. сонячного елемента [29]. З метою вирішення проблеми стабільності омічного контакту до p-CdTe в сонячних елементах було запропоновано використовувати оптично прозорі та сильно леговані шари ІТО + + (оксид індію та олова) n -типу провідності, які наносились на легований шap р -CdTe з 16 -3 + концентрацією дірок ~3·10 см [30]. Було встановлено, що на тильному гетероконтакті p + CdTe/n -ITO формується потенціальний бар'єр ~2.2 еВ, а темновий струм крізь область просторового заряду цього контакту є тунельно-рекомбінаційним. Формування в гетероструктурі + + n-CdS/p-CdTe другого потенціального бар'єру на гетеромежі p -CdTe/n -ITO обумовлює високий послідовний опір та зменшення к.к.д. сонячних елементів [3]. Останній наведений аналог, найбільш близький по сукупності ознак до заявленого технічного рішення, було обрано як прототип. 2 UA 91417 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 В основу корисної моделі поставлено задачу вдосконалення конструкції гетероструктурного омічного контакту до полікристалічного шару телуриду кадмію р-типу провідності з метою створення омічного стабільного контакту з лінійними ВАХ, на відміну від прототипу. Для вирішення поставленої задачі запропонований гетероструктурний контакт до полікристалічного шару телуриду кадмію р-типу провідності, який включає полікристалічний шар телуриду кадмію р-типу провідності та контактний метал з високою роботою виходу, і відрізняється тим, що між телуридом кадмію р-типу провідності та контактним металом розміщується полікристалічний шар сильно легованого телуриду свинцю р-типу провідності, а контактний метал є акцептором в телуриді свинцю. У порівнянні з прототипом, у якому між полікристалічним шаром телуриду кадмію р-типу провідності та контактним металом розміщується шар сильно легованого ІТО n-типу + + провідності, а гетероперехід р -CdTe/n -ITO є анізотипний, суттєвою відмінною ознакою у запропонованому технічному рішенні є використання сильно легованого телуриду свинцю р+ типу провідності, тобто створення ізотопного p-CdTe/p -PbTe гетеропереходу. Це призводить до виникнення значно меншого (майже у 20 разів) потенціального бар'єру на гетеромежі ніж у прототипі, який не перевищує значення 0,1 еВ [31] та обумовлює омічність гетероконтакту у + широкому інтервалі температур. При цьому омічний характер контакту "метал/р -РbТе" забезпечується тунельним механізмом проходження струму, а значення енергії електронної спорідненості РbТе (χ4,6 еВ) дозволяє використовувати низку металів з роботою виходу – 5,0 еВ [19]. Відомо, що використання індію як контактного металу до сильно легованого телуриду + свинцю, може спричинити появу компенсованої області на межі Іn-р -РbТе при термовідпалі, яка зумовлює нелінійний характер ВАХ при температурах Т