ФИЗИКА-ТЕХНИКА ИНСТИТУТИ ВА САМАРҚАНД ДАВЛАТ
УНИВЕРСИТЕТИ ҲУЗУРИДАГИ ФАН ДОКТОРИ ИЛМИЙ
ДАРАЖАСИНИ БЕРУВЧИ 14.07.2016.FM/T.12.01 РАҚАМЛИ
ИЛМИЙ КЕНГАШ
АНДИЖОН ДАВЛАТ УНИВЕРСИТЕТИ
ОЛИМОВ ЛУТФИДДИН ОМАНОВИЧ
ПОЛИКРИСТАЛЛ КРЕМНИЙ ДОНАДОРЛИКЛАРАРО
ЧЕГАРАЛАРИ: МИКРОТУЗИЛМАСИ, ЗАРЯД ҲОЛАТЛАРИ ВА р–n –
ЎТИШЛАРИ
01.04.10 – Ярим ўтказгичлар физикаси
(физика-математика фанлари)
ДОКТОРЛИК ДИССЕРТАЦИЯСИ АВТОРЕФЕРАТИ
Тошкент – 2016
1
УДК: 621.382.699.782
Докторлик диссертацияси автореферати мундарижаси
Оглавление автореферата докторской диссертации
Contentofthe abstract of doctoral dissertation
Олимов Лутфиддин Оманович
Поликристалл кремний донадорликлараро чегаралари: микротузилмаси,
заряд ҳолатлари ва p–n – ўтишлари ............................................................... 3
Олимов Лутфиддин Оманович
Межзеренные границ поликристаллического кремния: микроструктура,
зарядовые состоянии и p–n – переходы ……………………………....….. 27
Olimov Lutfiddin Omanovich
Between grain boundaries of polycrystalline silicon: microstructure, charge
status and p-n – transitions ................................................................................ 53
Эълон қилинган ишлар рўйхати
Список опубликованных работ
List of published works …………………………………………….......…... 76
2
ФИЗИКА-ТЕХНИКА ИНСТИТУТИ ВА САМАРҚАНД ДАВЛАТ
УНИВЕРСИТЕТИ ҲУЗУРИДАГИ ФАН ДОКТОРИ ИЛМИЙ
ДАРАЖАСИНИ БЕРУВЧИ 14.07.2016.FM/T.12.01 РАҚАМЛИ
ИЛМИЙ КЕНГАШ
АНДИЖОН ДАВЛАТ УНИВЕРСИТЕТИ
ОЛИМОВ ЛУТФИДДИН ОМАНОВИЧ
ПОЛИКРИСТАЛЛ КРЕМНИЙ ДОНАДОРЛИКЛАРАРО
ЧЕГАРАЛАРИ: МИКРОТУЗИЛМАСИ, ЗАРЯД ҲОЛАТЛАРИ ВА р–n –
ЎТИШЛАРИ
01.04.10 – Ярим ўтказгичлар физикаси
(физика-математика фанлари)
ДОКТОРЛИК ДИССЕРТАЦИЯСИ АВТОРЕФЕРАТИ
Тошкент – 2016
3
Докторлик диссертацияси мавзуси Ўзбекистон Республикаси Вазирлар Маҳкамаси
ҳузуридаги Олий аттестация комиссиясида 30.09.2014/В2014.5.FM165 рақам билан рўйхатга
олинган.
Докторлик диссертацияси Андижон давлат университетида бажарилган.
Диссертация автореферати уч тилда (ўзбек, рус, инглиз) Илмий кенгашнинг веб-саҳифаси
(fti-kengash.uz) ва “ZiyoNet” ахборот-таълим порталига (www.ziyonet.uz) жойлаштирилган.
Илмий маслаҳатчи: Алиев Райимжон
физика-математика фанлари доктори, профессор
Расмий оппонентлар: Имамов Эркин Зуннунович,
физика-математика фанлари доктори, профессор
Дадамирзаев Мухаммаджон Ғуломқодирович,
физика-математикафанлари доктори,
Исмайлов Қанатбай Абдреймович
физика-математика фанлари доктори, профессор
Етакчи ташкилот: Фарғона давлат университети
Диссертация ҳимояси Физика-техника институти ва Самарқанд давлат университети
ҳузуридаги 14.07.2016.FM/T.12.01 рақамли Илмий кенгашнинг 2016 йил «____» ____________
куни соат ____даги мажлисида бўлиб ўтади (Манзил: 100084, Тошкент шаҳри, Бодомзор йўли
кўчаси, 2б-уй. Тел./факс: (99871) 235-42-91, e-mail: lutp@uzsci.net
,
Физика-техника институти
мажлислар зали).
Докторлик диссертацияси билан Физика-техника институти Ахборот-ресурс марказида
танишиш мумкин (04 рақам билан рўйхатга олинган). Манзил: 100084, Тошкент шаҳри, Бодомзор
йўли кўчаси, 2б-уй, Физика-техника институти. Тел./факс: (99871) 235-30-41.
Диссертация автореферати 2016 йил «____» ___________ куни тарқатилди.
(2016 йил «____» _____________ даги ____ рақамли реестр баѐнномаси)
С.Л. Лутпуллаев,
Фан доктори илмий даражасини берувчи
Илмий кенгаш раиси, ф.-м.ф.д., профессор
А.В. Каримов,
Фан доктори илмий даражасини берувчи Илмий
кенгаш илмий котиби, ф.-м.ф.д., профессор
А. Абдурахманов,
Фан доктори илмий даражасини берувчи
Илмий кенгаш ҳузуридаги илмий семинар раиси
ўинбосари, ф.-м.ф.д., профессор
4
КИРИШ (докторлик диссертацияси аннотацияси)
Диссертация мавзусининг долзарблиги ва зарурияти.
Жаҳонда,
ҳозирги кунда яримўтказгичлар физикаси соҳасининг интенсив равишда
ривожланишида поликристалл кремний яримўтказгичлари муҳими ўрин
эгаллайди. Нисбатан хом ашѐнинг арзонлиги ва радиация нурлари оқимига
чидамлилиги юқори бўлгани учун дунѐда поликристалл кремний асосида
яримўтказгичли асбоблар, қуѐш элементлари ҳамда интеграл схемалар
яратиш интенсив ривожланмоқда. Поликристалл кремнийнинг муъайян
шароитларда намоѐн бўлувчи физик хусусиятлари, унинг ҳажмидаги
донадорликлараро чегара соҳаларига боғлиқ бўлиб, бу соҳада юз берувчи
физик жараѐнларни тадқиқ этиш муҳим вазифалардан бири бўлиб келмоқда.
Мустақиллик йилларида мамлакатимизда яримўтказгичлар физикаси
соҳасини ривожлантириш, хусусан поликристалл кремний асосида юқори
сифат кўрсаткичларга эга ва жаҳон стандарт талабларига жавоб берадиган
қуѐш элементи ѐки яримўтказгичли асбоблар яратиш ҳамда уларнинг физик
хусусиятларини ўрганишга алоҳида эътибор қаратилди. Бу борада
поликристалл кремний икки туташган донадорликлараро чегара соҳасидаги
физик
жараѐнларни
бошқариш
усулларини
ўрганиш
ва
уларни
яримўтказгичли асбоблар ва қуѐш элементларига тадбиқ этиш асосида
соҳанинг ривожланишида сезиларли натижаларга эришилмоқда.
Поликристалл кремний яримўтказгичларининг электрик ва оптик
характеристикаларини яхшилаш орқали иқтисодий жиҳатдан нисбатан арзон
ва ташқи таъсирлар, хусусан, температура, радиация нурлари оқимига
чидамли яримўтказгичли асбоблар ва қуѐш элементлари яратиш муҳим
аҳамият касб этмоқда. Бу борада мақсадли илмий тадқиқотларни, жумладан,
қуйидаги йўналишлардаги илмий изланишларни амалга ошириш муҳим
вазифалардан бири ҳисобланади: икки туташган донадорликлараро чегара
соҳаси микротузилмаси ва киришмали ҳолатларини аниқлаш; поликристалл
кремний ҳажмий нуқсонлари ва донадорликлараро чегара соҳасининг физик
ва кимѐвий хоссаларини хисобга олиб, уларнинг электрик ва оптик
характеристикаларини аниқлашнинг замонавий усулларини ишлаб чиқиш;
ѐруғлик нурлар ѐки температура ўзгариши жараѐнида донадорликлараро
чегара соҳадаги киришмали ҳолатларда электрон-ковак жуфтликлари ҳосил
бўлиши ва кўчишига боғлиқ қонуниятлар ҳамда уларнинг поликристалл
кремний р-n–тузилмалари электрофизик ва фотоэлектрик хоссаларига
таъсирини аниқлаш; қўшимча киритилган киришма атомларининг
донадорликлараро чегара соҳаси микротузилмаси ва электрон хоссаларига
таъсирини аниқлаш; донадорликлараро чегара соҳаларидаги физик
жараѐнларни бошқариш орқали янги турдаги энергия ўзгартиргичлари
авлодини яратиш ва ишлаб чиқариш. Юқорида келтирилган илмий тадқиқот
йўналишида бажарилаѐтган изланишлар мазкур диссертация мавзусининг
долзарблигини изоҳлайди.
Ўзбекистон Республикаси Президентининг 2010 йил 15 декабрдаги
ПҚ–1442-сон «2011–2015 йилларда Ўзбекистон Республикаси саноатини
5
ривожлантиришнинг устувор йўналишлари тўғрисида»ги Қарори ҳамда
мазкур фаолиятга тегишли бошқа меъѐрий-ҳуқуқий ҳужжатларда
белгиланган вазифаларни амалга оширишга ушбу диссертация тадқиқоти
муайян даражада хизмат қилади.
Тадқиқотнинг республика фан ва технологиялари ривожланиши
нинг устувор йўналишларига боғлиқлиги.
Мазкур тадқиқот республика
фан ва технологиялар ривожланишининг III. «Энергетика, энергоресурс
тежамкорлиги, транспорт, машина ва асбобсозлик, замонавий электроника,
микроэлектроника, фотоника ва электрон асбобсозлиги ривожланиши»нинг
устувор йўналишига доир бажарилган.
Диссертация мавзуси бўйича хорижий илмий-тадқиқотлар шарҳи
1
.
Ҳозирги кунда жаҳоннинг етакчи илмий марказлари ва олий таълим
муассасалари, жумладан, Sandia National Laboratories (New Mexico), Tohoku
University (Япония), University of Zˇilina (Slovakia), Northeastern University
(China), Wacker Chemie ва SiTec Applied Ressearch (Германия), OCI (Жанубий
Корея), Hemlock Semiconductor Corporation (АҚШ), SunEdison inc. (АҚШ),
University Stuttgart (Германия), Москва давлат университети (Россия),
Яримўтказгичлар физикаси институти (Россия)да фотоэнергетика ва
микроэлектроника учун мўлжалланган поликристалл кремний асосида
яримўтказгичли асбоблар ва қуѐш элементлари ишлаб чиқиш бўйича
изланишлар олиб борилмоқда.
Жаҳон миқѐсида поликристалл кремний донадорликлараро чегара
микротузилмаси ва киришмали ҳолатларини аниқлаш бўйича бир қатор
илмий
натижалар
олинган,
жумладан,
донадорликлараро
чегара
соҳаларининг атомлар тузилиши, умумий солиштирма қаршиликнинг
донадорлик ва донадорликлараро чегара солиштирма қаршилигига боғлиқлик
қонуниятлари, уларнинг р–n тузилмалар электрофизик ва фотоэлектрик
хоссаларига таъсири (Tohoku University, Япония; University Stuttgart,
Германия), поликристалл кремнийда диффузия, сегрегация жараѐнлари
аниқланган (Миллий техника университети, Украина), шунингдек, уларнинг
турли моделлари ишлаб чиқилган (General Electric Research Laboratory, New
York, Sandia National Laboratories, АҚШ ва Молекуляр электроника илмий
текшириш институти ва «МИКРОН» заводи, Россия).
Бугунги кунда донадорликлараро чегараларини ўрганиш бўйича
назарий ва амалий илмий-тадқиқот ишлари олиб борилмоқда, жумладан,
қуйидаги
устувор
йўналишлар,
донадорликлараро
чегараларининг
горизонтал ва вертикал тузилмалари ва уларда заряд кўчиш жараѐнлари,
рекомбинация марказларини бартараф қилиш ва потенциаль тўсиқ
баландлигини
аниқлаш,
донадорликлараро
чегараларида
диффузия
жараѐнлари бўйича изланишлар олиб борилмоқда.
1
Диссертация мавзуси бўйича халқаро илмий-тадқиқотлар шарҳи Обзор международных научных
исследований по теме диссертации проведен на основе Ж. Annual Review of Materials Science, Vol. 15: 271-
302 August 1985; Lecture on Grain Boundary & Interface Engineering at Department of Materials Engineering,
IISc, (No.2) (18, November, 2015, Bangalore, India), j._mullerova_s._jur_english.pdf. ва бошқа манбалардан
олинган.
6
Муаммонинг ўрганилганлик даражаси.
Бугунги кунга қадар поли
кристалл кремнийнинг физик хусусиятлари, жумладан, донадорликлараро
чегара соҳалари микротузилмаси, киришмали ҳолатлари, уларнинг заряд
кўчиш жараѐнига таъсирини ўрганиш, улардан самарали фойдаланиш бўйича
хорижлик олимлар Р.Розенхайман, К.Харгривз ва бошқалар томонидан
донадорликлараро чегара микротузилмаси, B.M. Johnson, W.K. Schubert, V.
Iglesias томонидан заряд ҳолатлари ва уларни заряд ташувчилар кўчишига
таъсири эса Ryousuke Matsubara, Emi Machidaлар томонидан ўрганилган.
J.Y.W. Seto, В.А. Гридчин, В.М. Любимский, Masaki Takihara, Takuji Takahashi
томонидан уларнинг электрик хоссаларини тушунтириш учун
турли
моделлар таклиф қилинган. Ҳозирги кунда Karem Boubaker, Sang Mi Cho,
Kyle Preston, Amal K, K. Ro, Ö. Ö. Tüzün, Karem Boubaker ва бошқалар
томонидан яримўтказгичли асбоблар ва қуѐш элементлари самарадорлигини
ошириш бўйича кенг кўламда изланишлар олиб борилмоқда.
Мамлакатимизда олиб борилган тадқиқотларда поликристалл кремний
асосида олинган яримўтказгичли асбоблар ва қуѐш элементлари
самарадорлигини
ошириш (академиклар М.С.Саидов, Р.А.Мўминов,
профессорлар А.С.Саидов, А.В.Каримов, Р.У.Алиев), p–n тузилмаларни қуѐш
батареяларида қўллаш бўйича экспериментал тадқиқотлар (проф. Р.У.Алиев
раҳбарлигида) амалга оширилган ва уларнинг бир нечта конструкциялари
ишлаб чиқилган. Бугунги кунда академик М.С.Саидов раҳбарлигида p–n
тузилмалар электрофизик ва фотоэлектрик характеристикалари бўйича
изланишлар олиб борилмоқда. Тадқиқот натижалари асосида киришмали
иссиқлик вольтаик эффектлар аниқланган ва уларнинг классификацияси
таклиф этилган.
Юқорида келтирилганлардан келиб чиқадики, поликристалл кремний
донадорликлараро чегара микротузилмаси ва киришмали ҳолатларини заряд
кўчиш жараѐнларига таъсири; температура ўзгариши жараѐнида киришмали
ҳолатларда электрон-ковак жуфтликлари ҳосил бўлиши, уларнинг р-n –
ўтишлар электрофизик ва фотоэлектрик хоссаларига таъсири; қўшимча
киритилган
киришма
атомларининг
донадорликлараро
чегара
микротузилмаси ва электрон хоссаларига таъсири; ионли киритиш ѐки
электрон нурлар оқими таъсирида ҳосил бўлган рекомбинацион нуқсонлар
ҳамда киришмали ҳолатларида электрон-ковак жуфтликларининг ҳосил
бўлиши, уларнинг р-n тузилмалар электрофизик ва фотоэлектрик хоссаларига
таъсирини аниқлаш йўналишида тадқиқотларни амалга ошириш долзарб ва
илмий-амалий аҳамиятга эга.
Диссертация мавзусининг диссертация бажарилган олий таълим
муассасаси илмий-тадқиқот ишлари билан боғлиқлиги.
Диссертация
тадқиқоти Андижон давлат университети илмий-тадқиқот ишлари
режасининг П–18.52-сон «Қуѐш элементлари учун мўлжалланган кремний
пластиналари олиш технологияларини ўрганиш ва ишлаб чиқиш» (2003–2007
йй.) ҳамда Ф–2–28-сон «Легирланган кремний сирти ва ҳажмидаги квант
ўлчамли эффектлар ҳамда уларнинг p–n структуралардаги заряд ташувчилар
фотогенерация ва рекомбинация жараѐнларига таъсири» (2012–2016 йй.)
7
лойиҳалари доирасида бажарилган.
Тадқиқотнинг мақсади
поликристалл кремний ва р–n – тузилмалар
электрофизик ва фотоэлектрик характеристикаларининг ҳажмий нуқсон ва
донадорликлараро чегара соҳаларидаги локаллашган киришмали ҳолатларига
боғлиқлик қонуниятларини аниқлашдан иборат.
Тадқиқот вазифалари:
икки хил қуйиш методи ва кукунли технология методи билан олинган
поли-Si донадорликлараро чегара микротузилмаси ва морфологиясини
ўрганиш,
шунингдек,
киришмалар
сегрегацияси
жараѐнида
донадорликлараро чегара соҳаларида киришмали ҳолатлар ва нуқсонлар
ҳосил бўлиш механизмларини ойдинлаштириш;
Т
~
300÷800 К температура оралиқларида донадорликлараро чегара
соҳалари микротузилмаси, киришмали ҳолатлари ҳамда поликристалл
кремний ҳажмий нуқсонларининг заряд кўчиш жараѐнларига таъсирини
аниқлаш;
ишқорий металл (Li, Na, K, Cs) атомларининг адсорбция ва десорбция
жараѐнлари ҳамда уларнинг донадорликлараро чегара микротузилмаси ва
электрон хоссаларига таъсирини ўрганиш;
Т
~
300÷500 К температура оралиқларида донадорликлараро чегара
соҳаларидаги нуқсон ва киришмали ҳолатларнинг поликристалл кремний р–n
ўтишлар электрофизик ва фотоэлектрик хоссаларига таъсирини аниқлаш;
электрон нурлар (Е
~
1 МэВ энергия ва D
~
10
15
см
-2
миқдорли) оқими
таъсирида ҳосил бўлган рекомбинацион нуқсонларнинг р–n тузилмалар
электрофизик ва фотоэлектрик характеристикаларига таъсирини Т
~
300÷500
К температура оралиқларда ўрганиш;
қўшимча (Е
~
30 кэВ энергия ва D
~
10
14
см
-2
миқдорли) ишқорий металл
атомлари киритилиши натижасида ҳосил бўлган рекомбинацион нуқсонлар
ѐки киришмали ҳолатларнинг монокристалл ва поликристалл кремний р–n
тузилмалар электрофизик ва фотоэлектрик характеристикаларига таъсирини
Т
~
300÷500 К температура оралиқда аниқлаш;
донадорликлараро чегара соҳадаги киришмали ҳолатлар, шунингдек,
уларнинг р–n тузилмалар электрофизик ва фотоэлектрик хоссаларига
таъсирини тадқиқ қилишнинг анъанавий методларини такомиллаштириш ва
ишлаб чиқиш.
Тадқиқотнинг объекти
сифатида поликристалл кремний ва у
асосидаги p-n – тузилмалар олинган.
Тадқиқотнинг предмети
донадорликлараро чегара соҳаларидаги
нуқсон ва киришмали ҳолатларда электрон-ковак жуфтликлари ҳосил
бўлиши, фотоэлектрик характеристикаларнинг намоѐн бўлиш қонуниятлари
ҳисобланади.
Тадқиқотнинг усуллари.
Тадқиқот жараѐнида экспериментал
физиканинг комплексли информатив усуллари: рентгенспектрал микрозонд
таҳлил, электрофизик ва фотоэлектрик хоссаларини аниқлаш, термик ишлов
бериш, термоэлектрон эмиссия ва легирлаш методлари, ионли киритиш,
8
диффузия, электрон нурлар оқими, кукунли технология усуллари
қўлланилган.
Тадқиқотнинг илмий янгилиги
:
донадорлик ҳажмида киришмаларнинг нотекис тақсимланиши,
хусусан, ҳар бир киришмалар концентрацияси доннадорлик марказидан
сиртга ортиб бориши, донадорликлараро чегара соҳаларида микробўшлиқ ва
бўртиқлардан иборат ғадир-будир сирт ҳосил қилиши асосланган;
икки туташган донадорлик кенглиги нанометрларни ташкил қилиши
кўрсатилган бўлиб, тузоқлар ионланиш энергияси хисобига температура
ўзгариши жараѐнида локаллашган тузоқлар ионланиши аниқланган, бунинг
натижасида потенциал тўсиқ баландилигини ~0,3÷0,9 эВ оралиқларда
ўзгариши ва заряд ташувчилар концентрациясининг камайиши кўрсатилган;
донадорликлараро чегара электрик хоссаларини аниқлаш имконини
берувчи икки туташган донадорликнинг кўп қатламли модели ва эквивалент
электрик схемаси ишлаб чиқилган;
донадорликлараро чегара соҳаларида адсорбция ва десорбция
ҳодисалари аниқланган;
чуқур сатҳли киришмали ҳолатларда электрон-ковак жуфтликлари
ҳосил бўлиши хисобига бир жинсли ва р-n – тузилмали поликристалл
кремний ҳамда р-n – тузилмали монокристалл кремнийда киришмали
иссиқлик вольтаик ва фотовольтаик эффектларининг намоѐн бўлиш
қонуниятлари аниқланган;
донадорликлараро чегара соҳадаги р–n – ўтиш модели таклиф этилган.
Тадқиқотнинг амалий натижалари
қуйидагилардан иборат: кукунли
усул асосида қуѐш элементи учун мўлжалланган поликристалл
кремний пластиналари олиш технологияси ишлаб чиқилди. У асосида
қалинлиги 250÷400 мкм ва ўлчами ≥150 милиметр бўлган поликристалл
кремний намуналари олинган;
поликристалл
кремний
донадорликлараро
чегара
соҳасида
киришмаларнинг адсорбция ва дессорбция ҳодисалари, улар асосида сифатли
р–n ўтишлар олишнинг технологик режимлари аниқланган ҳамда фойдали
иш коэффициенти 7% бўлган қуѐш элементлари учун мўлжалланган р–n
тузилмалари олинган;
поликристалл ва монокристалл кремний пластиналарининг турли
қисмларида бир вақтнинг ўзида турли типли соҳалар тайѐрлаш имконини
берувчи диффузион қурилма ишлаб чиқилган ва тайѐрланган;
поликристалл ва монокристалл кремний пластиналари асосида
янги
турдаги муқобил энергиялар яратишга мўлжалланган
киришмали иссиқлик
вольтаик ва фотовольтаик
эффектрлари олишнинг технологик режимлари
ишлаб чиқилган.
Тадқиқот
натижаларининг
ишончлилиги
яримўтказгичли
асбобларнинг характеристикалари ва параметрларини текширишда стандарт
ва кенг қўлланиладиган замонавий илмий ва технологик методлардан
фойдаланилганлиги билан изоҳланади. Натижа ва хулосалар физикавий
тасаввурларга асосланган назарий ва экспериментал натижалар билан
9
тасдиқланган.
Тадқиқот натижаларининг илмий ва амалий аҳамияти
. Тадқиқот
натижаларининг илмий аҳамияти улар поликристалл кремний донадорлик
лараро чегара микротузилмаси ва электрон ҳолатлари ҳамда адсорбция ва
дессорбция ҳодисаларининг намоѐн бўлишини тушунтириш имконини
беради.
Тадқиқот натижаларининг амалий аҳамияти кукунли технология
ѐрдамида фотоўзгартиргичлар учун мўлжалланган поликристалл кремний
асосли янги турдаги яримўтказгичлар олиш усули ҳамда диффузион қурилма
ишлаб чиқилди.
Тадқиқот натижаларининг жорий қилиниши:
Поликристалл
кремний донадорликлараро чегараларида микротузилма, заряд ҳолатлари, р-n
– ўтишлари ва электрон жараѐнларни тадқиқ этиш асосида:
электрон ва ковак ўтказувчанлик ҳосил қилувчи кремний кристаллида
легирланувчи киришмаларни диффузия жараѐнини ўтказиш бўйича
“Диффузион қурилма” Ўзбекистон Республикаси Интелектуал мулк
агентлигининг ихтирога патенти (IAP 04767, 23.09.2013) олинган. Ишлаб
чиқилган диффузион қурилманинг қўлланилиши бир жараѐннинг ўзида
кремний кристаллида изотип ва турли типлар олиш имконини берди;
қуѐш нурланишининг иссиқлик энергиясини электр энергияга
ўзгартиргич яратиш бўйича “Энергия ўзгартиргич” Ўзбекистон Республикаси
Интелектуал мулк агентлигининг ихтирога патенти (IAP 04815, 05.12.2013)
олинган. Мазкур ихтиронинг қўлланилиши анъанавий ўзгартиргичга
нисбатан 10% катта ток олиш имконини берган.
киришмали
иссиқлик
вольтаик
ва
иссиқлик
фотовольтаик
эффектларнинг номоѐн бўлиш механизмлари; кукунли металлургия асосида
ишлаб чиқилган поликристалл кремний олиш технологияси Ф3–ФА–Ф158
“Кичик ўлчамли нотекис киритмали органик ва ноорганик грануллашган
яримўтказгичлар асосидаги системаларда энергия ўзгартириш жараѐнлари”,
ОТ–Ф2–002 “Поликристалл, аморф ва нанокристалл стимуллашган
номувозанатли заряд кўчиш жараѐнлари” грант лойиҳасида поликристалл
кремний донадорликлараро чегара соҳасида киришмаларнинг адсорбция ва
дессорбция ҳодисалари ва р-n – ўтишлар олишнинг технологик режимларини
аниқлашда қўлланилган (Ўзбекистон Республикаси Фан ва технологияларни
ривожлантиришни мувофиқлаштириш қўмитасининг 10.10.2016 йилдаги
ФТК-03-13/677-сон маълумотномаси). Илмий натижанинг қўлланилиши
органик
ва
ноорганик
грануллашган
яримўтказгичлар
асосидаги
системаларда энергия ўзгартириш жараѐнлари, поликристалл, аморф ва
нанокристалларда заряд кўчиш жараѐнларини аниқлаш имконини берган.
Тадқиқот натижаларининг апробацияси.
Тадқиқот натижалари 21 халқаро ва республика конференцияларида,
жумладан, “Ҳозирги замон физикасининг долзарб муаммолари” (Термез,
2002); “Кремний–2003” (Москва, 2003); “The 3-Uzbek–Korean International
Symposium on Quantum-Functional Materials and Devices 2004” (Tashkent,
2004); “Рост, свойства и применение кристаллов” (Нукус, 2005; Андижон,
10
2008); “Маъмун академиясининг 1000 йиллиги” (Хива, 2006); “Проблемы
альтернативной энергетики и энергоснабжения” (Наманган, 2007); “Физика
ва физик таълимнинг замонавий муаммолари” (Самарқанд, 2009);
“Современные проблемы физики полупроводников” (Нукус, 2011);
“Физикавий электрониканинг долзарб муаммолари” (Тошкент, 2012);
“Кремний–2014” (Иркутск, 2014); “Фундаментальные и прикладные вопросы
физики” (Тошкент, 2014); “Яримўтказгичлар физикасининг долзарб
муаммолари” (Тошкент, 2014); “Микроэлектроника, нанозарралар физикаси
ва технологиялари” (Андижон, 2015) мавзуларидаги республика ва халқаро
илмий-амалий конференцияларда маъруза кўринишида баѐн этилган ҳамда
апробациядан ўтказилган.
Тадқиқот натижаларининг эълон қилиниши
. Диссертация мавзуси
бўйича жами 44 та илмий иш чоп этилган, шулардан Ўзбекистон
Республикаси Олий аттестация комиссиясининг докторлик диссертациялари
асосий илмий натижаларини чоп этиш тавсия этилган илмий нашрларда 20 та
мақола, 1 та монография нашр этилган, 2 та ихтирога патент олинган.
Диссертациянинг ҳажми ва тузилиши.
Диссертация кириш, бешта
боб, хулоса, фойдаланилган адабиѐтлар рўйхатидан иборат. Диссертациянинг
ҳажми 198 бетни ташкил этган.
11
ДИССЕРТАЦИЯНИНГ АСОСИЙ МАЗМУНИ
Кириш
қисмида ўтказилган тадқиқотларнинг долзарблиги ва
зарурияти асосланган, тадқиқотнинг мақсади ва вазифалари, объект ва
предметлари
тавсифланган,
республика
фан
ва
технологиялари
ривожланишининг
устувор
йўналишларига
мослиги
кўрсатилган,
тадқиқотнинг илмий янгилиги ва амалий натижалари баѐн қилинган,
натижаларнинг илмий ва амалий аҳамияти очиб берилган, тадқиқот
натижаларини амалиѐтга жорий қилиш, нашр этилган ишлар ва диссертация
тузилиши бўйича маълумотлар келтирилган.
Диссертациянинг
«Муаммонинг ҳолати ва поли-Si ҳамда унинг
ҳажмидаги донадорликлараро чегараларининг функционал характе
ристикаларини яхшилаш тенденциялари»
деб номланган биринчи бобида
муаммонинг ҳолати, донадорликлараро чегара микротузилмаси, электрон
ҳолатлари, уларни поли-Si электрофизик ва оптик хоссаларига таъсирига оид
адабиѐт маълумотлари шарҳи келтирилган. Бундай тузилмаларнинг микро
электроника ва фотоэнергетикада қўлланиш усуллари, шунингдек,
киришмали иссиқлик вольтаик ҳамда фотовольтаик эффектларининг назарий
ишланмалари бўйича тадқиқот натижалари, улар асосида мавзу
муаммосининг қўйилиши ѐритиб берилган. Мавжуд маълумотларнинг
назарий ва экспериментал таҳлили натижасида вазифаларнинг қўйилиши
шакллантирилган.
Диссертациянинг
“Амалий ва назарий тадқиқот методлари”
деб
номланган иккинчи бобида қўлланилган методлар тавсифлари ҳамда моҳияти
ѐритилган. Тадқиқот намуналари сифатида икки хил қуйиш
2
ҳамда кукунли
технологияда олинган
ρ~
1÷10 Ом
⋅
см, ўтказувчанлиги р тип бўлган поли-Si
намуналар танлаб олинган. Ҳар бир намуна шартли номлаб олинди, масалан,
“Waсker” фирмасида олинган поли-Si намуна учун “Waсker”, қайта қуйиш
усулида олинган поли-Si намуна учун “Қуйма” ва кукунли технология билан
олинган намуна учун “Кукунли” деб номланган. Донадорликлараро чегра
микротузилмасини ўрганиш учун рентген-спектрал микрозонд таҳлилдан
фойдаланилган.
Намуналар
электрофизик
хоссаларига
температура
таъсирини тадқиқ қилиш учун тўрт зондли ва Вандер–Пау усуллари ҳамда
Холл эффекти асосида модернизация қилинган тажриба қурилмалари ва
методларидан фойдаланилган. Солиштирма қаршилик (
ρ
), заряд ташувчилар
ҳаракатчанлиги (
μ
) ва концентрация (
n
)нинг температурага боғлиқлиги
~
300
÷
800 К оралиқда температура ортиши ва камайиши жараѐнида
ўрганилган. Олинган натижаларни тушунтириш учун термоэлектрон эмиссия
модели
3
дан фойдаланилди. Методга киритилган янгиликлардан бири шундан
иборатки, термоэлектрон эмиссия модели асосида зарядларнинг тузоқларда
ушланиши ва озод бўлиши жараѐнида ҳосил бўлувчи (
J
ss
) ток учун шартли
2
Абдурахманов Б.М., Ачилов Т.Х., Кадыров А.Л. ва бошқ. // Гелиотехника., 1992. №4. – С. 8–14; Саидов М.С.,
Билялов Р.Р., Мухамадиев Р.Э., Чирва В.П. // Гелиотехника, 1987. № 6. – С. 18–20.
3
Поликристаллические
полупроводники. Физические свойства и применения: Пер. с англ. // Под.ред. Харбек Г. –М.: «Мир», 1989. –
С. 344.
12
ўзгартиришлар киритилди ва шу шарт бўйича моделнинг ишлаши
кўрсатилди (1-расм). Масалан, агарда зарядларнинг тузоқларда ушланиши
озод бўлишига нисбатан катта бўлса, потенциал тўсиқ баландлиги (
δϕ
)
ортади ва зарядлар икки туташган донадорликлараро чегара соҳасидаги
тузоқлар бўйлаб кўчиш жараѐни юз беради, бунда тузоқлар тўлиқ ўтказув
чанлиги (
Y
ss
) ҳам ортади. Бу ҳолатда
J
ss
ток йўналиши учун “манфий” ишора
қўллаш мақсадга мувоффиқ. Агар зарядларнинг тузоқларда ушланиши озод
бўлишига нисбатан кичик бўлса,заряд тескари томонга ҳаракатланади
δϕ
ҳамда
Y
ss
камаяди, бунда
J
ss
токни “мусбат” ишорага эга бўлади. Моделга
киритилган бу ўзгаришлар заряд ташувчилар кўчиш хусусияти ва бошқа
кинетик характеристикаларни тушунтириш имконини беради.
1-расм. Донадорликлараро
чегара соҳа зоналар
диаграммаси ва унинг
соддалаштирилган схемаси
Киришмаларнинг адсорбция ва десорбция жараѐнлари, уларнинг
донадорликлараро чегара микротузилмаси ҳамда электрон хоссасига
таъсирини аниқлаш учун легирлаш методининг
4
янги “модификация”си
ишлаб чиқилди ва фойдаланилди. Янги “модификация” дастлабкисидан
киритилаѐтган киришмалар сифатида бир қатор ишқорий металл (Li, Na, K,
Cs) гуруҳи, уларни легирлаш методи сифатида ионли имплантация, тадқиқот
объекти сифатида бир жинсли ва р–n ўтишли поли-Si тузилмалар
қўлланилиши билан фарқ қилади. Ионли киритишдан сўнг намуналарга
~
10
-6
Торр вакуум муҳитида 300 К дан 1000 К гача температура орлиқларида
термик ишлов берилди. Ишқорий металл атомларини донадорликлараро
чегара соҳалари электрон ҳоссаларига таъсирини аниқлаш учун
имплантациягача ва сўнг легирлаш методи ѐрдамида
ϕ
аниқланди. Ўлчашлар
ионли киритишгача ва термик ишлов беришнинг 25 К оралиғида олиб
борилди. Легирлаш методининг “модификация”си анъанавий методда
қўлланиладиган бир қатор мураккаб опрерацияларни енгиллаштирди, ҳар бир
ўлчашлар жараѐнида легирланган қатламни кетма-кет емириш ва сиртларни
силлиқлаш, кимѐвий емирувчилардан фойдаланилмайди. Бундан ташқари,
анъанавий тадқиқотларда легирланувчи киришмалар концентрациясидан
ташқари кўплаб намуналар талаб этилиб, улар ҳар томонлама бир хил
бўлиши керак бўлади. Бундай талабни бажариш мураккабдир. Таклиф
этилган легирлаш методининг модификациясига кўра, тадқиқот учун кўплаб
намуна талаб этилмайди, олинган битта натижа ўрганилаѐтган поликристалл
материаллар учун етарли ва ишончлилиги билан фарқ қилади.
р–n тузилма чуқурлигини аниқлаш методи ишлаб чиқилди ва
фойдаланилди. Бу метод инфрақизил нурлари таъсирида фото э.ю.к.
4
Тонкие поликристаллические и аморфные плѐнки: Физика и применения. Пер. с англ. // Под ред.
Л.Казмерски. –М.: Мир, 1983. – С. 304.
13
ўзгариши принципига асосланган. Метод поли-Si намуналарида нисбатан
кичик р–n ўтишлар чуқурлигини аниқлаш имконини беради. р–n ўтиш
чуқурлиги донадорликда 1÷1,5 мкм, донадорликлараро чегара соҳаларида
1,5÷2 мкм оралиқларида бўлиши аниқланди.
р–n тузилмалар электрофизик ва фотоэлектрик параметрларининг
температурага боғлиқлигини тадқиқ қилиш учун янги тажриба қурилмалари
ишлаб чиқилди ва методларидан фойдаланилди. У р–n тузилманинг
белгиланган
λ
=0,4
÷
1,4 мкм тўлқин узунликда ва ѐруғлик нури дастаси
диаметрини
~
10÷400 мкм оралиқда, температура (300
÷
800 К) ўзгариши
жараѐнида ѐритиб тадқиқ қилишга асосланган. Ёруғлик нури дастасининг
қўлланилиши р–n тузилманинг алоҳида микро соҳаларини, жумладан,
донадорлик ва чегар соҳаларини алоҳида-алоҳида ѐртиш имконини беради.
Кукунли технология ѐрдамида поли-Si пластиналари олиш усули ишлаб
чиқилди. Усул хом ашѐни тайѐрлаш, намунани пресслаш, қиздириш ва
сиртрга ишлов бериш каби операциялардан иборат. Прессланган намуна 10
-6
Торр вакуум печида кремний эриш температурасидан кичик Т
~
1220
°
С 60
÷
90
минут оралиқда қиздириш билан электрофизик хоссаларини бошқариб,
ўтказувчанлиги р типли,
ρ~
1 Ом
⋅
см ва заряд ташувчилар яшаш вақти
τ~
10
-5
с
бўлган намуналари олиш мумкин. Ушбу технология қалинлиги 250÷400 мкм,
диаметри 40÷125 мм, ўлчами
≥
150 мм бўлган исталган шаклдаги намуналар
олиш имконини беради.
Бобда келтирилган назарий ва амалий тадқиқот методлари ва уларнинг
янги модификациялари диссертация олдига қўйилган илмий муаммоларни
самарали ҳал қилиш имконини беради.
Диссертациянинг
“Турли усулларда олинган поли-Si донадорлик
лараро чегара соҳалари микротузилмаси ва морфологияси”
деб номлан
ган учинчи бобида донадорликлараро чегара микротузилмаси, морфологияси
ҳамда уларга легирланган киришма атомларининг таъсири, тушунтириш
механизми келтирилган. Тадқиқот натижалари кўрсатадики, донадорлик
ўлчами 100
÷
300 мкм бўлиб, сирти турли мураккаб тузилмалардан, яъни
бўртиқли ғадир-будир сирт ва ўлчами унга тенг
≤
10 мкм бўлган
микробўшлиқлардан иборат. Кимѐвий тахлиллари донадорлик сирти, яъни
икки туташган донадорлик соҳа таркиби кислородли комплекслардан
иборатлигини кўрсатди. Киришмалар концентрацияси донадорлик ядросидан
сиртга ортиб борган ҳолда тақсимлангани аниқланди. 1-жадвалда турли
усулларда олинган поли-Siда киришмалар таркибининг таққосланган
натижалари келтирилган.
Киришма атомлари тақсимоти асосида донадорликлараро чегара
соҳаларида ҳосил бўлувчи микробўшлиқларни аниқлаш учун тенглама
олинган:
100
−
у
=
х
(1)
Бу ерда
х –
микробўшлиқ,
у
– амалий аниқланган киришмалар миқдори (%).
14
1 жадвал
Намуналарнинг кимѐвий таркиби
Намуна тури
Таркиби
Қалинлиги
“Waсker”
Si, S, Cl, Ca, Fe
~
76,39 %
300 мкм
бўшлиқ
~
23,61 %
“Қуйма”
Si, S, Cl, Ca, Fe, Co, Ta
~
72,58 %
250 мкм
бўшлиқ
~
27,42 %
“Кукунли”
Si, S, Cl, Ca, Fe, Co, Ta
~
68,25 %
100 мкм
бўшлиқ
~
31,75 %
Жадвалдан кўринадики, ўрганилаѐтган барча намуналарда «
х
≠
0
», бу
поли-Si кристалланиши жараѐнида микробўшлиқ ҳосил бўлиши асосида
тушунтирилади. Маълумки
5
, кристалланиш жараѐнида қуймадаги киришма
лар ўзаро таъсирлашиб, турли кимѐвий бирикмалар, масалан, SiO
х
ва
SiCl(OH) ҳосил қилиши мумкин. Улар кристалланиш марказидан сиртга
сегрегацияланиш жараѐнида махсус киритилган киришмалар ҳамда қолдиқ
киришмалар билан кимѐвий боғланишлар ҳосил қилиши мумкин. Таъкидлаш
жоизки, баъзи кимѐвий бирикмалар, масалан, SiO
х
ва SiCl(OH)лар
донадорлик сиртига чиқиб кета олмайди. Яъни, донадорлик сирти
шаклланишида сегрегация жараѐни ҳисобига сиртга чиқиб кета олмаган
кимѐвий элементлар донадорликлараро чегара соҳада турли металли ѐки
металл-оксид бирикмалар ҳосил қилади. Бундай тушунтириш механизми
донадорлик ва донадорликлараро чегара микротузилмалари ҳақидаги
замонавий қарашлар билан мос келади. Натижаларга асосан икки туташган
донадорликларнинг тузилиши модели ишлаб чиқилди, унинг кўриниш
схемаси 2-расмда келтирилган.
Бу ерда 1-соҳа деярли барча характеристика
лари монокристаллга хос бўлган донадорлик ядроси.
Бу соҳа легирловчи элемент қотишмаси сифатида
поли-Si олиш жараѐнида қоришмага махсус (В, Аl)
акцептор ѐки (P, As, Sb) донор билан легирланган.
2-соҳаси монокристалнинг чегара соҳаси бўлиб,
у ядродан фарқли равишда турли нуқсон, дислокация
ѐки бошқа кристалл панжара
бузилишларидан иборат. 2-соҳада
киришмалар концентрацияси
донадорлик 1 ядросидан сезиларли
даражада кўп.
2-расм. Икки туташган донадорлик
тузилиш модели
3 ва 4-соҳалар металли кришмалар чиққан ва кремний сиртида ҳосил
бўлган оксид қатламдан иборат плѐнка, шунингдек, металлсимон
киришмалар тўпланиши хисобига ҳосил бўлган металсимон юпқа
пардалардан иборат.
5-соҳа атрофи кристалланиш жараѐнида четки юзаси мураккаб типдаги
полимер бирикмалар ҳосил қилган металлсимон ѐки кремний оксидли
5
Кристаллизация тонких пленок. // АН РУз ИЭ. – Ташкент: «ФАН», 1970.
15
пардалар билан ўралган бўртиқ ўлчамга тенг микробўшлиқ. Бу соҳада 4-
соҳадаги металли бўртиқларнинг туташган соҳалари бўлиши мумкин.
Ишқорий металл атомларининг адсорбланиш ва десорбланиш жараѐни ҳамда
уларни донадорликлараро чегара микротузилмасига таъсирини илк тадқиқот
натижалар келтирилган. 3-расмда намуналарнинг соддалаштирил ган схемаси
тасвирланган. Термик ишлов бериш жараѐнларида киришмалар донадорлик
ва донадорликлараро чегаралари бўйлаб диффузияланиб, 3а расмда
тасвирлангандек 4 ва 5-соҳаларни ҳосил қилади. Илк бор қизиқарли ҳодиса
аниқланди, температура
~
800 К гача етгунча поли-Si намунаси
қиздирилганда киришмалар нафақат донорлик ҳажми ѐки донадорлик
чегаралари бўйлаб диффузияланади балки, улар сирт томонга кўчиб, 3а
расмда (6-соҳа) кўрсатилгандай, донадорликлараро чегарада ишқорий металл
атомлари десорбланади. Бу ҳодиса поли-Si асосида сифатли p–n ўтишлар
ҳосил бўлишига олиб келади. Температура ортиб бориши билан ишқорий
металл атомлари донадорликлараро чегара бўйлаб диффузияланиб, бир
вақтнинг ўзида икки туташган донадорлик сиртларида адсорбланади (8-соҳа,
3b ва 3с-расмлар).
1 – р тип Si донадорлиги; 2 – донадорликлараро чегара соҳаси; 3 – ишқорий металл
атомлари ионлашган ҳолатда киритилган қатлам; 4 – донадорлик ва 5 – донадорликлараро
чегаралари бўйлаб ишқорий металл атомлари диффузияланган қатлам; 6 – ишқорий
металл атомлари десорбланган қатлам; 7, 8 – ишқорий металл атомлари адсорбланган
қатлам; 9 – фосфор диффузия қилинган n қатлам; 10 – донадорликлараро чегаралари
бўйлаб фосфор диффузияланган соҳа; А – намуна орқа ѐки ост қисми (подложка); В –
намуна олд сирти. Ишқорий металларнинг ҳаракат йўналиши нгичка кўрсаткичлар билан
берилган.
3-расм. Поликристалл яримўтказгичнинг соддалаштирилган схемаси
2 жадвал
Ишқорий металл атомлари тақсимоти
Намуна турлари
Li, %
Na, %
K, %
Cs, %
р типли
–
2,82
1,77
1,45
p–n ўтишли
–
1,94
1,02
1,05
Кимѐвий
таркиб
тахлиллари
донадорлик
сиртлари,
яъни,
донадорликлараро чегара соҳаларида ишқорий металл атомларидан иборат
кислородли комплекслар бўлишини кўрсатди (2 жадвал). Ишқорий металл
атомларининг миқдори донадорлик марказидан сиртга ортиб борган ҳолда
тақсимланганлиги аниқланди.
Ишқорий металл атомларининг поли-Si микротузилмасига таъсирини
ўрганиш учун кукунли технологиядан фойдаланилди. Дастлабки хом ашѐ
16
сифатида ҳажмига тез диффузияланувчи ишқорий металл атомлари
киритилган поли-Si ва моно-Si танлаб олинди. Донадорлик сиртининг
кимѐвий таркиби таҳлиллари кристалланишда киришмалар сегрегацияси
ҳисобига икки туташган донадорлик соҳалари Na
~
1,08%, К
~
0,08%
атомларидан иборатлигин кўрсатди. Ишқорий металл атомлари икки
туташган донадорлик соҳасида кислородли бирикмалар ва ваканциялар
билан турли комплекслар ҳосил қилади. Бу комплекслар икки туташган
донадорликлараро чегара соҳа кенглигининг ортишига ва донадорликлараро
чегара соҳаларида металл-оксид пардалар ѐки металли пардалар ҳосил
бўлишига олиб келади. Табиий равишда бу жараѐн бир вақтнинг ўзида
донадорликлараро чегара микротузилмасини бутунлай ўзгартиради.
Олинган натижалар илк бор бир жинсли ва p–n тузилмали поли-Siдаги
донадорликлараро чегара соҳа микротузилмаси тўлиқ кўриниши бўйича
тасаввурларни ҳосил қилади.
Диссертациянинг
“Донадорликлараро чегара соҳаларида заряд
кўчиш жараѐни”
деб номланган тўртинчи бобида температура ўзгариши
нинг поли-Si ҳажмидаги заряд кўчишига таъсири, донадорликлараро чегара
элекрон хоссалари, уларга ишқорий металл атомларининг таъсирини амалий
амалий ўрганишда олинган натижалар келтирилган. Дастлаб турли усулларда
олинган поли-Siнинг электрофизик хоссалари
~
300÷800 К температура
оралиғида ўрганилди. Тадқиқот натижаларига кўрсатадики, намунамуналар
ρ
температурага боғлиқлиги ортиш ва
камайиш соҳаларидан иборат (4-расм).
Масалан, температура ортиши билан
ρ
ортиши “Waсker” намуналарида 525 К
температурагача, “Қуйма” намуналари
да 600 К гача, “Кукунли”да эса 625 К
гача кузатилади. Поликристалл ярим
ўтказгичларда
ρ
донадорлик (
ρ
1
) ва
донадорликлараро чегара (
ρ
2
)
солиштирма қаршиликлари билан
аниқланади. Температура ортиши билан
локаллашган тузоқларда зарядлар
ушланиши
ϕ
нинг 0,3 эВ дан 0,9 эВ
гача ортишига олиб келади, бунда
ρ
2
ҳам отади ва ниҳоят бу жараѐн
ρ
нинг
ортишига олиб келади.
1 - “Waсker”;2 - “қуйма”;3 - “кукунли”;
4 - мoнo-Si; 5 - “кукунли-ИМ”
4-расм. Турли усулларда олинган
поли-Si солиштирма қаршиликлари
нинг температурага боғлиқлиги
Температура ортишининг кейинги босқичида ҳолат зичлиги камайяди, бу
ρ
нинг барча намуналарда
~
703 К температурадаги минимуми кузатилгунга
қадар камайишига олиб келади. Шундай қилиб,
ρ
камайиш соҳаси
“Waсker”да 525÷703 К, “Қуйма”да
~
600÷703 К, “Кукунли”да эса
~
625÷703 К
температура оралиқда кузатилади.
17
Икки туташган донадорлик тузилиш моделига асосан (2-расм)
эквивалент схема таклиф этилди ва ҳар бир соҳадаги
ρ
ни аниқлаш учун
тенглама олинди:
⁄ [
]
⁄
(2)
Бу ерда А, В ва С – доимийлар, Т – температура,
Т
+
– донадорликлараро
чегарадаги ионлашган тузоқлар концентрацияси.
Тадқиқот натижаларига кўрсатадики, ионлашган тузоқлар ва
ваканцияларнинг энергияси ортиши
ϕ
ва
ρ
2
нинг ортишига олиб келади,
бунда
Y
ss
ҳам ортади. Бундай ҳолда ҳолат зичлиги ~1,6
⋅
10
13
см
-2
/эВ гача
ортиши
кўрсатилган.
ϕ
нинг
температурага
боғлиқ
ўзгариши
донадорликлараро чегара соҳаларида жойлашган киришмалар билан юз
берадига кимѐвий жараѐнларга боғлиқ экан. Бу жараѐн поли-Si катта
донадорликка нисбатан кичик донадорликларда кучли юз берар экан. 4-
расмда келтирилган ва поли-Siда аниқланган
ρ
нинг температура билан
номутаносиб ўзгариши
μ
ва
n
да ҳам кузатилади.
5-расмда
μ
ва
n
нинг температурага боғлиқлиги келтирилган. Кўриниб
турибдики, барча ўрганилаѐтган намуналарда
μ
нинг 300 К дан
~
350 К гача
температурага боғлиқ ўзгариши моно-Si
6
натижалари (5-7) билан мос келади,
яъни
μ
температура билан турғун камаяди.
1 – “Waсker”; 2 – “Қуйма”; 3 – “Кукунли”; 4 – мoнo-Si
5-расм. Турли усулларда олинган поли-Si заряд тушувчилар ҳаракатчанлиги ва
концентрациясининг температурага боғлиқлиги
Температуранинг кейинги босқичларидаги
μ
ва
n
нинг ўзгариши
тушунарсиз характерга эга, 400
÷
700 К оралиғида ортиши ва камайиши
кузатилади. Т
~
703 К да
~
25 К кенгликда барча намуналарда
μ
ва
n
катталиклар ўн, ҳатто юз мартага ўзгаради.
μ
ва
n
нинг бундай ноодатий
ўзгариши микросоҳалардан иборат донадорликлараро чегаранинг табиатига
боғлиқ (2-расм). Температура ортиши билан бир вақтнинг ўзида
6
Ottaviani G.I., Reggiani C., Canali F. Nava and A.A. Quaranta. // Phys. Rev. B12, 8 (1975) 3315-3322. Logan R.A.
and A.J. Peters. // J. Appl Phys. 31. 1 (1960) 122-124. MorinF. J. andJ. P. Maita. // Phys. Rev. 96. 1 (1954) 28–35.
18
донадорликлараро чегарада тузоқлар тўпланиши, уларда заряд ташувчилар
ушланиши ва озод бўлиши жараѐни юз беради, тузоқлар сатҳининг энергетик
спектри ўзгаради.
μ
ва
n
нинг ўзгариши температура ортиши билан турли
энергетик сатҳларда
7
тузоқлар намоѐн бўлишига мос келади, 300
÷
350 К даги
ҳолати Е
~
0,15 эВ ва Е
~
0,17 эВ;
~
383÷400 К да Е
~
0,36 эВ намоѐн бўлади;
~400
÷
680 К да Е
~
0,3 эВ сатҳли тузоқлар пайдо бўлади. Бу
μ
ва
n
сакраб
ўзгаришига олиб келади.
Донадорликлараро чегара микротузилмаси ва натижаларни ишлаш
жараѐнида поли-Siдаги
n
ни аниқлаш учун тенглама олинган. Поли-Si
ҳажмидаги умумий заряд ташувчилар (
n
v
) концентрацияси донадорликдаги
(
n
cr
) ҳамда донадорликлараро чегарадаги заряд ташувчилар концентрацияси
(
n
bgb
) йиғиндиси билан аниқланади. Бу ерда
n
bgb
иккита ташкил этувчилардан
иборат:
n
1
– етарлича юқори энергияга эга бўлган, ўтказувчанликда иштирок
этиб, умумий ўтказувчанликка қўшимча ҳисса қўшган заряд ташувчилар
концентрацияси ҳамда
n
2
– донадорликлараро чегараларидаги ионлашган
ҳолатларда ушланган заряд ташувчилар концентрацияси.
n
2
ионлашган
тузоқлар концентрацияси (
N
o
), ионланиш энергияси (
Е
),
ϕ
ва ҳолат зичлиги
(
N
v1
)га боғлиқ.
n
cr
нинг моно-Si заряд ташувчиларлар концентрациясига
хослигидан фойдаланиб
n
v
ни қуйидагича ифодалашимиз мумкин:
exp( / ) ( exp( / ) )exp( / )
N qE kT N N qE kT q kT
− ⋅ − − −
ϕ
v g
v o
1
n
v g
v o
≈
(3)
exp( / ) ( exp( / ) )exp( / )
v
ϕ
N qE kT N N qE kT q kT
−
+
− − −
1
(3)дан кўринадики, температура таъсирида ионлашган тузоқлар
концентрацияси ўзгариши
n
v
нинг ўзгаришига олиб келади. 500
÷
700 К да
турли усулларда олинган поли-Si намуналарида
n=f(Т)
боғлиқлик бир
биридан сезиларли фарқ қилади. Жумладан, “Waсker” намуналарида
n
ортиши
кузатилса, “Қуйма”да
n
ўзгармайди, “Кукунли”да эса камайиш кузатилади.
Айтиб ўтилган поли-Siлар донадорлик ўлчами билан фарқ қилишидан
қуйидаги хулосага келиш мумкин: донадорлик ўлчами кичик бўлганда
N
o
температура билан ортади, бу
n
2
нинг ортишига ва
n
v
нинг камайишига олиб
келади. Ва ниҳоят,
Т
~703 К да
ρ
,
n
ва
µ
ларнинг сакраб ўзгариши
донадорликлараро чегара соҳалари ва донадорликда термодонорлар намоѐн
бўлишига боғлиқ.
Поли-Siга ионли киритилган ишқорий металл атомларининг донадор
ликлараро чегара электрон хоссаларига таъсири илк бор ўрганилди. Ишқорий
металлар ортиши
ϕ
0,3 эВ дан 0,45 эВ га ортишиги олиб келади. Бу ортиш
ион имплантация жараѐнида поли-Si сиртидаги тузилма бузилишига
боғлиқлиги кўрсатиб берилди. Термик ишлов натижасида тузоқлар тўлиши
ѐки бартараф бўлиши билан
ϕ
камайяди
8
. Ушбу тадқиқот жараѐнида
ϕ
ўзгариши (Т≤600 К даги I соҳа, 6-расм) келтирилган мулоҳаза билан мос
7
Заставной А.В., Король В.М. Взаимодействие лития с радиационным дефектами в кремнии. // ФТП, т.23, В.
2, с. 369–372 (1989).
8
Тонкие поликристаллические и аморфные плѐнки: Физика и применения. Пер. с англ. // Под ред.
Л.Казмерски. –М.: Мир, 1983. –С. 304.
19
келади. Бироқ температура ортиши билан I соҳадан фарқли равишда
ϕ
ишораси ўзгариши кузатилади (II ва III соҳалар). р–n тузилма ҳосил
бўлишини баҳолаш учун ионли критишдан сўнг ва кейин термик ишлов
беришнинг ҳар 25 К да намуналар ВАХ билан таққослаб борилди. Тадқиқот
кўрсатадики, электрон-ковак ўтиш сифати термик ишлов бериш температура
сига боғлиқ. Агар температура ≤700÷800 К дан ошмаса, термик ишлов бериш
p–n ўтиш тўғрилаш хоссасининг сезиларли яхшиланишига олиб келади.
Бироқ температуранинг кейинги босқичларида диод характеристика ѐмонла
шади. Бизнинг фикримизча, ≥600 К да
ϕ
нинг ўзгариши(II ва III соҳа) поли-Si
сиртидаги донадорликлараро чегара
соҳаларида ишқорий металлнинг
десорбланиши ва уларнинг донорлик
табиати, яъни n
+
соҳа (3а-расмда
кўрсатилгандек, 6-соҳа) намоѐн бўли
ши билан тушунтирилади. Термик
ишлов беришнинг кейинги босқичла
рида донадорликлараро чегарада
ишқорий металл атомлари ортиши
билан десорбланган қатлам металла
шуви вужудга келади, бунда
ϕ
6-расм. Ишқорий металл
атомлари киритилган поли-Si
донадорликлараро чегара соҳасидаги
потенциал тўсиқ баландлигининг
термик ишлов бериш температурасига
боғлиқлиги
камаймайди, балки
n
+
соҳада ортади
(6-расм, 2-чизиқ). Температура орти
шининг кейинги ҳолатида
ϕ
нинг
ўзгаришини баҳолаш учун (III соҳа)
легирлашнинг янги “модификация”-
сидан фойдаланилди. Ўлчашлар наму
на орқа томонида олиб борилди (3b ва 3c-расмга қаранг. А – таглик).
7-расмда термик ишлов
нинг турли температураларида
икки хил намунада
ϕ
нинг
ўзгариши тасвирланган.
Кўриниб
турибдики, ҳар иккала р тип
ва p–
n тузилмали намуналарда
ϕ
температура билан ортади.
ϕ
нинг
ортиши донадорликлараро чегара
соҳаларида ишқорий металлар
нинг адсорбланиши билан тушун
тирилади (3b ва 3c-расм, 8-соҳа).
Диффузия жараѐнида донадорлик
лараро чегара бўйлаб адсорблан
ган қатлам металлашуви ортади.
2-жадвалда кўрсатилгандек, бу
соҳада ишқорий металл атомла ри
концентрацияси ортади ва бу
ϕ
7-расм. Ишқорий металл атомлари
киритилган поли-Si таг қисми
донадорликлараро чегара соҳасидаги
потенциал тўсиқ баландлигининг термик
ишлов бериш температурасига
боғлиқлиги
20
ни ортишига олиб келади. Намуналарда
ϕ
ортиши намуна турига боғлиқ.
Диффузия жараѐнида ишқорий металл р–n тузилма
n
+
соҳани босиб ўтиш
керак. Бу соҳада илгари фосфор киритилганлиги учун киришмали ҳолатлар
миқдори анча юқори (3с-расм, 10-соҳа). Шунинг учун
n
+
соҳадан ишқорий
металл диффузияланишига қўшимча вақт, энергия ѐки юқорироқ температура
талаб қилинади. Термик ишлов температураси ортиши билан
ϕ
нинг турғун
ҳолати донадорликлараро чегара сиртларида киришмаларнинг
тенг
тақсимланганлигига боғлиқ.
Температура ўзгариши жараѐнида ишқорий металларнинг кукунли
технология методида олинган поли-Si донадорликлараро чегара соҳаларида
заряд ташувчилар кўчишига таъсири илк бор тадқиқ қилинган (4-расмга
қаранг: “Кукунли–ИМ”). Кўринадики, температура ортиши билан поли-Si
ҳажмида ишқорий металл атомлари ҳисобига
ρ
турғун ўзгаради. Бу ишқорий
металл атомлари томонидан рекомбинация марказларини бартараф
қилиниши билан тушунтирилади. Бундан ташқари, бизнинг фикримизча,
температура оралиқларида ишқорий металл атомлари тез ҳаракатчанлиги
билан донадорлик ичидан донадорликлараро чегара соҳага, яъни донадорлик
сиртига кўчиши мумкин, температура пасайиши жараѐнида эса аксинча,
қайта донадорлик ичига кўчади.
Диссертациянинг
“Донадорликлараро чегара соҳаларидаги нуқсон
ѐки киришмали ҳолатларнинг р–n тузилма электрофизик ва
фотоэлектрик хоссаларига таъсири”
деб номланган бешинчи бобида
донадорликлараро чегара соҳаларидаги киришмали ҳолатларда электрон
ковак жуфтликларининг ҳосил бўлиши, донадорликлараро чегара соҳаларида
р–n тузилмалари назарий модели ва уларда заряд кўчиши жараѐнлари,
температура
ўзгариши,
киришмали
ҳолатлар
ва
рекомбинация
марказларининг р–n тузилмалар электрофизик ва фотоэлектрик хоссаларига
таъсирини амалий тадқиқ қилишда олинган натижалар баѐн қилинган.
Донадорликлараро чегара соҳасида тўғридан-тўғри р–n тузилма ҳосил
бўлиши аниқланган. 8б-расмда поли-Si р–n тузилманинг соддалаштирилган
схемаси, 8а-расмда донадорликлараро чегара соҳаси мос ҳолда зоналар
диаграммаси келтирилган. Намуна ҳажмида заряд кўчиши кўрсаткичлар
билан кўрсатилан.
Е
iр
ва
Е
in
мос ҳолда р ва n соҳалардаги рекомбинация
марказларидир, улар донадорликлараро чегара соҳада қўшимча тўсиқларни
ҳосил қилади. Шунингдек, 8а-расмда p–n ўтиш соҳасида жойлашган
E
gtp
ва
E
gtn,
рекомбинация марказларининг энергия бўйича тақсимоти кўрсатилган.
Таъкидлаш жоизки, биз томонимиздан қуйидаги қонуниятни киритиш лозим
дебтопилди: заряд ташувчилар ушланиши ва озод бўлиши нафақат
Е
ip
ва
Е
in
,
акцептор ва донор сатҳларда юз бериши, балки заряд ташувчилар ушланиши
ва озод бўлиши сатҳлар бўйлаб юз бериши ҳам мумкин, яъни температура
ортиши билан келтирилган энергетик сатҳларга мос янги рекомбинация
марказлари кетма-кет пайдо бўлади. Заряд ташувчилар валент зонадан
ўтказувчанлик зонасига ўтишда мана шу оралиқдаги рекомбинация
марказларида ушланади ва энергетик сатҳ ўтказувчанлик зонасига
тенглашгунга қадар улар сатҳлар бўйлаб кетма-кет кўчади.
Е
ip
ва
E
gtp
ѐки
Е
in
21
ва
E
gtn
сатҳлар ўртасида
заряд ташувчилар ушланиши ва озод бўлиши мос
ҳолда 1-расмда кўрсатилганидек, р ва n соҳаларда
J
ss(p)
ва
J
ss(n)
токларнинг, бу
эса
J
ss
нинг
намоѐн бўлишига олиб келади. П
оли-Si
температураси билан
J
ss(p)
ва
J
ss(n)
токлар
ортади. Умумий токни қуйидагича ифодалаш мумкин
:
J=J
pn
+J
tot(pn)
+J
ss(pn)
+J
s(n)
(4)
(4) дан кўринадики, умумий ток рекомбинация марказларида заряд
ташувчилар ушланиши ва озод бўлиши жараѐнида пайдо бўлувчи (
J
ss(pn)
,
J
ss(pn)
ва
J
th(pn)
) токлар йиғиндисига тенг. Агар бу токлар
J
pn
дан кичик бўлса,
умумий ток
J
pn
билан, аксинча бўлганда эса умумий ток
J
ss(pn)
,
J
s(pn)
, ва
J
th(pn)
лар
билан аниқланади. Бу киришмали иссиқлик вольтаик эффектларнинг намоѐн
бўлишига олиб келиши мумкин. Поли-Si p–n соҳаси қизиганда ѐки
ѐритилганда
Е
iр
ва
Е
in
сатҳларда ҳам электрон-ковак жуфтликлари ҳосил
бўлади. p соҳадаги
E
gtp
сатҳлардан зарядлар озод бўлганда, улар n соҳага
ҳаракатланганда бўшаб қолган
E
gtp
сатҳлар
E
ip
сатҳдан озод бўлган
электронлар билан тўлади,
E
ip
сатҳлар эса валент зонадан чиққан заряд
ташувчиларлар билан тўлади. Бундай жараѐн р–n тузилма n соҳасида ҳам юз
беради.
J
ss(pn)
,
J
s(pn)
ва
J
th(pn)
токларнинг ортиши p–n ўтиш тўғри токи “мусбат”
ишора билан ортишига олиб келади. Аксинча, электронлар р соҳага, коваклар
n соҳага ҳаракатланса
J
ss(pn)
,
J
s(pn)
ва
J
th(pn)
токлар “манфий” ишора билан
ортади, бу билан бирга p–n ўтиш тўғри токи ҳам “манфий” ишора билан
ортади. Биринчи ҳолда p–n ўтиш умумий токи “мусбат” ишора билан ортса,
иккинчи ҳолда p–n ўтиш умумий токи “манфий” ишора билан ўзгаради.
1 – донадорлик; 2 – донадорликлараро
чегара соҳаси; 3 – фосфор диффузияланган
n қатлам; 4 – донадорликлараро чегара
бўйича фосфор диффузияси.
8-расм. Донадорликлараро чегара соҳаларидаги р-n – тузилма зоналар
диаграммаси ва унинг соддалаштирилган схемаси
9а-расмда поли-Si n
+
–р тузилма қоронғилик токининг температурага
боғлиқлиги тасвирланган. Кўриниб турибдики,
~
100
°
С гача ток турғун
ортади, сўнгра худди шу йўналишда ток бирдан ортиб бориб, унинг қиймати
~
20
о
С га нисбатан ўн марта юқори ортиши кузатилади. Кўриб ўтилган
ҳолатларни
J
ss(pn)
,
J
s(pn)
ва
J
th(pn)
токлар “манфий” ишора билан ўзгариши билан
тушунтириш мумкин. Совиш жараѐнида ток ўзгариши қизиш жараѐнидаги
ҳолатидан тубдан фарқ қилади. Қизиш жараѐнида Е
~
0,15 эВ ва Е
~
0,17 эВ
сатҳларда ушланган заряд ташувчилар температура камайиши билан
сатҳлардан озод бўлади, бу эса
~
50÷100
о
С оралиқда токнинг сакраб
ўзгаришига олиб келади.
22
9-расм. Тадқиқот намуналари қоронғулик ва фототокининг температурага
боғлиқлиги
9б-расмда поли-Si n
+
–р – тузилма сиртидаги турли микросоҳалар
ѐритилгандаги фототокининг температурага боғлиқлиги солиштирилиши
тасвирланган. Кўринадики, барча температура орлиқларида моно-Si n
+
–р
тузилма фототоки кучсиз турғун ўзгаради. Поли-Si тузилманинг катта
донадорлиги ѐритилганда (
○
)
J=f(T)
боғлиқлик ≤100
°
С да моно-Si қуѐш
элементи натижаларига мос ҳолда монотон ўзгаради. Сўнгра,
~
110
÷
160
°
С
оралиқда ток тескари йўналишда ўзгаради, температуранинг кейинги
ҳолатларида ток йўналишини ўзгартириб тўғри йўналишида бирдан ортади,
унинг Т
~
180
°
С даги қиймати
~
20
°
С даги қийматига нисбатан 10 марта
кескин ортади. Кичик донадорлик гуруҳидан иборат микросоҳа ва улар
ўртасидаги донадорликлараро чегаралари ѐритилганда (
Δ
) Т
~
80
÷
100
°
С
оралиқларда ток
~
20
°
С даги қийматига нисбатан 2 марта ортиши кузатилади.
Сўнгра,
~
100
°
С дан 140
°
С гача бўлган оралиқларда токнинг бирдан ортиб
бориб, Т
~
160
°
С да ток
~
20
°
С даги қийматига нисбатан 10 мартага ортиши
кузатилади. Донадорликлараро чегара соҳаси кенг ѐки 3
÷
4 катта донадорлик
лар ўртасидаги микросоҳалари (
◊
) локал ѐритилганда фототокнинг темпера
турага боғлиқлигида қизиқ ҳолатни кўришимиз мумкин. Температура
~
100
°
С
га етгунча токнинг секин ортиши, сўнгра,
~
105
°
С да бирдан ортиб, кейин
токнинг йўналиши кескин ўзгариб камайяди. Температура ортиши билан ток
йўналиши яна дастлабки ҳолатига қайтади, унинг қиймати тахминан 100
°
С
да қийматига эришади. Сўнгра, температура 150
°
С гача ток қиймати силлиқ
камайяди,
~
170
°
С да қайта бирдан ортади. Кўриб ўтилган фототокнинг
ортишини
J
ss(pn)
,
J
s(pn)
ва
J
th(pn)
токлар “мусбат” ишора билан намоѐн бўлишига
боғлиқ ҳолда тушунтирилган. Заряд ташувчилар кўчиши жараѐнида
тунеллашув юз беради ва бундай ҳолни 9б-расмда, киришмали иссиқлик
фотовольтаик эффектнинг ҳосил бўлишида кўришимиз мумкин. Бу
~
100÷170
°
С оралиқларда юз беради, сўнгра, 0,36 эВ сатҳли тузоқларнинг таъсири
кучайиб, дастлаб ток қийматининг камайишига, сўнгра ток йўналишини
ўзгаришига олиб келади.
23
10-расмда электрон нурлар оқими таъсир қилинган моно-Si р–n
тузилма қоронғилик токи (1) ва фототоки (2)нинг температурага боғлиқлиги
келтирилган. Кўриниб турибдики, қоронғилик токи 150
°
С гача температура
билан турғун ортади, сўнгра, 8б-расмда тасвирланган, юқорида таклиф
этилган моделда кўрсаилгандай бирдан ортиши кузатилади. Худди шундай
ҳолат қоронғилик кучланишида ҳам
кузатилди. Намуна ѐритилганда (2)
киришмали рекомбинация марказла
рида электрон-ковак жуфтликлари
ҳосил бўлиб, p–n ўтиш токининг
ортишига қўшимча ҳисса қўшади. (1)
ва (2) ни таққосланганда, масалан,
~
230
°
С да фототок
~
800 мкА бўлиб,
яъни қоронғилик токига нисбатан
>
5
марта юқори қийматга эришади. 10-
расмдан кўринадики, умумий ток
моно-Siни электрон нурлар оқими
билан нурлантирилганда ҳосил
10-расм. Электрон нурлар оқими таъсир
қилинган моно-Si р–n тузилма
қоронғилик токи ва фототокининг
температурага боғлиқлиги
бўлган чуқур рекомбинация марказ
ларида заряд ташувчилар ушланиши
ва озод бўлиши ҳисоби га пайдо
бўлувчи
J
ss(pn)
,
J
s(pn)
ва
J
th(pn)
токларга
боғлиқ ва улар билан аниқланади. Қизиш ѐки ѐритилган вақтда электронлар
бу марказлардан р соҳа, коваклар эса n соҳа ҳажмига ҳаракатланади. Яъни,
J
ss(pn)
,
J
s(pn)
ва
J
th(pn)
токлар ортади ва “манфий” ишорали йўналишга эга
бўлади. Унга мос ҳолда р–n ўтиш тўғри токи ҳам манфий ишора билан
ортади. Бу киришмали иссиқлик вольтаик ва фотовольтаик эффектларнинг
намоѐн бўлишига олиб келади.
11-расмда ион имплантация
билан
қўшимча ишқорий металл
киритилган
моно-Si р–n тузилма қоронғулик ва
фототокнинг температурага
боғлиқли
ги келтирилган. Кўринадики,
қоронғу
лик токи, биринчидан, “манфий”
ишорали йўналишга эга, иккинчидан,
унинг температура билан ўзгариши
юқорида келтирилган модел (8б-расм)
билан мос келади. Ёритилганда
≤150
°
С да фототокнинг турғун
ортиши кузати лади. Сўнгра ток
йўналишини қарама қарши ишорали
томонга ўзгартириб,
11-расм. Ион имплантация билан
қўшимча ишқорий металл киритил
ган моно-Si р–n тузилма қоронғилик
токи ва фототокининг температурага
боғлиқлиги
ортиш камайиш билан алмашади. Қоронғулик токи
~
225
°
С температурагача
тушиши Е=0,3 эВ рекомбинация марказининг пайдо бўлиши билан
тушунтирилади. Бу марказнинг тез ҳаракатчан калий билан бартараф
24
қилиниши қоронғулик токининг камайишига олиб келади. Бу тушунтириш
бошқа ишқорий металл атомлари легирланган намуналарда фототокнинг
ўзгаришига қўлласа бўлади. Масалан, калий учун ток тушиши
~
225
°
С гача,
цезий учун
~
200
°
С гача. Намуналар қизишида рекомбинация марказлари
бартараф бўлиши совиш жараѐнида нисбатан кучлироқ кузатилади.
Шундай қилиб, таклиф этилган моделлар поли-Si ҳамда оддий
легирлаш ѐрдамида юқори концентрацияли чуқур энергетик сатҳлар ҳосил
қилинган моно-Si намуналарида амалий олинган натижаларни самарали
тушунтириш имконини беради. Олинган натижалар киришмали иссиқлик
вольтаик ва фотовольтаик эффектлар ҳосил бўлишини бошқариладиган
тузилмалар ҳамда бундай эффектлар асосида муқобил энергия манбалари
яратиш технологияларини кенгайтиради.
ХУЛОСА
Поликристалл кремний донадорликлараро чегараларидаги физик
жараѐнларни, иссиқлик вольтаик ва фотовольтаки эффект ҳодисларини
тадқиқ қилиш асосида қуйидаги хулосалар қилинди:
1. Икки туташган донадорликнинг кўп қатламли модели ишлаб
чиқилган, қайсики, атрофи нуқсон, дислокация ва бошқа тузилма
бузилишлари билан ўралган монокристалли ядроси, шунингдек, сиртларида
тенг тақсимланган бўртиқ кўринишидаги микросоҳа ва металли
компонентлар ҳамда бўшлиқдан ташкил топган.
2. Донадорлик ўлчами ва донадорликлараро чегарадаги нуқсон ҳамда
киришмали ҳолатларга боғлиқ локаллашган тузоқлар ионланишининг
умумий таъсири хисобига солиштирма қаршилик (
ρ
), заряд ташувчилар
ҳаракатчанлиги (
µ
) ва концентрация (
n
)нинг температура билан номутаносиб
ўзгариши аниқланган.
3. Локаллашган тузоқлар ҳолат зичлиги ортиши потенциал тўсиқ
баландилигининг (
ϕ
) 0,3 эВ дан 0,9 эВ гача ўзгариши ҳамда
ρ
нинг ортишига,
шунингдек, асосий заряд ташувилар концентрациясининг камайишига олиб
келиши амалий тажрибалар асосида исботланган.
4. Икки туташган донадорликнинг кўп қатламли модели асосида
донадорликлараро чегра соҳалари ҳамда унинг ҳар бир микросоҳалари
электрик хоссасини аниқлаш имконини берувчи эквивалент электрик схема
таклиф қилинган.
5. Қатор ишқорий металллар адсорбция ва десорбция ҳодисаларининг
намоѐн
бўлиш
режимлари,
уларнинг
донадорликлараро
чегара
микротузилмаси ва электрон хоссаларига таъсири аниқланган. Термик ишлов
бериш жараѐнида ишқорий металл атомларининг донадорликлараро чегарада
десорбланиши
поликристалл
кремний
сиртидаги
юпқа
қатлам
ўтказувчанлиги ҳамда
ϕ
ишораси ўзгаришига, поликристалл кремний таглик
сиртигача диффузияланиши эса уларни икки туташган донадорлик сиртида
адсорбланишига олиб келади.
25
6. Т
~
300÷500 К температура оралиқда донадорликлараро чегара
соҳаларидаги локаллашган тузоқлар ионланиши жараѐнида тузоқларда
зарядлар ташувчиларнинг ушланиши ва тузоқлар бўйлаб кўчиши хисобига
қоронғулик токи ва кучланиш ўзгариши монокристалл намуналар билан
таққослаганда фарқ қилиши кўрсатиб берилган.
7. Тузоқларда заряд ташувчилар ушланиши ва озод бўлиши билан
боғлиқ қоронғулик ва фототокнинг ҳосил бўлиши ҳамда заряд ташувчилар
кўчиши механизмларини тушунтириб берувчи донадорликлараро чегара
соҳаларидаги р–n ўтиш модели таклиф этилган.
8. Поликристалл ҳамда монокристалл кремний асосли р–n тузилмалар
қиздирилганда ѐки ѐритилганда чуқур киришмали ҳалатлар иштирокида
электрон-ковак жуфтликлари генерацияси жараѐни билан боғлиқ киришмали
иссиқлик вольтаик ва фотовольтаик эффектлар намоѐн бўлиши кўрсатилган.
9. Донадорликлараро чегара соҳаларидаги киришмали ҳолатларни
тадқиқ қилиш методлари модификация қилинган: термоэлектрон эмиссия
модели ѐрдамида донадорликлараро чегара электрон хоссаларини тадқиқ
қилишда заряд ташувчиларнинг тузоқларда ушланиши ва озод бўлиши
жараѐнида пайдо бўлувчи (
J
ss
) ток ва тузоқлар тўлиқ ўтказувчанлиги (
Y
ss
)ни
эътиборга олиш лозимлиги кўрсатиб берилган.
10. Тез диффузияланувчи элементларни қўллаш орқали ишлаб
чиқилган легирлашнинг янги методи р ѐки n тип намуналарда р–n тузилмалар
олиш имконини берди ва методикани соддалаштирилиши хисобига
технологик жараѐнларни осонлаштиради.
11. Намуна сирти бўйлаб ~10 дан 400 мкм диаметрли ва белгиланган
тўлқин узунликдаги ѐруғлик нурини сканерлаш ѐрдамида р–n тузилмалар
электрофизик
характеристикасининг
температурага
боғлиқлигини
аниқлашнинг яримавтомат методи яратилган.
12. Қуѐш энергияси ва иссиқлик энергиясини ўзгартиргич тайѐрлаш
учун мўлжалланган бир вақтнинг ўзида моно ва поликристалл кремний
платиналарининг турли қисмларида турли типлар тайѐрлаш имконини
берувчи диффузион қурилма ишлаб чиқилган.
26
НАУЧНЫЙ СОВЕТ по ПРИСУЖДЕНИЮ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ
ДОКТОРА НАУК 14.07.2016. FM/T.12.01
при ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКОМ ИНСТИТУТЕ
и САМАРКАНДСКОМ ГОСУДАРСТВЕННОМ УНИВЕРСИТЕТЕ
АНДИЖАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ОЛИМОВ ЛУТФИДДИН ОМАНОВИЧ
МЕЖЗЕРЕННЫЕ ГРАНИЦЫ В ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОМ
КРЕМНИИ: МИКРОСТРУКТУРА, ЗАРЯДОВЫЕ СОСТОЯНИЯ И
Р-N – ПЕРЕХОДЫ
01.04.10. – Физика полупроводников
(физико-математические науки)
АВТОРЕФЕРАТ ДОКТОРСКОЙ ДИССЕРТАЦИИ ТАШКЕНТ – 2016
27
Тема докторской диссертации зарегистрирована в Высшей аттестационной комиссии
при Кабинете Министров Республики Узбекистан за № 30.09.2014/В2014.5.FM165.
Докторская диссертация выполнена в Андижанском Государственном университете им. З.М.
Бабура.
Автореферат диссертации на трех языках (узбекский, русский, английский) размешен на
веб-странице Научного совета по адресу fti-kengash.uz и Информационно-образовательном
портале “ZiyoNet” (www.ziyonet.uz).
Научный консультант: Алиев Райимжон
доктор технических наук, профессор
Официальные оппоненты: Имамов Эркин Зуннунович
доктор физико-математических наук, профессор
Дадамирзаев Мухаммаджан Гулямкадирович
доктор физико-математических наук
Исмайлов Канатбай Абдреймович
доктор физико-математических наук, профессор
Ведущая организация:
Ферганский Государственный университет
Защита состоится «____»_____________2016 г. в ______ часов на заседании Научного совета
14.07.2016.FM/Т.12.01 при Физико-техническом институте Самаркандского государственного
университета по адресу: 100084, г.Ташкент, ул.Бодомзор йўли – 2б. Тел/Факс: (+99871) 235-42-91.
E-mail:
lutp@uzsci.net
.
Докторская диссертация зарегистрирована в Информационно-ресурсном центре Физико
технического института за № 04, с которой можно ознакомиться в ИРЦ по адресу: 100084,
г.Ташкент, ул.Бодомзор йўли – 2б. Тел/Факс: (+99871) 235-30-41.
Автореферат диссертации разослан «_____»__________________2016 года.
(протокол рассылки № __от________________2016 года)
С.Л. Лутпуллаев
председатель Научного совета по присуждению
учѐной-степени доктора наук, д.ф-м.н., профессор
А.В. Каримов
ученый секретарь Научного совета по присуждению
учѐной-степени доктора наук, д.ф-м.н., профессор
А. Абдурахманов
Зам. председатель научного семинара при Научном совете
по присуждению учѐной степени доктора наук, д.ф-м.н., профессор
28
ВВЕДЕНИЕ (аннотация докторской диссертации)
Актуальность
и
востребованность
темы
диссертации.
В
сегодняшний день в мире полупроводниковый кремниевый поликристалл
играет важную роль в интенсивном развитии отрасли физики полупровод
ников. 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 контактирую
щих 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 поликристаллических 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 p-n – 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 дистертации.
29
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.
Соответствие
исследования
приоритетным
направлениям
развития науки и технологий Республики Узбекистан.
Диссертация
выполнена в рамках приоритетных направлений развития науки и технологий
Республики Узбекистан III. «Энергетика, энергоресурс сбережение,
транспорт, машино- и приборостроение; развитие современной электроники,
микроэлектроники, фотоники, электронного приборостроения».
Обзор зарубежных научных исследований по теме диссертации
9
.
В
настоящее время в ведущих мировых научно исследовательских центрах,
институтах и университетах, в том числе, Sandia National Laboratories (New
Mexico), Tohoku University (Япония), University of Zˇilina (Slovakia),
Northeastern University (China), Wacker Chemie и SiTec Applied Ressearch
(Германия), OCI (Южная Корея), Hemlock Semiconductor Corporation (США),
SunEdison inc. (США), University Stuttgart (Германия), в Московском
государственном университете, в Институте физики полупроводников
(Россия) проводятся изыскания по разработке новых технологий получения
поликристаллического кремния, предназначенного для фотоэнергетики и
микроэлектроники.
На мировом уровне в области изучения микроструктуры и примесных
состояний межзеренных границ в поликристаллическом кремнии получены
ряд новых научных результатов, в том числе, определены атомарные
структуры области межзеренных границ, установлены закономерности
зависимости суммарного удельного сопротивления от удельного сопротивле
ния зерна и межзеренных границ, и их влияние на электрофизические и
фотоэлектрические свойства р-n – структур (Tohoku University, Япония,
University Stuttgart, Германия), изучены процессы сегрегации и диффузии в
поликристаллическом кремнии (Национальный технический университет
Украины), а также разработаны разные модели межзеренных границ (General
Electric Research Laboratory, New York, Sandia National Laboratories, USA и
НИИ молекулярной электроники и завод «МИКРОН», Россия).
В настоящее время ведутся теоретические и экспериментальные
научно-исследовательские работы по изучению межзеренных границ, в том
числе, по следующим перспективным направлениям как исследование
горизонтальной и вертикальной структуры межзеренных границ и процессам
переноса заряда в них, по пассивации рекомбинационных центров и
определению высоты потенциального барьера, по диффузионным процессам
в межзеренных границах.
9
Обзор международных научных исследований по теме диссертации проведен на основе Ж. Annual Review of
Materials Science, Vol. 15: 271-302 August 1985; Lecture on Grain Boundary & Interface Engineering at
Department of Materials Engineering, IISc, (No.2) (18, November, 2015, Bangalore, India),
j._mullerova_s._jur_english.pdf. и других источников.
30
Степень изученности проблемы.
В настоящее время ведущими
учѐными мира проведены исследования свойств поли-Si в том числе, микро
структуры и примесных состояний межзеренных границ, и их влияния на
процесс переноса заряда. Например, Р.Розенхайманом, К.Харгривзом и др.
исследованы микроструктура межзеренных границ. B.M. Johnson, W.K.
Schubert, V.Iglesias исследовали зарядовые состояния, а их влияние на
перенос носителей заряда изучено Ryousuke Matsubara, Emi Machida. Модели
для объяснения электрических свойств поли-Si предложили J.Y.W. Seto, В.А.
Гридчин, В.М. Любимский, Masaki Takihara, Takuji Takahashi. В настоящее
время Karem Boubaker, Sang Mi Cho, Kyle Preston, K.Amal, K.Ro, Ö.Ö.Tüzün и
другие
проводят
полномасштабные
исследования
по
увеличению
эффективности солнечных элементов и полупроводниковых приборов на
поликристаллической основе.
Ученые
Узбекистана,
в
частности,
академики
М.С.Саидов,
Р.А.Муминов, профессора А.С. Саидов, А.В. Каримов, Р.У. Алиев провели
исследования по повышению эффективности полупроводниковых приборов и
солнечных элементов на основе поликристаллического кремния. Под
руководством
академика
М.С.
Саидова
проведены
исследования
электрофизических и фотоэлектрических характеристик поли-Si p-n–
структур.
В
результате
исследований
обнаружены
примесные
тепловольтаические эффекты и предложена их классификация. Под
руководством профессора Р.У. Алиева проводятся работы по использованию
поликристаллических кремниевых р-n–структур в солнечных батареях и
разработано несколько перспективных конструкций.
Из изложенного выше следует, что проведение исследований по
изучению влияния микроструктуры и примесных состояний межзеренных
границ на перенос носителей заряда в поликристаллическом кремнии,
условий образования электронно-дырочных пар на примесных состояниях
при изменении температуры, и их влияния на электрофизические и
фотоэлектрические свойства р-n–перехода; влияние дополнительных
легирующих примесей на микроструктуру и электронные свойства
межзеренных границ; образование электронно-дырочных пар на примесных
состояниях или рекомбинационных центрах, образованных при воздействии
облучения электронами или ионной имплантации, и их влияние на
электрофизические и фотоэлектрические свойства р-n–переходов в
поликристаллических структурах актуально и имеет научно-практическое
значение.
Связь темы диссертации с научными исследованиями научно
исследовательской организации, где выполнена диссертационная
работа.
Диссертационное исследование выполнено в Андижанском
государственном университете в рамках плановых бюджетных и х/д НИОКР,
например, НИР по проекту: П-18.52 «Разработка и освоение технологии
получения кремниевых пластин для солнечных элементов» 2003-2007 гг.; Ф
2-28 «Поверхностные и объемные квантово-размерные эффекты в
31
легированном кремнии и их влияние на процессы генерации-рекомбинации и
разделения носителей заряда на р-n – структурах» 2012-2016 гг.
Целью
исследования
является определение закономерностей зависимости
электрофизических свойств поликристаллического кремния и
фотоэлектрических характеристик р-n–структур на их основе от примесных
состояний, локализованных в области межзеренных границ и объемных
дефектах.
В соответствии с постановленной целью необходимо было решить
следующие
задачи:
изучить микроструктуру и морфологию межзеренных границ поли-Si,
полученного двумя методами литья и методом порошковой технологии, а
также выяснить механизмы образования дефектов и примесных состояний в
области межзеренных границ в процессе сегрегации примесей;
определить влияние микроструктуры и примесных состояний в области
межзеренных границ и объемных дефектов в поли-Si на перенос носителей
заряда в интервале температур
~
300÷800К;
изучить процессы адсорбции и десорбции атомов щелочных металлов
(Li, Na, K, Cs), и их влияния на микроструктуру и электронные свойства
межзеренных границ;
определить влияние примесных состояний в области межзеренных
границ и объемных дефектов в поли-Si на электрофизические и
фотоэлектрические свойства р-n–структур в интервале температур
~
300÷800К;
исследовать влияние рекомбинационных центров, образованных при
электронном облучении (энергия, Е
~
1 МэВ; доза, D
~
10
15
см
-2
), на
электрофизические и фотоэлектрические характеристики р-n-структур в
интервале температур
~
300÷500К;
исследовать влияние рекомбинационных центров и примесных
состояний, образованных в процессе легирования атомами щелочных
металлов (энергия, Е
~
30 эВ; доза, D
~
10
14
см
-2
), на электрофизические и
фотоэлектрические характеристики моно-Si р-n – структур в интервале
температур
~
300÷500К;
разработать и усовершенствовать известные методы исследования
примесных состояний в области межзеренных границ, а также их влияния на
электрофизические и фотоэлектрические свойства р-n – структур.
Объектом исследования
являются поликристаллический кремний и p
n – структуры на его основе.
Предметом
исследования
являются
процессы
образования
электронно-дырочных пар с участием примесных состояний и дефектов в
области
межзеренных
границ,
закономерности
формирования
фотоэлектрических характеристик.
Методы
исследования.
В
работе
применены
комплексные
информативные методы экспериментальной физики: рентгеноспектральный
микрозондовый анализ, электрофизические и фотоэлектрические
32
исследования, прецизионная термообработка, методы термоэлектронной
эмиссии и легирования, ионная имплантация, диффузия, электронное
облучение, приемы порошковой металлургии.
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 объединѐнного 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÷0,9 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-n – структурах на его основе, а также в моно-Si с р-n – переходом
обусловленные с образованием электронно-дырочных пар с участием
глубоких примесных состояний;
предложена модель образования р-n – перехода в области межзеренных
границ.
Практические результаты исследования
заключаются в следующем:
разработаны технологии получения поли-Si пластин для солнечных
элементов на основе порошковой металлургии. Получены поли-Si образцы с
толщиной 250÷400 мкм и с размером ≥150 мм;
определены условия прохождения десорбции и адсорбции примеси в
области межзеренных границ и технологические режимы получения р-n –
переходов на основе указанных явлений, а также получено р-n – структур для
дешевых солнечных элементов, КПД которых без просветления составляет
~
7 %.
разработаны и созданы диффузионная установка, позволяющая
одновременно изготавливать в различных частях поли-Si и моно-Si пластин
разнотипной области;
разработаны
технологические
режимы
получения
примесных
тепловольтаических и теплофотовольтаических эффектов для создания
новых альтернативных источников энергии на основе поли-Si и моно-Si
пластин.
Достоверность
результатов
исследований
подтверждается
применением
современных
научных
и
технологических
методов,
стандартных и апробированных методик контроля параметров и
33
характеристик полупроводниковых приборов. Результаты и выводы
подтверждаютъся
на
физических
представлениях,
основанных на
теоретических и экспериментальных данных.
Научная и практическая значимость результатов исследования.
Научная значимость результатов исследования заключается в том, что они
позволяют объяснит микроструктура и электронные состоянии межзеренных
границ поликристаллического кремния и проявлениях явлений адсорбции и
десорбции.
Практическая значимость результатов исследования заключается в том,
что разработаны диффузионная установка и методы получения новых видов
полупроводниковых структур для фотопреобразователей на основе
поликристаллического кремния с использованием порошковой технологии.
Внедрение результатов исследования.
На основе результатов
изучения микроструктуры, зарядовых состояний, р-n – переходов и
электронных процессов в межзеренных границах в поликристаллическом
кремнии:
по проведению процесса диффузии легирующих примесей в кристалл
кремния образующих электронный и дырочный проводимости получен
патент на изобретение по Интелектуальной собственности Республики
Узбекистан «Диффузионная установка» (№ IAP 04767, 23.09.2013).
Использование разработанной диффузионной установки позволило получить
в едином процессе разнотипный и изотипные переходы в кристалле кремния;
по созданию преобразователя тепловой энергии Солнечного излучения
в электрическую получен патент на изобретение по Интелектуальной
собственности Республики Узбекистан: «Преобразователь энергии» (№ IAP
04855, 05.12.2013). Использование разработанного преобразователя энергии
на основе немонокристаллического кремния с глубокими уровнями
позволяет получить на 10% больший фототок по сравнению с известным
аналогом с малой толщиной базовой области.
Полученные результаты по механизмам проявления примесного
тепловольтаического и теплофотовольтаического эффектов, которые впервые
обнаружены при исследовании структур с p-n – переходами на основе
поликристаллического кремния и разработанная методика получения
поликристаллических пластин кремния на основе порошковой металлургии
использованы на проектах Ф3–ФА–Ф158 «Процессы преобразования энергии
в системах на основе органических и неорганических гранулированных
полупроводников с примесными неоднородностями малого размера», ОТ–
Ф2–002 «Стимулированные неравновесные процессы переноса заряда в
поликристалле, аморфе и нанокристалле» для определения явления
адсорбции и десорбции в области межзеренных границ и технологических
режимов получения p-n – переходов (Справка ФТК-03-13/677 Комитета по
координации развития науки и технологий Республики Узбекистан от
10.10.2016). Испльзование научных результатов позволило определить
процессы изменения энергии в системах на основе органических и
34
неорганических гранулированных полупроводников, а также, процессы
переноса заряда в поликристалле, аморфе и нанокристалле.
Апробация
результатов исследования.
Результаты исследований былы обсуждены на 21
международных и республиканских конференциях в виде докладов и прошли
аппробацию. В частности по темам: "Актуальные проблемы современой
физики" (Термез, 2002); «Кремний-2003» (Москва, 2003); “The
3-Uzbek-Korean International Symposium on Quantum-Functional Materials and
Devices 2004” (Tashkent, 2004); «Рост, свойства и применение кристаллов»
(Нукус, 2005, Андижан, 2008); «1000 лет академии Маъмуна» (Хива, 2006);
«Проблемы альтернативной энергетики и энергоснабжения» (Наманган,
2007); «Современные проблемы физики и преподавание физики»
(Самарканд, 2009); «Современные проблемы физики полупроводников»
(Нукус, 2011); «Актуальные проблемы физический электроники» (2012,
Ташкент); «Кремний-2014» (Иркутск, 2014); «Фундаментальные и
прикладные вопросы физики» (Ташкент, 2014); «Актуальные проблемы
физики полупроводников» (Ташкент, 2014), «Технология и физика
наночастиц, микроэлектроника» (Андижан, 2015).
Опубликованность результатов.
По теме диссертации опубликовано
44 научные работы, из них 20 статей в журналах рекомендованных Высшей
аттестационной комиссией Республики Узбекистан для публикации
основных научных результатов докторских диссертаций, 1 монография,
получено 2 патента на изобретения.
Структура и объѐм работы.
Диссертация состоит из введения, пяти
глав, заключения и списка использованной литературы. Текст диссертации
состоит из 198 машинописных страниц.
35
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
Во
введении
обоснованы актуальность и востребованность темы
диссертации, определена связь исследований с основными приоритетными
направлениями развития науки и технологий в республике, приведены обзор
международных научных исследований по теме диссертации, степень
изученности проблемы, сформулированы цель и задачи, выявлены объект,
предмет и методы исследования, изложена научная новизна исследования,
обоснована достоверность полученных результатов, раскрыта их теоретичес
кая и практическая значимость, приведены краткие сведения о внедрении
результатов и апробации работы, а также об объеме и структуре диссертации.
В первой главе
«Состояние проблемы и тенденции улучшения
функциональный характеристик поли-Si и межзеренных границ в его
объеме»
анализируется состояние проблемы и тенденции улучшения
функциональный характеристик поли-Si и межзеренных границ в его объеме
на основе литературных данных по состоянию проблемы и детально описаны
известные представления о микроструктуре и электронных свойствах
межзеренных границ, их влияние на электрофизические и оптические
свойства поли-Si
.
Описаны варианты использования таких структур в
микроэлектронике и фотоэнергетике, а также результаты исследований по
теоретическому
объяснению
и
экспериментальному
обнаружению
примесных тепловольтаических и примесных теплофотовольтаических
эффектов.
На
основе
анализа
имеющихся
теоретических
и
экспериментальных данных сформулирована постановка задачи.
Во второй главе
«Экспериментальные и теоретические и методы
исследования»
описаны характеристики и сущность использованных
методов. В качестве основных исходных исследуемых материалов выбраны
образцы р-типа проводимости, с
ρ~
1
Ом·см
, полученные двумя методами
литья
10
, а также методом порошковой металлургии. Каждому из видов
образцов присвоены условные названия, например, для образцов полученных
из литого поли-Si фирмы Waсker – «Waсker»; для образцов из вторичного
литого поли-Si – «литой» и наконец, для образцов, полученных по
порошковой технологии – «порошковый». Для исследования микрострукту
ры межзеренных границ использовался рентгено-спектральный микрозондо
вый анализ. Для оценки влияния температуры на электрофизические
свойства использован модернизированный четырехзондовый и Ван-дер-Пау
методы и методика, основанные на эффекте Холла. Измерения удельного
сопротивления (
ρ
), подвижности (μ) и концентрации (n) носителей заряда
проводились, как при повышении температуры от 300 К до 800 К, так и на
этапе ее понижения. Для объяснения полученных результатов была
использована модель термоэлектронной эмиссии
11
. Принципиальная новизна
10
Абдурахманов Б.М., Ачилов Т.Х., Кадыров А.Л., и др. // Гелиотехника, 1992, №4. С.8-14; Саидов М.С.,
Билялов Р.Р., Мухамадиев Р.Э., Чирва В.П.//Гелиотехника. 1987, № 6. С. 18-20.
11
Поликристаллические полупроводники. Физические свойства и применения: Пер. С англ. //Под ред. Харбек
Г. М., «Мир». 1989.
36
подхода, заключается в учете в рамках модели термоэлектронной эмиссии
принципиальных изменений условий для тока (
J
ss
), которые возникают при
захвате и эмиссии заряда на ловушках, и работа с моделью в данных
условиях (рис.1). Например, показано, что когда количество захватов заряд
больше, чем эмиссия, увеличиваются высоты потенциального барьера (
δϕ
), и
заряд двигается по уровням ловушек вдоль границы двух контактирующих
зерен, то идет рост полной проводимости ловушек (
Y
ss
). Условно обозначим
это направление тока
J
ss
знаком «минус». Если же эмиссия превалирует над
захватом, то заряд движется в противоположном направлении,
Y
ss
и
δϕ
падают, а соответствующий ток при этом можно обозначить знаком
«плюс». Эти новые элементы, вносимые в модель, дают возможность
объяснить особенности дрейфа носителей заряда в области межзеренных
границ и их другие кинетические характеристики.
Рис.1. Зонная диаграмма
межзеренных границ и его
упрощенная схема
Разработано и использована новая модификация метода легирования
12
для определения процесса адсорбции и десорбции примеси и их влияние на
микроструктуры
и
электронные
свойства
межзеренных
границ.
Принципиальная новизна разработки заключается в применении в рамках
метода легирования целой группы щелочных металлов (Li, Na, K, Cs),
выборе в качестве метода легирования ионной имплантации и выборе в
качестве объекта исследования пластин поли-Si и структур с
p-n
–переходом,
выполненным на этих пластинах. После имплантации образцы отжигали в
вакууме
~
10
-6
Торр
в интервале температур от 300 K до 1000 К. Для оценки
влияния щелочных металлов на электронные свойства межзеренных границ,
определяли
ϕ
методом легирования до и после имплантации. А также после
каждой термообработки, проводимой с шагом 25 К. Модификация метода
легирования позволила исключить ряд трудоемких операций, которые
необходимо проводить при применении традиционной методики, а именно,
сошлифование легированного слоя и полировку поверхности и т.д.,
осуществляемых последовательно после каждого акта легирования. Кроме
того, традиционное исследование сопровождается фактическим разрушением
образцов и для его осуществления на практике требуется большое
количество образцов, которые должны быть идентичны во всех отношениях,
кроме концентрации легирующей примеси. Выполнить эти требования
крайне трудно. При исследовании образцов с применением предложенной
модификации метода легирования требуется гораздо меньшее число
12
Тонкие поликристаллические и аморфные плѐнки: Физика и применения. Пер. С англ. //Под ред.
Л.Казмерски. –М.: Мир, 1983 и других источников.
37
образцов, а результаты измерений в любой точке или микрообласти
поверхности единичного образца являются достоверными и идентичными.
Разработан и использован неразрушающий метод определения глубины
залегания р-n – структуры. В основу метода положен принцип изменения
фото ЭДС, при воздействии импульсного инфракрасного излучения. Метод
позволяет определять глубины залегания, в том числе сравнительно мелких
р-n – переходов, в образцах поли-Si. Определено, что глубина залегания
перехода в зерне равна 1-1,5 мкм, а в области межзеренных границ р-n –
переход лежит в диапазоне глубин 1,5-2 мкм.
Разработан и использован новый метод изучения температурных
зависимостей электрофизических и фотоэлектрических параметров р-n –
структур, основанный на использовании прецизионного сканирования
светового луча (зонда) с заданной длиной волны (
λ
=0,4
÷
1,4 мкм
) и с
регулируемым диаметром светового пятна
~
10
÷
400 мкм, по поверхности
образца при обеспечении прецизионного изменения температуры (300
÷
800
К). Применение светового зонда позволило локально освещать отдельные
микрообласти на поверхности р-n поли-Si структур, в том числе, на
поверхности и область межзеренных границ.
Разработаны новый способ получения поли-Si на основе порошковой
технологии, который состоит из операций: подготовки сырья, прессования
заготовок, спекания и обработки поверхности. Поли-Si образцам, спеченным
при Т
~
1220
°
С в вакууме 10
-6
Торр. в течение 60
÷
90 мин можно управляемо
придать электрофизические свойства, приемлемые для изготовления на них
солнечных элементов, а именно, проводимость р-типа,
ρ~
1 Ом
⋅
см и время
жизни носителей заряда
τ~
10
-5
с. Это технология позволяет получать поли-Si
пластины любой формы, толщиной 250÷400 мкм и размером
≥
150 мм.
Представленные в главе теоретические и экспериментальные методы
исследования и их новые модификации создали возможность успешного
решения поставленных в диссертации научных задач.
В третьей главе
«Микроструктура и морфология межзеренных
границ в поли-Si полученные разными способами»
представлены
результаты исследований микроструктуры и морфологии межзеренных
границ, а также влияние атомов легированных примесей на нихи даны
механизмы их объяснения. Полученные результаты показывают, что
поверхность зерен, например, размером
~
100÷300 мкм во всех случаях
изобилует разнообразными сложными структурами и рельефом, то есть,
шероховатой поверхностью с размерами выступов и микропустот
<
10 мкм.
Анализ
химического
состава
поверхности
зерен,
т.е.
вещества,
непосредственно находящегося в области межзеренных границ показал
наличие кислородосодержащих комплексов. Выяснено, что концентрация
примесей увеличивается от ядра зерна к краю его поверхности. В таблице 1
представлены результаты оценки содержания примесей в поли-Si различного
технологического происхождения.
38
Получено выражение для определения размера микропустот,
образующихся в области межзеренных границ и связанных с концентрацией
примесных атомов в этой области:
100
−
у
=
х
(1)
Здесь,
х –
микропустота,
у
– количество примесей, которые определены
экспериментально (%).
таблица 1
Химический состав образцов
Образцы условно
обозначены
Тип и содержание примесей
и макродефекты
Толщина
образца
«Waсker»
Si, S, Cl, Ca, Fe
~
76,39 %
300 мкм
Пустоты
~
23,61 %
«литой»
Si, S, Cl, Ca, Fe, Co, Ta
~
72,58 %
250 мкм
Пустоты
~
27,42 %
«порошковый»
Si, S, Cl, Ca, Fe, Co, Ta
~
68,25 %
100 мкм
Пустоты
~
31,75 %
Из таблицы видно, что у всех исследованных образцов «
х
≠
0
», что
объясняется образованиями микропустот в процессе кристаллизации поли-Si
независимо от примененной технологии. Известно
13
, что в процессе
кристаллизации в результате взаимодействия элементарных веществ,
находящихся в расплаве, образуются химические соединения, например,
SiO
х
и SiCl(OH). Они могут образовывать химические соединения, как со
специально введенными в расплав легирующими, так и с фоновыми
примесями в процессе их сегрегационного вытеснения на поверхность из
центров кристаллизации. Следует отметить, что некоторые химические
соединения, например, SiO
х
и SiCl(OH) не добираются до поверхности зерна.
То есть, при формировании поверхности зерен, в области межзеренных
границ образуются металлические или металл–оксидные пленки из
химических элементов, присутствующих в расплаве и вытесняемых при
кристаллизации за счет процессов сегрегации из объема на поверхность
зерен. Полученные данные коррелируют с современными представлениями о
конфигурации и структуре зерен и межзеренных границ. Разработана
структура модель двух контактирующих зерен, разделенных межзеренных
границ на основе полученных результатов, можно проиллюстрировать
схемой, представленной на рис.2.
Здесь, 1 – ядро зерна, представляет собой монокристалл,
ориентированный относительно конкретного фронта кристаллизации.
Область 1 практически однородно легирована мелкими донорами (Р, Аs, Sb)
или акцепторами (В, Al), специально вводимыми в расплав при получении
поли-Si в качестве лигатуры.
13
Кристаллизация тонких пленок // АН РУз ИЭ, изд. «ФАН» РУз, Ташкент, 1970.
39
Область 2 зерна поли-Si является
пограничной зоной монокристалла и,
в отличие от его ядра, изобилует
ростовыми дефектами, дислокациями
и другими структурными
нарушениями. Концентрация
примесей в пограничной области 2
значительно выше, чем в ядре 1
зерна.
Области 3 и 4 представляют собой
поверхнос тныепленки из окислов
самого кремния, окислов,
Рис.2. Модель двух контактирующих
зерен
вытесненных на поверхность металлических примесей, а также островки
металлических пленок, образовавшиеся из скоплений примесей металлов.
Области 5, которые можно охарактеризовать как микропустоты,
распределены примерно равномерно на поверхности зерен, за исключением,
мест нахождения так называемых, проводящих мостиков, образованных,
очевидно, в точках прямых контактов металлических или полуметаллических
поверхностных слоев 4, принадлежащих отдельным, контактирующим друг с
другом зернам.
Приведены результаты впервые исследованных процессов адсорбции и
десорбции атомов щелочных металлов, и их влияния на микроструктуру
области межзеренных границ. На рис. 3 представлена упрощенная схема
части образцов.
1 – зерна р-типа; 2 – области межзеренных границ; 3 – ионно-имплантированный слой
атомов щелочных металлов; 4 и 5 – диффузионный слой атомов щелочных металлов по
зерном и по межзеренных границ; 6 – десорбционный слой; 7, 8 – адсорбционный слой; 9
– n диффузионный слой (фосфор); 10 – диффузия фосфора по межзеренных границ; А –
тыльная сторона (подложка) образцов; В – лицевая сторона образца. Тонкими стрелками
показано направление движения атомов щелочных металлов в объеме образца.
Рис. 3. Упрощенная схема части образцов поли-Si
В процессе термообработки примесь диффундирует и по зернам и по
межзеренных границ, что иллюстрируется рис. 3а (области 4 и 5). Впервые
обнаружено интересное явление, заключающееся в том, что примесь при
нагреве образца поли-Si диффундирует не только по зернам и по
межзеренных границ, но одновременно, при достижении температуры
~
800 К
происходит десорбция атомов щелочных металлов из межзеренных границ,
как это показано на рис. 3а (область 6). Этот процесс приводит к
образованию своеобразной р-n – структуры в приповерхностной области
поли-Si. При дальнейшем увеличении температуры атомы щелочных
металлов в основном диффундируют вдоль межзеренных границ, и это
приводит к их сегрегации в приповерхностную область межзеренных границ,
40
вплоть до образования металлизированных прослоек, и одновременно к
адсорбции на поверхности зерен (см. рис. 3b и 3с область 8). Таблица 2
Распределение атомов щелочных металлов
Образцы
Li, %
Na, %
K, %
Cs, %
Подложка р – тип
Не опред
2,82
1,77
1,45
Подложка n
+
-p структуры Не опред
1,94
1,02
1,05
Анализ химического состава поверхности зерен, т.е. непосредственно
области межзеренных границ, показал наличие кислородосодержащих
комплексов, образованных атомами щелочных металлов (таблица 2).
Выяснено, что концентрация щелочных металлов увеличивается от ядра
зерна к краю его поверхности.
Для исследования влияния атомов щелочных металлов на микрострук
туру поли-Si впервые была использована порошковая технология. В качестве
исходного сырья выбраны поли- и моно-Si, легированные быстро диффунди
рующими атомами щелочных металлов. Анализ химического состава
поверхности зерен показал, что при кристаллизации имеет место сегрегаци
онное вытеснение примеси к границам зерен, например, Na
~
1,08%, а К
~
0,08
%. Присутствие щелочных металлов, на межзеренных границ ведет к появле
нию различных комплексов типа вакансий и кислородосодержащих центров
с участием данного щелочных металлов. Эти комплексы приводят к увеличе
нию ширины обедненной области вблизи межзеренных границ и к образова
нию тонких металл-оксидных или металлических пленок непосредственно в
области межзеренных границ. Естественно, что этот процесс сопровождается
кардинальным изменением микроструктуры межзеренных границ.
Полученные результаты позволили впервые представить детальную
картину микроструктуры области межзеренных границ, как в исходных
изотипных поли-Si подложках, так и в поли-Si р-n–структурах на их основе.
В четвѐртой главе
«Процесс дрейф заряда в области межзеренных
границ»
приведены результаты экспериментального изучения влияния
изменения температуры на перенос заряда в объеме поли-Si, электронные
свойства межзеренных границ, влияние атомов щелочных металлов на них и
дано их обсуждение. Вначале были исследованы электрофизические свойства
поли-Si полученного разными способами, при изменении температуры в
интервале
~
300÷800 К. Результаты исследований, показали, что темпера
турные зависимости имеют участки, как роста, так и спад
ρ
образцов (рис.
4а). Например, рост
ρ
с ростом температуры наблюдается на образцах
«Waсker» до температуры 525 К, у образцов «литого» – до 600 К, а у
«порошкового» – до 625 К. Так как
ρ
в поликристаллических полупроводни
ках определяется удельным сопротивлением (
ρ
1
) зерен и (
ρ
2
) межзеренных
границ. Увеличение захваченногозаряда на локализованных ловушках межзе
ренных границ, происходящее с ростом температуры, приводит к увеличе
нию
ϕ
от 0,3 эВ до 0,9 эВ, и при этом увеличивается
ρ
2
, и это, в конечном
41
счете приводит к росту
ρ
. Дальнейшее
увеличение температуры сопровожда
ется уменьшением плотности состоя
ний, что приводит к уменьшению
ρ
наблюдающегося при температуре
~
703 К у всех видов образцов харак
терного минимума. Таким образом,
область падения
ρ
наблюдается для
«Waсker» в диапазоне температур
525÷703 К, у «литого»
~
600÷703 К, а у
«порошкового»
~
625÷703 К.
Предложена
эквивалентная
схема и получено выражение для
определения
ρ
для каждой из
составляющих областей межзеренных
границ, на основе структурной модели
двух контактирующих зерен (рис.2.):
1 – «Waсker»; 2 – «Литой»;
3 – «Порошковый»; 4 – мoнo-Si;
5 – «Порошковый-ЩМ»
Рис.4. Зависимости удельного
сопротивления от температуры,поли-Si
полученного разными способами
(2)
Здесь, А, В и С постоянные, Т – температура,
Т
+
– концентрация
ионизованных ловушек в межзеренных границ.
Полученные результаты показали, что увеличение энергии ионизован ных
ловушек или вакансий приводит к росту
ϕ
и
ρ
2
, т.е. при этом увеличива ется
Y
ss
. Показано, что в этом случае, плотность состоянии увеличивалась до
~1,6
⋅
10
13
см
-2
/эВ. Ход температурной зависимости
ϕ
связан, очевидно, с
химическими процессами, происходящими с участием примесей находящих
ся в области межзеренных границ. Очевидно, что такие процессы проявляют
ся сильнее при меньших размерах зерен, чем для случаев крупнозернистого
поли-Si. Обнаруженное на поли-Si и приведенное на рис. 4. немонотонное
температурное изменение
ρ
наблюдается также и у
μ
и
n
носителей заряда.
На рис. 5 приведены температурные зависимости
μ
и
n
носителей
заряда. Видно, что ход зависимости
μ
носителей заряда от температуры у всех
исследуемых образцов при изменении последней в диапазоне от 300 К до
~
350 К примерно совпадает с данными (5-7) для моно-Si
14
, т.е.
μ
монотонно
падает с ростом температуры. Дальнейшее температурное изменение
μ
и
n
носителей заряда
,
имеет нетривиальный характер, наблюдаются пики и
провалы в диапазоне 400
÷
700 К. При
~
703 К отмечается резкое изменение
шириной
~
25 К у всех образцов, в пределах которого величина
n
и
μ
изменятся в десятки и сотни раз. Такой нетривиальный характер поведения
n
и
μ
зависит от природы каждой из составляющих микрообластей
межзеренных границ (рис. 2). При увеличении температуры одновременно
14
Ottaviani G.I., Reggiani C., Canali F. Nava and A.A. Quaranta // Phys. Rev. B12, 8 (1975) 3315-3322. Logan R.A.
and A.J. Peters // J. Appl Phys. 31. 1 (1960) 122-124.MorinF. J. andJ. P. Maita // Phys. Rev. 96. 1 (1954) 28-35.
42
идут процессы образования скоплений ловушек на межзеренных границ, и
рекомбинации и эмиссии носителей заряда, приводящих – к изменению
энергетического спектра уровней ловушек. Наблюдаемые температурные
изменения
n
и
µ
соответствуют процессам проявления ловушек с
усредненными уровнями
15
с
Е~
0,15
эВ
и
Е~
0,17
эВ
при 300
÷
350 К, при
383
÷
400 К проявляются
Е~
0,36
эВ
; а в диапазоне температур ~400
÷
680 К
отмечается проявление ловушек с уровнем
Е~
0,3
эВ
, что во всех случаях
сопровождается скачкообразными изменениями
n
и
µ
носителей заряда при
этих температурах.
1 – «Waсker»;2 – «Литой»; 3 – «Порошковый»; 4 – мoнo-Si
Рис. 5. Зависимости подвижности и концентрации носителей заряда от температуры,
поли-Si полученного разными способами
При разработке результатов и микроструктуры межзеренных границ
получено выражение для определения
n
носителей заряда в поли-Si.
Суммарная концентрация носителей заряда в объеме поли-Si (
n
v
)
определяется суммой концентраций (
n
cr
) носителей заряда в самих зернах, и
концентрацией (
n
bgb
) носителей заряда на межзеренных границ. Так как
n
bgb
представляет собой суперпозицию двух составляющих;
n
1
– концентрация
носителей заряда, которые приобрели достаточно большую кинетическую
энергию, участвуют в электропроводности, т.е. дают дополнительный вклад в
общую электропроводность,
n
2
– концентрация носителей заряда,
захваченных ионизованными состояниями в области межзеренных границ.
n
2
связана с концентрацией (
N
o
) ионизованных ловушек, с энергией ионизации
(
Е
),
ϕ
и с концентрацией (
N
v1
) плотности состояния. Так как температурное
изменение
n
cr
мы приняли аналогично таковому в моно-Si, можно описать
n
v
следующим выражением:
exp( / ) ( exp( / ) )exp( / )
N qE kT N N qE kT q kT
− ⋅ − − −
ϕ
v g
v o
1
n
v g
v o
≈
(3)
exp( / ) ( exp( / ) )exp( / )
v
ϕ
N qE kT N N qE kT q kT
−
+
− − −
1
15
Заставной А.В., Король В.М. Взаимодействие лития с радиационным дефектами в кремнии // ФТП, т. 23, В.
2, с. 369-372, (1989).
43
Из (3) видно, что изменения ионизованных ловушек в области
межзеренных границ при воздействие температуры, приводит к изменению
n
v
. Так в диапазоне температур 500
÷
700 К зависимости
n=f(Т)
у образцов
поли-Si, полученных по различным технологиям, сильно отличаются друг от
друга, а именно, наблюдается рост
n
у образцов «Waсker», у «литой»
n
не
изменяется, а у «порошкового» наблюдается уменьшение
n
. Так как все
упомянутые виды поли-Si отличаются размерами зерен, можно заключить,
что при меньших размерах зерен
N
o
увеличивается при росте температуры, и
это приводит к увеличению
n
2
и к уменьшению
n
v
. На конец, скачкообразное
изменение
ρ
,
n
и
µ
вблизи температуры
Т
~703 К связано проявлением
термодоноров в зернах и в области межзеренных границ.
Впервые исследовано влияние атомов щелочных металлов, вводимых в
поли-Si разного типа ионной имплантации, на электронные свойства
межзеренных границ. Увеличение концентрации щелочных металлов
приводит к росту
ϕ
,
от 0,3 эВ до 0,45 эВ. Показано, что этот рост вызван
проявлением неупорядоченных структур на поверхности поли-Si, которые
появляются непосредственно в процессе ионной имплантации. При заполне
нии ловушек или их пассивации в
результате термического воздействия
ширина, так называемого двойного
слоя, и
ϕ
начинают убывать
16
. В нашем
случае изменения
ϕ
(I область при
Т≤600К, рис.6) совпадают с этими
мнениями. Однако с увеличением
температуры (II и III области при
Т≥600 К) в отличие от I области
наблюдается изменение знака
ϕ
.Для
оценки факта образования р-n –
структур в результате ионной
Рис. 6. Зависимость высоты потенци
ального барьера в области межзеренных
границ на поверхности поли-Si от
температуры термообработки, легиро
ванными атомами щелочных металлов
имплантации щелочных металлов мы
сопоставляли
ВАХ
исследуемых
образцов до и после имплантации, а
также после каждой термообработки,
проводимой с шагом 25K. Полученные
результаты показали, что качество электронно-дырочных переходов зависит
от температуры термообработки. Термообработка вызывает заметное
улучшение выпрямляющих свойств p-n – перехода, если еѐ температура не
превышает ≤700÷800 К. Однако с дальнейшим увеличением температуры
диодные характеристики ухудшаются. Мысчитаем, что изменение
ϕ
при ≥600
К(II и III область)объясняется десорбцией щелочных металлов из области
межзеренных границ на поверхность поли-Si и возникновением, вследствие
их донорной природы, р-n–структур, т.е. изменение
ϕ
связано с образованием
16
Тонкие поликристаллические и аморфные плѐнки: Физика и применения. Пер. С англ. //Под ред.
Л.Казмерски. М.: Мир, 1983 и др. источников.
44
n
+
области (как показано на рис. 3а, область 6).В процессе дальнейшей
термообработки увеличивается концентрация атомов щелочных металлов в
межзеренных границ и происходит металлизация десорбированных слоев,
при этом
ϕ
не уменьшается, а наоборот увеличивается в той же
n
+
области.
Для оценки изменения
ϕ
при дальнейшем увеличении температуры (область
III)была использована новая «модификация» метода легирования, измерения
проводили со стороны подложки (см. рис. 3b и 3c, А – подложка образцов).
На рис. 7
проиллюстрированы
изменения
ϕ
двух типов
образцов
при различных температурах
термообработки. Видно, что с
увеличением температуры
наблюда
ется рост
ϕ
у образцов, как
р-типа,
так и образцов, представляющих
собой р-n структуру. Рост
ϕ
объяс
няется проявлением адсорбции
щелочных металлов в области
межзеренных границ (см. рис. 3b и
3c, область 8). В процессе диффузии
происходит металлизация адсорби
рованных слоев вдоль межзеренных
границ, концентрация атомов
щелочных металлов очень сильно
увеличивается, как показано в
таблице 2, и это приводит к росту
ϕ
.
Рис. 7. Зависимость высоты потенциаль
ного барьера в области межзеренных
границ на поверхности подложки поли Si
от температуры термообработки,
легированными атомами щелочных
металлов
Наблюдаемые различия хода кривых роста
ϕ
для разных видов образцов (рис.
7а и 7б). В процессе диффузии щелочных металлов должны пройти в
n
+
область р-n–структур. Но в этой области число примесных состояний
намного выше, из-за наличия в ней ранее введенного фосфора (см. рис. 3с
область 10). Поэтому для диффузионного прохождения
n
+
области щелочных
металлов требуется дополнительное время, энергия или более высокая
температура. Стабилизация
ϕ
при дальнейшем повышении температуры
термообработки может быть связана с равновесными распределениями
примеси на поверхности межзеренных границ.
Впервые исследовано влияние щелочных металлов на перенос носите
лей заряда в области межзеренных границ при изменении температуры (см.
рис. 4 «Порошковый – ЩМ»), полученного поли-Si методом порошковой
технологии. Видно, что присутствие атомов щелочных металлов в объеме
поли-Si
ρ
монотонно изменяется с ростом температуры (см. рис. 4). Это
объясняется пассивацией рекомбинационных центров атомами щелочных
металлов. Более того, по нашему мнению, щелочных металлов настолько
подвижны, что их атомы при росте температуры в рассматриваемом
температурном диапазоне могут переходить из глубины зерна в сторону
45
межзеренных границ, т.е. двигаться к поверхности зерен, а при остывании
образца двигаться, наоборот, от межзеренных границ вглубь зерна. В пятой
главе
«Влияние дефектов или примесных состояний в области
межзеренных границ на электрофизические и фотоэлектри ческие
свойства р-n–структур»
приведены результаты образования
электронно-дырочных пар на примесное состоянии в области межзеренных
границ, теоретическая модель р-n структур в области межзеренных границ и
процесс переноса заряда на них, влияние изменений температуры,
примесные состояния и рекомбинационные центры на электрофизические и
фотоэлектрические свойства р-n структур.
Установлены образования р-n структуры непосредственно в области
межзеренных границ. На рис. 8б представлена упрощенная схема части поли
Si р-n структуры, а на рис. 8а зонная диаграмма, соответствующая области
межзеренных границ. Стрелками показано движение заряда в объеме
образца.
Е
iр
и
Е
in
в р и n областях уровни являются рекомбинационными
центрами, образующими дополнительные барьеры непосредственно в
области межзеренных границ. На рис. 8а также показано распределение
рекомбинационных центров
E
gtp
и
E
gtn,
находящихся в области p-n перехода по
энергиям. Следует отметить следующую, выявленную нами, закономер
ность: захват и эмиссия носителей заряда происходят не только с участием
акцепторных и донорных уровней
Е
ip
и
Е
in
,
а имеет место также захват и
эмиссия носителей заряда между уровнями, т.е. при росте температуры
наблюдается последовательное появление новых рекомбинационных
центров, соответствующих определенным энергетическим уровням. При
переходе из валентной зоны в зону проводимости носителей заряда
захватываются на этих промежуточных рекомбинационных центрах и таким
образом по ним последовательно передвигаются до достижения ими
энергетического уровня зоны проводимости. Захват и эмиссия носителей
заряда происходящие между уровнями
Е
ip
и
E
gtp
или
Е
in
и
E
gtn
приводят к
появлению токов,
J
ss(p)
и
J
ss(n)
соответственно, в р и n областях и, как было
показано во второй главе (рис.1), это сопровождается возникновением тока
J
ss
. Увеличение температуры поли-Si приводит к увеличению токов
J
ss(p)
и
J
ss(n)
. Полный ток можно представить в виде:
J=J
pn
+J
tot(pn)
+J
ss(pn)
+J
s(n)
(4)
Из (4) видно, что полный ток складывается из токов (
J
ss(pn)
,
J
ss(pn)
и
J
th(pn)
),
связанных с процессами захвата и эмиссии носителей заряда в
рекомбинационных центрах. Если эти токи меньше чем
J
pn
, то полный ток
определяется
J
pn
, а если наоборот, то полный ток определяется, в основном,
ими, т.е. токами
J
ss(pn)
,
J
s(pn)
и
J
th(pn)
. Это может привести к проявлению
примесного тепловольтаического эффекта. При нагреве или освещении поли
Si в области р-n перехода, а также на
Е
iр
и
Е
in
уровнях образуются
электронно-дырочные пары. При эмиссии заряда с уровнем
E
gtp
находящихся
в р области, если они направляются в сторону n области, освобожденные
уровни
E
gtp
заполняются электронами, высвобожденными, в свою очередь, из
46
уровней
E
ip
, а уровни
E
ip
заполняются носителей заряда, выходящими из
валентной зоны. Аналогичный процесс происходит в n области р-n структур.
Увеличение токов
J
ss(pn)
,
J
s(pn)
и
J
th(pn)
, приводит к увеличению прямого тока р-n
перехода со знаком «плюс» и, наоборот, если, электроны направляются в
объем p области, а дырки направляются в объем n области, то токи
J
ss(pn)
,
J
s(pn)
и
J
th(pn)
увеличиваются со знаком «минус», и, соответственно, прямой ток
р-n перехода также увеличивается со знаком «минус». В первом случае
суммарный ток р-n перехода увеличивается со знаком «плюс», а во втором
случае суммарный ток р-n перехода изменяется со знаком «минус».
1 – зерна поли-Si; 2 – области межзеренных
границ; 3 – n диффузионный слой (фосфор);
4 – диффузия фосфора по межзеренных
границ
Рис. 8. Зонная диаграмма р-n структур в области межзеренных границ и его
упрощенная схема
На рис. 9а приведены температурные зависимости темнового тока у
нагреваемых и охлаждаемых поли-Si n
+
-р структур. Видно, что при нагреве
образца, ток монотонно растет до
~
100
°
С, а затем при той же полярности
наблюдается резкий рост тока, который достигает величин, в десятки раз
превышающих его значение при
~
20
о
С. Наблюдаемое может быть объяснено
появлением токов
J
ss(pn)
,
J
s(pn)
и
J
th(pn)
со знаком «минус». При остывании
образцов изменение тока принципиально отличается от такового в процессе
роста температуры. При остывании образцов происходит эмиссия носителей
заряда из уровней Е
~
0,15 эВ и Е
~
0,17 эВ, которые были захвачены там в
процессе нагрева, что и приводит к скачкообразному изменению тока при
~
50÷100
о
С.
На рис. 9б сопоставлены температурные зависимости фототока, снятые при
локальной засветке различных микрообластей поверхности n
+
-р поли-Si
структур. Видно, что во всем исследованном температурном диапазоне фото
ток у моно-Si n
+
-р структур слабо монотонно растет. Так, кривая зависимости
J=f(T)
, относящаяся к засветке собственно поверхности отдельных крупных
зерен поли-Si структуры (
○
), только до
~
100
°
С повторяет ход кривой, снятой
на моно-Si солнечного элемента, а потом в диапазоне
~
110
÷
160
°
С, имеет
область с обратным направлением тока, затем ток вновь меняет направление
и резко растет, достигая при Т
~
180
°
С значений, примерно в 10 раз
превышающих свою величину при 20
°
С. Засветка микрообласти, содержа
щей и группу мелких зерен и их межзеренных границ (
Δ
), сопровождается
увеличением тока в
~
2 раза в диапазоне температур 80
÷
100
°
С по сравнению с
его значением при 20
°
С, а затем имеет место плато от
~
100 до 140
°
С,
47
переходящее в участок с резким подъемом тока, достигающего при 160
°
С
величины, превышающей его значение при 20
°
С почти на порядок.
Рис. 9. Зависимости темнового тока и фототока от температурыисследуемых
образцов
Наиболее интересные особенности имеет температурная зависимость
тока, снятая при локальной засветке микрообластей, относящихся преиму
щественно к межзеренных границ (
◊
), например, мест стыка 3
÷
4 крупных
зерен. До температур
~
100
°
С наблюдается медленный рост тока, затем
резкий пик при
~
105
°
С, затем резкое падение тока с переменой его направле
ния. Дальнейшее повышение температуры сопровождается возвратом к
прежнему направлению тока и примерно к его значению при 100
°
С, затем
величина тока плавно падает до температуры 150
°
С и вновь резко растет,
втрое превышая, например, при 170
°
С, свое значение при комнатной темпе
ратуре. Наблюдаемое увеличение фототока может быть объяснено проявле
нием токов
J
ss(pn)
,
J
s(pn)
и
J
th(pn)
, протекающих в направлении, обозначенном
нами знаком «плюс». В процессе переноса носителей заряда вероятно
происходит туннелирование, и это сопровождается, иллюстрируемым рис.
9б, проявлением примесных теплофотовольтаических эффекта. При
~
100÷170
°
С начинает работать, а затем доминировать уровень ловушек 0,36
эВ, что приводит сначала к уменьшению величины, а затем к изменению
направления тока.
На рисунке 10 приведены температурные зависимости темнового тока
и фототока у нагреваемых и охлаждаемых моно-Si р-n структур, намеренно
облученных электронами
.
Видно, что темновой ток монотонно увеличивается
с ростом температуры до 150
°
С, и потом наблюдается резкий рост, как и
ожидалось согласно выше предложенной модели, проиллюстрированной рис.
8б. Такой же процесс наблюдается и при измерении темнового напряжения. В
случае
освещения
(2)
образованные
с
участием
примесных
рекомбинационных центров электронно-дырочные (eh)
пары дают
дополнительный вклад в ток р-n перехода. Из сопоставления (1) и (2) видно,
что например, при
~
230
°
С, фототок составляет
~
800 мкА, т.е. более чем в
>
5
раз превышает темновой ток.
48
Рис. 10. Температурные зависимости
темнового
тока
и
фототока
у
нагреваемых и охлаждаемых моно-Si р-n
структур,
намеренно
облученных
электронами
Из рис. 10 видно, что полный ток
связан и определяется токами (
J
ss(pn)
,
J
s(pn)
и
J
th(pn)
), обусловленными доми
нированием эмиссии носителей заря
да над их захватом, происходящими
на
глубоких
рекомбинационных
центрах, образованных в процессе
электронного облучения моно-Si. При
нагреве или освещении электроны
направляются из этих центров в
объем p области, а дырки в объем n
области, то есть токи
J
ss(pn)
,
J
s(pn)
и
J
th(pn)
увеличиваются и текут в направ
лении, принятом нами со знаком
«минус», что соответствует прямого
току р-n перехода, и общий ток уве
личивается со знаком «минус». Это
приводит к проявлению примесных
тепловольтаических и примесных теплофотовольтаических эффектов. На рис.
11 приведены температурные зависимости темнового тока и фототока у
нагреваемых и охлаждаемых моно-Si р-n структур, подвергнутых
дополнительному легированию ионной имплантации щелочных металлов
.
Видно, что темновой ток, во-первых, имеет направление, соответствующее
знаку «минус» и, во-вторых, его
изменение с температурой происхо
дит согласно выше предложенной
модели (рис. 8б). В случае освеще
ния наблюдается монотонный рост
фототока до
~
150
°
С, затем ток изме
няет свое направление с противо
положным знаком, а рост сменяется
падением. Падение темнового тока
происходит до температуры
~
225
°
С,
объясняется проявлением рекомби
национных центров с Е=0,3 эВ.
Рис. 11. Температурные зависимости
темнового тока и фототока у
нагреваемых и охлаждаемых моно-Si р-n
структур, подвергнутых
дополнительному легированию ионной
имплантации щелочных металлов
Пассивация этого центра обычно
достигается быстро диффундирую
щим калием, что приводит к умень
шению темнового тока в таком
образце. Это объяснение, очевидно,
применимо и для объяснения изме
нений фототока у образцов, легированных и другими атомами щелочных
металлов. Например, для калия падение тока идет до
~
225
°
С, а для цезия – до
≥200
°
С. Из рис. 11 видно, что нагрев образцов сопровождается пассивацией
49
рекомбинационных центров, которая наиболее сильно наблюдается в
процессе остывания образцов.
Таким образом, предложенная модель эффективно объясняет
наблюдаемые в экспериментах результаты, касающиеся, как поли-Si, так и
образцов моно-Si, в которых намеренно создана высокая концентрация
глубоких энергетических уровней, не достижимая обычными приѐмами
легирования.
Полученные
результаты
расширяют
технологиеские
возможности получения структур с управляемым проявлением примесных
тепловольтаических и примесных теплофотовольтаических эффектов и
приближают приборное воплощение упомянутых эффектов.
50
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На основе проведенных исследований физических процессов на
межзеренных границах поли-Si и явлений тепловольтаического и
фототепловольтаического 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 (
ρ
), подвижности (
µ)
и концентрации (
n
) 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 (
ϕ
) от 0,3 эВ до 0,9 эВ и росту
ρ
, а также к уменьшению
концентрации основных носителей.
4. Предложена эквивалентная электрическая схема, позволяющая
определить электрические свойства межзеренных границ в целом и каждой
из составляющих еѐ 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
ϕ
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 (
~
300÷800 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-n 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-n структурах на основе
поликристаллического и монокристаллического кремния при нагреве и
51
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 (
Y
ss
) и ток (
J
ss
),
которая возникает в процессах захвата и эмиссии носителей заряда.
10. Разработан новый метод легирования с использованием быстро
диффундирующих элементов, позволяющий получить р-n структуры
параллельно с р или n типными образцами и за счет упрощения метода
повысить воспроизводимость технологического процесса.
11. Разработан метод полуавтоматического определения температурных
зависимостей электрофизических характеристик р-n 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.
52
SCIENTIFIC COUNCIL ON THE AWARD OF SCIENTIFIC DGREE OF
DOCTOR OF SCIENTIFIC 14.07.2016.FM/T.12.01 at PHYSICAL
TECHNICAL INSTITUTE AND SAMARKAND STATE UNIVERSITY
ANDIZHAN STATE UNIVERSITY
OLIMOV LUTFIDDIN OMANOVICH
BETWEEN GRAIN BOUNDARIES OF POLYCRYSTALLINE SILICON:
MICROSTRUCTURE, CHARGE STATUS AND P-N – TRANSITIONS
01.04.10. – of Semiconductors Physics
(physical-mathematical sciences)
DOCTORAL DISSERTATION AS A SCIENTIFIC REPORT TASHKENT
– 2016
53
Subject doctoral dissertation is registered in the Higher Attestation Commission under the
Cabinet of Ministers of the Republic of Uzbekistan in №30.09.2014/В2014.5.FM165.
The doctoral carried out at the Andijan State University. Z.M. Babur.
Abstract of the dissertation in three languages (Uzbek, Russian, English) is available on the web
page of the Scientific Council at fti-kengash.uz and educational and informational portal "ZiyoNet" in
address www.ziyonet.uz.
Scientific consultant: Aliyev Rakhimjon
Doctor of Technical Sciences, Professor
Official Reviners: Imamov Erkin Zunnunovich
Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Professor
Dadamirzaev Muhammadjan Gulyamkadirovich
Doctor of Physical and Mathematical Sciences
Ismaylov Kanatbay
Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Professor
Lead organization:
Fergana State University
Protection will be held "____" _____________ 2016 in ______ hours at a meeting of the Scientific
Council of 14.07.2016.FM/Т.12.01 at the Physical-Technical Institute and Samarkand State University at
the following address: 100084, Tashkent, Str. Bodomzor Yuli - 2b. Tel/Fax: (Contacts: (+99871) 235-42-
91. E-mail: lutp@uzsci.net.
Doctoral thesis registered at the Information Resource Center of Physical-Technical Institute of the
number 04, which can be found in the IRC at: 100084, Tashkent, Str. Bodomzor Yuli - 2b. Tel/Fax:
(+99871) 235-30-41.
Abstract of the thesis sent to "_____" __________________ 2016.
(Distribution protocol number __________________ 2016)
S.L. Lutpullaev
Chairman of the Scientific Council for the award of
the degree of Doctor of Scientific, Doctor of Physical
and Mathematical Sciences. Professor
A.V. Karimov
Scientific secretary of the Scientific Council for the award of
the degree of Doctor of Scientific, Doctor of Physical
and Mathematical Sciences. Professor
A.Abdurakhmanov
Deputy сhairman single Scientific Seminar of the Scientific Council
for the award the degree of Doctor of Scientific, Doctor of
Physical and Mathematical Sciences. Professor
54
INTRODUCTION (annotation of the thesis)
The actuality and necessity of the thesis theme.
At present in the world on
the semiconductor physics intensive developing branch the polycrystalline silicon
semiconductors lead the important role. Because of the raw materials are relatively
cheaper and stronger than other ones to the irradiation rays flow in the world
semiconductor instruments based on polycrystalline silicon, solar elements and
also integral micro schemes design is being developed intensively. As the physical
properties revealed in concrete conditions of the polycrystalline silicon depends on
its between grain boundaries regions volume, the profound of the physical
processes occurring in this region is being one of the important tasks.
In our country in the years of independence an attention to study the
developing semiconductor physics branch, namely, solar elements and
semiconductor instruments creation, which have a quality index and meet to
international standards requirements, have been drawn. In this field the essential
results on studying methods of the controlling physical processes of the
polycrystalline silicon in the two contacting grain boundaries region and also based
on applying them to the solar elements are being reached.
Creation of the semiconductor instruments and solar elements, which are
relatively cheaper and stronger to outside affects including the stable to the
temperature and irradiation rays beam by improving the electrical and optical
characteristics of polycrystalline silicon semiconductors, is a important task. In this
field to realize the objective scientific investigations, including in the following
directions are one of the important problems: definition the microstructure of the
two contacting between grain boundaries region and impurity states; designation of
modern methods for definition of their electrical and optical characteristics with
taking into account the physical and chemical properties of volume defects and
between grain boundaries regions of polycrystalline silicon; definition the related
laws which the electron-hole pairs formation and transition in impurity states on
between grain boundaries region when light rays or temperature changing process
and their affect to electrical and photoelectrical properties of polycrystalline silicon
p-n structures; definition of affect to between grain boundaries region impurity
atoms microstructure and electronic properties; creation and production of new
type energy transformations via controlling physical processes in between grain
boundaries regions. The investigations mentioned above explain actuality of the
present thesis topic.
The present thesis investigations are the works to realize in Decision
"PQ–1442" of President of Uzbekistan Republic "On the priory directions of
development of Republic of Uzbekistan industry in 2011-2015", and other legal
and regulatory documents connected with this decision.
The conformity of investigation to priority directions of Republic of
Uzbekistan science and technologies development.
The thesis is made in the
framework of priory directions of Republic of Uzbekistan science and technologies
development, III "Energetics, energy and resource saving, transport, engineering,
55
instrumentation, development of modern electronics, microelectronics, fotonics,
electronic instrumentation".
Review of international scientific investigations on thesis topics
17
.
At
present in the leading world scientific centers, institutes and universities including
Sandia National Laboratories (New Mexico), Tohoku University (Japan),
University of Zˇilina (Slovakia), Northeastern University (China), Wacker Chemie
и SiTec Applied Research (Germany), OCI (Sought Korea), Hemlock
Semiconductor Corporation (USA), Sun Edison inc. (USA), University Stuttgart
(Germany), Moscow State University, Institute of semiconductor physics (Russia)
are conducted investigations on the development new technologies for obtaining
polycrystalline Si designed for photo energetics and microenergetics.
In the world level in region of microstructure and impurity states of grain
boundaries in polycrystalline Si studying the several new scientific results were
obtained. In particularly atomic structures of grain boundaries are defined, the
development of summing resistivity on the resistivity of grains and grain
boundaries laws and theirs effect to the electro physical and photoelectrical
properties of p-n structures were established (Tohoku University, Japan, University
Stuttgart, Germany), the segregation and diffusion processes in polycrystalline Si
were studied (Ukraine National Techniques University), and the different models
of the grain boundaries were designed (General Electric Research Laboratory, New
York, Sandia National Laboratories, USA and Institute of Scientific Investigations
of Molecular Electronics and plant «Mikron», Russia).
At present the theoretical and experimental scientific investigations on the
studying grain boundaries including these perspective directions as investigation of
horizontal and vertical structures of the grain boundaries and processes in them
charge transition researches on the recombination centers passivity and defining of
the potential barrier height, diffusing processes in the grain boundaries are carrying
out.
The investigations degree of the problem.
At present by world leading
scientists investigations of properties of polycrystalline Si including microstructure
and impurity states of the grain boundaries, their effect to the charge transition
process have been carried. For example, the microstructure of the grain boundaries
have been investigated by R.Rozenhayman, K,Hargrivz. The charging states have
been studied by B.M. Johnson, W.K. Schubert, V.Iglesias. Their effect to the
charge transition have been investigated by Ryousuke Matsubara, Emi Machida.
The models for explaining of the electrical properties of poly-Si have been
suggested by J.Y.W. Seto, V.A.Greedchin, В.М. Lyubimskiy, Masaki Takihara,
Takuji Takahashi. Karem Boubaker, Sang Mi Cho, Kyle Preston, K.Amal, K.Ro,
Ö.Ö.Tüzün and other scientists the full scale investigations on increasing solar
elements effectively and semiconductor instruments basing on the polycrystalline
are carrying out.
17
Review of international scientific investigations on thesis topics is made by papers: Annual Review of Materials
Science, Vol. 15: 271-302 August 1985; Lecture on Grain Boundary & Interface Engineering at Department of
Materials Engineering, IISc, (No.2) (18, November, 2015, Bangalore, India), j._mullerova_s._jur_english.pdf. and in
other refs.
56
The scientists from Uzbekistan, for example, M.S. Saidov, R.A. Muminov,
A.S. Saidov, A.V. Karimov, P.U. Aliyev have carried out the investigations on
increasing of the effectiveness of the semiconductor instruments and solar
elements based on polycrystalline Si.
The investigations on the electro physical and photoelectrical characteristics
of polycrystalline Si p-n structure have been carrying out by leading collaboration
of M.S. Saidov. As the result of these investigations the impurity heating volt
effects have been found and their classification have been suggested. Collaboration
of R.U. Aliyev investigate using polycrystalline Si p-n structure in solar batteries
and designed the several perspective constructions.
It follows from the mentioned above that investigations on studying effects
of microstructure and impurity states grain boundaries to the charge transition in
polycrystalline Si, electron-hole pairs formation conditions in the impurity states
by temperature changes and their effect to the electric physical and photoelectrical
properties of p-n transition; effect of additional leggier impurities to microstructure
and electronically properties of grain boundaries; electron-hole pairs formation in
impurity states or recombination centers formed by electrons irradiation effect or
ionic implantations and their effect to the electrically physical and photoelectrical
properties of p-n transitions in polycrystalline structures are actual and have
scientific practical meaning.
Relation of thesis topics with scientific investigations of scientific
investigation organization where the thesis has been made.
The thesis
investigations have been made in Andijan State University in framework of the
planned budget and economic treaty "NIOR", for example, the scientific
investigation work on project, P-18.52 "Development and implementation of
technology for obtaining Si plates for Solar elements", 2003-2007 years; F-2-28
"Surface and volume quantum dimension effects in leggier Si and their effect to
generation recombination processes and separation of charge carriers in p-n
structures", 2012-2016 years.
The purpose of the investigations
is laws establishing of dependence of the
electrical physical properties of polycrystalline Si and photoelectrical
characteristics of p-n structures based on impurity states localized in grain
boundaries region and volume defects.
In accordance with choosing purpose we were must solve these
problems:
to
study of microstructure and morphology grain boundaries polycrystalline Si
obtained by two molding methods and powder technology method and also to
figure out the mechanisms of defects formation and impurity states in grain
boundaries region in the impurity segregation process;
to define microstructure and impurity states effect in grain boundaries region
and volume defects in poly-Si to charge transition in the temperature range,
~
300÷800
0
K;
to study adsorption and desorption processes of alkaline metals, (Li, Na, K,
Cs), and their effect to the microstructure and electronic properties impurity
boundaries;
57
to define impurity stated effect in grain boundaries region and volume
defects in polycrystalline Si to electrical physical and photoelectrical properties of
p-n structures in the temperature range,
~
300÷500
0
K;
to investigate of recombination centers effect formed by electronic
irradiation (the energy, Е
~
1 MeV; the dose, D
~
10
15
cm
-2
), to electrical physical and
photoelectrical characteristics of p-n structures in the temperature range,
~
300÷500
0
K;
to investigate of recombination centers and impurity states effect formed by
leggier atoms process of alkaline metals (the energy, Е
~
30 eV; the dose, D
~
10
14
cm
-2
), to electrical physical and photoelectrical characteristics of mono crystalline
Si p-n structures in the temperature range,
~
300÷500
0
K;
to work out the new and modernize known methods of studying of impurity
states in grain boundaries region and also their effect to the electrical physical and
photoelectrical properties p-n structures in wide range of variation of experiment
conditions.
The objects of investigations
are polycrystalline Si and p-n structure, based
on it.
The subjects of investigations
are the processes formation of electronic
hole pairs with impurity states and defects in grain boundaries region, pattern
formation of photoelectrical characteristics.
The investigations methods.
We use the complex informative methods of
experimental physics: X-ray spectral micro zoned analysis, electrical physical and
photoelectrical investigations, precision thermo curing, thermo electronic emission
and leggier methods, ion implantation, diffusion, electronic irradiation, powder
metallurgy techniques.
The scientific novelty of investigations
is following
:
it has been found that rough surface formation of boundaries abundant
overhangs and micro cavities in grain boundaries region is caused with uneven
distribution of impurity in volume of the grain, namely with concentrate increase
of each of their impurities from center up grain boundary;
it has been revealed that width of united layers of two contacting grains,
where the ionization fact of localized traps in temperature changing process with
taking account of ionized traps energy that leads to change potential barrier height
in range of ~0,3÷0,9 eV and to decrease charge carrier density, is about nanometer;
the multilayered interface model of two contacting grains and equivalent
electric scheme which allows to define the electrical properties of grain boundaries
has been constructed;
the adsorption and desorption phenomena in grain boundaries region have
been founded;
the impurity thermal-voltaic and thermal-photovoltaic effects occurring
regularity in homogeneous polycrystalline Si and p-n structures, on its base and
also in mono crystalline Si with p-n transition conducted with formation of
electron-hole pairs when deep impure states participate, has been installed;
the model of formation of p-n transition in grain boundaries region.
58
The practical results of investigations
are following:
The obtaining of polycrystalline Si plates technologies for solar elements
based powder metallurgy has been designed. Samples of polycrystalline Si with
width 250÷400 mkm and size ≥150 mm have been obtained;
The adsorption and desorption passing conditions of impurity in grain
boundaries region and technological regimes for obtaining p-n transitions based on
mentioned phenomena have been defined, and also p-n structures for cheap solar
elements, which coefficient of useful effect without clearance is
~
7 %, has been
obtained.
The diffusion setting, which allows to construct at the same time in the
different parts of polycrystalline Si and mono crystalline Si plates in diverse
regions, has been designed and constructed.
The technological regimes for obtaining impurity thermal-voltaic and
thermal-photovoltaic effects for construction the new alternative energy sources
based polycrystalline Si and mono crystalline Si plates have been designed.
The authenticity of investigations results
is confirmed by using modern
scientific and technological methods, standard and approved control methods of
parameters and characteristics of semiconducting instruments. The results and
conclusion are based in the physical reviews based on the theoretical and
experimental data.
The scientific and practical significance of investigations results.
The
scientific significance of investigations results in that they allow to explain the
microstructure and the electronic state in the grain boundaries of polycrystalline Si
and manifestation of adsorption and desorption effects. The practical significance
of investigations results in designing of diffusion construction and new
semiconducting structures for photo converter based on polycrystalline Si with
using powder technology.
The introduction of investigations results.
Based on the results of
electronic processes studying in grain boundaries of polycrystalline Si: The patent
for invention of Republic of Uzbekistan, "The diffusion setting" on the diffusion
conduct process of leggier impurities to Si crystal forming electronic and hole
conductivity, has been obtained (№ IAP 04767, 23.09.2013). Using designed
diffusion setting gave us to obtain the polytypic and isotopic transitions in the Si
crystal in the one process instead of three processes in its famous analog.
The patent for invention of Republic of Uzbekistan, "The energy converter"
on the construct of heat energy converter of solar irradiation to the electrical one,
has been obtained (№ IAP 04855, 05.12.2013). Using designed energy converter
based non mono crystalline Si with deep levels allows us to obtain photocurrent
more to 10 % in comparison with known analog with small width of base region.
Mechanisms manifestation of impurity thermal-voltaic and thermal-photo voltaic
effects had been detected first in investigations structures with p-n transitions
based polycrystalline Si; the designed technology for obtaining polycrystalline Si
based powder metallurgy had been used by performance grant theme, "The energy
transformation processes in the systems based organic and
59
nonorganic granulated semiconductors with small size impurity inhomogeneity",
grant theme, "Stimulated non equilibrium processes of charge transition in
polycrystalline, amorphous and nano crystalline". Using scientific results allowed
the identification the energy transformation processes in the systems based organic
and nonorganic granulated semiconductors, processes of charge transition in
polycrystalline, amorphous and nano crystalline (Reference from coordination of
science development and technologies Committee of Republic of Uzbekistan,
FTK-03-13/677, 10.10.2016.).
Approbation of the thesis results
. The investigation results have been
approved in the works of 21 international and Republic conferences as talks,
including "The actual problems of modern physics (Termez, 2002); "Silicon-2003"
(Moscow, 2003) "The 3-Uzbek-Korean International Symposium on Quantum
Functional Materials and Devices 2004" (Tashkent, 2004); "Growth, properties and
application of crystals" (Nukus, 2005, Andijan, 2008); "1000 years of Ma'mun
Academy" (Khiva, 2006); "The problems of alternative energetic and energy
saving" (Namangan, 2007); "The modern problems of Physics and teaching
Physics" (Samarkand, 2009); "Modern problems of semiconductor physics"
(Nukus, 2011); "The actual problems of electronic physics" (Tashkent, 2012);
"Silicon-2014" (Irkutsk, 2014); "The fundamental and applied problems of
physics" (Tashkent, 2014); "The actual problems of semiconductor physics"
(Tashkent, 2014); "The technology and nano particle physics, microelectronics"
(Andijan, 2015).
Publication of the results of investigations.
On the thesis topics have been
published 44 scientific papers. The 20 from ones have been published in the
journals suggested by Uzbekistan Republics High Attestation Commission for
publication of main scientific results of thesis, 1 monograph, 2 patents of invention
have been announced.
The structure and volume of the thesis.
The thesis contains introduction, 5
chapters, conclusion, and the bibliography. The text of the thesis has been wrote in
198 pages.
60
THE MAIN CONTENT OF THE THESIS
In
Introduction
the relevance of the thesis topics is justified, the
communication of investigations with main priory directions of science and
technology development in Uzbekistan is defined; the review of world scientific
investigations on the thesis topics and the problem investigations degree are given;
the research goal and task are formulated; the object, topics, and the methods of
investigations are identified; the scientific novelty of investigations is stated; the
accuracy of obtained results is proved; the theoretical and practical importance
theirs are revealed; the brief intelligence on the results application and
appreciation, and also on thesis volume and structure is given.
In the first chapter
the present problem and trend of improvement of
polycrystalline Si constructing technology of semiconducting structures
based
on the literature data of present problem are analyzed and the known states of
microstructure and electronic properties of grain boundaries, their effect to the
electro physical and optical properties of polycrystalline Si are described in detail.
The variants using polycrystalline structures in microelectronics and photo
energetic and also investigations results on the theoretical explanation and
experimental detection of impurity thermal-voltaic and thermal-photovoltaic
effects are described. Basing on the analysis of having theoretical and experimental
data the problem is formulated.
In the second chapter named "
the experimental and theoretical
investigations methods
" the characteristics and essence of using methods are
described. As the main input investigations materials the samples conductivity of
p-type, with
ρ~
1
Оm·sm
, obtained by two casting methods
18
and also powder
metallurgy method, are choose. To each of tip of the samples the conditioned
names are given. For example, for samples obtained from casting polycrystalline of
the Waсker firm is "Wacker", for the samples obtained from second casting
polycrystalline is "Casted", and finally for samples obtained by powder technology
is "Powder". For investigating microstructure of grain boundaries the X-spectral
micro zone analysis is used. For estimating temperature affect to electro physical
properties the modernized four zone and Van-der-Pau methods, and one based on
the Hole effect, are used. Measurements of specific resistance,
ρ
, mobility, μ, and
charge transition concentration, n, are conducted on increasing of temperature from
300 up to 800
0
K, and also on the its decreasing step, i.e. in process cool down with
known velocity. For explaining obtain results the heat electron emission model has
been used
19
. The principal novelty of the approach is in framework of the heat
electron emission model of principal changes of conditions for current,
J
ss
, which
are arisen by capture and emission of charge carriers in traps, and work with model
in given conditions (Fig.1.). For example, it is shown that when the quantity of
charge carriers is more than emission, the potential barrier heights,
δϕ
,
is will be
18
Абдурахманов Б.М., Ачилов Т.Х., Кадыров А.Л. ва бошқ. // Гелиотехника., 1992. №4. – С. 8–14; Саидов
М.С., Билялов Р.Р., Мухамадиев Р.Э., Чирва В.П. // Гелиотехника, 1987. № 6. – С. 18–20.
19
Polycrystalline
conductors. The physical properties and applications: translated from English. // by Harbek G.M. edition, «Mir».
1989 (in Russian).
61
increased, and the charge on the trap levels by two contacted grains will be moved,
the traps total conductivity will be increased. Let we chose conditionally the
current direction,
J
ss
, "minus". If the emission prevails than the capture then the
charge will be moved on opposite direction, the quantities,
Y
ss
and
δϕ
will be
decreased, and the corresponding current can be sign "plus". These new elements
included to the model give possibility to explain the charge carriers drift features in
between grain boundaries region and other their kinetic characteristics.
Fig.1. The band diagram and
Schematic diagram of between
grain boundaries
The new modification the leggier method
20
for defining impurity adsorption
and desorption process and their effect to the microstructure and electron
properties of between grain boundaries has been designed and used. The principal
novelty of the design is on application of the total group of alkaline metals, Li, Na,
K, Cs, in the framework of the leggier method, in choosing as object leggier
method of ionic implantation and in choosing as investigation object of the
polycrystalline plates and structures with p-n transition executed on these plates.
After that the ionic implantation samples with
~
10
-6
Torr
have been annealed in
vacuum in the range of temperature from 300
0
K up to 1000
0
K. For estimating
alkaline metals affect to the electronic properties between grain boundaries the
quantity,
ϕ
, had been defined by leggier method before and after ionic implantation
and also after each curing with of 25
0
K step. The leggier method modification
allows to delete the several Labor intensive operations which were need to spend
on the traditional methodic application, namely polishing together leggier layer and
surface polish and i.e. implemented successively after of each leggier act. It should
be noted that the traditional investigation is accompanied with factice destruction
of the samples and for its implementation on practice the many samples, which
must been identical in every way besides leggier impurity concentration, are need.
The performance of these conditions are difficult.
If we investigate the samples with application the concerning suggested ours
modification leggier method then far small quantity of samples are required. On
the measurement results in any point or micro region of surface only sample they
are reliable and identical. The nondestructive method for defining occurrence depth
height of p-n structure has been designed and used. On base of this method the
photo electromotive force change principle has been putted. The method allows to
define depth height including comparison small p-n transitions in polycrystalline
samples. It has been defined that the transition depth height in corn equals to 1-1,5
mkm, and p-n transition in between of grain boundaries region lies in height range,
1,5-2 mkm.
20
Thin polycrystalline and amorphous films: Physics and Applications. Translated from English. //L. Kazmersky
edition. –М.: Mir, 1983 and from other references (in Russian).
62
The new investigation method of temperature addiction of electro physical
and photoelectrical parameters of p-n structures based on using precision scanning
of light ray (probe) with given wave length,
λ
=0,4
÷
1,4 mkm
, and with regulating
diameter of light spot,
~
10
÷
400 mkm, on the sample surface when precision
changing of temperature, 300
÷
800
0
К, has been designed and used. Application of
the light probe have been allowed to light locally the parting micro regions on
surface of polycrystalline p-n structures including on the surface and between grain
boundaries.
The new method to obtain polycrystalline, based powder technology which
consists from operations: raw material preparation, extrusion billets, caking and
design of surface, has been designed. To polycrystalline samples caking by
temperature, Т
~
1220
°
С, in vacuum, 10
-6
Torr., during 60
÷
90 minutes we can give
controlled electro physical properties acceptable for designing on them of the solar
elements namely p-type conductivity,
ρ
~
1 Om
⋅
sm, and life time charge carriers,
τ~
10
-5
s. this technology allows to obtain polycrystalline Si of any form with width,
250÷400 mkm, and size,
≥
150 mm. The presented in the chapter the theoretical
and experimental investigations methods and their new modifications have been
constructed the possibility of successfully solution of supplied in the thesis
scientific problems.
In the third chapter ("
The microstructure and morphology between grain
boundaries in polycrystalline obtained with different methods
") the
investigation results of microstructure and morphology between grain boundaries
and also leggier impurity atoms affect on them have been presented and
mechanisms for their explaining have been given. The obtained results show that
the corns surface with size
~
100÷300 mkm abounds an all cases with different
complicated structures and relief, i.e. rough surface with protrusion and micro
voids size < 10 mkm. The analysis of the chemical composition of grains surface
i.e. the substance which located directly in the between grain boundaries region
showed existence of oxygenated complexes. It has been found that the impurity
concentration increases from corn kernel to its surface boundary. In Table 1 the
estimation results of the impurity composition in polycrystalline with different
technologic origin are presented.
Table 1
The chemical composition of the samples
The provisional
designated
polycrystalline samples
The impurity type and composition
and macro defects
The
sample
width
«Waсker»
Si, S, Cl, Ca, Fe
~
76,39 %
300 mkm
Emptiness
~
23,61 %
«Casted»
Si, S, Cl, Ca, Fe, Co, Ta
~
72,58 %
250 mkm
Emptiness
~
27,42 %
«Powder»
Si, S, Cl, Ca, Fe, Co, Ta
~
68,25 %
100 mkm
Emptiness
~
31,75 %
63
The expression for defining the size micro emptiness formed in between
grain boundaries region and connected with impurity atoms concentration in this
region has been obtained:
100
−
у
=
х
. (1)
Here
х
is the micro emptiness,
у
is the impurity quantity which defining
experimentally on per cent.
It is seen from the Table that on the all studied samples with
х
≠
0
which is
explained with micro emptiness formation in polycrystalline crystallization process
independently on used technology. It is known
21
that in crystallization process of
elementary substances interactions result which are in melting state the chemical
compounds, for example, SiO
х
and SiCl(OH), will been formed. They can will
form the chemical compounds with the special input to melting leggier, and also
with the phone impurity in their segregation crowding out process to the surface
from crystallization center. It should be noted that some chemical compounds, for
example, SiO
х
and SiCl(OH), do not get the corn surface. That is by forming corn
surface in between grain boundaries region of metal and metal oxidic films from
the chemical elements having in melt and displaced by crystallization due
segregation process from volume to grain surface have been formed. The obtained
data correlates modern presentation configuration about of grain configuration and
structure and between grain boundaries. The model structure of two contacting
grains divided between grain boundaries based obtained results can be illustrated
be scheme presented on Fig.2.
In Fig.2. 1 – corresponds to polycrystalline grain corn which is mono crystal
oriented to on crystallization front dealing with in obtaining polycrystalline. The
region 1 leggier practically homogeneously with small donors (Р, Аs, Sb), and
acceptors (B, Al), special input to melt on obtaining poly-Si as a ligature.
The region 2 polycrystalline grain is the mono
crystal border area, and unlike from the corn abounds
with
defects increasing, dislocations, and other structure
infringements is conditioned by process of their
crowding
out to periphery in the crystallization acts. Impurities
concentration in the border area 2 much higher than in
grain corn 1 up to forming strong
leggier micro regions with
characteristics degenerative
semiconductor or punctuating and
training semimetal.
Fig.2. Model two contacting grains
The regions 3 and 4 present the surfaces films from oxides itself Si, oxides,
oversetting to metal impurity surface and also islands metal films formed from
congestion of metal impurity.
The regions 5, which can be characterized as micro emptiness have been
distributed approximately uniformly on the grain boundaries with the exception
location of conducting bridges formed obviously in the points of direct contact of
21
Thin films crystallization //Republic of Uzbekistan Academy of Sciences, «FAN», Tashkent, 1970 (in Russian).
64
metal and semimetal surfaces of layers 4 belonging to separate contacting together
grains.
The results adsorption and desorption processes of alkaline metals atoms
studied first and their affect to microstructure between grain boundaries region are
given. If Figure 3. the simplified scheme of samples parts is presented. In curing
process the impurity defunds on grains and also between grain boundaries that is
seen from the Fig. 3a (regions 4 and 5). The interesting effect, consisting that the
impurity by curing polycrystalline sample defunds not only by grains and between
grain boundaries, but also at the same time by temperature
~
800
0
К the alkaline
metals atoms desorption from between grain boundaries takes place as is seen from
the Fig. 3a, founded first (Region 6). This process leads to the formation of
peculiar p-n structure in polycrystalline surface region. With a further increase the
temperature the alkaline metals atoms basically defund by between grain
boundaries and this leads to their segregation to the under surface region of
between grain boundaries up to metallic interlayer formation and at the same time
to adsorption in grains surface (see Fig. 3b, Region 8). The chemical composition
analysis of grains surface i.e. directly between grains boundaries region availability
of oxygenated complexes formed alkaline metals atoms (Table 2) has been shown.
1 is the p-type grain; 2 are the between grain boundaries regions; 3 is the ionic implanted layer of
alkaline metals atoms; 4 and 5 is the diffused layer alkaline metals atoms; 6 is the desorption
layer; 7, 8 are the adsorption layers; 9 is the diffuse layer n (phosphorus); 10 is the phosphorus
diffuse on between grains boundaries; А is the rear side of sample; В is the face side of sample.
The thin arrow shows the motion direction of alkaline metals atoms in the sample.
Fig. 3. The simplified scheme of poly-Si
Table 2.
The alkaline metals atoms distribution
The samples
Li, %
Na, %
K, %
Cs, %
The p-type polycrystalline
substrate
It is not
defined
2,82
1,77
1,45
The n
+
-p-type
polycrystalline substrate
It is not
defined
1,94
1,02
1,05
For affect investigation of alkaline metals atoms to the polycrystalline
microstructure the first the powder technology had been used. As the starting
material the polycrystalline and mono crystalline leggier fast alkaline metals
defund atoms have been chosen. The analysis of chemical composition of grains
surface showed that by crystallization process we deal with the segregation
crowding out of impurity to the grains boundaries, for example, Na
~
1,08%, and
К
~
0,08 %. The presence of the alkaline metals leads to appearance of the different
complexes of vacancies type and oxygenated centers with participation given
65
alkaline metals. These complexes lead to increasing width of depleted region
around between grains boundaries and to formation of thin metal-oxide or metal
films directly in the between grains boundaries region. Naturally, this process is
accompanied with cardinal changes of between grains boundaries microstructure.
The obtained results allow to present first the detail picture of between
grains boundaries region micro structure as in origin isotype polycrystalline
substrates, and as in polycrystalline p-n structures on ones base.
In the forth chapter ("
The drifting process in the between grains
boundaries region
") the experimentally studied results of the temperature change
affect to the charge transition in the polycrystalline volume, the electronic
properties of between grains boundaries, alkaline atoms affect to them have been
presented and has been given theirs discussion. The first the polycrystalline electro
physical properties with the different methods in range of temperature
~
300÷800
0
К have been studied. The investigation results shown that the temperature
dependences have as growing, and as declining regions of the parameter,
ρ
,
of
samples (Figure 4a.). For example, the growth of
ρ
on temperature observing in
"Wacker" samples up to a temperature, 525
0
K, and in "Casted" samples up to a
temperature, 600
0
K, and in "Powder" ones
up to a temperature, 625
0
K, as the quantity,
ρ
, in polycrystalline semiconductors is
defined with specific grains resistance of
between grain boundaries,
ρ
1
and
ρ
2
. The
increasing of captured charge in the
localized traps in between grains boundaries
occurring with temperature growth leads to
the increasing quantity,
ϕ
from 0,3 up to 0,9
eV, and wherein the quantity,
ρ
2
, increases,
which in final leads to the increasing
quantity,
ρ
. The future increasing of the
temperature
is
accompanied
by
decreasing of states density that leads to
the decreasing of quantity,
ρ
, which
occurring on tempera
ture
~
703
0
K the characterized minimum
on all samples types. Thus, the drop area
of
1 corresponds to «Waсker»; 2 corresponds
to «Casted»; 3 corresponds to «Powder»; 4
– mono-Si; 5 – corresponds to «Powder
AMs»
Fig. 4. The specific resistance
dependence on the temperature
quantity,
ρ
, is occurring for "Wacker" sample in the temperature range 525÷703
0
K, for "Casted" sample,
~
600÷703
0
K, for "Powder" sample
~
625÷703
0
K. The
equivalent scheme has been suggested and expression for definition quantity,
ρ
,
for each compound between grain boundaries regions based on structure model of
two contacting grains has been obtained (Figure 2.)
⁄ [
]
⁄
(2)
Here the parameters A, B and C are constants, T is the temperature,
Т
+
is the
ionized traps concentration in between grains boundaries. The obtained results
showed that the ionized traps energy or vacancies increasing leads to increasing
66
quantities,
ϕ
и
ρ
2
, i.e. on this process the quantity,
Y
ss
, will be increasing, too. It
has been shown that in this case the states density increased up to ~1,6
⋅
10
13
sm
2
/eV.
The behavior of potential barrier height temperature dependence related of course,
with the chemical processes occurring with impurity participation located in
between grain boundaries region. Obviously, these processes stronger on less
grains sizes than for cases coarsegrained polycrystalline, are manifested. The
detected in polycrystalline and presented on Figure 4 non monotonic change of
quantity,
ρ
, also in quantities,
μ
and
n
, of charge carriers is observed.
On Figure 5 the temperature dependence of quantities,
μ
and
n
, are
presented. It is seen from the Figure that quantity,
μ
, on all studied samples
depends on temperature by range from 300
0
К up to
~
350
0
K approximately
corresponds with data for mono (5-7) crystalline
22
, i.e. quantity
μ
drops monotonic
on increasing of temperature. The future temperature changing of quantities,
μ
and
n
, has nontrivial character, the peak and failure in range of 400
÷
700
0
К are
observed. On value of the temperature
~
703
0
К in all samples the sharp change
with width
~
25
0
К in range of which the quantities,
n
and
μ
, are changing the
dozen and hundredfold times, is observed. This nontrivial character behavior of
quantities,
n
and
μ
, depends on nature of each compounds of micro regions of
between grain boundaries (Figure 2).
1 corresponds to «Waсker»; 2 – «Crack»; 3 – «Powder»; 4 – мoнo-Si.
Fig. 5. The dependencies mobility and charge carrier concentration on temperature poly-Si
received in different ways
If we increase the temperature then at the same time the formation processes
of traps congestions in between grain boundaries, recombination and emission of
charge carriers leading to energetic spectrum changing of traps levels, are
occurring. The observing temperature changes of quantities,
n
and
µ
, correspond to
traps manifestation processes with the averaged levels
23
,
Е~
0,15 eV and
Е~
0,17 eV
on the temperature range, 300
÷
350
0
К by 383
÷
400
0
К is manifested
Е~
0,36
eV
;
22
Ottaviani G.I., Reggiani C., Canali F. Nava and A.A. Quaranta //Phys. Rev. B12, 8 (1975) 3315-3322. Logan
R.A. and A.J. Peters // J. Appl Phys. 31. 1 (1960) 122-124. Morin F. J. and J. P. Maita // Phys. Rev. 96. 1 (1954)
28-35.
23
Zastavnoy A.V., Korol' V.M. The Lithium interaction with radiation defects in Si // FTP, v. 23, n. 2, p.
369-372, (1989) (in Russian).
67
and in temperature range ~400
÷
680
0
К traps occurring with level
Е~
0,3 eV is
noted. It is seen from all cases that quantities,
n
and
µ
, of charge carriers on these
temperatures is accompanied intermittent changes ones. On results and between
grain boundaries microstructure designing the expression for defining charge
carriers in polycrystalline,
n
, has been obtained. The sum concentration of charge
carriers in polycrystalline volume,
n
v
, as sum of charge carriers concentration,
n
cr
,
in same grains and charge carriers concentration in between grain boundaries,
n
bgb
,
is defined. As the quantity
n
bgb
presents superposition of two compounds;
n
1
is the
concentration of charge carriers which enough big kinetic energy had bought, in
electric conductivity are participated, i.e. the additional contribution to the total
electro conductivity,
n
2
is the charge carriers concentration captured by ionized
states in between grains boundaries region. Here quantity
n
2
is connected with
ionic traps concentration,
N
0
, ionization energy, E,
ϕ
and state density
concentration,
N
v1
. As the temperature changing of quantity
n
cr
we accepted
analogically in mono crystalline, then using this expression the quantity
n
v
can be
described as following
exp( / ) ( exp( / ) )exp( / )
N qE kT N N qE kT q kT
− ⋅ − − −
ϕ
v g
v o
1
n
v g
v o
≈
(3)
exp( / ) ( exp( / ) )exp( / )
v
ϕ
N qE kT N N qE kT q kT
−
+
− − −
1
It is seen from this expression that by temperature affecting the ionized traps
change in between grain boundaries leads to the change of quantity
n
v
. As the
dependence on polycrystalline samples
n=f(Т)
in the temperature range 500
÷
700
0
К obtained by different technologies differ considerable from each other, namely,
in "Wacker" samples increasing the quantity
n
is occurring, and in "Crack" ones is
not changing, and in "Powder" samples, conversely, n is decreasing. As grains
sizes in all mentioned above differ with polycrystalline types we can conclude that
on less grains sizes the quantity
N
o
increases on temperature. This leads to the
increasing the quantity
n
2
and decreasing one
n
v
. Finally, the intermittent change
the quantities,
ρ
,
n
and
µ
, around temperature
Т
~703
0
К is connected with
occurring heat donors in grains and between grains boundaries region.
The first alkaline metals atoms affect to electronic properties of between
grain boundaries including to polycrystalline of different types of the ionic
implantation has been studied. The alkaline metals concentration increasing leads
to the growth of quantity
ϕ
,
from 0.3 up to 0.45 eV. It has been shown that this
trend with occurring disordered structures on polycrystalline surface which appears
directly in ionic implantation is summoned. By traps filling or their passivity in
width heat affect result called double layer and the quantity
ϕ
begins to decrease
24
.
In our case the changes of quantity
ϕ
(Region I on Т≤600
0
К, Figure 6) coincides
with these opinions. However, unlike from region I with temperature increasing
(regions II and III on temperature Т ≥ 600
0
К) changes sign of parameter
ϕ
. For
estimation of p-n structures occurring fact in ionic implantation result of alkaline
24
The thin polycrystalline and amorphous films: Physics and applications. Translated from English //L. Kazmerskiy
edition. Moscow: Mir, 1983 and other references (in Russian).
68
metals we compared the Volt-Ampere Characteristics of studied samples before
and after ionic implantation and also after of each heat treatment conducted with
step of temperature 25
0
K. The obtained results showed that electron hole transition
quality depends on the heat treatment temperature. The heat treatment causes the
noticeable improvement straightening properties of p-n transition if its temperature
is ≤700÷800
0
К. However, with future increasing of temperature the diode
characteristics is worsening. In our opinion the change of quantity
ϕ
on Т≥600
0
К
(Regions II and III) is explained with
alkaline metals desorption from between
grain boundaries region to polycrystalline
surface and emergency of p-n structure
because of their donor nature, i.e. the
change of quantity
ϕ
is connected with
formation of
n
+
region (see Figure 2a,
Region 6). In future heat treatment
process the alkaline metals atoms
concentration in between grain
boundaries is increasing and metalliza
Fig. 6. The dependence of potential barrier
height between grain boundaries in poly-Si
surface on heat treatment temperature
tion desorption layers is occurring. Then
the quantity
ϕ
is increasing in the same
n
+
region. For changing estimation of quan
tity
ϕ
on the future increasing of temperature (Region III) the new "modification"
leggier method has been used. The measurements were carried out on substrate
side (see Figure 3b and 3c, where A is the samples substrate).
On Figure 7 the changes of
quantity
ϕ
of two samples types on
different temperatures of heat
treatment
is illustrated. It is seen from the
Figure
that with increasing temperature the
growth of quantity
ϕ
as on p-type
samples, and as ones presenting p-n
structure, is occurring. The growth
the
quantity
ϕ
is explained with alkaline
metals adsorption in between grain
boundaries (see Figure 3b and 3c,
Region 8). In diffuse process occurs
adsorbed
layers
metallization
on
between grain boundaries, the alkaline
metals atoms concentration is increasing
very much as presented
Fig. 7. The dependence potential barrier
height in the region between grain
boundaries of poly-Si on the substrate
surface by the heat treatment temperature,
doped with alkali metal atoms
in Table 2, and it leads to growth of quantity
ϕ
. The observed differences of curves
for quantity
ϕ
depend on different types of samples (see Figure 7a and 7b). In
diffusion process the alkaline metals must been transferred to
n
+
region of p-n
structure. But in this region the number of impurity states much higher because of
69
presence in its including earlier phosphorus (see Figure 3c, Region 10). Therefore
for diffusion transition
n
+
region of alkaline metals additional time, energy or more
high temperature are required. The stabilization of quantity
ϕ
on the future
increasing of temperature of heat treatment can be connected with impurity
equilibrium distribution on between grain boundaries surface.
The first alkaline metals affect to charge carriers transition in between grain
boundaries on temperature changing has been studied (see Figure 4a "Powder"
alkaline metals). It is seen from the Figure that alkaline metals atoms presence in
polycrystalline volume with the temperature growth is changing monotonic
(Fig.4a). It with recombination centers passivity by alkaline metals atoms can be
explained. Besides, in our opinion, the alkaline metals are so mobile that their
atoms on temperature increasing in studied range of temperature can be transfer
from grain depth to between grain boundaries side, i.e. to move to grain surface,
and when sample cooling down to move conversely from between grain
boundaries to grain depth.
In the fifth chapter ("
The defects and impurity states affect in between
grain boundaries region to electro physical and photoelectric properties of p-n
structures
") the results of electron-hole pairs formation to impurity states in
between grain boundaries, the theoretical model of p-n structures in between grain
boundaries region, and also charge carriers process in them, the temperature
changing affect, impurity states and recombination centers in electro physical and
photoelectric properties p-n structures, are given. The p-n structures formations
directly in between grain boundaries region have been found. In Fig.8a the
simplified scheme of polycrystalline part of p-n structure is presented. The Figure
8b shows the zoned diagram corresponding between grain boundaries region. The
arrows illustrate the charge motion in sample volume. Here
Е
iр
and
Е
in
are the
recombination centers levels in p-n regions forming the additional barriers directly
in between grain boundaries region. Besides, in Figure 8b also recombination
centers distribution
E
gtp
and
E
gtn,
being p-n region on energies is shown. It should
be noted the identify ourselves patterns: the charge carriers capture and emissions
take place not only with participation acceptor and donor levels
Е
ip
and
Е
in
,
and
also occurs between levels, i.e. on temperature growth is occurring consistent
appearance the new recombination centers corresponding to the concrete energetic
levels is occurring. By transition from valence zone to conductivity one of charge
carriers in these intermediate recombination centers are captured and in this way
by theirs intermediate are removing up to reach the conductivity zone energetic
level. The charge carriers capture and emission occurring between levels
Е
ip
and
E
gtp
or
Е
in
and
E
gtn
lead to appearance of currents
J
ss(p)
и
J
ss(n)
, corresponddingly, in p
and n regions as in second chapter was been shown (Figure 1). It is accompanied
with appearance current
J
ss
. The polycrystalline temperature increasing leads to the
growth of currents
J
ss(p)
and
J
ss(n)
. the total current can be expressed as
J=J
pn
+J
tot(pn)
+J
ss(pn)
+J
s(n)
(4)
70
1 – poly-Si grains; 2 – between grain boundaries
regions; 3 – diffusion layer (phosphorous); 4 – the
phosphorous diffuse on between grain boundaries;
Fig. 8. The band diagram of p-n - structures in the region between the grain
boundaries and his simplified diagram
It is seen from this expression that the total current the sum of currents
J
ss(pn)
,
J
ss(pn)
and
J
th(pn)
, connected with capture and emission processes of charge carriers
in recombination centers, i.e. in levels conducted or special including deep leggier
or residual impurities transitory to between grain boundaries from the starting
material or as we had been showed first defects present in between grain
boundaries region if grains size is inconsiderable. If these currents are less than
J
pn
,
then the total current is defined by
J
pn
, but it is conversely, then the total current, in
basically, is defined by currents
J
ss(pn)
,
J
s(pn)
и
J
th(pn)
, connected with levels
mentioned above or impurity states. This can leads to occurring of the impurity
thermal voltaic effect. By heating or lighting of polycrystalline in p-n transition
region and also in levels,
Е
iр
and
Е
in
, are forming the electron-hole pairs. By
electrons emission with level
E
gtp
being in p region the released levels
E
gtp
are filled
by electrons disengaged in its turn from levels
E
ip
, if they are moved to side of n
region, and levels
E
ip
are filled by charge carriers leaved from valence zone. The
analogically process takes place in p region of p-n structure. The increasing
currents
J
ss(pn)
,
J
s(pn)
and
J
th(pn)
, lead to growth p-n transition direct current with sign
"plus", and conversely if electrons will be moved to p region volume and at the
same time holes will be moved to n region volume, then the currents
J
ss(pn)
,
J
s(pn)
and
J
th(pn)
will be increased with sign "minus", and simultaneously, the direct current
p-n transition will be increased with sign "minus". In the first case the total current
of p-n transition increased with sign "plus", and in the second case it changes with
sign "minus".
In the Figure 9a the temperature dependences of the dark current in heated
and cooled polycrystalline are given n
+
-р structures are presented. It is seen from
the Figure that in heating of the sample the current increases monotonic up to
~
100
°
С, then on the same signs sharp increasing current is occurring which the
quantities dozens of times more than its value on
~
20
о
С. It can be explained by
occurring currents
J
ss(pn)
,
J
s(pn)
and
J
th(pn)
with sign "minus". In cooling of samples
process the current change is different principally from ones in heating temperature
process. On cooling samples process charge carriers emission from levels Е
~
0,15
eV and Е
~
0,17 eV, which was captured there in heating process, is occurring. It
leads to intermittent change of current on
~
50÷100
о
С.
In Figure 9b the photocurrent temperature dependences shouted by local
brightening of different micro regions of polycrystalline structures n
+
-р surface
71
were matched. It is seen from the Figure that in all studied temperature range the
photocurrent in mono crystalline n
+
-р structures is increasing monotonic weakly.
As the dependence curve
J=f(T)
, corresponds to brightening own surface of
different polycrystalline structure large grains (
○
); Only in case when up to
~
100
°
С the trend of a curve shot in mono crystalline solar elements and then in
range
~
110
÷
160
°
С, the region has the opposite direction of the current after one
changes direction and is rising sharply Т
~
180
°
С up to values approximately in ten
times more than own value on 20
°
С. The micro region brightening containing the
group of small grains and their between grain boundaries (
Δ
) with increasing
current in
~
2 times on range of temperature 80
÷
100
°
С is accompanied in
comparison of its value on 20
°
С, and then we deal with plateau in range of up
~
100 to 140
°
С, transmitted to area with a sharp rise of current which reaches on
160
°
С the value more own one on 20
°
С about to an order.
Fig. 9.
The dependencies a dark and photocurrent on temperature of investigated samples
The most interesting features is in the current temperature dependence which
shots on local micro region brightening corresponding predominantly to between
grain boundaries (
◊
), for example, in joint spaces of the 3
÷
4 big grains. The slow
increasing current occurs up to temperature
~
100
°
С, then sharps squeak on
~
105
°
С, after that the current is slowing slump with changing its direction. The
future temperature increasing when returns to the former direction of current about
its value on 100
°
С, is accompanied, then the current value drops up smoothly to
temperature 150
°
С and sharps squeak again exceeds three times than own value in
room temperature, for example, on 170
°
С. The photocurrent increasing with
occurring currents
J
ss(pn)
,
J
s(pn)
and
J
th(pn)
, flowing direction of sign "plus" can be
explained. In charge carriers transition process is occurring, probably, with the
tunneling and occurring impurity thermal-photovoltaic effect it is accompanied, as
in Figure 9b is illustrated. On range of temperature
~
100÷170
°
С the traps level
0,36 eV is beginning to work, then to dominate which leads to the first to decrease
and after to change of current direction.
In Figure 10 the temperature dependences of the dark current and
photocurrent in heated and cooled mono crystalline p-n structures intentionally
irradiated by electrons are presented. It is seen from the Figure that dark current is
72
increasing monotonic with temperature growing up to 150
°
С, and then a sharp
increases as expected according to suggested above model illustrated in Figure 8b.
The same process is occurring also
when dark voltage is measuring. In
lighting case (2) the electron-hole pairs
formed with participation impurity
recombination centers give an addition
nal contribution to the p-n transition.
From comparison of (1) and (2) is seen
that, for example, on
~
230
°
С the
photocurrent equals to
~
800 mkA, i.e.
more in >5 times exceeds than the dark
current. It is seen from Figure 10 that
the total current connected and is
defined with currents
J
ss(pn)
,
J
s(pn)
and
Fig. 10. The temperature dependences of
dark current and photocurrent in heated and
cooled mono-Si p-n structures intentionally
irradiated by electrons
J
th(pn)
, conditioned with dominated
charge carriers emission on theirs
capture occurring in deep recombine
tion centers formed in mono crystalline
electronic irradiation. On heating or lighting process the electrons from these
centers to p volume region are directed, i.e. currents
J
ss(pn)
,
J
s(pn)
and
J
th(pn)
are
increased and directed to sign "minus", which corresponds straight current p-n
transition and the total current is increased with sign "minus", too. This event leads
to the impurity thermal-voltaic and impurity thermal-photovoltaic effects.
In the Figure 11 the
temperature dependences of dark
current and photocurrent in heated and
cooled mono crystalline p-n structures
subjected to additional alkaline metals
ionic implantation leggier. It is seen
from the Figure that the dark current,
the first, has direction corresponding
sign "minus", and the second, its
change on the temperature is
occurring according suggested above
model (Figure 8b). in the lighting case
Fig. 11. The temperature dependences of
dark current and photocurrent in heated and
cooled mono-Si p-n structures subjected to
additional alkaline metals ionic implantation
leggier
the monotonic growth of photocurrent
up to
~
150
°
С is occurring, then
current changes direction with opposi
te sign, and the growth is replaced
with dropping. The dark current decre
asing occurring up to
~
225
°
С which is explained by displaying of recombination
centers with E=0,3 eV. The this center passivity with speedily defunding Kailua,
usually, is reached, which leads to the dark current decreasing in such sample. This
73
explanation, obviously, can be applied for explaining photocurrent changes in the
samples leggier by other alkaline metals atoms too. For example, for Kailua the
current decreases up to
~
225
°
С, and for Cesium – up to ≥200
°
С. It is seen from
The Figure 11 that heat of the samples is accompanied by recombination centers
passive which in samples cooling process is occurring strongly.
Thus, the suggested model explains effectively the observable experimental
results touching as polycrystalline and as mono crystalline samples in which high
concentration deep energetic levels, that by usual leggier methods is not feasible, is
deliberately created. The obtained results expand the technological possibilities of
structure obtaining with controlled expression of impurity thermal-voltaic and
impurity thermal-photovoltaic effects and bring the instrument embodiment
mentioned above effects.
CONCLUSION
Based on the carried out physical processes investigations in polycrystalline
Si between grain boundaries and thermal-voltaic and thermal-photovoltaic effects
phenomena we can make the following conclusion:
1. The many layers junction of two contacting grains model whereby each of
grains consists from mono crystalline corn surrounded with defects region,
dislocations and other structure violations and also uniformly distributed on island
surface of metallic components and micro region in the form of protrusions and
hollows has been designed.
2. The non monotonic character of specific resistivity,
ρ
, mobility,
µ
,
concentration,
n
, temperature change of charge carriers conditioned by combined
affecting grains and ionized localized traps connected with impurity states or
defects in between grain boundaries, has been found.
3. It has been confirmed experimentally that localized traps density
increasing leads to change of potential barrier height,
ϕ
, from 0,3 up to 0,9 eV and
to growth of the quantity,
ρ
, and also to decreasing of the basic carriers
concentration.
4. The equivalent electrical scheme allowing to define the between grain
boundaries electrical properties in totally and each of theirs micro regions
components based many layers junction of two contacting grains model have been
proposed.
5. The adsorption and desorption manifestation conditions of the several
alkaline metals and their affect to micro structure and between grain boundaries
electronic properties have been installed. Namely, the between grain boundaries
alkaline metals desorption in curing process leads to change of sign
ϕ
and
conductivity type as thin layer on polycrystalline Si surface, and the alkaline
metals diffuse by polycrystalline Si substrate surface leads to their adsorption on
surfaces of two contacting grains.
6. It has been shown that in range of temperature
~
300÷800
0
К the dark
current and voltage are changing on comparison of mono crystalline samples
74
complex manner because of charge carriers capture in traps and their drift by traps
in localized traps ionization process in between grain boundaries region. 7. The p-n
transition model in between grain boundaries which explains charge carriers
transition mechanisms in them and dark current and photocurrent formation
conditioned with charge carriers capture and emission in traps has been proposed.
8. It has been shown that impurity thermal-voltaic and thermal-photovoltaic
effects manifestation in p-n structures on base polycrystalline and mono crystalline
Si on heating and lighting are conditioned by electron-hole pairs generation
processes with participation deep impurity states.
9. The investigation methods of impurity states in between grain boundaries
region have been modified. It has been shown that by electronic properties
estimation of between grain boundaries applying the heat emission model it must
be taken into account the traps total conductivity
Y
ss
and current
J
ss
, which arises in
the charge carriers capturing and emission processes.
10. It has been shown that the designed new leggier method with using swift
defunding elements allows us to obtain p-n structure at the same time as with p and
n types samples, and as with simplification of the method to increase
reproducibility of technological process.
11. It has been created the method for semiautomatic definition the
temperature dependences of p-n structures electric physical characteristics with
scanning possibility with light ray with given wave length and diameter from ~10
up to 400 mkm on sample surface.
12. The diffusion setting allowing simultaneously to make the different
regions designed for construction heat and solar energies converters in the different
parts of mono and polycrystalline Si plates has been designed.
75
ЭЪЛОН ҚИЛИНГАН ИШЛАР РЎЙХАТИ
СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ
LIST OF PUBLISHED WORKS
I бўлим (I часть; I part)
1. Абдурахманов Б.М., Олимов Л.О. Поликристал кремний
донадорликлараро чегара соҳаларидаги физик жараѐнлар. Тошкент, Янги аср
авлоди, 2014.
2. Ихтиро патенти. № IAP 04767. 23.09.2013 йилдан. Расмий
ахборотнома, №10, 31.10.2013 // Диффузион қурилма. Олимов Л.О.,
Абдурахманов Б.М., Абдураззаков Ф.С., Ашуров Х.Б., Кучканов Ш.К.
3. Ихтиро патенти. № IAP 04855. 05.12.2013 йилдан. Расмий
ахборотнома, №3, 31.03.2014 // Энергия ўзгартиргич. Олимов Л.О.,
Абдурахманов Б.М., Абдураззаков Ф.С., Ашуров Х.Б., Кучканов Ш.К.,
4. Олимов Л.О., Абдурахманов Б.М., Тешабоев А. Влияние атомов
щелочных металлов на перенос носителей заряда в области межзеренных
границ поликристаллического кремния. // Журнал Материоловедение,
Москва, Россия, 2014 йил. №1. С.14-17 [№11. Springer, IF: 0.169]
5. Olimov L.O., Abdurakhmanov B.M. The Features of Impurity Thermal
Photovoltaic and thermal-Voltaic Effect of Polycrystalline Structures. Advances in
Energy and Power USA.1(2): 51-55, 2013.
6. Олимов Л.О. Effect of Alkali Metals on the Electronic Properties of
Grain Boundaries on a Polycrystalline Silicon Surface. Semiconductors, 2012,
Vol.46, No.7, pp. 898–900. [№11. Springer,IF: 0.603]
7. Олимов Л.О., Алиев Р., Мухтаров Э., Алиева Ж. Процесс формовки
пластин поликристаллического кремния порошкового сырья и анализ
примесного состава их поверхности. Физическая инженерия поверхности,
Харьков, 2011, т.9, №.1, С.55-59. [01.00.00, №91]
8. Abdurazzakov F. S., Zainabidinov S. Z., Abdurakhmanov B., Olimov
L.O., Alad’ina Z. N., and A. L. Kadyrov. Influence of temperature on certain
properties of n+-p and n+-p-p+ structures based on secondary cast polycrystalline
silicon. Applied Solar Energy. 2011, vol. 47. №2, р.149÷151. [01.00.00, №3]
9. Олимов Л.О. Adsorption of Alkali Metals and Their Effect on Electronic
Properties of Grain Boundaries in Bulk of Polycrystalline Silicon. Semiconductors,
2010, Vol. 44, No. 5, pp. 602–604. [№11. Springer,IF: 0.603]
10.
Олимов Л.О., Абдурахманов Б.М., Абдураззақов Ф.С.
Микроструктура межзеренных границ в поликристаллическом кремнии и еѐ
влияние на перенос носителей заряда. Физическая инженерия поверхности,
Харьков, 2010, т.8, №.1, С.72-76. [01.00.00, №91]
11. Олимов Л.О., Алиев Р., Мухтаров Э. Неразрушающий метод
измерения глубина залегания p-n – перехода полупроводниковых
фотоэлектрических структур. Физическая инженерия поверхности, Харьков,
2010, т.8, №.2, С.169-172. [01.00.00, №91]
76
12. Abdurakhmanov B., Olimov L.O., Abdurazzakov F. S., and Z. N.
Alad’ina. Silicon solar cells exposed to electron bombardment: Thermovoltaic
properties. Applied Solar Energy. 2010, vol. 46. №2, р.161÷163. [01.00.00, №3]
13. Olimov L.O. Model of the Grain Boundary in
p-n
Structures Based on
Polycrystalline Semiconductors. Applied Solar Energy. 2010, vol. 46. №2,
р.118÷121. [01.00.00, №3]
14. Abdurakhmanov B., Saidov M. S., Olimov L.O. Electrophysical
Properties of Solar Polycrystalline Silicon and Its
n
+
-
p
Structures at Elevated
Temperatures. Applied Solar Energy. 2008, vol. 44. №1, р.46÷52. [01.00.00, №3]
15. Olimov L.O. Influence of Alkali Metals on Electrical Resistance of Poly
Si Structures for Solar Cells. Applied Solar Energy. 2008, vol. 44. №2, р.142÷143.
[01.00.00, №3]
16. Saidov M. S., Abdurakhmanov B., Olimov L.O. Impurity Thermovoltaic
Effect in the Grain Boundaries of a Polycrystalline Silicon Solar Cells. Applied
Solar Energy. 2007, vol. 43. №4, р.203÷206. [01.00.00, №3]
17. Zaynabidinov S., Aliev R., Olimov L.O., High temperature features of
the polycrystalline silicon physical properties. Ukr. J.Phys. 2006, V.51. N 7. р.
699÷702. [01.00.00, №51]
18. Zaynabidinov S., Abdurakhmanov B.M., Aliev R., Olimov L.O.,
Mukhtarov E. Preparation of Polycrystalline Plates from Silicon Powder. Applied
Solar Energy. 2005, vol. 41. №3, р.73÷75. [01.00.00, №3]
19. Абдурахманов Б.М., Олимов Л.О. Обнаружение примесных
вольтаи-ческих эффектов в монокристаллических кремниевых солнечных
элементах. Ўзбекистон республикаси фанлар академияси маърузалари. 2009,
№1, С.26-29. [01.00.00, №7]
20. Олимов Л.О. Абдурахманов Б.М., Абдураззақов Ф.С. Обнаружение
примесных тепловольтаических и теплофотовольтаических эффектов в
монокристаллических кремниевых солнечных элементах подвергнутых
электронному облучению. Ўзбекистон физика журнали, 2009, №.5-6, С.384-
387. [01.00.00, №5]
21. Олимов Л.О. Влияние щелочных металлов на электронные свойства
межзеренных границ в объеме поликристаллического кремния. Ўзбекистон
республикаси фанлар академияси маърузалари. 2008, №3, С.36-39. [01.00.00,
№7]
22. Олимов Л.О. Исследование структуры и электрофизические
свойства межзеренных границ поликристаллического кремния. Ўзбекистон
физика журнали, 2007, №5-6, С.361-365. [01.00.00, №5]
23. Олимов Л.О. Влияние межзеренных границ на перенос носителей
заряда в поликристаллическом кремнии. Ўзбекистон физика журнали, 2005,
№3, С.231-233. [01.00.00, №5]
II бўлим (IIчасть; IIpart)
24. Ашуров Х.Б., Олимов Л.О., Курбанов М.Ш., Абдурахманов Б.М.
Эффект переключения направления тока и напряжения при нагреве
77
поликристаллических кремниевых структур, легированных глубокими
примесями. Материалы международной конференции. “Кремний-2014”,
Иркутск, Россия. 7-12.08.2014 г. С.100.
25. Абдурахманов Б.М., Олимов Л.О. Переключение тока и напряжения
при нагреве беспереходных поликристаллического кремния, легированными
щелочными металлами в области межзеренных границ. Международная
конференция “Актуальные проблемы физической электроники” Ташкент, 28
ноября 2012 г. 130-131 б.
26. Алиев Р., Олимов Л.О. Донадорлик чегараларининг заряд
ташувчилар ҳаракатига таъсири. Материалы международной конференции.
НУ РУз, Тошкент, 1-3, 01. 2007. С. 181-183.
27. Олимов Л.О. Влияние температуры на концентрацию носителей
заряда в объеме поликристаллического кремния. Маъмун академиясининг
1000 йиллигига бағишланган халқаро илмий анжуман Хива, 2006, 35-36 б.
28. Zaynabidinov S., Aliev R., Olimov L.O. «Investigation of the surface
impurities distribution of polycrystalline silicon». Book of abstracts of “The 3-
Uzbek-Korean International Symposium on Quantum-Functional Materials and
Devices 2004”, Tashkent, 2004, 9.
29. Зайнабидинов С., Алиев Р., Мансуров Х., Олимов Л.О., Жалилов Н.
«Электрофизические свойства кремниевых пластин, полученных с
использованием порошковой технологии». Всероссийская конф. «Кремний
2003», Москва, 2003, 19-24 мая, С.87.
30. Олимов Л.О., Алиев Р., Абдурахманов Б.М., Тешабоев А. Э.,
Омонбоев Ф.Л., Кўчканов Ш. Поликристалл кремний донадорликлараро
чегаралари микротузилмаси ва моделлари. Микроэлектроника, нанозарралар
физикаси ва технологиялари. Республика илмий–амалий анжумани
Материаллари, Андижон, 2015 йил 4-5 декабрь. 115-117 б.
31. Олимов Л.О., Алиев Р., Абдурахманов Б.М., Тешабоев А. Э.,
Омонбоев Ф.Л., Кутлимуродов Б. Поликристалл кремний донадорликлараро
чегаралари заряд ҳолатлари. Микроэлектроника, нанозарралар физикаси ва
технологиялари. Республика илмий–амалий анжумани Материаллари,
Андижон, 2015 йил 4-5 декабрь. 118-120 б.
32. Олимов Л.О., Алиев Р., Абдурахманов Б.М., Тешабоев А. Э.,
Омонбоев Ф.Л., Адилов М. Поликристалл кремний донадорликлараро
чегаралари p-n ўтишлари. Микроэлектроника, нанозарралар физикаси ва
технологиялари. Республика илмий–амалий анжумани Материаллари,
Андижон, 2015 йил 4-5 декабрь. 120-122 б.
33. Олимов Л.О., Б.М. Абдурахманов, Ф.Л. Омонбоев. Механизмы
переноса
носителей
заряда
в
области
межзеренных
границ
поликристаллического кремния. Фундаментальные и прикладные вопросы
физики Республиканская конференция, посвященная 100-летию академика
С.А.Азимова. АН РУз НПО «Физика-Солнце» 6-7 ноября, Ташкент 2014 г. С.
99-100.
34. Олимов Л.О., Зайнобидинов С., Абдурахманов Б.М., Кучканов Ш.,
Омонбоев Ф.Л., Анорбоев И. Микро- ѐки нанотузилмалар олиш жараѐнида
78
поликристалл тузилмаларнинг ҳосил бўлиши, кристалл панжарадаги узилган
боғлар ва уларнинг элeктрон ҳолатлари. Яримўтказгичлар физикасининг
долзарб муаммолари Республика илмий-амалий семинари. ЎзМУ, 22- ноябрь.
2014. 62-64 б.
35. Олимов Л.О., Абдурахманов Б.М., Алиев Р., Адилов М., Омонбоев
Ф.Л., Анорбоев И. Микро- ѐки наноўлчамли поликристалл тузилмаларда
заряд кўчиш жараѐнлари. Яримўтказгичлар физикасининг долзарб
муаммолари Республика илмий-амалий семинари. ЎзМУ, 22- ноябрь. 2014.
64-67 б.
36. Тешабоев А., Зайнобидинов С., Каримов И.Н., Олимов Л.О.
Донадорлик
чегараларидаги
киришмали
ҳолатларга
боғлиқ
янги
қонуниятларни баҳолаш. Республиканский конференция. «Совроменные
проблемы физики полупроводников» Нукус. 23-25.ХI.2011. С.177-178.
37. Олимов Л.О. Поликристалл яримўтказгичларда абсорбция,
адсорбция ҳамда десорбция ҳодисаларининг номоѐн бўлиши ҳақида.
Республика конференция тўплами, Фарғона, 13-14 май 2011 й. 63-64 б.
38. Олимов Л.О., Абдурахманов Б. М., Абдураззақов Ф. Поликристалл
кремний солиштирма қаршилигининг ҳарорат ўзгаришига боғлиқлиги.
Физика ва физик таълимнинг замонавий муаммолари. СамДУ, 11-12. 12. 2009,
120-121 б.
39. Олимов Л.О. Ишқорий металл атомларининг донадорлик
чегараларида адсорбцияланиши ҳақида. Физика ва физик таълимнинг
замонавий муаммолари. Самарқанд, 11-12. 12. 2009, 122-123 б.
40.
Олимов
Л.О.
Поликристалл
кремний
олиш
жараѐнида
микробўшлиқлар-нинг ҳосил бўлиш механизмлари ҳақида. Физика ва физик
таълимнинг замонавий муаммолари. Самарқанд, 11-12. 12. 2009, 123-124 б.
41. Олимов Л.О. P+n тузулмаларда фотовольтаик эффект. Мат. V Респ.
Науч. конф. «Рост, свойства и применение кристалов» РСПК-2008, Андижан,
11-12.IV.2008. С.83-85.
42. Олимов Л.О., Абдурахманов Б.М. Поликристалл кремний
донадорлик чегараларининг айрим хоссалари. Труды мат. Республиканский
научный-практический конференция. Проблемы альтернативной энергетики
и энергоснабжения. Наманган 2007. 25-26. XI. С.8-10.
43. Алиев Р., Зайнобидинов С., Олимов Л.О., Э.Мухтаров. Рост зерна
поликристаллического кремния при длительном режиме термообработки.
Республиканский конференция. «Рост, свойства и применение кристалов»
РСПК-2005, 27-29.X.2005. г. Нукус. С. 29-31.
44. Олимов Л.О., Поликристалл кремний қуѐш элементлари ҳажмида
литий атомларининг роли. Ҳозирги замон физикасининг долзарб
муаммолари. I-Республика илмий-назарий конференция. Термиз, 15-17, IV,
2002, 70 б.
79
Автореферат “Тил ва адабиѐт таълими” журнали таҳририятида таҳрирдан
ўтказилди (02.11.2016 йил)
Босишга рухсат этилди: 16.11.2016 йил
Бичими 60х45
1
/
16
, «Times New Roman»
гарнитурада рақамли босма усулида босилди.
Шартли босма табоғи 5. Адади: 100. Буюртма: № 178.
Ўзбекистон Республикаси ИИВ Академияси,
100197, Тошкент, Интизор кўчаси, 68
«АКАДЕМИЯ НОШИРЛИК МАРКАЗИ» ДУК
80
