ИССЛЕДОВАНИЕ  ВОЛЬТ-АМПЕРНЫХ  ХАРАКТЕРИСТИК  ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ  НАНОГЕТЕРОСТРУКТУР  КРЕМНИЯ  С  КВАНТОВЫМИ  ТОЧКАМИ  ГЕРМАНИЯ

Ляпунов  Дмитрий  Владимирович

студент5  курса  кафедры  квантовой  электроники  и  фотоники  радиофизического  факультета  национального  исследовательского  Томского  государственного  университета,  РФ,  г.  Томск

Е-mail :  dima.lyapunov_1992@mail.ru

Андрей  Павлович  Коханенко

научный  руководитель,  д-р  физ.-мат.  наук,  профессор  кафедры  квантовой  электроники  и  фотоники  радиофизического  факультета  национального  исследовательского  Томского  государственного  университета,  РФ,  г.  Томск

Солнечная  энергетика  —  это  один  из  новых  видов  энергии,  основанный  на  получении  энергии  Солнца.  Главная  задача  состоит  в  эффективном  преобразовании  солнечного  излучения  в  другие  виды  энергии,  необходимые  человечеству.  В  настоящее  время  этот  вид  энергии  представляется  неисчерпаемым  и  может  рассматриваться  как  энергетический  ресурс,  который  в  дальнейшем  сможет  удовлетворить  потребности  и  нужды  человечества.  Ставка  на  солнечную  энергетику  должна  рассматриваться  как  безальтернативный  выбор  для  человека  в  будущем.

Солнце  обеспечивает  планету  большим  объемом  энергии.  Этот  объем  намного  превышает  современные  потребности  человечества.  Использование  этой  энергии  затруднено  в  связи  с  тем,  что  она  представляет  собой  небольшой  рассеянный  поток.  Для  масштабного  использования  этого  источника  необходимо  повышать  эффективность  преобразования  солнечного  излучения  в  другие  виды  энергии.

Россия  является  крупнейшим  энергопотребителем  в  мире.  Поэтому  необходимо  развитие  собственной  энергетической  отрасли,  начиная  с  добычи  энергоносителей  и  последующей  их  реализации.  Северное  положение  страны  с  низким  уровнем  солнечного  излучения  усугубляет  развитие  солнечной  энергетики.  Тем  не  менее,  российская  солнечная  энергетика  должна  развиваться  в  рамках  мировых  тенденций,  поэтому  необходимо  строительство  солнечных  электростанций,  по  крайней  мере,  для  научных  исследований.

Солнечная  энергетика  —  это  вполне  доступный  способ  получения  энергии.  Но  в  настоящее  время  зависимость  человечества  от  ископаемых  природных  ресурсов  тормозит  развитие  этой  отрасли,  отставляя  ее  на  второй  план.

В  настоящее  время  существуют  возможности  преобразования  солнечного  излучения  в  электрическую  энергию  с  помощью  полупроводников.  Данные  приборы  являются  сегодня  вполне  созревшими  в  технологическом  и  научном  плане  для  того,  чтобы  использоваться  в  качестве  технического  фундамента  для  крупномасштабной  солнечной  энергетики  будущего.  Перспективным  подходом  в  направлении  решения  проблемы  изготовления  дешевых  преобразователей  солнечной  энергии  является  разработка  технологии  солнечных  элементов  на  основе  кремния  с  квантовыми  точками  германия  [1].

Кремний  в  значимой  степени  удовлетворяет  условиям  «идеальных»  полупроводниковых  материалов.  Важнейшими  плюсами  кремния  является  его  высокое  распространение  в  мире,  а  также  нетоксичность  и  относительная  дешевизна.  Эти  достоинства  кремния,  а  также  масштабное  производство  полупроводниковых  приборов  обозначили  важную  роль  кремниевых  фотоэлементов  в  развивающейся  солнечной  энергетике.  Было  затрачено  много  усилий  на  создание  различных  типов  тонкопленочных  батарей,  но  кристаллический  кремний  в  различных  видах  по-прежнему  составляет  основную  долю  солнечных  батарей  наземного  применения  [1].

Интерес  к  квантовым  точкам  германия  связан  со  следующими  причинами:  1)  удалось  получить  однородный  массив  квантовых  точек;  2)  размеры  КТ  уменьшены  до  порядка  волны  Де  Бройля,  что  обеспечивает  квантование  спектра  при  300К;  3)  совместимость  полученных  структур  с  современной  кремниевой  технологией.

Полупроводниковые  структуры  кремния  с  квантовыми  точками  германия  относятся  к  гетероструктурам  2-го  типа.  В  таких  системах  электроны  и  дырки  находятся  по  разные  стороны  от  границы  гетероперехода  в  потенциальных  ямах.  В  этих  состояниях  дырки  и  электроны  пространственно  разделены  и  переход  между  ними  является  непрямым.

В  системе  Ge/Si  из-за  расположения  энергетических  зон  потенциальная  яма  формируется  только  для  дырок.  Геометрия  квантовой  точки  германия  приводит  к  различию  в  энергии  размерного  квантования  в  плоскости  основания  пирамиды  и  в  направлении  роста.

Исследование  энергетического  спектра  КТ  показали,  что  он  является  дискретным.  Одной  из  особенностей  массива  КТ  является  то,  что  расстояния  между  структурами  сопоставимы  с  их  размерами.  В  такой  системе  энергия  размерного  квантования  и  энергия  кулоновского  взаимодействия  оказываются  одного  порядка.  В  плотном  массиве  также  необходимо  учитывать  кулоновское  взаимодействие  соседних  квантовых  точек,  в  отличии  от  разреженного  массива.

В  условиях,  когда  квантовые  точки  заполнены  электронами,  возможны  оптические  переходы  электронов  в  зону  проводимости.

Квантовые  точки  имеют  большой  потенциал  практического  применения.  В  первую  очередь  это  связано  с  тем,  что  можно  варьировать  ширину  запрещенной  зоны  с  помощью  изменения  геометрического  размера  КТ.  При  этом  изменяются  оптические  параметры  системы:  длина  волны  люминесценции,  полоса  поглощения  и  т.д.  Возможность  изменения  длины  волны  люминесценции  имеет  принципиальное  преимущество  для  создания  новых  лазерных  сред.  Тем  самым,  возможно  создание  лазеров  на  квантовых  точках  с  варьируемой  длиной  волны  излучения  [2].

Для  исследования  солнечных  элементов  наиболее  важным  с  практической  точки  зрения  является  исследование  вольт-амперной  характеристики,  т.  к.  на  её  основе  может  быть  определена  эффективность  преобразования  энергии  солнечным  элементом,  степень  влияния  паразитных  сопротивлений  и  т.  д.

В  работе  проведена  серия  измерений  вольт-амперных  характеристик  структур  с  квантовыми  точками  германия  на  автоматизированной  установке  спектроскопии  адмиттанса  в  условиях  темноты  и  освещения  различными  источниками  света.  Для  освещения  солнечных  элементов  использовались  два  источника:  бытовая  лампа  накаливания  мощностью  75  Вт  и  галогенная  лампа  LSH-T250.  Лампа  накаливания  была  подключена  к  сети  ~220  В,  лампа  LSH-T250  подключалась  к  источнику  постоянного  тока  U  =  18  В,  I  =  9,3  А.  При  помощи  измерителя  мощности  ИМО-2  была  оценена  мощность,  падающая  на  исследуемый  солнечный  элемент.  Для  лампы  накаливания  P  ≈  0,05  Вт.  Освещение  лампой  LSH-T250  проводилось  с  двух  расстояний:  20  см  и  30  см.  Мощность  излучения,  падающего  на  образец  составила,  соответственно,  P  ≈  0,3  Вт  и  P  ≈  0,07  Вт.

Установка  позволяет  за  цикл  сканирования  получить  вольт-амперные  характеристики  (ВАХ)  образцов  в  широких  пределах  температур,  приложенных  внешних  смещений  и  частот  тестового  сигнала.  Определены  температурные  зависимости  тока  короткого  замыкания,  напряжения  холостого  хода,  фактора  заполнения  и  КПД.  Исследовались  структуры  под  номерами  658,  611  и  686,  изготовленные  в  Институте  физики  полупроводников  им.  А.  В.  Ржанова  СО  РАН  (г.  Новосибирск).  На  рисунке  1,  2,  3  представлены  вертикальные  сечения  этих  образцов.  Каждая  структура  имела  вид  p-i-n-диода  со  встроенными  в  i-область  слоями,  содержащими  квантовые  точки  Ge.  В  собственную  область  образца  611  включены  30  слоев  с  квантовыми  точками  Ge  толщиной  по  5  монослоев.  В  собственную  область  образцов  658  и  686  включены  30  слоев  с  квантовыми  точками  Ge  толщиной  по  6  монослоев  (МС),  разделенные  слоями  кремния.

Рисунок  1.  Схематическое  изображение  вертикального  сечения  исследуемого  образца  солнечного  элемента  658  на  основе  Si  с  КТ  Ge

Рисунок  2.  Схематическое  изображение  вертикального  сечения  исследуемого  образца  солнечного  элемента  611  на  основе  Si  с  КТ  Ge

Рисунок  3.  Схематическое  изображение  вертикального  сечения  исследуемого  образца  солнечного  элемента  686  на  основе  Si  с  КТ  Ge

Список  литературы:

1.Алферов  Ж.И.,  Андреев  В.М.,  Румянцев  В.Д.  Тенденции  и  перспективы  развития  солнечной  фотоэнергетики  //  Физика  и  техника  полупроводников.  —  2004.  —  Том  38,  —  выпуск  8.  —  С.  937—947.

2.Леденцов  Н.Н.,  Устинов  В.М.,  Щукин  В.А.,  Копьев  П.С.,  Алфёров  Ж.И.,  Бимберг  Д.  Гетероструктуры  с  квантовыми  точками:  получение,  свойства,  лазеры  //  Физика  и  техника  полупроводников.  —  1998.  —  Том  32,  —  №  4.  —  С.  385—410.