Межзеренные границ поликристаллического кремния: микроструктура, зарядовые состоянии и p–n – переходы

Аннотация

Актуальность и востребованность темы диссертации. В сегодняшний день в мире полупроводниковый кремниевый поликристалл играет важную роль в интенсивном развитии отрасли физики полупроводников. В сязи с относительной дешевизной и высокой прочностью на радиационные излучения сырья в мире интенсивно развивается создание полупроводниковых приборов, солнечных элементов, а также интегральных схем, основанных на поликристаллическом кремние. В связи с тем, что физические свойства поликристаллического кремния, проявляющиеся на определенных условиях, зависят от граничных областей межзеренных границ в его объеме, исследования физических процессов, происходящих в этой области, является одной из важнейших задач современной физики. В нашей республике в годы независимости уделяется особое внимание на развитие отрасли физики полупроводников, в частности, на создание солнечных элементов и полупроводниковых приборов, основанных на поликристаллическом кремние, имеющих высококачественные показатели и отвечающих на требования мировых стандартов, а также на изучение их физических свойств. В этой сфере изучением способов основанных на управлении физическими процессами, происходящими на двух контактирующих межзеренных граничных участках поликристаллического кремния, а также применении их на полупроводниковые приборы и солнечные элементы, достигаются существенных результатов в развитии этой отрасли. Создание сравнительно дешевых с экономической точки зрения и стойких на внешних воздействия, в частности на температуры и на радиационных излучений, полупроводниковых приборов и солнечных элементов, посредством улучшения электрических и оптических характеристик поликристалличсских кремниевых полупроводников, имеет важное значения. В этой сфере реализация целевых исследований, в частности, научных исследований по следующим направлениям, является одним из важнейших задач: определение микроструктуру и примесные состояния в области двух контактирующих межзеренных границ; разработка современных методов определения электрических и оптических характеристик поликристаллического кремния с учетом его объемных дефектов и физических и химических свойств в области межзеренных границ; определение образования электронно-дырочных пар примесных состояний в области межзеренных границ в процессе изменения световых лучей и темпуратуры и закономерностей их перемещения, а также влияния их на электрофизические и фотоэлектрические свойства р-п - структур поликристаллического кремния; определение влияния дополнительно введенных примесных атомов на микроструктуру и электронные свойства в области межзеренных границ; создание и производство нового поколения преобразователей энергии методом контролирования физических процессов в области межзеренных границ. Перечисленные выше исследования обосновывают актуальность выбранной темы дистсртации. Данное диссертационное исследование в определенной степени служит выполнению задач предусмотренных в Постановлении Президента Республики Узбекистан ПП-1442 «О приоритетных направлениях развития индустрии Республики Узбекистан на 2011-2015 гг.» от 15 декабря 2015 года, а также других нормативно-правовых документах, принятых в данной сфере. Целью исследования является определение закономерностей зависимости электрофизических свойств поликристаллического кремния и фотоэлектрических характеристик р-п-структур на их основе от примесных состояний, локализованных в области межзеренных границ и объемных дефектах. Научная новизна исследования заключается в следующем: обосновано, что образование шероховатой поверхности изобилующей выступами и микропустотами в области межзеренных границ обусловлено неравномерным распределение примесей в объеме зерна; а именно, повышением концентрации каждой из этих примесей от центра к краю зерна. выявлено, что ширина объединённого слоя двух контактирующих зерен составляет порядка нанометров, где установлен факт ионизации локализованных ловушек в процессе изменения температуры с учетом энергии ионизованных ловушек, которые приводят к изменению высоты потенциального барьера в пределах -0,3-4),9 эВ, а также к уменьшению концентрации носителей заряда; разработана многослойная модель стыка двух контактирующих зерен и эквивалентная электрическая схема позволяющая определить электрические свойства межзеренных границ; обнаружены явления адсорбции и десорбции в области межзеренных границ; установлены закономерности проявления примесного тепловольтаического и теплофотовольтаическго эффектов в однородном поли-Si и р-п - структурах на его основе, а также в моно-Si с р-п - переходом обусловленные с образованием электронно-дырочных пар с участием глубоких примесных состояний; предложена модель образования р-п - перехода в области межзеренных границ. ЗАКЛЮЧЕНИЕ На основе проведенных исследований физических процессов на межзеренных границах поли-Si и явлений тепловольтаического и фототепловольтаичсского эффектов сделаны следующие выводы: 1. Разработана модель многослойного стыка двух контактирующих зерен, согласно которой каждый из них состоит из монокристаллического ядра, окруженный областью с дефектами, дислокациями и другими структурными нарушениями, а также равномерно распределенный на поверхности островки металлических компонентов и микрообласти в виде выступов и пустот. 2. Обнаружен немонотонный характер температурного изменения удельного сопротивления (р), подвижности (р) и концентрации (я) носителей заряда, обусловленный совместным влиянием размеров зерен и ионизации локализованных ловушек, связанных с примесными состояниями или дефектами в области межзеренных границ. 3. Экспериментально подтверждено, что увеличение плотности локализованных ловушек приводит к изменению высоты потенциального барьера (<р) от 0,3 эВ до 0,9 эВ и росту р, а также к уменьшению концентрации основных носителей. 4. Предложена эквивалентная электрическая схема, позволяющая определить электрические свойства межзеренных границ в целом и каждой из составляющих её микрообластей на основе модели многослойного стыка двух контактирующих зерен. 5. Установлены условия проявления абсорбции и десорбции ряда щелочных металлов и их влияние на микроструктуру, и электронные свойства межзеренных границ. А именно - десорбция щелочных металлов межзеренных границ в процессе термообработки приводит к изменению знака (р и типа проводимости в виде тонкого слоя на поверхности поликристаллического кремния, а диффузия щелочных металлов по поверхности подложки поликристаллического кремния приводит к их адсорбции на поверхностях двух контактирующих зерен. 6. Показано, что в интервале температур (~30(R800 К) темновой ток и напряжение изменяются по сравнению с монокристаллическими образцами сложным образом за счет захвата носителей заряда на ловушках и их дрейфа вдоль ловушек в процессе ионизации локализованных ловушек в области межзеренных границ. 7. Предложена модель р-п перехода в области межзеренных границ, объясняющая механизмы переноса носителей заряда в них и формирования темнового и фототока обусловленных захватом и эмиссией носителей заряда на ловушках. 8. Показано, что проявления примесного тепловольтаического и теплофотовольтаического эффектов на р-п структурах на основе поликристаллического и монокристаллического кремния при нагреве и освещении обусловлены процессами генерации электронно-дырочных пар с участием глубоких примесных состояний. 9. Модифицированы методы исследования примесных состояний в области межзеренных границ: показано, что при оценке электронных свойств межзеренных границ с помощью модели термоэлектронной эмиссии необходимо учитывать полную проводимость ловушек (/„) и ток (Jss), которая возникает в процессах захвата и эмиссии носителей заряда. 10. Разработан новый метод легирования с использованием быстро диффундирующих элементов, позволяющий получить р-п структуры параллельно с р или п типными образцами и за счет упрощения метода повысить воспроизводимость технологического процесса. 11. Разработан метод полуавтоматического определения температурных зависимостей электрофизических характеристик р-п структур с возможностью сканирования световым лучом с заданной длиной волны и диаметром от ~10 до 400 мкм по поверхности образца. 12. Разработана диффузионная установка, позволяющая одновременно изготавливать в различных частях моно и поликристаллических пластин кремния разнотипные области, предназначенные для изготовления преобразователей тепловой и солнечной энергий.