1.3.1.2 Исследование микроструктуры

Для изучения морфологии и структуры фотоэлектрических приборов наряду с простыми методами оптической микроскопии — наблюдения в отраженном и проходящем свете — могут применяться методы интерференционного и фазового контраста [42, 43]. Метод сканирования поверхности солнечного элемента световым пятном можно использовать для исследования элемента непосредственно в рабочем режиме. Однако все оптические методы имеют невысокий предел разрешения, ограниченный несколькими десятыми долями микрометра.

Существует довольно много электронно-лучевых методов, обеспечивающих повышенную разрешающую способность. Наиболее высокой информативностью обладает метод растровой электронной микроскопии. Его достоинствами являются обеспечение большого расстояния между системой магнитных линз и поверхностью образца, что удобно для работы оператора, и возможность непосредственного изучения практически любой свободной поверхности. Растровые электронные микроскопы могут работать в нескольких режимах [38]. Чаще всего исследуется изображение, формируемое с помощью вторичных электронов; при этом обеспечиваются предел разрешения менее 10 нм, практически неограниченная глубина проникновения поля и высокий контраст изображения основных составляющих солнечного элемента [44—47]. При использовании относительно простого дополнительного оборудования можно регистрировать отраженные электроны и катодолюминесценцию, что позволяет изучать изменение состава и обеспечивает более контрастное изображение различных фаз. Картина распределения тока, возбуждаемого электронным лучом [45], а также изображение, получаемое методом вольтова контраста [48], дают наглядное представление об электронных процессах в приборе. Возможные виды информации, получаемой при различных режимах работы растрового электронного микроскопа, представлены в табл. 1.1.

Просвечивающие электронные микроскопы обладают более высокой разрешающей способностью по сравнению с растровыми микроскопами. Однако при использовании просвечивающих электронных микроскопов необходимо подготовить образцы толщиной менее 100 нм. В том случае, когда исследуемый элемент имеет многослойную структуру, приготовление образца представляет собой довольно сложную проблему; однако если это препятствие преодолено, то детали структуры образца можно изучать с разрешением, достигающим атомных размеров. В последние годы разработаны оригинальные методы приготовления образцов, которые позволяют исследовать морфологию и дефекты структуры на границе раздела двух слоев и в активной области элемента. При рассмотрении соответствующих методов получения образца для иллюстрации будут приведены примеры, связанные с изучением тонкопленочных солнечных элементов с гетеропереходом

При исследовании морфологии границы раздела слой сульфида меди можно удалить травлением в растворе а затем с помощью вторичных электронов получить изображение обычно закрытой поверхности слоя сульфида кадмия, показанное на рис. 1.9, а.

Пленку можно получить, отделяя ее от подложки из [49] путем медленного удаления с помощью химического травителя, в состав которого входят, например, одна часть

концентрированной и две части Соляная кислота в первую очередь разрушает слой на границе с подложкой и затем постепенно растворяет его полностью, а свободная пленка остается на поверхности раствора. Отделенную пленку укрепляют на сетчатой подложке, промывают, сушат, а затем изучают в просвечивающем или растровом электронных микроскопах. Приготовленные таким способом образцы можно также исследовать на оптическую прозрачность. Изображение свободной пленки полученное с помощью растрового электронного микроскопа, приведено на рис. 1.9, б.

Еще один способ приготовления образцов [49] состоит в том, что тонкопленочный элемент с помощью компаунда приклеивают к стеклянной пластине поверхностью вниз. Подложку, в некоторых случаях вместе с прилегающей к ней частью пленки осторожно отслаивают.

Рис. 1.9. Микроснимки, полученные с помощью растрового электронного микроскопа; а) поверхность раздела после удаления травлением в б) свободная пленка отделенная от элемента в) поперечное сечение пленкн

Таблица 1.1. (см. скан) Характер получаемой информации при различных режимах работы растрового электронного микроскопа [38]

Неотделившуюся часть пленки затем растворяют в результате чего остается пленка приклеенная к стеклянной пластине. Полученную пленку можно исследовать с помощью растрового электронного микроскопа.

Для изучения поперечного сечения перехода элемент предварительно покрывают слоем компаунда или полиэфирной смолой, после чего делается поперечный разрез. Для того чтобы устранить поврежденный слой в областиразреза, образцы шлифуют и полируют. Затем свободную поверхность травят в растворе удаляя при этом с полированной поверхности слой толщиной несколько микрометров, что позволяет добиться более четкого изображения слоя и области перехода при исследовании в растровом электронном микроскопе. Микроснимок этого образца, полученный с помощью вторичных электронов, представлен на рис.

Поскольку в обычных тонкопленочных элементах на основе толщина слоя мала для увеличения эффективной толщины слоя при наблюдении в микроскоп в некоторых случаях создают косой шлиф под очень малым углом к переходу . У образцов с косым шлифом структура перехода исследовалась с помощью растрового

электронного микроскопа методом вольтова контраста [48] и при возбуждении катодолюминесценции [47]. Следует также упомянуть работу Тичмарша и др. [50], которые для получения поперечных сечений нескольких многослойных гетероструктур впервые применили метод утоньшения образцов с помощью разбрызгиваемого химического реактива и при использовании растрового электронного микроскопа получили микроснимки дефектов на различных границах раздела.

И наконец, необходимо отметить, что наиболее важные достоинства просвечивающего растрового электронного микроскопа, в котором сочетаются особенности как просвечивающего, так и растрового микроскопов, заключаются в возможности его использования в режимах пропускания и сканирования, а также в более высокой по сравнению с растровым электронным микроскопом разрешающей способности при исследовании поверхности и в возможности получения электронограмм и проведения анализа химического состава областей малого размера (5...10 нм).