Спектрально-зарядовые свойства гетероструктуры диоксид титана/кремний при облучении солнечным светом

Abstract

С помощью компьютерного моделирования исследованы спектрально-зарядовые свойства гетероструктуры пленки диоксида титана (TiO 2 ) n-типа проводимости толщиной 100 нм на кремниевой подложке p-типа проводимости в диапазоне 300—1200 нм солнечного излучения. Учтено наличие ловушечных состояний в пленке TiO 2 , способствующих локализации носителей заряда. Моделирование проводилось с использованием модели Андерсона для полупроводниковых гетеропереходов, решения уравнения Пуассона, уравнений непрерывности для электронов и дырок и уравнений Максвелла для электромагнитных волн в программном пакете Comsol Multyphysics. Рассчитаны распределение скоростей генерации и концентрации носителей заряда в гетероструктуре, распределение плотности заряда и электрического потенциала от длины волны  падающего на пленку TiO 2 солнечного излучения, а также от энергии ловушечных состояний E t , которая задавалась внутри запрещенной зоны, считая от дна зоны проводимости. Интегральная плотность солнечного излучения 1 кВт/м 2 принималась одинаковой для всех длин волн. Выявлены немонотонные зависимости скорости генерации носителей заряда в TiO 2 в области  = 325—375 нм. Установлено, что для относительно мелких ловушек (E t = 0.2—0.3 эВ) в объеме пленки TiO 2 формируется положительный заряд с плотностью 1.6 мКл/см 3 , слабо зависящий от длины волны. С ростом энергии ловушек объемная плотность заряда в пленке TiO 2 снижается и меняет знак, достигая –3.4 мКл/см 3 при E t = 0.8 эВ и  = 900 нм. Плотность поверхностного заряда на пленке TiO 2 отрицательная, ее величина возрастает с ростом энергии ловушек E t и длины волны излучения, достигая –2.8 · 10 -4 мкКл/см 2 при E t = 0.8 эВ и  = 900 нм. Полученные результаты объясняются взаимосвязью процессов интерференции в TiO 2 падающей и отраженной от границы раздела волн, разделением генерированных солнечным светом носителей заряда на этой границе, а также локализацией электронов на поверхностных состояниях TiO 2 .