铁电-半导体存储器.doc

文章翻译 题目：铁电—半导体光伏：非 PN 结太阳能电池学 号 51131213014姓 名 张鹏专 业 微电子学与固体电子学日 期 2014 年 5 月 27 号物理应用快报 (APL) 104，103907 (2014) 铁电—半导体光伏：非 PN 结太阳能电池 摘要 以正负 PN 结为基础的传统太阳能电池有许多限制。在这里，我们引入使用表 面束缚电荷的铁电—半导体太阳能电池，以此来实现半导体中电荷分离。这种新概念电池 的可行性已经从实验上和理论以予证实。这种电池的特别之处是自由载流子与固定载流子 物理上是彼此相互分离的。这种特性使得我们可以打破传统的以结为基础的结构，并且在 材料选择，器件设计和构造上有更多的选择。 传统光伏器件的发展围绕优化载流子的三个关键步骤展开：载流子产生、载流子分离 和载流子输运 1 2 。尤其是，怎样实现载流子分开，这一关键步骤通常影响基础器件结构。 传统太阳能电池本质上是以正负 PN 结（或 e - 施主/e - 受主结）为基础，利用结界面的内建 电场来实现载流子分离 3 。然而，以结为基础的结构只是实现太阳能电池功能的方法之一。 另外，由于晶格缺陷，掺杂和能带排列，这种结构限制了通过材料选择和器件构造来形成 一个切实可行的结。另外，在传统太阳能电池中不可避免的重掺杂过程会导致严重的俄歇 复合 4 。为了克服存在于 PN 结中的问题，人们发展了铁电光伏器件。上电极与下电极之间 夹杂一层铁电层形成这种特殊的结构 5 。这种器件利用铁电层极化产生的内建电场来实现 光吸收和载流子分离。虽然这可以实现大的开路电压，但是铁电材料带隙与短路电流通常 比较大，在阳光下能量转换效率也比较低 6 。另一种方法就是在铁电基体中加入低带隙材 料（反之亦然） 7 ，以此来增强光吸收。这种方法的缺点是更多的陷阱态同时被引入到器件 中。Regan 等 8 人展示了隔挡设计的场效应太阳能电池，这种电池利用类似场效应晶体管 中的电场效应，来调整电极—半导体结。然而，这种方法在实际应用上面临挑战，因为外 部偏置电压需要小心的加到栅电极上，以便于制造出可行的场诱导的半导体 PN 结。最近 已经证实 9 ，如果将铁电聚合物层添加到有机太阳能电池中，那么，这将产生一个能够增 强载流子分离的大且长久性的内建电场，这将会取代外部偏置电压的作用。这个方法的问 题之一就是这个铁电层需要做的极其薄（几个单分子层厚），以便于载流子通过，这对于 制造大面积的太阳能电池来说是一个挑战。因此，需要去探索其他的可能性。 在这里，我们引入使用表面束缚电荷的铁电—半导体太阳能电池，以此来实现实现半 导体中电荷分离。这种新的光伏电池，和传统的太阳能电池很相似，仍然使用具有适当带 隙和优异的载流子输运能力的半导体材料作为光吸收层。另外，我们引入能够在半导体层 上产生外电场的铁电材料，以此来实现载流子的分离。不同于传统的铁电太阳能电池，我们这里的铁电层并不是用来光吸收的。因此，这种新的电池可以克服上述传统光伏电池的 问题，并且在光伏发展的可能性和适应性方面更有前景。 Fig. 1(a) 显示具体化的新概念太阳能电池，它由一铁电层，一半导体层，一对杆状电极 （P—电极） ，一对工作电极（正极和负极）组成。杆状电极分别与正极和负极相对应，半 导体具有光吸收的功能。通过在第一对杆状电极和第二对工作电极之间加相反的电压，在 铁电层相对应的区域，将会以垂直水平面且相反的方向极化。当铁电体以Fig. 1(a) 显示的那 样极化时，那么将它定义为正向极化；如果极化方向相反，那么定义它为反向极化。极化 之后，将外电场去掉，之后，剩余极化将会留下来。由于铁电极化，半导体层在外电场作 用下，正极收集自由电子，负极收集空穴。然后电子流过外电路，在负载R上做功，最后 电子流到负极，与空穴复合。事实上，我们根据Fig. 1(a) ，制作了一系列的电池（Fig. 1(b)） 。半导体是厚度为200um的P 型单晶线型Si晶圆，Ti 和Au （分别作为正极和负极）以溅射的 方法淀积在Si 晶圆上。铁电体是500nm 厚的BaTiO3层，BaTiO3以标准步骤 10 旋转涂布在Si 晶圆上。两个杆状Ag电极以热蒸发的方式淀积。最后，用Ag 浆和铜线将电池连接起来，然 后，用环氧基树脂和玻璃覆盖铁电的整个表面，以此实现铁电体绝缘。铁电体以下述文献 的方式连接 11 。电池的有效面积约78mm 2 。用标准的太阳能模拟（ABET Sun 2000和 Keithley 2602A）来估计器件性能。铁电—半导体伏. （a）正向极化器件结构 原理图（没有画出尺寸） （b）真实的太阳能（从 BaTiO3一边看）Fig. 2.给出特定的电池器件性能。由Fig. 2(a) 的蓝色曲线可以看出，在黑暗无光且未极 化的情况下，电池的I-V 曲线是一条有着高阻值的直线。然而，极化之后，红色的I-V 曲线 表现出类似PN结型二极管的整流效应。整流率定义为在V=0.5处的正电流与在V=-0.5处的负电流之比，即222。另外，就总体的欧姆行为来说（这里未给出图形），相对于反向极化， 漏电流在正向极化之后迅速减小。 我们继续研究在光照下的正向极化电池，如图Fig. 2(b) 所示。为了便于对比，Fig. 2(b) 中的蓝色曲线显示出未极化且在光照之下器件的性能。我们 从放大的插图中可以看到，对于未极化的电池，并没与光伏输出。然而，正向极化之后， I-V曲线下移，伴随Voc=170.5mV 和 Isc=0.034 uA ，显示出光生伏特效应。我们也研究了 电池正向极化之后的光学反应；当光照在电池上时，光电流不断产生，光照停止时，无光 电流产生。我们用许多样品重复试验（甚至电池的接触材料都是由相同的材料制成），事 实证明结果是一致的并且是可重复的。因此得出结论，在Si中的自由载流子能够被分离并 且能够被收集来发电，即使目前的能量转换效率比较低。 器件糟糕的性能也许与以下原因密切相关。一个主要原因就是金属接触。一方面，金 属与半导体接触的性能非常差，从Fig. 2.中可以看出伴随着较大的接触电阻。另一方面， 金属的屏蔽效应可能会削弱在半导体中产生的诱导电场 12 。 载流子密度和较长屏蔽长度的 透明导电氧化物可以作为替代电极。由于Si 晶圆很厚（200um ），太阳光从Si的边缘入射， 载流子被电极有效收集很困难。另一个原因可能和载流子从半导体注入铁电体有关。我们 Fig. 2.特定电池的器件性能 （a）在无光情况下，极化前与正 向极化后的 I-V 曲线 （b）在光照情况下，极化前与 正向极化后的 I-V 曲线，内置图 为放大的图形知道BaTiO3 和Si 能隙（功函数）分别为3.5（5.2）和1.12 （4.6）eV 13 ，并且BaTiO3 和Si之 间的带偏是负的，为-0.1eV。因此，电子可能会从Si 注入到BaTiO3中，导致电子通过铁电 体时铁电体会导电。因此，应该在BaTiO3 和Si 之间添加一层极薄的绝缘层来阻止电子注 入。另外，还存在例如表面钝化，器件布局和在杆状电极中的相反电荷等其他一些问题。 所有上述提及的原因，都意味着还有很大的空间来