Введение к работе
Актуальность диссертационной работы
Достижения в фотовольтаике стимулировали исследования фотоактивных материалов и структур, а также разработку методов их получения. В настоящее время наибольший интерес для фотовольтаики представляют фотоактивные материалы на основе Si и AinBv. Это обусловлено фотоэлектрическими, оптическими, электрофизическими параметрами и характеристиками материалов. На основе кремния и соединений AniBv созданы высокоэффективные солнечные элементы {1}. Сегодня Si и InAs являются основными материалами для нового направления развития фотовольтаики - создания приборов на основе фотоактивных наногетероструктур.
Для получения структур с фотоактивными областями она основе Si и InAs широкое распространение получили методы молекулярно-лучевой, газофазной и жидкофазной эпитаксии. Несмотря на стремительное развитие в течение последних трех десятилетий технологии получения фотоактивных материалов и структур, методы производства становятся все сложнее. Внимание многих исследовательских лабораторий приковано к поиску альтернативных методов получения фотоактивных материалов на основе Si и AmBv.
Альтернативным методом получения фотоактивных материалов на основе кремния и соединений AmBv, представляется относительно простой метод ионно-лучевого осаждения (ИЛО). Следует отметить, что метод ионно-лучевого осаждения известен достаточно давно и широко применяется для нанесения просветляющих покрытий и тонких пленок металлов и диэлектриков, однако получение фотоактивных материалов и структур на основе Si и InAs этим методом мало изучено. В связи с чем, установление основных физических закономерностей и особенностей процесса ионно-лучевого осаждения фотоактивных материалов и структур на основе Si и InAs представляется весьма актуальной задачей.
Актуальность темы диссертационной работы подтверждается использованием полученных результатов при выполнении НИР и НИОКР по заказу Фонда содействия малых форм предприятий в научно-технической сфере, Министерства образования и науки РФ и научно-производственных предприятий:
- НИОКР конкурса Фонда содействия малых форм предприятий в научно-
технической сфере «Участник молодежного научно-инновационного конкурса»
(г/к № 5614Р/8050, 2008 г.; г/к № 6632Р/9196, 2009 г.);
- НИОКР по заказу Министерства образования и науки Российской
Федерации (г/к №02.513.11.3349, 2007-2008 гг.);
-НИР «Исследование образцов фотоэлектрических преобразователей и определение их функциональных характеристик» (Х.-Д. № 30/10, 2010 г., ООО НПФ «ЭКСИТОН», г. Ставрополь);
-НИР «Исследование кинетики процесса ионно-лучевого осаждения, свойств фоточувствительных гетероструктур AniBv и параметров фотоэлектрических преобразователей на их основе» (Х.-Д. № 38/10, 2010-2011 гг., ООО НПФ «СОЛНЕЧНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ», г. Ставрополь).
Цель работы
Разработать физические основы получения методом ионно-лучевого осаждения фотоактивных материалов и структур на основе Si и InAs и исследовать их свойства.
Задачи необходимые для достижения поставленной цели:
разработать математическую модель ионно-лучевого осаждения кремниевых слоев;
провести моделирование фотоактивной структуры c-Si(«+)/c-Si(/?)/c-Si(/?+) и исследовать фотоэлектрические параметры и характеристики;
исследовать процесс формирования слоев Si и гетероструктур InAs/GaAs с квантовыми точками для получения фотоактивных структур;
исследовать процесс формирования /?-и-переходов методом ионно-лучевого осаждения, а также свойства и характеристики полученных фотоактивных структур c-Si(n+yc-Si(p)/c-Si(p+).
Объекты и методы исследования
Объектами исследования данной диссертационной работы являются
фотоактивные слои и структуры на основе Si и InAs, полученные методом
ионно-лучевого осаждения. Выбор объектов исследования обоснован
фотоэлектрическими, электрофизическими и оптоэлектрическими параметрами
материалов. Предметом исследования являются спектральные,
фотолюминесцентные, вольтамперные и вольтфарадные характеристики фотоактивных структур на основе Si и InAs, полученных методом ионно-лучевого осаждения.
Научная новизна
- впервые установлены физические закономерности и особенности
ионно-лучевого осаждения фотоактивных слоев Si;
- впервые, методом ионно-лучевого осаждения, получены и исследованы
фотоактивные структуры с квантовыми точками на основе InAs.
Практическая значимость
предложен способ получения фотоактивных материалов на основе Si и InAs;
определены оптимальные параметры ростового режима, при которых выращенные фотоактивные слои Si субмикронных размеров обладают высоким структурным совершенством и имеют минимальный радиальный разброс толщины по поверхности подложки 100 мм.
Научные положения, выносимые на защиту
- ионно-лучевое осаждение кремния при давлении 10~4 Па, температуре
подложки 550 С, расстоянии «мишень-подложка» 150 мм, угле наклона
«мишень - ионный пучок» 45 и энергии ионов пучка 400 эВ позволяет получать
фронтальные слои фотоактивных структур на основе
c-Si(«+)/c-Si(p)/c-Si(p+), которые обладают высоким значением внешнего
квантового выхода - 90 %;
- легирование фосфором до уровня 5-Ю18 см"3 фронтального слоя
c-Si(«+), полученного методом ионно-лучевого осаждения, позволяет повысить
напряжение холостого хода фотоактивной структуры c-Si(n )/c-Si(p)/c-Si(p ) до величины 0.6 В;
- ионно-лучевое осаждение InAs на подложки GaAs при давлении
10"4 Па, температуре подложки 500 С со скоростью 0.8 нм/с приводит к росту
квантовых точек и нанокластеров InAs с планарными размерами от 20 до 100 нм и
высотой от 5 до 80 нм, стохастически расположенных на поверхности слоя
GalnAs.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались на научных семинарах отдела «Нанотехнологий, солнечной энергетики и энергосберегающих технологий» Южного научного центра РАН (г. Ростов-на-Дону), кафедры «Нанотехнология в электронике» Южно-Российского государственного технического университета (г. Новочеркасск), были опубликованы на 1 международной конференции и в 3 сборниках научных трудов:
X юбилейная международная научная конференция «Химия твердого тела: наноматериалы, нанотехнологий», г. Ставрополь, Россия, 17-22 октября, 2010 г.;
всероссийский смотр-конкурс научно-технического творчества студентов высших учебных заведений «Эврика- 2006», г. Новочеркасск, 20-26 ноября 2006 г.;
- труды центра коллективного пользования «Высокие технологии»/
-Новочеркасск: ЮРГТУ, 2006. -Вып. 2.;
материалы 56 научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, научных работников, аспирантов и студентов ЮРГТУ (НПИ). - Новочеркасск: «Оникс+», 2007.
Личный вклад автора
Научным руководителем и автором сформулирована цель и поставлены задачи исследований. Личным вкладом автора в результаты диссертационной работы является: участие в экспериментах по получению фотоактивных структур методом ионно-лучевого осаждения, разработке математической модели ионно-лучевого осаждения кремния, моделировании фотоактивной структуры c-Si(n+yc-Si(p)/c-Si(p+), проведение измерений параметров и характеристик фотоактивных структур на основе Si и InAs, интерпретация и обсуждение результатов, выдвижение и проверка научных идей. Вклад соавторов совместных научных работ состоял в проведении операций по получению фотоактивных структур, участии в проведении экспериментов, а также в обсуждении результатов. Отдельные элементы кода программного обеспечения по компьютерному моделированию ионно-лучевого осаждения выполнены С.А. Дудниковым и Л.Н. Болобановой.
Публикации
Основные научные результаты диссертации опубликованы в 12 работах, среди которых: 5 статей в рецензируемых журналах списка ВАК, 1 доклад на международной конференции, 3 работы в сборниках научных трудов, 3 свидетельства РФ о государственной регистрации программы ЭВМ.
Объем и структура диссертационной работы
