Оптимизация режимов эпитаксиального синтеза структур с квантовыми точками для фотоприемников и солнечных элементов

Abstract

Одним из самых перспективных путей увеличения эффективности солнечных элементов является использование германиевых квантовых точек на кремниевых подложках. В таких структурах формируется так называемая промежуточная зона – область разрешенных состояний в запрещенной зоне кремния. Поэтому становится возможным двухступенчатый переход носителей из валентной зоны в зону проводимости через промежуточную зону, вызванный поглощением низкоэнергетических фотонов. В результате наблюдается продление спектра чувствительности солнечного элемента в длинноволновую область и соответствующее увеличение эффективности преобразования солнечной энергии. Кроме того, достоинством структур с квантовыми точками Ge/Si (гетероструктур II типа) является большое время жизни носителей, обусловленное непрямыми оптическими переходами и пространственным разделением электронов и дырок [1, 2]. Фотодетекторы с квантовыми точками германия в кремнии также привлекают большое внимание исследователей благодаря совместимости с хорошо развитой кремниевой технологией, работе в диапазоне длин волн прозрачности атмосферы, а также потенциально высокой чувствительности. Однако для реализации всех потенциальных возможностей фотодетекторов и солнечных элементов на основе наноструктур с квантовыми точками германия в кремнии необходима тщательная отработка технологии их синтеза [3, 4]. В данной работе проводится анализ перспектив дальнейшего использования наногетероструктур с квантовыми точками германия на кремнии в различных оптоэлектронных устройствах, таких как, например, солнечные элементы и фотоприемники видимого и инфракрасного диапазонов. С использованием комплексной математической модели, позволяющей рассчитать зависимости параметров выращиваемых методом молекулярно-лучевой эпитаксии массивов самоформирующихся наноостровков германия-кремния от условий роста, потоков осаждаемых материалов, состояния подложки теоретически оценены ростовые параметры, необходимые для синтеза таких приборноориентированных гетероструктур. Произведен расчет темнового тока и обнаружительной способности для реальных фоточувствительных структур с квантовыми точками германия на кремнии. Оценены темновые токи в таких структурах, вызванные тепловой эмиссией и барьерным туннелированием носителей, а также обнаружительная способность фотоприемника в приближении ограничений генерационно-рекомбинационными шумами. Показано, что при выборе для параметров модели (в том числе расстояния между энергетическими уровнями и дисперсии этих расстояний от точки к точке, определяемой разбросом островков в массиве по размерам) значений, соответствующих экспериментальным исследованиям морфологии и энергетической структуры рассматриваемых образцов, результаты моделирования хорошо соответствуют экспериментальным данным. Особое внимание также уделяется теоретической оценке режимов роста для создания ансамблей островков требуемого размера и высокой плотности, с заданными положениями дискретных энергетических уровней и промежуточной зоны для создания солнечных элементов на их основе