Новости
09.05.2023
с Днём Победы!
07.03.2023
Поздравляем с Международным женским днем!
23.02.2023
Поздравляем с Днем защитника Отечества!
Оплата онлайн
При оплате онлайн будет
удержана комиссия 3,5-5,5%








Способ оплаты:

С банковской карты (3,5%)
Сбербанк онлайн (3,5%)
Со счета в Яндекс.Деньгах (5,5%)
Наличными через терминал (3,5%)

ПОЛУЧЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛЕНОК СОЕДИНЕНИЙ А3В5 НА Si, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ ИМПУЛЬСНОГО ЛАЗЕРНОГО НАПЫЛЕНИЯ

Авторы:
Город:
Ставрополь
ВУЗ:
Дата:
07 марта 2016г.

Введение. Уже более двадцати пяти лет наиболее актуальной проблемой электроники, а в частности фотовольтаики, остается получение пленок соединений A3B5 на кремниевых подложках. Эту проблему отчасти породила конкуренция между достаточно дешевыми и простыми в получении кремниевыми солнечными элементами (далее СЭ) предельные значение эффективности, которых уже достигнуты и каскадными СЭ на основе соединений A3B5, имеющими значительно большую эффективность [1], но в тоже время более высокотехнологичными в получении, использующие значительно более дорогие, чем кремниевые, подложки GaAs. Конечно, как и у тех, так и других СЭ есть некоторое количество присущих только им достоинств и недостатков. По нашему мнению, объединение достоинств этих двух видов СЭ и получение качественно новых СЭ соединений A3B5 на кремниевых подложках является одной из наиважнейших задач современной фотовольтаики. Одним из путей решения этой задачи исследования пленок соединений A3B5 на кремниевых подложках является создание некоторых технологических решений, направленных на снижение количества дефектов кристаллической структуры на границе пленка A3B5 – подложка Si, а также нахождение таких методов получения, которые могли заметно упростить и удешевить процесс синтеза данных пленок без потери качества.

Общеизвестно, что основными проблемами получение слоев соединений A3B5 на кремнии является большое рассогласование постоянной решетки (от 0,37 до 4%) и коэффициента термического расширения (КТР) (до 2-2,5 раз). Эти два различия в указанных параметрах порождают возникновение прорастающих дислокаций в эпитаксиальных пленках и как следствие снижение эффективности СЭ на их основе. В то время как влияние решеточного рассогласования можно снизить, получая слои близкие к кремнию (например, слои GaP и InxGa1- xP), влияние разницы КТР пленки и подложки снизить достаточно более проблематично. Добиться снижения количества прорастающих дислокаций при температуре получения пленок является возможным, но после охлаждения их до температуры окружающей среды естественным образом увеличивается. Таким образом, для пленок соединений A3B5 на кремниевых подложках в большей степени критичным оказывается большая разница в КТР пленки и подложки. Очевидно, что понижение температуры синтеза будет являться одним из основных путей получения монокристаллических пленок A3B5 на Si с низкой плотностью прорастающих дислокаций.

Наиболее перспективным в этом отношении методом, обеспечивающим низкотемпературный синтез тонких пленок A3B5 является метод импульсного лазерного напыления (ИЛН). Качество пленок, получаемых методом ИЛН сопоставимо с качеством пленок, синтезируемых методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ), этот факт подтверждается в работе [2]. Немаловажным достоинством метода ИЛН кроме уже перечисленного низкотемпературного синтез эпитаксиальных пленок является точный контроль толщины напыляемой пленки.

Цель работы: исследование структурных свойств тонких эпитаксиальных пленок GaP на Si, определение влияния времени синтеза на структурные свойства пленок.

Методика эксперимента. Получение GaP/Si структур осуществлялось с применением экспериментального технологического комплекса импульсного лазерного напыления, созданного на базе вакуумной учебно- технологической установки «Varicoat - 430A» и лазера AYG: Nd3+ типа LS-2138. Процесс напыления осуществлялся распылением поликристаллической мишени GaP лазерным излучением второй гармоники AYG: Nd3+ в вакуумной камере. Процесс синтеза проводился условиях высокого вакуума (P = 10–4 Па) c применением метода механической сепарации осаждаемых частиц по скорости.

Влияние условий напыления на структурные свойства пленок GaP исследовалось методами рентгеновской дифрактометрии. Рентгенофазовый анализ образцов проводился на дифрактометре ARL Xtra TermoScientific с использованием CuКα излучения.

Результаты и обсуждение. В процессе эксперимента были синтезированы пленки GaP на кремниевых подложках с ориентацией (100) с различным временем напыления. Температура синтеза пленок составляла 250 °С, что является оптимальной температурой для получения монокристаллических пленок GaP [3]. На Рисунке 1 представлены рентгенодифракционные спектры пленок GaP/Si, при различном времени напыления пленки.

Из Рисунка 1 видно, что по мере увеличения времени синтеза, а соответственно и толщины пленок степень их кристалличности увеличивалась. Также по мере увеличения τнап отмечался сдвиг пиков дифракционного отражения от плоскостей [200] и [400] GaP с 2θ = 33,0° и 61,7° соответственно для Рисунка 1.а до 2θ = 32,94° и 61,68° соответственно для Рисунка 1.в. Это в многом объясняется влиянием промежуточного слоя между пленкой и подложкой, во многом накапливающем прорастающих дислокаций. Снижение толщины промежуточного слоя, по нашему мнению, позволит снизить значение плотности прорастающих дислокаций как минимум в разы.

Полуширина дифракционного пика (FWHM) отражения от плоскости [200] равна 0,1°. Исходя из этой величины, по формуле Дебая - Шеррера [4] может быть рассчитан средний размер кристаллита:

где (λCuKα = 1,54 Å - длина волны рентгеновского излучения, β - ширина пика на половине высоты (рад), θ - дифракционный угол.

Рассчитанный средний размер кристаллитов d составляет около 114 нм, по нашему мнению, это значение сопоставимо с реальными размерами кристаллитов GaP (около 100  нм), которые можно получить методом растровой электронной микроскопии. Как следствие, уширение дифракционного пика для пленки GaP является в большей степени влиянием размерного эффекта и в  меньшей степени влиянием дефектов  кристаллической структуры вблизи границы пленка - подложка.

Заключение. Таким образом, в работе проанализированы одни из основных проблем получения пленок A3B5 на Si, определены пути их решения. Показано особое значение применения метода ИЛН для низкотемпературного синтез эпитаксиальных пленок соединений A3B5 на кремниевых подложках.

Степень кристалличности пленок GaP/Si, увеличивается с увеличением времени их синтеза. Снижение величины плотности прорастающих дислокаций и как следствие кристалличности возможно за счет уменьшения толщины промежуточного слоя между пленкой и подложкой. Полуширина дифракционного пика (FWHM) отражения от плоскости [200] равна 0,1° GaP. Размер кристаллитов составляет около 114 нм.

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках государственного задания по проекту №2014/216, код проекта: 2516.

Список литературы

1.     Девицкий О.В., Сысоев Моделирование солнечного элемента на основе гетероструктур AlxGa1-xAs - InxGa1-xAs – GaAs // Вестник Северо-Кавказского федерального университета. 2015. № 3 (48). С. 16-21;

2.     Lei Zhao, Jianshe Lian, Yuhua Liu, Qing Jiang. Structural and optical properties of ZnO thin films deposited on quartz glass by pulsed laser deposition// Applied Surface Science 252, 2006. p 8451 – 8455;

3.     Девицкий О.В., Сысоев И.А.Получение гетероструктур AlGaAs/GaP/Si методом вакуумной лазерной абляции для перспективных солнечных элементов // Science in the modern information society VII: Proceedings of the Conference. North Charleston, 9 - 10.11.2015, Vol. 2 —North Charleston, SC, USA: CreateSpace, 2015, p. 34-38 p;

4.     Румянцева М.Н., Булова М.Н., Чареев Д.А., Рябова Л.И., Акимов Б.А., Архангельский И.В., Гаськов А.М. Cинтез и исследование нанокомпозитов на основе полупроводниковых оксидов SnO2 и WO3 // Вестник Московского университета. Серия 2. Химия. – 2001. – т. 42. – № 5. – с. 348–355.