Opis - Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej

RZECZPOSPOLITA
POLSKA
(12)
OPIS PATENTOWY
(19)
(21) Numer zgłoszenia: 399594
Urząd Patentowy
Rzeczypospolitej Polskiej
(54)
(22) Data zgłoszenia: 20.06.2012
224196
(13) B1
(11)
(51) Int.Cl.
H01L 21/00 (2006.01)
H01L 21/66 (2006.01)
G01N 21/00 (2006.01)
G01N 27/00 (2006.01)
Sposób wyznaczania absorpcji różnicowej podłoży półprzewodnikowych
z cienkimi warstwami
(43) Zgłoszenie ogłoszono:
23.12.2013 BUP 26/13
(45) O udzieleniu patentu ogłoszono:
30.11.2016 WUP 11/16
PL 224196 B1
PL
(73) Uprawniony z patentu:
INSTYTUT TECHNOLOGII ELEKTRONOWEJ,
Warszawa, PL
(72) Twórca(y) wynalazku:
TADEUSZ PIOTROWSKI, Warszawa, PL
2
PL 224 196 B1
Opis wynalazku
Przedmiotem wynalazku jest sposób wyznaczania absorpcji różnicowej podłoży z cienkimi warstwami antyrefleksyjnymi, pasywującymi, plazmonowymi zawierającymi kropki kwantowe, druty kwantowe i supersieci.
Dla zmniejszenia szybkości rekombinacji powierzchniowej oraz pasywacji defektów, a także
strat na odbicie powierzchnie podłoży przyrządów półprzewodnikowych takich jak detektory czy ogniwa słoneczne są pokrywane różnego typu warstwami antyrefleksyjnymi i pasywującymi. Najczęściej
są to pojedyncze cienkie warstwy dielektryczne, dielektryczno-plazmonowe, warstwy składające się ze
struktur kwantowych (nanodrutów lub nanokropek) lub inne wielowarstwy i supersieci nazywane dalej
ogólnym pojęciem – cienkie warstwy. Problemem jest określenie wpływu cienkich warstw tego typu na
gęstość nośników generowanych w półprzewodnikowym podłożu (krzemowym lub innym) lub inaczej
określenie wpływu tych warstw na gęstość strumienia fotonów docierającego do półprzewodnika i ich
wpływu na objętościową szybkość generacji nośników w podłożu. Stosowanie powierzchniowych
warstw nanoszonych na struktury fototowoltaiczne ma istotny wpływ na efektywność wytwarzanych
z tych struktur przyrządów a zwłaszcza ogniw słonecznych czy detektorów promieniowania, ponieważ
głównie w tych przyrządach natężenie prądu fotoelektrycznego w półprzewodnikowej strukturze zależy
od gęstości strumienia padających fotonów pomniejszonych o strumień strat wynikających z odbicia,
rekombinacji i wydajności kwantowej.
Dla zwiększenia strumienia absorbowanych fotonów powierzchnię struktury fotowoltaicznej
poddaje się często teksturowaniu oraz pokrywaniu warstwami dielektrycznymi, dielektryczno-metalicznymi, których zadaniem jest zwiększenie gęstości strumienia generacji nośników zarówno poprzez
zmniejszenie strumienia odbitego promieniowania, zmniejszenie szybkości rekombinacji powierzchniowej jak i udział efektów plazmonicznych.
Wpływ rodzaju nakładanych warstw i ich parametrów w zakresie zmniejszenia odbicia części
strumienia wiązki padającej może być zmierzony poprzez pomiar reflektancji czyli (stosunku natężenia
wiązki odbitej Pr do natężenia wiązki padającej P).
Znany jest sposób, który wykorzystuje optyczny pomiar transmitancji definiowany jako stosunek
natężenia wiązki przechodzącej Pt do natężenia wiązki padającej P. W sposobie tym, wielkość reflektancji służy zarówno do wyznaczenia współczynnika odbicia R jak i do wyznaczenia współczynnika
absorpcji . W przypadku podłoży krzemowych pomiar transmitancji w interesującym zakresie spektralnym długości fali 0,4 do 0,9 mikrometra jest niemożliwy, gdyż absorpcja krzemu w tym zakresie jest
tak duża, że uniemożliwia pomiar grubszych podłoży niż 300 mikrometrów, a takie są stosowane
w większości przyrządów. W związku z tym, znany sposób nie pozwala na wyznaczenie absorptancji
(stosunku natężenia wiązki absorbowanej do natężenia wiązki padającej) 1 = 1-Pr/P-Pt/P czyli parametru informującego o zaabsorbowanych w podłożu krzemowym fotonach, a związanego bezpośrednio z generacją nośników prądu.
Z tego powodu efektywność absorpcji nanoszonych warstw jest testowana na gotowych strukturach fotowoltaicznych, specyficznych dla danego typu konstrukcji. Takie testy wymagają jednak wytworzenia złącza, zrobienia kontaktów, co znacznie zwiększa czasochłonność pomiarów, podnosi
koszty a efekty pomiarowe wiąże z konkretną konstrukcją przyrządu.
Celem wynalazku jest opracowanie prostego i uniwersalnego sposobu określenia wpływu cienkich warstw osadzanych na podłożach przyrządów półprzewodnikowych na gęstość nośników generowanych w tych podłożach.
Sposób wyznaczania absorpcji różnicowej podłoży z cienkimi warstwami antyrefleksyjnymi, pasywującymi, plazmonowymi, zawierającymi kropki kwantowe, druty kwantowe i supersieci, według
wynalazku opiera się na spektralnym pomiarze powierzchniowego efektu fotowoltaicznego.
W sposobie tym, mierzy się powierzchniowy efekt fotowoltaiczny półprzewodnikowego podłoża
w funkcji długości fali, następnie mierzy się powierzchniowy efekt fotowoltaiczny podłoża z naniesioną
badaną warstwą także w funkcji długości fali, po czym z zależności:
gdzie C – jest stałą wyrażoną w (1/(volt m)) (zależną od gęstości strumienia promieniowania Φ,
temperatury T, współczynnika odbicia R), o wartości określonej wzorem (npo(s+Dn/Ln)/(kT(1-R)ΦLn/q,
Vs1(λ)) zmierzony spektralny przebieg powierzchniowego napięcia fotoelektrycznego dla próbki bez
PL 224 196 B1
3
warstwy, Vs2(λ) zmierzony spektralny przebieg powierzchniowego napięcia fotoelektrycznego dla
próbki z warstwą, Ln zmierzona długość drogi dyfuzji nośników ładunku, npo – koncentracja nośników
nadmiarowych w półprzewodniku, s – szybkość rekombinacji powierzchniowej, Dn współczynnik dyfuzji elektronów w półprzewodniku,
wyznacza się spektralny współczynnik absorpcji różnicowej, którego wielkość określa wpływ
badanej warstwy na gęstość nośników generowanych w półprzewodnikowym podłożu dla danej długości fali.
Dzięki wyznaczeniu spektralnego współczynnika absorpcji różnicowej możliwe jest jednoznaczne określenie wpływu, jaki wywiera oświetlana daną długością fali warstwa zastosowana w przyrządzie/strukturze półprzewodnikowym. Ponadto proponowany sposób pozwala na dobór, dla określonej
długości fali optymalnej warstwy zarówno co do grubości jak i rodzaju.
Wynalazek zostanie objaśniony na przykładzie wykonania pokazanym na rysunku, Fig. 1 rysunku pokazuje w skali logarytmicznej różnicę napięć fotoelektrycznych Vs2(λ)-Vs1(λ), krzemowego podłoża i krzemowego podłoża z warstwą tlenku tytanu zawierającą mikrocząstki palladu. Natomiast
Fig. 2 przedstawia, w skali logarytmicznej, spektralny współczynnik absorpcji różnicowej wyznaczony
dla tej warstwy.
W przedstawionym sposobie określono jaki wpływ ma na zmniejszenie szybkości rekombinacji
powierzchniowej i strat na odbicie naniesiona na krzemowe podłoże warstwa tlenku tytanu o grubości
80 nm.
W pierwszym etapie przygotowano dwie struktury. Jedna była w postaci płytki krzemowej o typie przewodnictwa p natomiast druga składała się z podłoża krzemowego o typie przewodnictwa p
i warstwy tlenku tytanu zawierającej mikrocząstki palladu. W drugim etapie obydwie struktury poddano
oświetlaniu przerywanym strumieniem promieniowania z częstotliwością 211 Hz o energii większej niż
energia przerwy zabronionej krzemu czyli w zakresie długości fal promieniowania 0,4 m do 1 m.
Częstotliwość modulacji strumienia promieniowania dobrano tak, by uzyskać stan stacjonarny generacji nośników, co związane jest z wartością występującego w badanym materiale czasem życia nośników prądu, uwzględniono również to iż pomiar dokonywany jest z wykorzystaniem kontaktów pojemnościowych i należy wziąć pod uwagę występującą reaktancję pojemnościową oraz zakłócający wpływ
częstotliwości sieci zasilającej. W trzecim etapie wyznaczono spektralny współczynnik absorpcji różnicowej dla tej warstwy.
Najpierw metodą zaniku fotoprzewodnictwa, zmierzono długość drogi dyfuzji nośników ładunku Ln
w podłożu. Następnie zarówno krzemowe podłoże jak i takie samo podłoże pokryte warstwą tlenku
tytanu oświetlano poprzez monochromator falami w zakresie długości fal 0,4 m–1,0 m. Następnie
dla tych długości fal zmierzono natężenie monochromatycznego promieniowania wytworzonego przez
monochromator i natężenie to poddano regulacji, tak by uzyskać jednakową ilość kwantów padających na powierzchnię każdej ze struktur. Dla otrzymanych wartości natężenia promieniowania zarejestrowano napięcie fotoelektryczne w głowicy do pomiarów powierzchniowego efektu fotoelektrycznego. Wartości spektralnego współczynnika absorpcji różnicowej dla badanej cienkiej warstwy tlenkowej
wyznaczano z wykorzystaniem zależności przedstawionej wzorem:
gdzie C – jest stałą wyrażoną w (1/(volt m)) (zależną od gęstości strumienia promieniowania Φ,
temperatury T, współczynnika odbicia R), o wartości określonej wzorem (npo(s+Dn/Ln)/(kT(1-R)ΦLn/q,
Vs1(λ)) zmierzony spektralny przebieg powierzchniowego napięcia, fotoelektrycznego dla płytki bez
warstwy, Vs2(λ) zmierzony spektralny przebieg powierzchniowego napięcia fotoelektrycznego dla
płytki z warstwą, Ln – zmierzona długość drogi dyfuzji nośników ładunku, npo – koncentracja nośników
nadmiarowych (elektronów w krzemie typu p), s – szybkość rekombinacji powierzchniowej, Dn –
współczynnik dyfuzji (elektronów w krzemie typu p).
-1
Wartości Δ(λ) wyrażone są w m .
Dla przykładowych struktur, których podłoże wykonano z tego samego krzemu typu p, o kon11
-3
2
centracji npo = 1 10 m , R = 0,3, Dn = 30 cm /s, Ln = 0,045 cm, s = 100 cm/s, T = 300 K (stałe
-19
5
2
k = 1,38*10–23 Ws/K, q = 1,6*10 col), gęstość strumienia fotonów Φ = 1*10 /cm s. Wyznaczona
7
-1 -1
stała C wynosi 9,415*10 *volt m .
4
PL 224 196 B1
Przebieg spektralny różnicy napięć elektrycznych Vs2(λ)-Vs1(λ) (Fig. 1). Wyliczony spektralny
współczynnik absorpcji różnicowej z podanej wyżej zależności przedstawiono na Fig. 2 w skali logarytmicznej.
Zastosowana warstwa 80 nm tlenku tytanu z mikro cząstkami palladu podwyższyła znacznie
absorpcję w zakresie spektralnym 0,4–0,56 mikrometra, a w piku 0,48 m nawet o dwa rzędy wielkości i zwiększyła dzięki temu czułość fotoelektryczną struktury w tym zakresie spektralnym.
Zastrzeżenia patentowe
1. Sposób wyznaczania absorpcji różnicowej podłoży półprzewodnikowych z cienkimi warstwami pasywującymi, antyrefleksyjnymi, plazmonowymi, zawierającymi studnie kwantowe lub supersieci
wykorzystujący spektralny pomiar powierzchniowego efektu fotowoltaicznego, znamienny tym, że
w pierwszym etapie mierzy się powierzchniowy efekt fotowoltaiczny podłoża w funkcji długości fali,
następnie mierzy się powierzchniowy efekt fotowoltaiczny podłoża z naniesioną warstwą w funkcji tych
samych długości fali, po czym z zależności:
gdzie C – jest stałą wyrażoną w (1/(volt m)) (zależną od gęstości strumienia promieniowania Φ,
temperatury T, współczynnika odbicia R), o wartości określonej wzorem (npo(s+Dn/Ln)/(kT(1-R)ΦLn/q,
Vs1(λ)) zmierzony spektralny przebieg powierzchniowego napięcia fotoelektrycznego dla próbki bez
warstwy, Vs2(λ) zmierzony spektralny przebieg powierzchniowego napięcia fotoelektrycznego dla
próbki z warstwą, Ln – zmierzona długość drogi dyfuzji nośników ładunku, npo – koncentracja nośników nadmiarowych w półprzewodniku, s – szybkość rekombinacji powierzchniowej, Dn – współczynnik
dyfuzji elektronów w półprzewodniku,
wyznacza się dla każdej długości fali współczynnik absorpcji różnicowej, którego wielkość jest
proporcjonalna do gęstości nośników generowanych w podłożu.
2. Sposób określenia współczynnika absorpcji różnicowej według zastrz. 1, znamienny tym, że
efekt fotowoltaiczny mierzy się oświetlając najpierw podłoże i/lub podłoże z warstwą, strumieniem
przerywanym o częstotliwości 211 Hz dla długości fali z zakresu 0,4 m–1 m, następnie mierzy się
natężenie monochromatycznego promieniowania dla wybranych długości fali, po czym reguluje się to
natężenie tak, aby uzyskać na powierzchni jednolitą ilość kwantów i dla każdej wybranej długości fali
rejestruje się napięcie fotowoltaiczne.
PL 224 196 B1
Rysunki
5
6
PL 224 196 B1
Departament Wydawnictw UPRP
Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)