2.7. ОМИЧЕСКИЕ КОНТАКТЫ

Омические контакты являются важным компонентом конструкции солнечных элементов, но их исследованию уделяется еще пока недостаточно внимания. Хотя с точки зрения теории уже достигнуты определенные успехи, процесс изготовления контактов все еще сопряжен с определенными трудностями. В 1971 г. Госсик отмечал [Gossick, 1971], что «история создания омических контактов все еще напоминает историю первобытного общества, поскольку состоит в основном из недокументированных сообщений, неофициально распространяемых среди экспериментаторов».

В 3.2.2 показано, что допустимые потери мощности на сопротивлении контактов в солнечных элементах обычно составляют примерно 1% выходной мощности, что соответствует падению напряжения на контактах,

равному При работе элемента в условиях однократной солнечной освещенности такие потери возможны при сопротивлении сплошного тыльного контакта и фронтального сетчатого контакта . Требуемые для получения достаточно высоких КПД элементов значения в первом приближении обратно пропорциональны коэффициенту концентрации излучения, и поэтому к технологии изготовления контактов для солнечных элементов, используемых при большой облученности, предъявляют высокие требования.

Существуют два определения омического контакта. Контакт первого типа, за которым мы сохраняем термин «омический», обладает следующими свойствами: линейной вольт-амперной характеристикой; очень малым сопротивлением; незначительным фотовольтаическим эффектом; отсутствием -шума. Омический контакт «представляет собой резервуар для носителей заряда, которые при необходимости могут проникнуть в диэлектрик или полупроводник” Когда мы говорим о контактах второго типа, то имеем в виду контакты, падение напряжения на которых мало по сравнению с падением напряжения на приборе и зависит от тока нелинейно. Низкоомный контакт такого тицалазывается квазиомическим.

Удельное контактное сопротивление определяют при нулевом напряжении смещения в соответствии с соотношением

При малых падениях напряжения (менее ) является хорошим приближением для эффективного контактного сопротивления солнечного элемента в рабочем режиме (этот вопрос рассмотрен в 3.2.3). Как правило, резко уменьшается при увеличении концентрации носителей заряда в полупроводнике и возрастает при понижении температуры.

По результатам теоретических и экспериментальных исследований омических контактов опубликован обзор [Rideout, 1975] и труды симпозиума [Schwartz, 1969], посвященного данной проблеме.

На рис. 2.42, а и б показаны схемы энергетических зон при формировании омического контакта между металлом и полупроводником для случаев, когда высота потенциального барьера определяется значениями (предел Шоттки). Если полупроводник обладает проводимостью -типа, а меньше то образуется в строгом смысле омический контакт с крайне низким Значение такого контакта зависит от концентрации носителей в полупроводнике, характера явлений рассеяния в металле и в областях полупроводника, прилегающих к барьеру, а также от квантовомеханического отражения носителей в области границы раздела, для которой характерны изменения потенциала. Эти явления были рассмотрены в ряде теоретических исследований [Gossick, 1969 а, 1969 b, 1970, 1971 а,b].

Однако во многих случаях формирование идеального омического контакта оказывается невозможным. В ковалентных полупроводниках положение уровня Ферми на поверхности полностью или в определенной степени зафиксировано под влиянием поверхностных состояний и Ф, практически не зависит от (предел Бардина).

Рис. 2.42. Идеальный омический контакт металла с полупроводниками проводимости (а) и -типов (б), а также контакт с полупроводником при наличии поверхностных энергетических состояний (барьер Бардина) (в). В последнем случае характеристики контакта можно выразить не только через параметры поверхностных диполей, но и через плотность поверхностного заряда

Что касается некоторых видов ионных полупроводников, то в этом случае отсутствует возможность выбора металла с достаточно малой (или большой) работой выхода для получения идеального омического контакта с полупроводником проводимости или -типа. В этом случае можно выйти из положения, создавая квазиомические контакты на основе диодов с низким качеством барьера Шоттки, образующих потенциальные барьеры малой высоты, что обеспечивает протекание больших термоэмиссионных токов, либо имеющих небольшую толщину, при которой облегчается протекание процессов термоэлектронно-полевой эмиссии или прямого туннелирования носителей заряда.

Г Обычный способ создания такого контакта связан с сильным легированием тонкого полупроводникового слоя, прилегающего к металлу, обеспечивающим уменьшение толщины барьера до 10 нм. При формировании этой тонкой сильно легированной области необходимо предотвратить внедрение компенсирующих примесей или образование дефектов, которые могут уменьшить концентрацию носителей заряда. Таким образом, свойства квазиомических контактов могут существенно зависеть от особенностей метода их изготовления.

При комнатной и более высокой температурах, а также при относительно небольших и умеренно высоких уровнях легирования преобладающим механизмом протекания тока через границу раздела металл—полупроводник, содержащую потенциальный барьер, является термоэлектронная эмиссия. Плотность тока можно представить с помощью простого диодного уравнения

или

где — уменьшение высоты барьера под действием сил изображения,

Коэффициент а представляет собой эмпирический параметр, введение которого в уравнение необходимо для объяснения дополнительного снижения барьера под влиянием связанного заряда, находящегося вблизи границы раздела [Andrews, Lepselter, 1968], свойства которого изучены еще недостаточно глубоко (обычно см). Удельное контактное сопротивление можно представить в виде

Для того чтобы контакт к в виде барьера Шоттки обладал при комнатной температуре , необходимо, чтобы дня электронов (или для дырок эВ) при условии, что и эффективная постоянная Ричардсона для электронов и для дырок. Для эти требования легко выполнить, создавая контакты, например, из или и 0,33 эВ соответственно), однако они обладают большим температурным коэффициентом сопротивления и становятся непригодными при температуре жидкого азота. Контакт с эВ при отсутствии туннелирования носителей заряда и эффекта снижения барьера мог бы оказаться очень полезным.

В большинстве областей применения полупроводников используется туннелирование носителей через тонкий потенциальный барьер, образующийся в сильно легированном слое полупроводниковой подложки. Теория этого процесса является в определенной степени простым обобщением теории термоэлектронно-полевой эмиссии. При увеличении концентрации носителей заряда наблюдаются как понижение барьера АФЬ под влиянием сил изображения, так и уменьшение его толщины, однако последний эффект выражен более ярко, поэтому уменьшение обусловлено в основном туннелированием носителей заряда,

Расчет был выполнен [Chang е. а., 1971], исходя из обобщенной модели [Chang, Sze, 1970] процесса переноса основных носителей заряда [Padovani, Stratton, 1966; Crowell, Rideout, 1969], учитывающей квантовомеханическое прохождение носителей как над потенциальным барьером, так и через него, эффект Шоттки и зависимость от уровня легирования. Исследования проводили для контактов к вырожденным -типов проводимости. Результаты были получены с помощью численных методов, однако для двух предельных случаев имели место приближенные аналитические решения. Если преобладает процесс термоэлектронной эмиссии и туннелированием можно пренебречь, то справедливо уравнение (2.79). В случае, когда поток носителей заряда, проходящих над барьером, значительно меньше потока носителей, туннелирующих через основание барьера,

Рис. 2.43. Теоретическая зависимость удельного контактного сопротивления от концентрации N легирующей примеси при различной высоте барьера и температуре 300 К: а - для с ориентацией поверхности (111) (сплошные линии) и (штриховые линии) [Chang е. а., 1971]; - экспериментальные данные для барьеров эВ); для барьера (q = 0,85 эВ); б - (сплошные линии) и линии) [Chang е. а., 1971 ]

где

— эффективная масса туннелирующих носителей [Barber, 1967]; N — концентрация легирующей примеси соответствующего вида (равна или Следовательно, уменьшается экспоненциально с ростом а позволяет учесть взаимосвязь туннельного тока с кристаллографической ориентацией. Зависимости от концентрации легирующей примеси и высоты барьера при температуре 300 К для иллюстрирует рис. 2.43, а, а для — рис. 2.43, б. Температурные зависимости изображены на рис. 2.44. Представленные результаты показывают, что при очень слабо зависит от N. При перенос носителей заряда почти полностью обусловлен их туннелированием и уже не зависит от температуры, а в некоторых случаях имеет даже положительный температурный коэффициент. При высоких уровнях легирования см влияние высоты барьера становится меиее существенным и все кривые стремятся к одной точке.

При проведении аналогичного анализа другие авторы [Pellegrini, Salardi, 1975] использовали несколько иное обобщенное выражение для описания

Рис. 2.44. Температурные зависимости удельного контактного сопротивления Для образцов с ориентацией (111) при высоте энергетического барьера 0,85 (сплошные линии) и 0,40 эВ (штриховые линии) и различных концентрациях N легирующей примеси: см значками см отмечены экспериментальные данные для барьера при различных концентрациях легирующих примесей в кремниевых подложках [Chang е. а., 1971]

процесса протекания тока через барьер и не учитывали эффект Шоттки. Полученные зависимости от Т и N качественно совпадают с рассмотренными выше.

С учетом того обстоятельства, что сильно легированный слой обычно имеет небольшую толщину, был выполнен расчет для квазиомнческих контактов со структурой металл- полупроводник типа [Popovic, 1978]. Для трех различных случаев установлено следующее: 1) при очень малой толщине -слои часть обедненной области расположена в базе -типа и характеризует эквивалентный контакт со структурой металл-полупроводник при толщине -слоя значительно превосходящей толщину обедненного поверхностного слоя является по существу удельным сопротивлением контакта металл—полупроводник для промежуточного случая, носители заряда пересекают -слой, не рассеиваясь, и только те из них, чья энергия выше той, которая отвечает краю зоны проводимости в базе -типа, могут участвовать в туннелировании. Поэтому существует зависимость от концентрации легирующей примеси ND n в базовой области, имеющая вид

где При высоких значениях или при низких температурах

Очевидно, что энергетические состояния внутри барьера, связанные с дефектами, при благоприятных условиях могут привести к возрастанию вероятности туннелирования носителей и уменьшению Такие дефекты создают путем механического или электрического повреждения структуры (разряд конденсатора через контакт), а в более современных приборах — в результате повреждения частицами пучка при ионной имплантации. Однако они могут играть и отрицательную роль,

компенсируя высокую концентрацию легирующей примеси на поверхности полупроводника, причем этот эффект наиболее значителен в широкозонных полупроводниках.

Кроме того, в процессе последующей термообработки эти дефекты могут оказывать генерирующее действие на расположенные рядом с ними примеси [Eltoukhy, Greene, 1979] и тем самым также уменьшать эффективность легирования. И, наконец, наличие дефектов приводит к заметному увеличению скорости диффузии атомов, в результате чего кривая распределения концентрации легирующей примеси может расшириться, а максимальное значение концентрации — уменьшиться. Таким образом, при оценке эффективности какого-либо метода введения дефектов необходимо знать их оптимальную концентрацию.

Можно теоретически рассчитать в том случае, когда известны эффективные значения и . Однако на практике на могут оказывать существенное влияние слои на границе раздела (например, естественные оксиды), повреждения поверхности, инжекция неосновных носителей заряда и глубокие примесные уровни. «Сложность учета зтих факторов затрудняет сопоставление теоретических и экспериментальных данных, и поэтому основная часть исследований омических контактов направлена главным образом на изучение технологических методов, которые позволяют получить контакты с малым полным сопротивлением» [Rideout, 1975].

Подводя итог, можно сформулировать несколько основных требований, выполнение которых обеспечивает получение на практике квазиомических контактов:

1) наличие сильно легированного поверхностного слоя, способствующего туннелированию носителей заряда;

2) благоприятное сочетание значений которое позволяет уменьшить или даже устранить снижение барьера

3) наличие в области туннельного барьера энергетических состояний, обусловленных дефектами, создаваемыми посредством механического или электрического повреждения поверхности или ионной имплантации.

С помощью различных теорий можно объяснить получение широкого диапазона значений приведенных в табл. 2.2.

Квазиомические контакты разделяются на две группы в зависимости от физического механизма, обеспечивающего их омические характеристики: с малой высотой потенциального барьера и (более широкая группа) с туннельным механизмом протекания тока. Туннельные контакты в свою очередь подразделяются на два класса: пассивные на основе металлического слоя, образующего омический контакт с предварительно созданными областями проводимости или -типов, и активные, у которых металл (или один из компонентов сплава) после нанесения на поверхность полупроводника диффундирует в глубь него или сплавляется с полупроводниковым материалом, образуя области или -типов.

Для нанесения слоя металла обычно осуществляют вакуумное испарение, ионное распыление, электрохимическое или химическое осаждения; кроме того, применяют заранее подобранные по размеру тонкие металлические пластины. Каждый метод обладает определенными достоинствами.

Таблица 2.2. Влияние уровня легирования и температуры на удельное сопротивление контакта

Например, в некоторых случаях может оказаться полезной возможность получения разреза, а также удаления поверхностных загрязнений или слоев естественного оксида с помощью ионного распыления. В то же время повреждение поверхности пучком ионов, обеспечивающее необходимые характеристики контакта, как правило, оказывает наиболее существенное влияние на свойства контактной области.

Для получения высокой концентрации примеси в поверхностном слое применяют следующие методы легирования:

1) высокотемпературную диффузию из твердотельного источника или паровой фазы;

2) диффузию материала контакта (металла или сплава), например цинка из структуры

3) ионную имплантацию легирующей примеси с последующей термообработкой для отжига дефектов и злектроактивации примеси;

4) эпитаксиальное выращивание или -слоев (что осуществимо в том случае, когда активные слои солнечного элемента создают методами химического осаждения из паровой фазы или жидкофазной эпитаксии)

5) сплавление материала контакта с полупроводником и его рекристаллизация (с образованием так называемого сплавного контакта).

Последний метод в некоторой степени аналогичен жидкофазной эпитаксии. При выборе металлического сплава для создания контакта учитывается, что его расплав должен обладать способностью растворять часть полупроводникового слоя. Легирующая примесь содержится в сплаве, при охлаждении растворенный полупроводник кристаллизуется, и вновь образующийся спой оказывается сильно легированным. Поскольку при осуществлении этого процесса поверхность растворяется, допускается менее тщательная ее очистка. В некоторых случаях рекристаллизация происходит при температуре ниже точки плавления сплава (например, ) |Ottaviani е. а., 1974].

"Максимальная электрическая активность примеси достигается при оптимальном балансе между процессами легирования с образованием твердого раствора замещения и ее компенсации, связанной с разупорядочением кристаллической структуры.

Например, при получении слоев с применением германия в качестве легирующей примеси слой служит геттером по отношению к что позволяет атомам занимать места в узлах кристаллической решетки [Yoder, 1980]. Однако при некоторых условиях достаточно активное геттерирование не происходит и могут наблюдаться компенсация донорной примеси и уменьшение ее электрической активности. В том случае, когда количество легирующей примеси в источнике ограничено, необходимо принять меры для того, чтобы обеспечить ее высокую концентрацию в поверхностном слое полупроводника, который несколько толще образующегося затем обедненного слоя.

В результате последующей диффузии распределение примеси расширяется по глубине, а максимальное значение ее концентрации уменьшается. Следует отдать предпочтение высокотемпературной диффузии, протекающей с большей скоростью, поскольку при повышенных температурах растворимость примеси повышается.

Наибольшие значения высоты барьера в структурах на основе полученные при изготовлении контактов из силицида платины, составляют 0,25 эВ для и 0,85 эВ для Слой получают, либо подвергая термообработке осажденную пленку либо непосредственно методом вакуумного испарения или ионного распыления. В первом случае образуется в результате реакции, происходящей в твердой фазе при (температура плавления равна ). Преимущество контактной системы такого типа состоит в высокой степени воспроизводимости характеристик, поскольку на них не сказываются загрязнение или повреждение поверхности полупроводника. Контакт к обладает хорошими проводящими свойствами при температуре 300 К) без дополнительного легирования поверхности, тогда как при изготовлении контакта к предварительно должен быть создан -слой. Кроме того, силицид платины отличается высокой химической стабильностью. Были изучены характеристики контактов из полученных на проводимости и -типов [Lepselter, Andrews, 1968].

Свойства некоторых типов омических и квазиомических контактов с низким сопротивлением перечислены в табл. 2.3. Измерения контактного

Таблица 2.3. Свойства омических и квазиомических контакте

(см. скан)

Рис. 2.45. Различные схемы измерения контактного сопротивления: а - четырехзондовый метод; б - двухзондовый, в - трехзондовый (площадь контакта равна сумме площадей участков 1 и 3); г - метод измерений с использованием системы контактов круглой формы; д - измерение длины токопроводящего участка образца; е - измерение и расчет по аналогии с линией передачи

сопротивления сопряжены с определенными трудностями, которые оказываются наиболее существенными при его малых значениях (типичных для сетчатых контактов солнечных элементов). Некоторые из методов его измерения перечислены здесь, а соответствующие схемы измерений изображены на рис. 2.45.

1. Сравнение результатов измерений двух- и четырехзондовыми методами. Значение можно определить исходя результатов измерений объемного удельного сопротивления двух- и четырехзондовыми методами Чувствительность метода существенно зависит от погрешности измерений . Если контакты обладают частично выпрямляющими свойствами, то для каждого из них можно измерить лишь обратную ветвь вольт-амперной характеристики.

2. Трехзондовый метод. С его помощью можно легко измерить прямую и обратную ветви вольт-амперной характеристики контакта. Чувствительность метода зависит от геометрических параметров головки и зондов, используемых в схеме измерений, и, вероятно, от наличия на поверхности между контактами электропроводящих пленок.

3. Измерение при создании на поверхности полупроводника системы контактов круглой формы. При использовании этого метода [Сох, Strack, 1967] на одной стороне тонкой полупроводниковой пластины создают несколько небольших контактов в виде дисков различного диаметра d, а на другую наносят сплошной контакт. В предельном случае при малых размерах дисков и больших размерах пластины полное сопротивление

представляют в виде

где p — объемное удельное сопротивление; толщина пластины; учитывает остальные виды сопротивлений, не зависящих от d. При малых d, когда значение R определяется в основном сопоставление результатов измерений при различных d позволяет определить даже очень малые значения (около ). Усовершенствование этого метода [Heime е. а., 1974] позволило измерить у контактов к на основе значения вплоть до Ом

4. Измерение длины токопроводящего участка образца. При использовании этого метода [Mengali, Seiler, 1962] создают большое количество равноудаленных контактов и через два внешних контакта пропускают ток (рис. ). Если построить зависимость напряжения между одним из внешних и каждым промежуточным контактами от расстояния между ними (тангенс угла наклона зтой зависимости пропорционален произведению ) и экстраполировать ее до точки то можно найти длину токопроводящего участка, заключенного между внешними контактами. Сопротивление контакта находится затем с помощью соотношения

5. Пленка и контакты - линии передачи [Berger, 1972; Ting, Chen, 1971]. Распределение тока в контактах, нанесенных на тонкую пленку со слоевым сопротивлением расположенную на диэлектрической подложке, можно определить таким же способом, как и для воздушной линии. Полное характеристическое сопротивление Z определяется из соотношения где w — ширина контакта, а постоянная затухания процесса Измеряемое контактное сопротивление может быть представлено в виде где d — длина контакта.

6. Измерение магнетосопротивления. Для нахождения значений составляющих не менее 0,5% полного сопротивления, можно использовать зависимость магнетосопротивления от направления приложения магнитного поля по отношению к протекающему току [Gutai, Mojzes, 1975].

Рассмотрим теперь вопрос о свойствах контактов в связи с созданием солнечных элементов. Необходимо обеспечить выполнение следующих требований.

1. Контакт должен обладать довольно низким удельным сопротивлением.

2. Для уменьшения сопротивления полос контактной сетки их, как правило, значительно утолщают, погружая в расплавленный припой. Металлическое контактное покрытие не должно разрушаться при такбй термообработке.

3. Необходимо, чтобы характеристики контакта сохраняли стабильность при осуществлении последующих высокотемпературных технологических

операций. В частности, не должны изменяться свойства контакта к тонкому фронтальному слою кремниевых элементов. Это возможно при создании сплавных контактов, чувствительных к излучению ультрафиолетового диапазона.

4. При наличии герметизирующего покрытия контакт должен обладать устойчивостью к воздействию внешней среды в течение продолжительного времени.

5. Необходимо максимально ограничить применение дорогостоящих и редких материалов.

6. В элементах с отражающим тыльным контактом следует принимать во внимание оптический коэффициент отражения контакта.

В кремниевых солнечных элементах наиболее широко используются контактные структуры получаемые методом вакуумного испарения. Последние служат примером творческого содружества металлургов и специалистов в области полупроводниковой электроники, возникшего в процессе разработки технологии изготовления контактов. Хотя серебро образует хороший туннельный контакт с его адгезия неудовлетворительна. Введение тонкого промежуточного слоя способствует ее улучшению, сохраняя неизменными электрические свойства. В контактах такого типа, создававшихся ранее, использовали слой толщиной 2—3 мкм, расположенный поверх слоя мкм), нанесенного на тонкую пленку естественного оксида, существующего на поверхности Однако испытания солнечных элементов в естественных условиях показали, что такие контакты корродируют. При наличии небольшого количества влаги реакция в твердой фазе между заметно усиливается и контакт отделяется. Помимо этого, при использовании несколько снижается дупустимая температура последующих технологических процессов! [Faith, 1978].

При введении тонкого промежуточного слоя или предотвращающего химическую реакцию, были получены контакты с хорошими электрическими свойствами и очень высокой стабильностью. На тыльной поверхности -типа создают активный контакт посредством вакуумного испарения алюминия, последующая диффузия которого при температуре 600—800°С приводит к образованию как -слоя, так и туннельного контакта (для ).

Рассматриваемый контакт обладает высокой стабильностью и хорошими электрическими свойствами, однако при создании солнечных элементов наземного назначения большой площади его стоимость оказывается недопустимо высокой. Это связано не только с дороговизной двух типов металлов, входящих в данную структуру, но и с высокой стоимостью самого процесса осаждения, при проведении которого

Таблица 2.4. Контакты для солнечных элементов на основе применяемых в системах с концентраторами излучения

отходы металлов превышают 90%. Следствием этого явилось развитие других методов получения контактов к таких, как химическое осаждение а затем [Bickler е. а., 1978]. При химическом осаждении на поверхность и мягком режиме термообработки образуется структура [Coleman е. а., 1978]. Другой метод создания контактов состоит в нанесении посредством трафаретной печати паст на основе (на поверхность ) или [Salles е. а., 1978]. Достоинство методов химического осаждения и трафаретной печати связано с тем, что они позволяют наносить металлический слой лишь на те участки, где он необходим.

Создание контактов к солнечным элементам на основе требует решения несколько иных проблем. Поскольку элементы обычно предназначены для работы в системах с концентраторами излучения, стоимость контактов не является решающим фактором, однако значения фронтальной контактной сетки необходимо снизить до уровня менее . При получении низкоомных контактов для генератора Ганна наносили сплавы соответственно на и и получали [Сох, Strack, 1967]. Однако характеристики контакта к слою проводимости -типа изменялись в процессе старения [Сох, Hasty, 1968]. Для предотвращения этого эффекта между контактом и массивным полупроводниковым образцом выращивали эпитаксиальный -слой. При создании сплавного контакта были получены значения [Heime е. а., 1974]. В табл. 2.4 перечислены некоторые типы контактов для солнечных элементов на основе используемых в сочетании с концентраторами излучения.

Среди контактов, широко применяемых в солнечных элементах, вероятно, единственный истинно омический контакт образуется между или в элементах на основе