Солнечные элементы: Теория и эксперимент - Фаренбрух А.
Скачать (прямая ссылка):
64
2.4. УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЕ МОДЕЛИ ГЕТЕРОПЕРЕХОДА
Изменения энергетической зонной диаграммы гетероперехода в процессе усовершенствования модели Андерсона при наличии электрически заряженных состояний и диполей на границе раздела показаны на рис. 2.17. Эти изменения, а также учет различных механизмов туннелирования носителей обеспечивают лучшее соответствие теоретических и экспериментальных результатов.
2.4.1. Физическая природа энергетических состояний на границе раздела
Причиной появления энергетических уровней вблизи границы раздела является несовершенство структуры, связанное с несоответствием параметров кристаллических решеток материалов, образующих гетеропереход, и наличием примесей или дефектов, введенных в процессе изготовления, которые могут находиться в электрически активном или нейтральном состоянии.
Следствием этого является появление большого количества периодически расположенных дефектов, представляющих собой ненасыщенные связи (рис. 2.18). При этом на границе раздела в идеальном случае образуется регулярная сетка краевых дислокаций (как это показано на рис. 2.19), а ядро каждой дислокации окружено областью, в которой действуют механические напряжения. Плотность ненасыщенных связей (соответствующая единице площади поверхности) в общем виде можно представить как
Ndb = CX2(4a\-\la\). (2.44)
Здесь Ci 2 ^ 1 — постоянная, точное значение которой определяется типами структур кристаллических решеток обоих материалов и их взаимной ориентацией; а\ и а% — параметры этих решеток. Подобные ненасыщенные связи сами могут являться электрически активными дефектами, но могут служить также и центрами сегрегации примесей. Экспери-
-vac'
Рис. 2.17. Энергетические зонные диаграммы трех моделей р - л-гетеропереходов: а - без энергетических состояний и диполей на границе раздела (модель Андерсона) ; б - при наличии заряженных состояний; в — при наличии диполей; во всех случаях концентрации легирующих примесей в объеме полупроводников одинаковы; при изменении полярности поверхностных состояний и диполей образуются энергетические профили другого типа
65
«01
*01
0-^-0—О-------------------О-О-О-О
О------------О-----------О------------<>
“М
О--О
¦эеш-
а)
*02
? <В 0-0 9 В-О GO ?
I
I
а °t] 9 г® ср а
I
8 % V в* I 8
О----о----О-—-ф—-о—о--—о
SQ J3 ! Q ? ф
О 0 ф ТО Ъ О
I
0 # <у° ф S) % 9
? <ХЗ OG Ф СЭ-О GD ?
В)
Рис. 2.18. Схемы строения границы раздела двух кубических монокристаллов с постоянными решеток eoi и во 2 в плоскости (100) при наличии резкого перехода и полной компенсации дислокаций несоответствия за счет пластической деформации:
а - проекция, перпендикулярная границе раздела, иллюстрирует формирование краевой дислокации; б - проекция, параллельная границе раздела, на которой показан соответствующий набор линейных дислокаций (перпендикулярных границе раздела); кружками и квадратами обозначены атомы соответствующих материалов в области границы раздела [Aranovich/California, Stanford. Thesis, 1980]
Рис. 2.19. Полученный с помощью просвечивающего электронного микроскопа микроснимок области переменного состава образца (100) Inx Ga i Р - GaP, изготовленного методом газовой эпитаксии. Дислокации расположены вдоль направлений [011]. Появление темных квадратных областей, вероятно, вызвано неровностями поверхности, образующими сетку перекрестных штрихов и связанными с несоответствием параметров кристаллических решеток [Olsen, Cry St. Growth, 1975,vol. 3.1]
66
Рис. 2.20. Полученный с помощью просвечивающего электронного микроскопа микроснимок в светлом ноле поверхности раздела (Oil) GaAs и lnxGaj-xPc несогласованными параметрами кристаллических решеток [Olsen, Ettenberg, 1978]. Направление роста (100) вертикально. Показан классический источник, определяющий механизм размножения дислокаций Франка-Рида
ментально установлено, что основная доля ненасыщенных связей оказывается компенсирована и лишь небольшое количество активных связей влияет на электрические свойства материалов [Tansley, 1971].
Действие механических напряжений при несогласованных параметрах кристаллических решеток вызывает локальные вариации ширины запрещенной зоны, что может привести к существенным изменениям эпектри-, ческих свойств, таким, как увеличение проводимости вдоль ядер дислокаций. Подобные эффекты возникают и на границах зерен в тонких поликристаллических пленках (см. гл. 6). При степени несоответствия параметров решеток, превышающей некоторое критическое значение, обычно равное 1%, образуется густая сетка дислокаций, распространяющаяся от границы раздела в глубь полупроводникового слоя вдоль направления его роста [Olsen, Ettenberg, 1978] (рис. 2.20). Более сильные напряжения связаны с появлением трещин, в основном в толстых слоях, под влиянием растяжения (а не сжатия).
Посредством эпитаксиального осаждения из паровой фазы изготовлены гетеропереходы InxGai_xAs — GaAs [Olsen е. а., 1978] при составах х, которым отвечает наличие дислокаций несоответствия вокруг участков с совершенной структурой. Авторы исследовали области, содержащие дислокации несоответствия с компенсированными полями упругих напряжений, оценили их влияние на параметры решетки и ширину запрещенной зоны, а также определили условия появления пластической деформации в результате образования и размножения дислокаций. На рис. 2.21 приведены данные по критическим деформациям и напряжениям при различных механизмах аннигиляции дислокаций и по их взаимосвязи
