Модификация поверхности кремния мощными световыми импульсами

Полный текст

Введение

Солнечная энергетика в последние десятилетия занимает все большее место в нише возобновляемых альтернативных источников энергии [1]. Исходя из различных данных доля мощностей солнечных электростанций к 2023 году составляет порядка 200 ГВт и продолжает стремительно расти. В процессе развития отрасли приходится искать разные подходы по удешевлению и упрощению материалов фотоэлементов, увеличению их прочности и эффективности преобразования падающего света в электрический сигнал [2—4]. Одним из перспективных методов увеличения эффективности является уменьшение коэффициента отражения поверхности, создание направленного в глубь образца рассеяния и повышение поглащательной способности солнечных элементов, за счет формирования на поверхности фотоэлементов специфических рельефных структур различной формы, размеров и плотности [5], т. е. засчет проведения текстурирования поверхности [6, 7].

На сегодняшний день известны разнообразные способы текстурирования поверхности полупрводниковых слоев для применения в солненых элементах. Одним из распрастраненных методов является травление полупроводниковых пластин в реакционных растворах низкой концентрации, в котором создаются бугорки над поверхностью, возникающие из-за прилипания к ней пузырьков молекул водорода и осадков [8]. В других методах, например, при лазерных обработках образцов на их поверхности создаются конусообразные столбы или пирамиды [9]. Также в последнее время широкое развитие получают способы создания таких наноструктур, как нанонити или нанопровода, формирующихся на поверхности кремния при химическом осаждении вещества из газовой фазы [10] и металл-стимулированного химического травления [11].

Общая эффективность солнечных элементов также зависит от ряда дополнительных факторов, к которым относятся: химический состав полупроводника, температура его поверхности, особенности организации контактов, тип просветляющих или структуированных покрытий, концентрация легирующего вещества, топология слоев элемента и др. Для производства фотоэлектрических элементов преимущественно используется кремний вследствие его широкого распространения в природе и относительно низкой стоимости производства. Для кремниевых элементов разработано множество технологий обработок поверхностей. При этом энергетическая ширина запрещенной зоны кремния позволяет ему аккумулировать большую частью солнечного спектра. В настоящее время мировое производство солнечных элементов в основном сосредоточено на мульти/микро/поликристаллическом и монокристаллическом кремнии, причем последний отличается наибольшей эффективностью.

В представляемой работе предлагается подход текстурирования поверхностных слоев имплантированного и неимплантированного монокристаллического кремния в сравнении с германием под воздействием мощного светового импульса [12]. Показано, как, используя различные режимы и условия светового импульсного облучения, удается структурировать и получать различные морфологичекие формы на изначально гладких поверхностях полупрводниковых подложек.

Эксперимент

Для исследования были выбраны образцы монокристаллического кремния марки КДБ-1 с ориентацией поверхности (111) и (100). Имплантация проводилось ионами P⁺ c энергией 50 кэВ и дозой 3.12×10¹⁵ см⁻².

Импульсная световая обработка неимплантированных и импалантированных образцов была выполнена двумя способами. В первом случае, поверхность кремния модифицировалась под воздействием мощных световых импульсов миллисекундных и секундых длительностей, на установке УОЛ.П.-1, подробно описанной в работе [13]. Для этого использовалось спектральное излучение ксеноновых ламп-вспышек. Во втором случае импульсная световая обратка проводилась импульсами секундных длительностей излучением галогенных ламп накаливания на установке «Импульс-6» [14—15].

Визуальный анализ модифицированных поверхностей образцов кремния проводился на оптическом микроскопе МБС-9 со 100-кратным увеличением с фоторегистрацией сформированных струкутр на цифровую камеру. Анализ образцов германия проводился на сканирующем электроннмм микроскопе (СЭМ) Merlin Carl Zeiss. С целью характеризации отражательной способности модифицированных образцов кремния проводилось их зондирование излучениями непрерывных полупроводниковых лазеров мощностью 5 мВт, с диаметром луча 1.1 мм, под углом 45° к нормали образца на длинах волн λ_с= 405 нм, λ_з = 532 нм и λ_к = 650 нм. Плоскость поляризации была выставлена параллельно поверхности. Регистрация интенсивности отраженных лучей измерялась фотодиодом ФД-24К и цифровым мультиметром.

Для сравнения морфологий структуированных поверхностей были также проведены эксперименты по световому воздействию на неимплантированные образцы, на образцы со шлифованной поверхностью, а также на образцы пластин германия, имплантированных ионами Ag⁺ с энергией 40 кэВ и дозой 1.5⋅10¹⁷ см⁻².

Результаты и их обсуждение

На рис. 1 представлены микрофотографии структур на поверхности образцов кремния, полученных по первому способу. Как видно из микрофотографий, воздействие мощных световых импульсов ксеноновых ламп в диапазоне длительностей от 70 мс до 3.5 с позволяет получать рельфеные поверхностные структуры различных форм и плотностей. Если на рис. 1а, 1б и 1г можно наблюдать двумерные периодические структуры, то на рис. 1в отчетливо видны одномерные образования, а на рис. 1д — хаотически расположенные микроскопические сферы.

 

Рис. 1. Фотографии поверхности кремния КДБ-1 (111), имплантированного ионами фосфора P⁺ с энергией 50 кэВ и дозой 3.12⋅10¹⁵ см⁻² через металлическую сетку периодом 40 мкм, после импульсного светового отжига на УОЛ.П-1 с плотностями мощности 60 (а), 240 (б), 900 Вт⋅см⁻² (в) и длительностями 3.5 (а), 750 (б) и 120 мс (в) соответственно. Фотографии неимплантированного кремния КДБ-1 (100) после импульсного светового отжига на УОЛ.П-1 с плотностью мощности 1200 Вт⋅см⁻² и длительностями 70 (г) и 90 мс (д) (поверхность до отжига шлифовалась).

 

Локальные области плавления на монокристаллическом кремнии образуются при мощном импульсном световом облучении преимущественно на ростовых дефектах или дефектах обработки поверности. Плотность их (количество на единицу площади) относительно невелико: для дительности импульсного облучения 70 мс составляет около 5⋅10³ см⁻², рис. 1г. Их правильная геометрическая форма обусловлена кристаллографической ориентацией поверхности монокристаллического кремния.

Локальные области плавления на поверхности образцов, имплантированных через периодическую маску с шагом 40 мкм, образуются в пределах аморфизованных ячеек и увеличиваются в размерах в течение светого импульса до 40 мкм. Сетка монокристаллического кремния, оставшаяся под маской, не плавится (рис. 1а).

Как видно на изображениях рис. 2, при секундных обработках пластин монокристаллического кремния импульсами галогенновых ламп по второму способу на поверхности неимплантированных образцов формировались рельефные структуры рекристаллизованных локальных областей плавления миллиметровых размеров. Форма полученных образований в данном случае также зависит от кристаллографической ориентации поверхности полупроводниковой подложки: (100) и (111) [6]. В германии при секундных обработках пластин спектром галогенновых ламп образовались рельефные структуры микронных размеров, о чем свидетельствуют СЭМ-изображения на рис. 2г и 2д.

 

Рис. 2. Фотографии поверхности неимплантированного кремния КДБ-1 (100) (а), (111) (б, в) после импульсного светового отжига на установке «Импульс-6» с плотностью мощности 20 Вт⋅см⁻² и длительностями 5 (а), 10 (б) и 15 с (в) соответственно. Фотографии имплантированного ионами Ag⁺ германия с энергией 30 кэВ и дозой 1.5⋅10¹⁷ см⁻², отожженного световыми импульсами с плотностью мощности 10 Вт⋅см⁻² и длительностями 6 (г) и 4.5 с (д).

 

Для модифицированных образцов кремния были измерены коэффициенты отражения R_р под углом к поверхностям соответсвующих структур и проведены сопоставления со значениями для исходных поверхностей R_исх (поверхность до структурирования).

Результаты измерений представлены в таблице 1. Как видно из полученных данных уменьшение R_р в большей степени происходила от рельефных структур, показанных на рис. 1г и 1д. Из сравнения микрофотографий на рис. 1 а, 1г и 1д можно предположить, что если в первом случае на изменение R_р повлияли размеры рельефных структур, то во втором случае эффект обусловлен формами образовании. Более того, сферические образования могут служить как линзы с высоким показателем преломления для усиления поглощения длинноволнового излучения, так как эффект сильно проявляется в диапазоне красных длин волн (табл. 1). Такая текстурированная поверхность может быть хорошей формой для солнечных концентраторов с микролинзами. На ряде структур наблюдается снижение коэффициента отражения до 7 %.

 

Таблица 1. Коэффициент отражения поверхности кремния до и после формирования рельефных структур

Образец соответсвует фотографии	Длина волны зондирования λ, нм	Коэффициент отражения исходной поверхности Rисх	Коэффициент отражения рельефной поверхности Rр	(Rисх−Rр)/Rисх×100,%
1а	405	0.46	0.46	0
	532	0.36	0.35	1
	630	0.34	0.31	3
1б	405	0.46	0.46	0
	532	0.36	0.34	2
	630	0.34	0.33	1
1в	405	0.46	0.46	0
	532	0.36	0.34	2
	630	0.34	0.30	4
1г	405	0.46	0.43	3
	532	0.36	0.32	4
	630	0.34	0.27	7
1д	405	0.46	0.45	1
	532	0.36	0.33	3
	630	0.34	0.28	6
2в	405	0.45	0.44	1
	532	0.33	0.31	2
	630	0.31	0.30	1

 

СЭМ-изображения поверхностей на германиевых подложках, сформированных при импульсном световом облучении по второму способу приведены на рис. 2г, 2д. Как и в случае подложек кремния, на поверхности германия образуются достаточно равномерно распределенные треугольные ямки «травления» или вспученностей. Однако поперечный размер этих образований в случае германия не превышет примерно 1 мкм для длительности импульса 6 с (рис. 2д), что оказывается, как минимум, на порядок меньше размера структур на пластинах кремния. Если исходить из результатов современных экспериментальных работ, данные структурные образования опледеляются механизмами образования локальных областей плаления [12]. Тогда наблюдаемые отличия в формировании микронных и милимметровых структур в германии и кремнии можно связывать с различной температурой плавления данных полупрводников и с различной кинетикой образования и отжига дефектов при имплантации и импульсных световых обработках.

Заключение

Получены результаты по модификации поверхности монокристаллицеского и имплантированного кремния импульсным световым отжигом. Показана возможность получения как одномерных, так и двумерных ступенчатых микроструктур на поверхности с различной высотой, формой и размерами. Ряд формируемых микроструктур являются перспективными для создания элементов солнечной энергетики.

Работа выполнена в рамках темы государственного задания: «Фундаментальные основы молекулярного конструирования, физико-химического анализа строения и функциональных свойств новых интеллектуальных систем и материалов для современных наукоемких технологий в области биомедицины, катализа, энергетики, нано- и оптоэлектроники»; руководители: А. А. Карасик, С. М. Хантимеров; номер регистрации в ЕГИСУ 122011800132-5.

Об авторах

Б. Ф. Фаррахов

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Федеральный исследовательский центр «Казанский научный центр Российской академии наук»

Автор, ответственный за переписку.
Email: bulat_f@mail.ru

Казанский физико-технический институт имени Е.К. Завойского

Россия, Казань

Я. В. Фаттахов

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Федеральный исследовательский центр «Казанский научный центр Российской академии наук»

Email: bulat_f@mail.ru

Казанский физико-технический институт имени Е.К. Завойского

Россия, Казань

А. Л. Степанов

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Федеральный исследовательский центр «Казанский научный центр Российской академии наук»

Email: bulat_f@mail.ru

Казанский физико-технический институт имени Е.К. Завойского

Россия, Казань

Список литературы

Дополнительные файлы