Проведена экспериментальная оценка возможности использовать структуры на основе пористого кремния для фотопреобразователей и светодиодов. Исследованы спектральные характеристики фоточувствительности структур с верхним слоем из пористого кремния и пористого карбида кремния (гетероструктуры nSiC / p-porSi), а также спектры фотолюминесценции структур с пористым кремнием, легированным эрбием (структуры porSi : Er).

DOI: 10.22184/1993-7296.2018.12.5.508.513

sitemap
Наш сайт использует cookies. Продолжая просмотр, вы даёте согласие на обработку персональных данных и соглашаетесь с нашей Политикой Конфиденциальности
Согласен
Поиск:

Вход
Архив журнала
Журналы
Медиаданные
Редакционная политика
Реклама
Авторам
Контакты
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
© 2001-2025
РИЦ Техносфера
Все права защищены
Тел. +7 (495) 234-0110
Оферта

Яндекс.Метрика
R&W
 
 
Вход:

Ваш e-mail:
Пароль:
 
Регистрация
Забыли пароль?
Книги по фотонике
Урик Винсент Дж.-мл., МакКинни Джейсон Д., Вилльямс Кейт Дж.
Другие серии книг:
Мир фотоники
Библиотека Института стратегий развития
Мир квантовых технологий
Мир математики
Мир физики и техники
Мир биологии и медицины
Мир химии
Мир наук о Земле
Мир материалов и технологий
Мир электроники
Мир программирования
Мир связи
Мир строительства
Мир цифровой обработки
Мир экономики
Мир дизайна
Мир увлечений
Мир робототехники и мехатроники
Для кофейников
Мир радиоэлектроники
Библиотечка «КВАНТ»
Умный дом
Мировые бренды
Вне серий
Библиотека климатехника
Мир транспорта
Мир станкостроения
Мир метрологии
Мир энергетики
Книги, изданные при поддержке РФФИ
Выпуск #5/2018
Н. В. Латухина, Д. А. Лизункова, Г. А. Рогожина, И. М. Жильцов, М. В. Степихова, В. И. Чепурнов
Многослойные наноструктуры на базе пористого кремния для оптоэлектроники
Просмотры: 4152
Проведена экспериментальная оценка возможности использовать структуры на основе пористого кремния для фотопреобразователей и светодиодов. Исследованы спектральные характеристики фоточувствительности структур с верхним слоем из пористого кремния и пористого карбида кремния (гетероструктуры nSiC / p-porSi), а также спектры фотолюминесценции структур с пористым кремнием, легированным эрбием (структуры porSi : Er).

DOI: 10.22184/1993-7296.2018.12.5.508.513
Проведена экспериментальная оценка возможности использовать структуры на основе пористого кремния для фотопреобразователей и светодиодов. Исследованы спектральные характеристики фоточувствительности структур с верхним слоем из пористого кремния и пористого карбида кремния (гетероструктуры nSiC / p-porSi), а также спектры фотолюминесценции структур с пористым кремнием, легированным эрбием (структуры porSi : Er).

1. ВВЕДЕНИЕ
Интерес к пористому кремнию как материалу оптоэлектроники связан в первую очередь с большой площадью его поверхности и наличием наноразмерных кристаллов в его порах. Эти особенности делают его перспективным материалом для использования как в фоточувствительных [1–4], так и в люминесцентных структурах [5–6]. Однако широкое применение пористого кремния в электронных устройствах сдерживается из-за сложности в управлении свойствами получаемого пористого слоя, особенно в возможности получить низкоомный материал. Чтобы сделать процесс создания пористого кремния хорошо воспроизводимым, в качестве исходной используют поверхность с заранее заданными центрами порообразования. Например, на текстурированной поверхности монокристаллического кремния, представляющей собой поверхность, заполненную правильными четырехгранными пирамидами, порообразование происходит главным образом в местах соприкосновения оснований пирамид. При этом, если использовать структуры с уже сформированным р-n-переходом, на вершинах пирамид и в их объеме сохраняется исходный тип и уровень легирования, так что образовавшаяся структура представляет собой матрицу микро-диодов на общей монокристаллической подложке, отделенных друг от друга высокоомными областями пористого кремния. Такие структуры являются более стабильными, имеют хорошие электрические свойства и могут быть использованы в различных приложениях как фоточувствительные или люминесцентные материалы [7–8].

В настоящее время наибольшей эффективности преобразования энергии солнечного света в электрическую энергию в кремниевых солнечных элементах (СЭ) (25.6% – для лабораторных образцов, 22% – ​промышленно выпускаемых) удалось добиться на основе гетероструктуры a-Si : H / c-Si. В такой структуре слой аморфного гидрогенизированного кремния (a-Si : H) разных типов проводимости играет роль "широкозонного окна", так как ширина запрещенной зоны a-Si : H приблизительно составляет 1,7–1,9 эВ. Это превышает значение ширины запрещенной зоны для монокристаллического кремния (1,12 эВ) и расширяет спектр фоточувствительности СЭ в коротковолновую область солнечного спектра [9]. В данной работе в качестве "широкозонного окна" в фоточувствительных структурах использовался слой нанокристаллического пористого кремния и карбида кремния на текстурированной поверхности. Поскольку сама процедура создания микрорельефа приводит к увеличению скорости поверхностной рекомбинации, для снижения отрицательного эффекта можно использовать диэлектрическое покрытие из фторида редкоземельного элемента (РЗЭ), которое обладает просветляющими и пассивирующими свойствами на поверхности кремния [10–12]. Было показано, что структуры с пористым слоем, образованным на текстурированной поверхности, обладают заметно более высокими фотоэлектрическими характеристиками, чем структуры без пористого слоя, а использование покрытий из фторидов редкоземельных элементов позволяет уменьшить скорость поверхностной рекомбинации.
На базе окисленного нанокристаллического пористого кремния с внедренными в поры ионами РЗЭ возможно создание эффективных люминесцентных структур, интегрированных в кремниевую оптоэлектронику, что позволит повысить быстродействие, плотность записи информации, помехозащищенность и другие параметры электронных схем на кремниевой подложке. Такие структуры имеют хорошие люминесцентные свойства в ближней ИК-области спектра при комнатной температуре [13, 14].
2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Для исследования спектральных характеристик полупроводниковых структур использовались образцы с пористым слоем, созданным на текстурированной поверхности монокристаллических пластин кремния. В фоточувствительных структурах для создания р-n-перехода проводилось легирование верхнего рабочего слоя фосфором, либо использовались пластины с заранее созданным р-n-переходом. Слой карбида кремния на фотоэлектрических структурах создавался методом химического транспорта в открытой системе твердофазных кремния и углерода газом – ​носителем водородом в зону эпитаксии с последующим осаждением на поверхность пористого кремния. Для создания люминесцентных структур пористый слой насыщался эрбием из водного раствора. Технология изготовления образцов описана в работах [3–5, 8, 10, 12, 13]. Структура и состав образцов исследовались с помощью электронного микроскопа Carl Zeiss EVO50 с детектором X–Max 80 микроэлементного анализа фирмы Oxford Instruments. Спектральные исследования фоточувствительности образцов ФЭП в видимой области спектра проводились с использованием монохроматора МДР‑3. Фоточувствительность R рассчитывалась как отношение фототока I к мощности падающего излучения Р:
R = I / P.
Люминесцентные исследования образцов в ближней ИК-области спектра проводились на Фурье-спектрометре высокого разрешения BOMEM DA‑3. Люминесценция возбуждалась излучением Ar-лазера с длиной волны 532 нм. Все измерения проводились при комнатной температуре.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
3.1. Морфология и состав образцов
Структура текстурированной поверхности образца nSiC / p-porSi представлена на рис. 1. Пористый кремний виден на стыках пирамид как область темного контраста, отдельные крупные поры диаметром более 200 нм видны как на стыках, так и на стенках пирамид.
Количественный анализ состава поверхности структуры nSiC / p-porSi показывает, что атомная доля углерода (55,61%) превышает атомную долю кремния (28,36%). Можно предположить, что помимо карбида кремния в порах присутствует углерод в виде нанонитей, что наблюдается в структурах, изготовленных по этой технологии [10].
На рис. 3 (а, b) приведены изображения поперечного скола структуры porSi: Er и рентгеновский флуоресцентный спектр выделенных областей. Анализ спектров показывает, что в области пористого слоя содержание эрбия составляет в среднем 0,07 ат.%.
3.2 Спектральные характеристики образцов
На рис. 4 и 5 приведены спектры коэффициентов отражения поверхностей с карбидизированным и не карбидизированным пористым слоем и фоточувствительности гетероструктур nSiC / p-porSi. Видно, что карбидизация незначительно увеличивает коэффициент отражения пористого слоя в области от 400 до 700 нм, при этом в области от 200 до 300 нм коэффициент отражения уменьшается. Спектральная чувствительность заметно увеличена в коротковолновой части спектра, что объясняется присутствием в пористом слое нанокристаллов кремния и карбида кремния.
На рис. 6 приведены спектры фотолюминесценции набора образцов, вырезанных из одной пластины, на которой была сформирована люминесцентная структура porSi : Er. На пластине локально создавался пористый слой различной толщины от 5 до 10 мкм. Эрбий внедрялся по всей поверхности пластины. Наиболее интенсивная фотолюминесценция с максимумом на длине волны 1,55 мкм (кривая 4В), соответствующим излучению иона Er3+, была зафиксирована на образце с наибольшей толщиной пористого слоя. Вне пористого слоя люминесценция практически отсутствует (кривая 5А). Это подтверждает предположение, что в пористом слое формируются наиболее благоприятные условия для возбуждения люминесценции ионов эрбия.
3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проведенные исследования позволяют сделать вывод о перспективности использования пористого кремния для оптоэлектроники. Гетероструктура n-SiC / p-porSi c увеличенной фоточувствительностью в коротковолновой области солнечного спектра расширит спектр фоточувствительности ФЭП и следовательно увеличит его эффективность. Образцы структуры porSi : Er имеют хорошие люминесцентные характеристики с максимумом на длине волны 1,55 мкм при комнатной температуре и могут служить основой для создания ИК-светодиодов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Adamian Z.N., Hakhoyan A. P., Aroutiounian V. M., Barseghian R. S., Touryan K. Investigations of solar cells with porous silicon as antirefection layer // Solar Energy Materials & Solar Cells,2000, v. 64, Issue 4, p. 347–351.
2. Hyukyong Kwon, Jaedoo Lee, Minjeong Kim, Soohong Lee. Investigation of antireflective porous silicon coating for solar cells // International Scholarly Research Network. ISRN Nanotechnology, v. 2011, Article ID716409, 4 pages.
3. Латухина, Н. В., Нечаев Н. А., Храмков В. А., Волков А. В., Агафонов А. Н. Структуры с макропористым кремнием для фотопреобразователей на кремниевой подложке // Тонкие пленки в оптике и наноэлектронике. Сб. докл. 18 Междyнар. симп. – ​Харьков, 2006, ​т. 2, с 207–211.
4. Latukhina N, Rogozin A, Puzyrnaya G, Lizunkova D, Gurtov A, Ivkov S. Efficient silicon solar cells for space and ground-based aircraft // Procedia Engineering,2015, v, 104, p.157–161.
5. Волков А.В., Латухина Н. В., Тимошенко В. Ю., Жигунов Д. М. Люминесценция систем на базе пористого кремния, легированного редкоземельными элементами // Тез. докл. VIII Междунар. конф. по актуальным проблемам физики, материаловедения, технологии и диагностики кремния, нанометровых структур и приборов на его основе "Кремний- 2011": – ​Москва: МИСиС, 2011, с. 169.
Volkov A.V., Latuhina N. V., Timoshenko V. Yu., Zhigunov D. M. Lyuminescenciya sistem na baze poristogo kremniya, legirovannogo redkozemel’nymi elementami // Tez. dokl. VIII Mezhdunar. konf. po aktual’nym problemam fiziki, materialo-vedeniya, tekhnologii i diagnostiki kremniya, nanometrovyh struktur i priborov na ego osnove "Kremnij- 2011": – ​Moskva: MISiS, 2011, ​p.169.
6. Берашевич Ю.А., Лазарук С. К., Борисенко В. Е. Электролюминесценция в пористом кремнии при обратном смещении барьера Шоттки // ФТП, 2006, ​т. 40, ​вып.2, ​с. 240–245.
Berashevich Yu.A., Lazaruk S. K., Borisenko V. E. Elektrolyuminescenciya v poris-tom kremnii pri obratnom smeshchenii bar’era Shottki // FTP, 2006, ​v.40, ​is.2, ​p. 240–245.
7. Латухина Н.В., Чепурнов В. И., Писаренко Г. А. Новые перспективы старых материалов: кремний и карбид кремния // Электроника НТБ, 2013, ​№ 4 (00126), с. 104–110.
Latuhina N.V., Chepurnov V. I., Pisarenko G. A. Novye perspektivy staryh mate-rialov: kremnij i karbid kremniya // Elektronika NTB, 2013, ​№ 4, (00126),  ​p.104–110.
8. Латухина Н.В., Писаренко Г. А., Волков А. В., Китаева В. А. Фоточувствительная матрица на основе пористого микрокристаллического кремния // Вестник Самарского гос. университета. Естественнонаучная серия, 2011, № 5 (86), с.115–121.
Latuhina N.V., Pisarenko G. A., Volkov A. V., Kitaeva V. A. Fotochuvstvitel’naya matrica na osnove poristogo mikrokristallicheskogo kremniya // Vestnik Samar-skogo gos. universiteta. Estestvennonauchnaya seriya, 2011,№ 5 (86), ​p.115–121.
9. Street R. A. Hydrogen chemical potential and structure of a-Si: H // Phys. Rev. B, 1991, v. 43, p. 2454–2457.
10. Латухина Н. В., Рогожин, А. С., Саед, С., Чепурнов, В. И. Фоточувствительные гетероструктуры на основе пористого нанокристаллического кремния // Изв. ВУЗов. Мат-лы электрон. техники, 2014, ​В.4, ​с. 284–289.
Latuhina N. V., Rogozhin, A. S., Saed, S., Chepurnov, V. I. Fotochuvstvitel’nye geterostruktury na osnove poristogo nanokristallicheskogo kremniya // Izv. VU-Zov. Materialy elektronnoj tekhniki, 2014 , ​v.4, p.284–289.
11. Аношин, Ю. А. Просветляющие и пассивирующие свойства пленок оксидов и фторидов редкоземельных элементов  /  Ю. А. Аношин, А. И. Петров, В. А. Рожков, М. Б. Шалимова // Журнал технической физики, 1994, ​т. 64, № 10, с. 118–123.
Anoshin, Yu. A. Prosvetlyayushchie i passiviruyushchie svojstva plenok oksidov i ftoridov redkozemel’nyh elementov  /  Yu. A. Anoshin, A. I. Petrov, V. A. Rozh-kov, M. B. Shalimova // Zhurnal tekhnicheskoj fiziki, 1994, v. 64, № 10, ​p. 118–123.
12. Лизункова Д.А., Латухина Н. В., Рогожина Г. А., Няпшаев И. А., Емцев К. В. Спектральные характеристики фоточувствительных структур на базе пористого кремния с различными типами рабочей поверхности // XIV Всероссийский молодежный Самарский конкурс-конференция научныхработ по оптике и лазерной физике: сборник трудов конференции. Москва: Физический институт им. П. Н. Лебедева Российской академии наук, 2016, с. 95–100.
Lizunkova D.A., Latuhina N. V., Rogozhina G. A., Nyapshaev I. A., Emcev K. V. Spek-tral’nye harakteristiki fotochuvstvitel’nyh struktur na baze poristogo krem-niya s razlichnymi tipami rabochej poverhnosti // XIV Vserossijskij molodezh-nyj Samarskij konkurs-konferenciya nauchnyhrabot po optike i lazernoj fizi-ke: sbornik trudov konferencii. Moskva: p Fizicheskij institut im. P. N. Lebedeva Rossijskoj akademii nauk, 2016,  ​p. 95–100.
13. Sokolov S.A, Rцsslhuber R, Zhigunov D.M, Latukhina N.V, Timoshenko V. Yu. Photoluminescence of Rare Earth Ions (Er3+, Yb3+) in a Porous Silicon Matrix // Thin Solid Films, 2014, v. 562, p. 462–466.
14. Filippov V.V, Pershukevich P. P., Kuznetsova V. V., Homenko V. S. Photoluminescence excitation properties of porous silicon with and without Er3+–Yb3+-containing complex // Journal of Luminescence, 2002, v. 99, Issue 3, p. 185–195.
 
 Отзывы читателей
Разработка: студия Green Art