Тонколенточные солнечные элементы - Чопра К.
Скачать (прямая ссылка):
Анализ свойств полупроводниковых материалов
27
ронно-зондового микроанализатора в сочетании с ионным травлением позволяет определять профили распределения химических элементов. По указанным выше причинам разрешающая способность по глубине составляет около 1 мкм.
Повысить разрешающую способность в поперечном направлении и по глубине можно при использовании электронов низких энергий (1...
5 кэВ), стимулирующих эмиссию оже-электронов из нескольких ближайших к поверхности мономоле-кулярных слоев. Данный метод, называемый оже-спектроскопией, позволяет проводить исследования в сканирующем режиме (сканирующий оже-микроанализатор) и обеспечивает разрешающую способность в поперечном направлении, приблизительно равную размеру луча, и разрешающую способность : по глубине порядка 1...3 нм. В сканирующем режиме возможно получение полной картины распределения концентрации химических элементов. Особым достоинством метода оже-спектроскопии является высокая эффективность анализа атомов легких элементов. При послойном удалении материала с помощью установленного в одг ном положении или сканирующего пучка ионов повторение элементного анализа поверхности дает информацию об изменении химического состава материала по глубине [53]. При этом необходимо принимать меры для исключения ошибок и искажений в показаниях приборов, которые возникают вследствие неоднородного распыления, каналирования и других эффектов. Типичное для солнечных элементов на основе Cu2S — CdS распределение состава по глубине, определяемое методом оже-спектроскопии, показано на рис. 1.10.
В методе фотоэлектронной спектроскопии, известном в химии под названием электронной спектроскопии для химического анализа, в качестве излучения, стимулирующего эмиссию электронов из валентной зоны материалов, применяется характеристическое рентгеновское излучение, источником которого служит магниевый или алюминиевый анод. Этот метод [54], вообще говоря, не обладает высокой пространственной разрешающей спо-
Рис. 1.10. Полученные методом оже-спектроскопии профили распределения химических элементов в тонкопленочных солнечных элементах на основе Cu2S—CdS непосредственно после реакции в твердой фазе.
28
Глава 1
собностью, тем не менее он позволяет достичь разрешения по глубине, равного 1...3 нм, и аналогично методу оже-спектроскопии может применяться для определения градиента состава. Наиболее важное практическое значение метода электронной спектроскопии для химического анализа состоит в том, что его можно использовать для изучения сплавов и соединений, по* скольку спектры эмитированных электронов несут информацию
о химическом состоянии обнаруживаемых элементов.
Метод масс-спектроскопии вторичных ионов применяется для анализа ионов, испускаемых веществом, которое подвергается ионному травлению, и, следовательно, позволяет изучать распределение химических элементов по толщине образца [55]. С помощью этого метода можно обнаруживать элементы, содержащиеся в незначительном количестве (несколько миллионных долей), а также разделять изотопы.
Все три метода — оже-спектроскопия, электронная спектроскопия для химического анализа и масс-спектроскопия вторичных ионов — обычно требуют создания высокого вакуума, а проведение анализа распределения элементов сопровождается разрушением образца. Элементный анализ, основанный на обратном резерфордовском рассеянии [56], относится к неразрушающим методам, однако для получения зондирующего луча необходимо использовать ускоритель частиц.
Помимо перечисленных методов исследование тонких пленок может осуществляться с помощью стандартных аналитических методов: атомно-абсорбционного анализа, нейтронного активационного анализа и искровой спектроскопии. Эти методы, как правило, требуют разрушения образца и дают лишь усредненные характеристики пленки. Кастелем и Веделем [57] разработан метод электрохимического анализа полупроводниковых материалов, который позволяет определять толщину окисного слоя, состав и эквивалентную толщину полупроводниковой пленки. Исследование этим методом пленок Cu2S основано на определении потенциала материала на конечной стадии проходящих реакций
Си20 + Н20 + 2е~—>2Си + 20Н~, (1.17)
CujrS + (2 — х) е~-+(х/2) Cu2S + [(2 — х)12) HS~ + [(2 — х)/2] Н+, (1.18) (х/2) Cu2S + хе~—*х Си + (х/2) HS-. (Ы9)
Если Qi и Q2 — заряды, необходимые для завершения реакций (1.18) и (1.19) соответственно, то стехиометрический коэффициент рассчитывается по формуле
x = 2Q2/(Q1 + Q,). (1.20)
Эквивалентная толщина б пленки CuxS находится из уравнения
б = Q2W/2Fap. (1.21)
Здесь W—молекулярная масса Cu2S (159,12), F = 96485 Кл/
Анализ свойств полупроводниковых материалов
29
/моль — число Фарадея, р — плотность Cu2S (5,5 г/ -о,б
см3), а — площадь об* разца. На интересующей исследователя конечной _Q g стадии реакций экспери- со ’ ментально определяется §
показанная на рис. 1.11 ^
зависимость потенциала | -1,0
материала (относительно ?
Ag | AgC 11 КС 111М электрода) от времени в про- 2
цессе катодного восстановления Cu2S при постоянном токе в 0,1 М растворе уксуснокислого натрия. Типичные значе- Рис. 1.11. Зависимости потенциала от вре-
