Фотоэлектрические свойства структур с микро- и нано-пористым кремнием

стый слой по своим размерным характеристикам может быть отнесен к макропористому кремнию с размерами пор и кристаллитов более десятка нанометров. Было показано, что структуры с пористым слоем, образованным на текстурированной поверхности, обладают заметно более высокими фотоэлектрическими характеристиками, чем структуры с текстурированной поверхностью без пористого слоя, к тому же их параметры оказываются достаточно стабильными даже без какого-либо защитного покрытия, что нехарактерно для пористого кремния, нестабильность которого до сих пор остается проблемой.

В данной работе проводилось исследование спектральных характеристик фоточувствитель-ных структур со слоем ПК, образованным на поверхности монокристаллического кремния различного типа: полированной, текстурированной, эпитаксиальной.

Слои макропористого и пористого кремния формировались методом глубокого анодного травления (ГАТ) в водных растворах плавиковой кислоты с добавлением этилового спирта или уксусной кислоты. Плотность анодного тока на образце изменялась от 10 до 50 мА/см 2. Время травления составляло от 10 до 70 минут. Для получения текстурированной поверхности образцы подвергались анизотропному травлению в горячем водном растворе щелочи КОН. В результате травления поверхность была покрыта правильными четырехугольными пирамидами высотой от 2 до 7 мкм, степень заполнения поверхности пирамидами составляла 80-100%.

Для фотоэлектрических измерений были изготовлены диодные структуры, p-n-переход формировался диффузией со стороны текстурированной поверхности акцепторной примеси для

а)                                             б)

Рис. 1. Пористый кремний, полученный на полированной поверхности : а – СЗМ - изображение поверхности, размер рамки 10Х10 мкм;

б — 3D- изображение рельефа поверхности

подложек n-типа проводимости и донорной примеси для подложек р-типа проводимости. Глубина залегания p-n-перехода составляла 0,9 -1 мкм. Использовались также готовые диодные структуры с эпитаксиальным p-n-переходом, в которых эпитаксиальный слой n-типа проводимости толщиной 10 мкм был выращен на подложке р-типа проводимости. На них текстурированная поверхность создавалась со стороны эпитаксиального слоя. В результате глубокого анодного травления на всех типах образцов формировались слои пористого кремния толщиной от нескольких микрон до сотни микрон, с p-n-переходом, расположенным внутри пористого слоя. Таким образом, на подложке формировалась система вертикальных p-n-переходов, выходящих на стенки пор.

Рельеф поверхности полученного макропористого слоя исследовался методом сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ) на микроскопе Solver PRO-M. Измерения проводились атомносиловой микроскопией в контактной моде, сканирование осуществлялось образцом. Радиус закругления иглы кантилевера составлял меньше 20 нм, угол раствора при вершине меньше 22⁰. Используемая методика позволяла получить трехмерное изображение исследуемой поверхности с разрешением до 10 нм (рис. 1, б и рис. 2, б ).

На полированной поверхности образование пор шло равномерно по всей площади, и образовывался пористый слой с правильными круглыми порами, расположенными перпендикулярно к поверхности. Максимальный диаметр пор не превышал 0,1 мкм (рис. 1, а ).

При травлении текстурированной поверхности поры формировались на стыке пирамид в виде узких щелей. При этом травление по глубине шло достаточно равномерно, образуя пористую структуру с вертикальными порами глуби- ной несколько десятков микрон (рис. 2, а, б). Происходило также некоторое сглаживание граней и вершин пирамид.

При травлении поверхности эпитаксиального слоя образование пор происходит по границам эпитаксиальных блоков с образованием похожих параллельных щелевидных пор, уходящих вглубь эпитаксиального слоя, но при этом не совсем перпендикулярно поверхности, а под небольшим наклоном.

На изготовленных образцах проводилось измерение спектральной характеристики коэффициента отражения в видимой части спектра на фотометре отражения “ФО-1” методом сравнения с набором сменных светофильтров на длинах волн от 350 нм до927 нм. Исследование спектральной зависимости тока короткого замыкания диодных структур проводилось в диапазоне 400 – 1000 нм. Измерения проводились при комнатной температуре. Спектральные зависимости коэффициента отражения для четырех типов поверхности изготовленных структур приведены на рис. 3.

Из рисунка видно, что создание на поверхности кремния микрорельефа в виде пирамид (кривые II,III,IV) или пор (кривая Iп), или одновременно и того, и другого (кривая IIп) существенно снижает коэффициент отражения по сравнению с полированной поверхностью (кривая I) во всем исследуемом спектральном диапазоне. При этом наиболее заметным оказывается уменьшение отражения в коротковолновой области для текстурированных поверхностей с минимальной высотой пирамид.

Создание пористого слоя на полированной поверхности снижает коэффициент отражения более чем вдвое по сравнению с исходной, и вид кривой спектральной зависимости несколько изменяется, что может быть связано с наличием ок-

Рис. 2. Пористый кремний, полученный на текстурированной поверхности : а — микрофотография поперечного скола, размер внутренней рамки — 40Х60 мкм, светлая область внизу — монокристаллический кремний;

б — 3D - изображение рельефа текстурированной поверхности пористого слоя, полученное методами СЗМ

Рис. 3. Спектральные зависимости коэффициентов отражения поверхностей разного типа:

I – полированная; II – текстурированная с высотой пирамид до 7 мкм;

III текстурированная с высотой пирамид до 5 мкм; IV – текстурированная с высотой пирамид от 2 до 3 мкм;

Iп — пористый слой на полированной поверхности; IIп — пористый слой на текстурированной поверхности II

сидной пленки на поверхности пористого кремния (кривые I и Iп). Коэффициенты отражения просто текстурированной поверхности и текстурированной поверхности с порами не сильно различаются между собой (на 5 – 6 %), причем ход спектральных зависимостей практически одинаковый (кривые II и IIп). Это обстоятельство отражает тот факт, что поры на текстурированной поверхности занимают очень небольшую часть площади, располагаясь между пирамидками.

Анализ спектральной зависимости фоточувствительности текстурированных структур пока- зывает, что снижение отражения в коротковолновой области приводит лишь к незначительному относительному возрастанию тока короткого замыкания в этой области (рис. 4.). Этот эффект тем более мало заметен на фоне общего снижения тока короткого замыкания текстурированных структур по сравнению с полированными, что объясняется появлением дополнительных рекомбинационных центров, связанных с ионами щелочных металлов, которые остаются на поверхности после технологической операции анизотропного травления для создания пирамид.

Рис. 4. Спектральные зависимости тока короткого замыкания диодных структур:I — с полированной поверхностью, III — с текстурированной поверхностью

Создание пор на текстурированной поверхности заметно меняет весь ход спектральной характеристики фоточувствительности, существенно увеличивая ее в коротковолновой части (рис. 5). Максимум спектральной чувствительности смещается от положения для монокристаллического кремния (880 — 900 нм) в область 400 нм. Аналогичный ход спектральной зависимости фоточувствительности наблюдается и для образцов диодных структур с пористым слоем, созданным на эпитаксиальной поверхности (рис. 6). Это изменение характера спектральной чувствительности можно объяснить поглощением в материале с большей шириной запрещенной зоны, чем монокристаллический кремний. Таким материалом могут быть нано-кристаллы кремния (кремниевые «нити»), образующиеся в порах при глубоком анодном травлении. Подтверждением присутствия нано-размерных кремниевых «нитей» в исследуемых структурах может служить и некоторое увеличение фоточувствительности в длинноволновой части спектра. Этот эффект, наблюдаемый в нано-пористом кремнии [3, 4], обычно связывается с интерференционными явлениями или с рассеянием длинноволнового излучения на кремниевых нитях и, соответственно, снижением коэффициента отражения, что наблюдается и нашем случае (см. кривые II и IIп рис. 3).

Таким образом, проведенные исследования показывают, что предложенная технология создания пористого слоя с использованием поверхностей с заранее созданным микрорельефом позволяет изготовить фоточувствительные

Рис. 5. Спектральные зависимости тока короткого замыкания диодных структур с пористым слоем, образованным на текстурированной поверхности

Рис. 6. Спектральные зависимости тока короткого замыкания диодных структур с пористым слоем, образованным на эпитаксиальной поверхности

кремниевые структуры с расширенным в коротковолновую область спектральным диапазоном чувствительности.