3.5 Диэлектрические пленки

При изготовлении солнечных элементов диэлектрические пленки применяются для создания электроизоляционных и промежуточных слоев между металлами и полупроводниками; кроме того, они используются в качестве пассивирующих и просветляющих покрытий. В следующих разделах кратко рассмотрены свойства нескольких видов диэлектрических пленок, влияющие на характеристики элементов, а в табл. 3.6 приведены некоторые электрические и оптические параметры этих пленок. Более детально эти вопросы рассмотрены в литературе [254, 255].

3.5.1 Электронные свойства

Исходя из общих соображений, многие считают, что можно получить совершенные по структуре диэлектрические пленки, близкие по толщине к мономолекулярным слоям и

Таблица 3.6. (см. скан) Электрические и оптические параметры диэлектрических пленок, применяемых в тонкопленочных солнечных элементах

сохраняющие диэлектрические и оптические свойства соответствующих массивных материалов. В пользу этого вывода говорят результаты некоторых единичных измерений характеристик пленок стеарата кадмия толщиной 2,46 нм, нанесенных на сколы монокристаллов Сверхтонкие диэлектрические пленки, осаждаемые из паровой фазы, приобретают сплошность только при определенной толщине, зависящей от условий образования и роста зародышей, которая в случае создания аморфных пленок может составлять всего несколько десятых долей нанометра. Диэлектрические и оптические свойства несплошных гранулированных пленок зависят от коэффициента заполнения пленки веществом и от характеристик этого вещества в массивных образцах.

Полагают, что средняя длина свободного пробега носителей заряда и свойства поверхностных состояний не влияют на диэлектрические параметры пленок. Установлено, что по электрической прочности тонкие пленки оксидов не уступают массивным образцам. Если реализуется лавинный механизм пробоя, то можно ожидать, что напряженность поля, вызывающего пробой, будет увеличиваться при уменьшении толщины пленки, когда толщина пленки не превосходит средней длины свободного пробега электронов, образующих ток пробоя. Для большинства материалов этот эффект наблюдается при толщине пленки менее 2 нм. Однако в некоторых пленочных материалах зависимость электрической прочности от толщины пленки

Рис. 3.39. Спектральные зависимости показателей преломления пленок осажденных методом вакуумного испарения на подложки с температурой и анодной пленки

обнаруживается при значительно больших толщинах, что, по-видимому, связано с особенностями их микроструктуры.

Толстые физически сплошные пленки как с монокристаллической, так и аморфной структурой (оксидные пленки в своем большинстве являются именно аморфными) и массивные образцы соответствующих материалов имеют примерно одинаковые диэлектрические свойства. Характерные особенности пленок, такие, как наличие сквозных пор, неоднородность толщины, нестехиометричность и неоднородность состава, анизотропия свойств, а также существование ловушечных уровней, связанных со структурными дефектами, влияют на их диэлектрические свойства и процесс переноса электронов. Все указанные отклонения параметров пленок от идеальных, свойственные многокомпонентным диэлектрическим пленкам, определяются условиями их осаждения. В частности, при получении пленок вакуумным испарением параметр может изменяться от 1 до 2 [260]. Пленки осаждаемые из паровой фазы как физическими, так и химическими методами, всегда неоднородны по составу, а в некоторых случаях они содержат смесь Анализ состава пленок, осуществляемый различными методами, показывает, что слой нестехиометрического состава, образующийся на границе раздела выращиваемой пленки и подложки из имеет толщину от нескольких мономолекулярных слоев до 1,2...1,3 нм. Диэлектрическая проницаемость и оптические постоянные неоднородных по составу пленок существенно отличаются от соответствующих параметров массивных образцов и зависят от температуры и метода осаждения. Подтверждением этому служат приведенные на рис. 3.39 спектральные зависимости показателя преломления пленок полученных вакуумным испарением, и анодной пленки

Под влиянием структурных несовершенств и механических напряжений диэлектрические потери в пленках увеличиваются по сравнению с потерями в массивных образцах. Вследствие этого пленки имеют более высокий температурный

коэффициент диэлектрической проницаемости, который с помощью приближенного уравнения Гейвера может быть представлен в виде

Здесь А — постоянная величина, тангенс угла диэлектрических потерь и коэффициент линейного теплового расширения.

Рис. 3.40. Температурная зависимость тока, проходящего через диод со структурой при напряженности электрического поля 5,3 -106 В/см [261]. -ток, обусловленный эмиссией Пула-Френкеля, - туннельный ток, омический ток.

Наличие сквозных пор и ловушечных уровней, а также неоднородность состава оказывают сильное воздействие на процесс переноса электронов в тонких диэлектрических пленках. Несмотря на активные исследования в данной области [254, 255], вопрос о преобладающем механизме переноса электронов в этих пленках до сих пор остается нерешенным. Высказаны предположения о существовании различных механизмов переноса, причем отдельные из них (или их сочетания) наблюдались разными авторами в пленках неодинакового состава. Рис. 3.40 иллюстрирует наличие нескольких механизмов переноса электронов в пленках

Основные результаты многочисленных исследований диэлектрических пленок толщиной менее 10 нм в электрическом поле, создаваемом между металлическими электродами, охватывающими пленку, могут быть представлены в виде следующих выводов.

1. Тип преобладающего механизма проводимости зависит от напряженности поля и температуры. В сверхтонких пленках (толщиной 3 нм), как правило, наиболее важную роль играет процесс туннелирования носителей.

2. Количественное сопоставление экспериментальных данных с теоретическими результатами возможно только при подборе соответствующих значений высоты потенциального барьера или толщины пленки (или обоих параметров одновременно). К отличительным характеристикам каждой конкретной пленки относятся: высота и форма барьера, энергия сродства к электрону, степень неоднородности пленки по толщине, плотность сквозных пор, диэлектрическая проницаемость, возможность диффузии на границе раздела пленки с подложкой, а также параметры Поверхностных и примесных уровней.

Образование в пленках сквозных пор является следствием статистического, вероятностного характера процесса осаждения из паровой фазы и наличия частиц пыли в атмосфере, окружающей растущую пленку. Плотность пор размером менее 1 мкм можно уменьшить до значения что не обязательно приведет к существенному изменению туннельного тока.

В неоднородных по толщине пленках возможны значительные пространственные вариации туннельного тока, который связан с толщиной пленки экспоненциальной зависимостью. При осаждении аморфных пленок разброс их толщины по площади (или шероховатость) определяемый законом Пуассона, пропорционален толщина пленки). Разброс значений толщины пленки, состоящей из крупных ориентированных зерен, вероятно, будет намного более существенным.

Множество структурных дефектов, содержащихся в микро-поликристаллических и аморфных диэлектрических пленках, а также нестехиометричность и неоднородность их состава обусловливают высокую концентрацию ловушек, распределенных в запрещенной зоне (которая у материалов такого типа имеет большую ширину). Количество исследований, посвященных изучению этих явлений, невелико, однако значения концентрации ловушек от до можно считать установленными достаточно надежно, а их учет позволяет объяснить резкое уменьшение плотности туннельного тока.

Поверхностные состояния способствуют накоплению заряда и играют роль рекомбинационных центров; кроме того, при их участии происходит туннелирование носителей. Наконец, следует отметить, что при рассмотрении процесса переноса горячих электронов в тонком диэлектрическом слое необходимо учитывать потери энергии, связанные с генерацией оптических фононов (см. [254]). Вследствие этого эффекта значительно усиливается электрон-электронное рассеяние.

3.5.2 Оптические свойства

Как диэлектрические свойства, так и оптические постоянные диэлектрических пленок зависят от особенностей их микроструктуры (см. рис. 3.39). Поскольку микрополикристаллические пленки и соответствующие массивные образцы имеют одинаковый ближний порядок структуры, они не отличаются и по ширине запрещенной зоны. Однако из-за наличия в пленках структурных дефектов и механических напряжений края их энергетических зон могут быть размыты.