Солнечные элементы: Теория и эксперимент - Фаренбрух А.
Скачать (прямая ссылка):
Данный результат важен вдвойне. Во-первых, он позволяет выявить основные свойства поверхности раздела полупроводника. Во-вторых, показывает, что, если поверхность не обладает свойствами, близкими к идеальным, фиксация уровня Ферми — неизбежное явление, обусловленное случайными процессами.
Выполнены исследования [Lindau е. а., 1978] чистых поверхностей скола (110) полупроводниковых соединений III—V групп периодической системы GaAs, GaSb и InP, полученных в сверхвысоком вакууме (р ~ ~ 10“8 Па), на которые посредством испарения наносили слои Au, А1 и In. С использованием источников интенсивного синхротронного излучения проведены фотоэмиссионные измерения. На рис. 2.36,а представлены их результаты на поверхности (110) GaSb в зависимости от толщины покрытия из Аи.
При его толщине менее 0,1 моноатомного слоя уровень Ферми может занимать любое положение в пределах запрещенной зоны, при толщине
Такие поверхности получают посредством создания на монокристалле скола (с соблюдением ряда предосторожностей) в условиях сверхвысокого вакуума (при давлении около 10 Па).
95
0,5 1,0 1,5 2,0
0,02 0,04 0, OS 0,08 0,1 Топш,ина покрытия,
доли монослоя 8)
Рис. 2.36. Положение уровня Ферми Ер на поверхности (110) n-GaSb, содержащей металлическое покрытие из Аи (а) и Cs (б) [Lindau е. а., 1978)
покрытия от 0,1 до 1 монослоя изменения энергии уровня невелики, а при ее дальнейшем увеличении положение уровня Ферми полностью стабилизируется. Итак, стабилизация уровня Ферми на поверхности происходит задолго до того, как в процессе осаждения образуется достаточно толстый металлический слой. Аналогичные результаты получены для покрытий из Cs на GaSb (рис. 2.36, б) и из Аи на поверхностях (110) GaAs и InP. При изучении фотоэмиссионного спектра последней из перечисленных структур было установлено, что на поверхности имеются отдельные атомы Аи, а не более крупные образования в виде кластеров. Еще одно важное обстоятельство связано с явным отсутствием зависимости положения уровня Ферми от вида металлического покрытия.
На рис. 2.37 представлена диаграмма, характеризующая положение уровня Ферми на поверхностях трех полупроводниковых соединений III-V групп, содержащих адсорбированные атомы различных веществ. Для каждого соединения наблюдается быстрая фиксация уровня Ферми примерно при одной и той же энергии, даже при существенно отличающихся значениях электроотрицательности адсорбированных атомов металлов (равных по шкале Полинга 0,7; 1,5 и 2,4 соответственно для Cs, А1 и Аи) и наличии неметаллических атомов кислорода.
На рис. 3.38 показаны спектры фотоэмиссии, возбуждаемой при облучении светом дальней ультрафиолетовой области поверхности (110) я-GaSb при различной толщине покрытия из Аи. Спектральные характеристики получены при использовании света с энергией 120 эВ, когда наиболее сильный сигнал исходит из двух верхних молекулярных слоев. При увеличении толщины слоя Аи сигнал от 3d-электронов Ga ослабляется, а затем полностью исчезает, тогда как интенсивность эмиссии 4d-электронов Sb после первоначального спада не изменяется даже при толщине порытая, в 15 раз превышающей глубину слоя, с которой обычно поступают оже-электроны в данном методе анализа. Полученные результаты свидетельствуют о том, что поверхностный слой GaSb разлагается при формировании границы раздела. Вследствие перемещения Sb к поверхности металлического слоя (что подтверждается данными оже-спектро-скопии) вблизи границы раздела образуется область с нарушенной стехиометрией. Однако в InP сигналы от катионов и анионов, ослабленные в одинаковой степени, свидетельствуют об интенсивной эмиссии электро-96
'////////////////////У//
V
%0,8
i$0Л
n—,0
юВ.6
"О,*
Z.0,2
iu
V/fcs '/^ll,//5a'/Ihv'/Au/0xy/
\///////////////////////.
Ev
fe
T
Eir
JS)
77^77777777777Щ7Щ
Ev
Ec
U)
Энергия связи, зВ
Рис. 2.37. Окончательное фиксированное положение уровня Ферми Ер на поверхностях (110) GaAs (a), GaSb (б) и InP (в) при наличии различных адсорбированных атомов с поверхностной плотностью 10*5 см-2 (толщина покрытия менее моноатомного слоя) [Spicer е. а., 1980):
о - и-тип проводимости; А— p-тип проводимости
Рис. 2.38. Спектры фотоэмиссии, возбуждаемой при облучении фотонами с энергией 120 эВ поверхности (110) GaSb, на которую нанесено покрытие, содержащее различное количество d моноатомных слоев Au [Lindau е. а., 1978]
нов при толщине покрытий, в 20 раз превышающей глубину слоя, из которого обычно оже-электроны поступают к детектору. Одновременное ослабление сигналов обоих видов в InP не противоречит предположению о нестехиометричности состава вещества в области границы раздела, поскольку столь малые различия в концентрации компонентов не могут быть обнаружены такими методами.
Сильное химическое взаимодействие в области границы раздела, во всяком случае в данных системах, видоизменяет поверхность полупроводника. Этот процесс происходит на начальной стадии осаждения металла и в первом приближении не зависит от природы адсорбированных атомов. Поэтому на высоту барьера Шоттки не должны влиять (в определенных пределах), например, чистота и степень совершенства поверхности, что, по-видимому, и наблюдается в действительности. Высказано предположение [Lindau е. а., 1978] о том, что в результате сильного взаимодействия на поверхности полупроводника образуются дефекты, которые вызывают фиксацию уровня Ферми.
