Методическое пособие 751

Рис. 2. Вольт-амперные характеристики гетероструктуры n-ZnO(Al)/p-Si

вфотогальваническом режиме при различной освещенности

Вотличие от результатов работы [1] нам удалось измерить ток короткого замыкания и напряжение холостого хода на гетероструктурах металлоксид – кремний. Малые значения тока короткого замыкания могут быть обусловлены величиной площади электрического контакта к гетероструктуре, а малые величины напряжения холостого хода – дефектностью границы раздела гетероструктуры.

При исследовании световых характеристик гетероструктуры установлено, что с ростом освещенности величина тока короткого замыкания (рис. 3) и напряжения холостого хода (рис. 4) увеличивается.

Рис. 3. Световая характеристика гетероструктуры n-ZnO(Al)/p-Si: зависимость тока короткого замыкания от освещенности

110

Рис. 4. Световая характеристика гетероструктуры n-ZnO(Al)/p-Si: зависимость напряжения холостого хода от освещенности

При слабых световых потоках напряжения холостого хода возрастает пропорционально световому потоку. В области сильных световых потоков пропорциональность нарушается, в связи с уменьшением заряда фотоэлектронов в n-области и фотодырок в p-области. Значение напряжения холостого хода не может расти бесконечно, его величина при любом освещении не может превысить значение контактной разности потенциалов и ширины запрещенной зоны полупроводника.

Исследовались вольт-фарадные характеристики гетероструктуры n-ZnO(Al)/p-Si при различной освещенности (рис. 5).

Максимальная емкость гетероструктуры приходится на область отрицательных напряжений, что соответствует p-типу проводимости кремния. С увеличением освещенности емкость гетероструктуры при отрицательных напряжениях увеличивается, при положительных напряжениях емкость гетероструктуры практически остается постоянной и минимальной (порядка 250 – 300 пФ). На ВФХ гетероструктуры наблюдаются полочки и пики вдоль оси напряжения, что может свидетельствовать о наличие моноэнергетического уровня быстрых поверхностных состояний на гетерогранице.

Таким образом, гетероструктуры n-ZnO(Al)/p-Si можно использовать в солнечной энергетике, оптоэлектронике и прозрачной электронике в качестве фотоприемников. Использование гетероструктур n-ZnO(Al)/p-Si в качестве солнечных элементов будет возможно после улучшения эффективности преобразования солнечной энергии, например, за счет подбора соответствующего

111

Рис. 5. Вольт-фарадные характеристики гетероструктуры n-ZnO(Al)/p-Si при различной освещенности

состава и технологии изготовления селективного покрытия. В качестве дополнительного слоя на поверхность оксида цинка можно нанести пасту из наночастиц кремния и диоксида титана, частицы которой позволят контролируемо управлять количеством поглощенного света и увеличивать генерацию фототока в структуре.

Литература

1.Алексанян А. Ю. Получение диодных гетероструктур p-Si/n-ZnO и исследование их вольт-амперных характеристик / А. Ю. Алексанян, В. А. Геворкян, М. А. Казарян // Альтернативная энергетика и экология. – 2013. – № 6 (128). – С. 23-27

2.Кушнир В. В. Оптимизация конструкции пленочного солнечного элемента / В. В. Кушнир// Известия ЮФУ. Технические науки. Тематический выпуск. – 2011. – № 4 (117). – С. 225-228.

3.Афанасьев В. П. Тонкопленочные солнечные элементы на основе кремния / В. П. Афанасьев, Е. И. Теруков, А. А. Шерченков. – СПб. : СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2011. – 168 с.

Воронежский государственный технический университет

112

УДК 621.372

Е.Ю. Плотникова, А.А. Винокуров, А.В. Арсентьев

НАПЫЛЕНИЕ И АНАЛИЗ ХАРАКТЕРИСТИК СУБМИКРОННЫХ ПЛЕНОК ZnO С ДОБАВЛЕНИЕМ SnO2 В НЕОТОЖЖЕННОМ СОСТОЯНИИ

Рассматриваются методики напыления и измерения некоторых электрофизических характеристик металлооксидных пленок ZnO с добавлением долей окисла SnO2 (ZnO-SnO2, ZTO). Метод ионно-лучевого напыления используется для формирования тонких окисных слоев на подложках из стекла и Si p-типа проводимости. Исследуются толщина пленок, их элементный состав, морфология, поверхностное и удельное сопротивление, спектральные характеристики.

Ионно-лучевое распыление – это один из видов ионно-плазменного распыления, используемый в том числе для создания микронных и субмикронных металлооксидных пленок. Процесс напыления классических металлоксидных пленок обычно проводят не в кислороде (окислительной среде), а в атмосфере инертных газов, в основном в Ar, атомы которого при приложении поля ионизируются и образовавшийся поток электронов работает как шнур плазмы. Приложенное между мишенью и источником ионов поле высоких энергий разгоняет ионы Ar+, которые с большой скоростью падают на мишень, выбивая атомы с её поверхности. Для напыления пленок металлов, диэлектриков, полупроводников и сплавов стандартно используется переменный ток.

В данной статье рассматривается технология, при которой металлоксидные пленки состава ZnO + SnO2 напылялись на стандартные стеклянные пластины размером 7,5 × 2,5 см2 и пластины монокристаллического кремния марки КДБ-10 с ориентацией (100) размером 10 × 2 см2.

Распылением из составной керамической мишени сложной структуры (в табл. 1 показаны 27 навесок, из которых четыре обозначенные темным цветом – SnO2, 23 светлых – ZnO) были получены однородные аморфные образцы переменного состава (рис. 1) – по три пластины, охватывающие весь диапазон керамических навесок, на которые пленки напылялись в течение 20 мин (номера образцов 1280n, где n = 1, 2, 3) и в течение 10 мин (номера образцов 1281n).

Из графика анализа элементного состава видно, что в области с относительно равномерным распределением навесок оксидов цинка и олова (от 0 до 10 см по оси Х) атомов Zn примерно в два раза больше, чем атомов Sn, причем соотношение сохраняется во всем указанном диапазоне. Далее, в области преобладания оксида Zn, соотношение олова и цинка плавно меняется от значений 1 : 2 до порядка 1 : 20, т.е. получаются пленки ZnO с добавкой олова от 15 ат. % на середине второго образца до 2 ат. % в нижней части третьего образца. Исследование пленок ZnO с малыми концентрациями SnO (до 1 ат %) представлено в работах [1, 2].

113

Таблица 1

Расположение навесок распыляемой керамической мишени ZTO: х – число 0 или 1, соответствующее напылению в течение 20 и 10 мин

Распыление металлооксида ZTO проводилось не из чистых металлов, а из оксидов в среде, не содержащей в своем составе газы-окислители, такие как O2 (в данном случае – в сильно разреженном Ar+). Во время измерения состава напыленных пленок оборудование определяет процент содержания ионы металлов (в данном случае это Zn и Sn). Процент содержания кислорода рассчитывается аналитически и по графику видно, что, начиная с точки 4 (d = 10 см), он уменьшается.

Толщина напыленных пленок (рис. 2) исследовалась на интерференционном микроскопе МИИ-4 и составила значения в диапазоне от 0,3 до 0,45 мкм для пленок, напыляемых в течение 20 мин, и от 0,1 до 0,25 мкм для пленок, напыляемых в течение 10 мин. Минимальные толщины пленок наблюдались на образцах, расположенных ближе к границам напыляемых областей.

114

Рис. 1. Анализ элементного состава напыленных пленок ZTO

в соответствии с расположением распыляемых керамических элементов мише-

ни из ZnO и SnO2

Рис. 2. Распределение толщины (hср, мкм) пленки ZTO по точкам измерения

Зная толщину напыляемой пленки (рис. 2) и время напыления (20 и 10 мин), можно оценить среднюю скорость роста пленки (рис. 3). Она составила порядка 0,3 нм/с для всех напыляемых образцов. На рис. 3 пунктирные прямые линии тренда характеризуют это среднее значение скорости напыления.

После элементного анализа пленки ZTO были подвергнуты исследованию морфологии поверхности с использованием АСМ FemtoScan-001.

115

Рис. 3. Распределение скорости напыления пленки ZTO по образцам

С помощью АСМ были изучены выборочные образцы 1 × 1 мкм2 с различной концентрацией цинка и олова в пленках. В результате стало видно, что перепад высоты рельефа лежит в пределах 25 нм. При этом микроскоп снимает плоское изображение поверхности исследуемых пленок, а специальное ПО (Image Analysis) перестраивает его в соответствующую объемную модель (рис. 4). Средняя высота рельефа составляет 14 – 16 нм, минимальный перепад равен 3 – 4 нм, а максимальный составляет порядка 24 – 26 нм.

Рис. 4. Перестроенное в 3D АСМ изображение поверхности пленки ZTO с концентрацией атомов Sn 10,11 ат.%, Zn 41,03 ат.%,

напыленной на стеклянную пластину

По профилю распределения высоты рельефа поверхности были рассчитаны параметры пленок, характеризующие степень шероховатости их поверхности (табл. 2).

116

Таблица 2

Статистические параметры поверхностей пленок

Оценивая полученные АСМ-изображения визуально и с помощью специального ПО, получили размер поверхностного зерна напыленной металлооксидной пленки ZTO в диапазоне от 0,2 до 0,5 мкм.

Следующим этапом исследований характеристик неотожженных пленок ZTO было измерение поверхностного сопротивления четырехзондовым методом (табл. 3) с последующим пересчетом полученных значений в удельное сопротивление (рис. 5).

Таблица 3

Распределение поверхностного и удельного сопротивления пленок ZTO по образцам (установка ВИК-УЭС)

Из табл. 3 видно, что:

– величина сопротивления на двух точках пленки, напыляемой в течение 10 мин, была больше диапазона измерения, используемого в ВИК-УЭС (больше

2МОм∙м2);

–на трех средних образцах пленок, напыляемых в течение 10 мин, значе-

117

ние удельного сопротивления в 30 – 50 раз больше, чем на всех остальных точках измерения и при напылении в течение 20 мин, и при напылении в течение

10мин;

–наименьшим удельным сопротивлением (0,15 – 0,18 Ом∙см и 0,27 – 0,31 Ом∙см, для пленок, напыляемых 20 и 10 мин, соответственно), обладают пленки с наименьшим содержанием примеси SnO2 (от 6,2 до 1,8 ат. %).

Рис. 5. Анализ удельного сопротивления исследуемых образцов ZTO

Последнее исследование, рассматриваемое в данной статье, это изучение спектральных характеристик – коэффициентов пропускания T и поглощения α.

Коэффициент пропускания (рис. 6 и 7) позволяет оценить степень прозрачности исследуемых пленок. Из графиков видно, что более тонкие пленки более прозрачны, их коэффициент пропускания составляет порядка 80 – 90 %.

Рис. 6. Коэффициенты пропускания образцов ZTO, напыленных в течение 20 мин: в маркировке «в» – верх образца, «н» – низ образца

118

Рис. 7. Коэффициенты пропускания образцов ZTO, напыленных в течение 10 мин

Более толстые пленки пропускают излучения значительно хуже; их коэффициент пропускания находится в диапазоне от 20 до 55 %, причем менее прозрачны пленки с большим содержанием примеси олова, а лучше пропускают свет те, у которых содержание Sn минимально.

При этом графики (см. рис. 6 и 7) не позволяют рассчитать коэффициент преломления и диэлектрическую проницаемость, так как на них отсутствуют интерференционные экстремумы.

Из графиков зависимости коэффициента поглощения α от энергии hν (рассчитывается из длины волны λ) с помощью перестроения в α2(hν) (поскольку ZTO является прямозонным полупроводником) можно оценить ширину запрещенной зоны исследуемых пленок (табл. 4, рис. 8, 9).

Таблица 4

Ширина запрещенной зоны исследуемых образцов ZTO

119