Спросить
Войти
Категория: Нанотехнологии

АНАЛИЗ ОРТОРОМБИЧЕСКОГО BASI2 - ПЕРСПЕКТИВНОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ СОВРЕМЕННОЙ ФОТОЭЛЕКТРОНИКИ

Автор: Новожилов Даниил Сергеевич

Физика и материаловедение

УДК 538.9

Д.С. Новожилов, А.С. Герман, Д. В. Фомин

АНАЛИЗ ОРТОРОМБИЧЕСКОГО BaSi2 - ПЕРСПЕКТИВНОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ СОВРЕМЕННОЙ ФОТОЭЛЕКТРОНИКИ

Статья является обзором свойств орторомбического IiaSi2 а также обзором литературных источников за последние несколько лет, посвященных исследованиям, связанным с данным материалом. BaSi2рассматривается как один из перспективных материалов для создания современных высокоэффективных фотоэлектрических преобразователей. В статье дана также краткая ретроспектива методов формирования пленок BaSi2 в лаборатории физики поверхностей НОЦЛмГУ.

ANALYSIS OF ORTHOROMBIC BaSi2 AS A PERSPECTIVE MATERIAL FOR MODERN PHOTOELECTRONICS

The article is devoted to a review of the properties of orthorhombic BaSi2, as well as a review of references in the past few years devoted to research related to this material. BaSi2 is considered as one of the promising materials for the creation of modern high-efficiency photoelectric converters. The article also provides a brief retrospective of methods for forming BaSi2 films in the laboratory of surface physics at the SEC of AmSU.

Дисилицид бария (BaSi2) является полупроводниковым силицидом щелочноземельного металла. Орторомбическая сингония придает ему ряд ключевых физических свойств, которые делают его пригодным для использования в современной фотоэлектронике. Полупроводниковый BaSi2 имеет энергии непрямых и прямых межзонных переходов 0,83-1,1 эВ и 1,23-1,3 эВ соответственно, что свидетельствует о более высокой, чем у кремния, оптической активности. Также отмечаются высокие значения концентрации носителей заряда порядка 1017-102° см"1, их подвижность, способная достигать 1000 см2 В"1с"1, и длительное время жизни. Помимо того, Si и Ва являются достаточно распространенными элементами земной коры, что делает BaSi2 перспективным материалом для недорогих солнечных элементов [1].

Орторомбический BaSi2 устойчив при нормальных условиях и комнатной температуре, имеет постоянные решетки а — 0,891, b — 0,672 и с = 1,153 нм. Этот материал можно эпитаксиально вырастить на подложке Si(l 11) с ориентации BaSi2(100)//Si(l 11), с небольшим рассогласованием решетки в

Выпуск 83, 2018

Вестник АмГУ

27
1% для Ва812[010]//81 [112] и в 0,1% - для Ва812[001]//81[110]. Малое рассогласование решетки подложки и пленки важно, так как множество границ зерен и дефектов в пленке могут ухудшить оптические и электрические свойства тонкой пленки Ва81з. Схематическая модель ориентирования эпитаксиальной пленки Ва81: на подложке с ориентацией (001) изображена на рис. 1 [2].

ООО П О

° Sï[110] J5 0 ^Р Вч

Рис. 1. Схематическая модель пленки Ва81з с двумя вариантами эпитаксиального роста на 81(001) [2].

Внешняя квантовая эффективность пленок Ва81з может достигать 7% при 1,70 эВ при комнатной температуре и при напряжении смещения 7В. Это значение более чем в 100 раз больше, чем ко-гда-либо полученное для полупроводниковых силицидных пленок. На рис. 2 показаны спектры фотоотклика, измеренные при различных напряжениях смещения, при комнатной температуре, для Ва812/81, Ва812/8Ю2 и Р2-81 соответственно. Как можно видеть, фототок резко возрастает с увеличением энергии, достигая максимума примерно на 1,60 эВ [3].

Pholort energ}1 (eV)

- FZ-Si,

>, >

>. o.cri ■

4.

Phuton energv (eV)

Photon eilÉfgy (cV}

Рис. 2. Фотоотклик: а - 111), Ь - Ва812/8Ю2, с

измеренный при комнатной температуре [3].

Путем легирования Ва81з можно добиться значительного улучшения его электрических свойств. Согласно [3], с энергетической точки зрения, замена 81 в решетке Ва81з более благоприятна, чем замещение Ва. В соответствии с теоретическими расчетами, 8Ь-легированный Ва81з обладает проводимостью п-типа, тогда как 1п-, А1- и А§-лсгированный Ва81з демонстрирует проводимость р-типа. Концентрация электронов 8Ь-легированного Ва81з колеблется в диапазоне от 1017 до 102" см"3 при комнатной температуре. С другой стороны, в 1п8, А1- и Ко,- легированных пленках Ва81з, при тех же условиях, концентрация дырок ограничена 3-4 • 1017 см"3 [4].

Зависимость между подвижностью и концентрацией дырок В-легированного р-Ва81з показана на рис. 3. По мере увеличения концентрации дырок подвижность уменьшается. Эта тенденция обычно объясняется ионизованным рассеянием примесей в обычных полупроводниках [4].

Самая высокая концентрация дырок была достигнута в легированной бором пленке Ва8ь, сформированной методом молекулярной эпитаксии. Применение быстрого термического отжига при температуре 800°С усилило электрическую активацию В-атомов, тем самым увеличив концентрации дырок до 2,0-102" см"3. Уровень акцепторов оценивается примерно в 23 мэВ [4].

В Амурском государственном университете дисилицид бария получают и исследуют в лаборатории физики поверхности Научно-об-разовательного центра. Орторомбический Ва8ъ требует определенных методов формирования. В названной лаборатории были получены тонкие пленки Ва8ь методами твердофазной и реактивной эпитаксии [1, 7]. Использовались различные технологии осаждения - от формирования двуслойной пленки до создания многослойной структуры, с чередующимися слоями Ва и 81. Рекристаллизация пленок проводилась и проводится высокотемпературным прогревом. Однако указанные технологии не позволили сформировать качественные (с точки зрения отсутствия примесей и сплошности) пленки Ва8ь. Одна из причин этого - низкая взаимодиффузия атомов бария и кремния. Поэтому в данный момент в лаборатории образцы формируются также методом твердофазной эпитаксии, но с использованием технологии соосаждения кремния и бария, с последующей рекристаллизацией пленок при оптимальной температуре порядка 600°С, установленной в ходе предыдущих исследований. Из экспериментальных данных [8-9] видно, что такие условия роста дают на сегодня самый качественный результат. Следующим этапом исследований лаборатории является формирование сплошных пленок Ва8ь, поскольку сейчас наблюдается их растрескивание. Также в планах лаборатории получение пленок, легированных бором, с последующим изготовлением приборных структур на основе полученного материала.

Таким образом, формирование и исследование тонких пленок дисилицида бария, пригодных в качестве материала для фотоэлектрических преобразователей, по-прежнему остается актуальной научной задачей. Несмотря на большой объем работ, проделанных отечественными и зарубежными учеными, на полученные значительные результаты, еще остаются вопросы, ждущие своего решения.

1. Дубов, B.J1. BaSi2 - перспективный материал для фотоэлектрических преобразователей (обзор) / B.J1. Дубов, ДВ. Фомин // Успехи прикладной физики - 2016 - № 6. - С. 599-605.
2. Katsuaki, Т. Molecular beam epitaxy of BaSi2 thin films on Si(001) substrates / T. Katsutaki, O.N. Kosuke, U. Noritaka, S. Noriyuki, Y. Noriko, T. Kaoru, S. Takashi // Journal of Crystal Growth. - 2012. - № 345. - P. 16-21.
3. Yuta, M. Epitaxial Growth and Photoresponse Properties of BaSi2 Layers toward Si-Based High-Efficiency Solar Cells / M. Yuta, T. Dai, S. Ryo, T. Michitoshi, S. Takanobu, S. Takashi, U. Noritaka, S. Masato // Japanese Journal of Applied Physics - 2010. - № 49.
4. Ajmal Khan, M. In-situ heavily p-type doping of over 102"cm~3 in semiconducting BaSi2 thin films for solar cells applications / M. Ajmal Khan, K.O. Hara, W. Du, M. Baba, K. Nakamura, M. Suzuno, K. Toko, N. Usami, T. Suemasu // Applied physics letters - 2013. - № 102.
5. Fomin, D. Formation and properties of crystalline BaSi2 thin films obtained by solid phase epitaxy on Si(lll) / D. Fomin, V. Dubov, K. Galkin, N. Galkin, R.Batalov, V. Shustov // Proc. Asia-Pacific Conf. on Semiconducting Sili-cides and Related Materials 2016 - 2017. -№5.
6. Galkin N.G. Comparison of Crystal and Phonon Structures for Polycrystalline BaSi2Films Grown by SPE Method on Si(lll) Substrate / N.G. Galkin, D.V. Fomin, V.L. Dubov, K.N. Galkin, S.A. Pyachin, A.A. Burkov // Defect and Diffusion Forum-2018. - № 386. - P. 48-54.

Рис. 3. Зависимость между подвижностью и концентрацией дырок в В-легированном р-Ва8ь, выращенного при ТВ=1350-1575°С [4].

Выпуск 83, 2018

Вестник ЛмГУ

29
7. Дубов, B.J1. Твердофазный рост и структура пленок дисилицида бария на Si(lll) / В.Л Дубов, Д.В. Фомин, Н.Г. Галкин // Вестник Самарского гос. аэрокосмического ун-та. - 2016. - № 2. - С. 114-121.
8. Дубов, В.Л. Формирование тонких пленок дисилицида бария на Si(l 11) методом твердофазной эпитаксии путем соосаждения// Молодежь XXI века: шаг в будущее. Материалы XIX региональной научно-практ. конф. (Благовещенск, 23 мая 2018 г.). - 2018 - № 3. - С. 29-31.
9. Дубов, B.JI. Формирование тонкой пленки BaSi2 на Si(lll) методами реактивной и твердофазной эпитак-сий // B.JI. Дубов, A.C. Герман, Д.В. Фомин / Физика: фундаментальные и прикладные исследования, образование: Материалы XVI региональной научной конференции. Хабаровск, 1-4 октября 2018 г. - 2018 - С. 173-174.
СИЛИЦИД ФОТОЭЛЕКТРОНИКА ПОГЛОЩЕНИЕ СВЕТА ЛЕГИРОВАНИЕ ТВЕРДОФАЗНАЯ ЭПИТАКСИЯ СООСАЖДЕНИЕ
Другие работы в данной теме:
Стать экспертом Правила
Контакты
Обратная связь
support@yaznanie.ru
ЯЗнание
Общая информация
Для новых пользователей
Для новых экспертов