|
Рис.2.10. Степень
релаксации напряжения в
структурах Si/SiGe/Si в
зависимости от энергии
ионов и соответствующие
концентрации германия в
твердом растворе SiGe.
81
2.5.Тепловольтаические свойства кремниевых плёночных
p-n
структур,
полученных ионно
-
стимулированным вакуумным осаждением
Ионно
-
стимулированные методы применялись также для создания
кремниевых структур, позволяющих
преобразовать тепловую энергию в
электрическую. Прямое преобразование тепловой составляющей излучения
Солнца и тепла нагретых тел, начиная от геотермальных источников до
отходящих газов тепловых электростанций и металлургических производств,
представляется актуальной инженерной задачей. Нами
выдвинута и
обоснована идея тепловольтаического преобразования, то есть создания
преобразователей
тепловой
энергии
(ПТЭ)
с
применением
немонокристаллического кремния. Одним из важнейших условий работы
ПТЭ является необходимость введения в такой кремний примесей, дающих
глубокие энергетические уровни в концентрации ≥10
18
см
-3
.
Проводилась
экспериментальная проверка возможности проявления
тепловольтаического эффекта на плёночных кремниевых
p-n
-
структурах,
полученных в условиях, минимизирующих влияния
легирующих примесей.
Структуры для ПТЭ изготавливали на установке ионно
-
стимулированного вакуумного осаждения. Плёнки осаждали на подложках
испарением
рабочего материала
при его разогреве электронным пучком. Так,
плёночные Si
структуры с
p-n
переходом формировались
испарением
монокристаллического кремния марок КДБ
-
0,4 или КЭФ
-20
соответственно
на поверхность подложек КЭФ
-20
(111) и КДБ
-40
(100). Температуру
подложек варьировали в пределах от 950К до 1100К. Был реализован режим
осаждения с высокими скоростями ~1
мкм/мин. Время осаждения плёнок
составляло в различных режимах всего от 1 до 5 мин.
Исследования проявлений тепловольтаического эффекта в полученных
образцах были проведены в условиях равномерного нагрева и последующего
плавного охлаждения всей системы в температурном диапазоне от 300К до
900К в отсутствие градиента температуры. Характерные температурные
зависимости возникающего темнового напряжения и тока представлены на
Рис.
2.11.
На основе полученных экспериментальных данных можно утверждать,
что плёнки как
p
-
типа, так и
n
-
типа, осаждённые на подложки с
82
противоположным типом проводимости, имеют следующие
характерные
особенности.
1. При равномерном нагреве в отсутствие градиента температуры на
этих плёночных структурах возникает темновое напряжение холостого хода,
величина которого при температуре ~800
K
составляет ~5
-
10 мВ.
2. Эффективная генерация носителей наблюдается при T
>500K
и
сопровождается с увеличением температур до 900К ростом темнового тока,
плотность которого достигает у различных образцов значений ~1,2
-
2,5
мкА/см
2
.
3. Изменения темновых напряжения и тока короткого замыкания при
росте температуры и охлаждении происходят плавно и по одной кривой с
расхождением результатов не выше 5%.
Полученные
результаты
являются
экспериментальным
подтверждением роли глубоких энергетических уровней в возникновении
тепловольтаического эффекта, а именно, возможности его проявления в
структурах, сформированных в вакуумных условиях с заведомым
исключением любых источников глубоких примесей, но при обеспечении
возникновения упомянутых глубоких уровней в концентрациях, достаточных
для проявления эффекта.
Необходимо
отметить, высокий коэффициент Зеебека у
ПТЭ может
быть обусловлен не только высокой (>10
18
см
-3
) концентрацией глубоких
уровней, но и наличием микропрослоек окисла, сквозь которые носители
заряда туннелируют. Поэтому путь повышения этого и других
термоэлектрических параметров ПТЭ на плёночной основе также, по
-
видимому, может быть связан с намеренным созданием подобных областей
специальным легированием в процессе роста плёнок
и,
как показано в
настоящей работе, ионно
-
стимулированные методы наиболее подходят
для
его осуществления
.
2.6.
Ионно
-
стимулированное
электронно
-
лучевое физическое осаж
-
дение пара
Электронно
-
лучевое
физическое осаждение
пара
(EB
-
PVD)
представляет собой эффективный процесс для создания плотных покрытий,
высокой тепловой эффективностью и относительно высокой
скоростью
осаждения. Дополнительные преимущества в этом процессе могут быть
получены с одновременным использованием ионно
-
стимулированного
осаждения. Ионная бомбардировка подложки обеспечивает лучший контроль
над процессом осаждения,
в результате достигаются необходимая
морфология и улучшенная адгезия. Контролируя плотности тока и энергии
ионов,
можно получить пористые, столбчатые, текстурированные и
эпитаксиальные
слои
.
Из общих соображений можно утверждать, что путем повышения
электронного тока испарителя и ускоряющего потенциала можно увеличить
количество
ионизованных
частиц,
оседающих на подложке.
Таким образом,
83
поток
генерируемых ионов и эффективность
их транспортировки к
поверхности подложки
соответственно увеличивается.
Обсуждая других физических факторов этого процесса, должны быть
упомянуты следующие:
Процесс ре
-
испарение атомов за счет ионов, бомбардирующих
подложку: из
литературы известно,
что при U
b
= 1 кэВ коэффициент
распыления
составляет ~ 1.
В наших опытах степень ионизации
составляет ~
0,15%. Поэтому это распыление
не было принято во внимание, потому что
оно составляет только ~
10-3
Do'stlaringiz bilan baham: |
