journal-opt - abstr248-253

https://doi.org/10.15407/jopt.2018.53.248

Optoelectron. Semicond. Tech. 53, 248-253 (2018)

V.F. Onyshchenko, M.I. Karas’

RELAXATION OF PHOTOCONDUCTIVITY IN MACROPOROUS SILICON

The paper presents the diffusion model of photoconductivity relaxation and the simple expression that determines the photoconductivity relaxation time in macroporous silicon. The model of photoconductivity relaxation in macroporous silicon takes into account the inhomogeneity of the generation of excess charge carriers in the sample, the penetration of light into the macropores, and the illumination of the single-crystal substrate through the bottom of the macropores. The relaxation of photoconductivity is determined by the recombination of excess charge carriers on the pore surface and is limited by the diffusion of charge carriers from the substrate into the recombination surfaces. The photoconductivity relaxation time in macroporous silicon with and without substrate is found from the nonstationary diffusion equation of minority charge carriers. The solution of the nonstationary diffusion equation written for a macroporous layer and a single-crystal substrate is complemented by boundary conditions on the surfaces of a sample of macroporous silicon and on the boundary between the macroporous layer and the single-crystal substrate. The photoconductivity relaxation time in macroporous silicon depends on such values as: volume lifetime of minority charge carriers, charge carrier diffusion coefficient, substrate thickness, average macropore diameter, average distance between macropore centers, surface recombination rate, volume fraction of macropores. The photoconductivity relaxation time in macroporous silicon is calculated and presented in the figure depending on the depth of the macropores. It is shown that the photoconductivity relaxation in macroporous silicon with through pores is similar to the photoconductivity relaxation in single crystal silicon. But in this case, the photoconductivity relaxation time in macroporous silicon corresponds to the less photoconductivity relaxation time in single-crystal silicon, as additional recombination of non-equilibrium charge carriers occurs on the surface of macropores.

Keywords: macroporous silicon, photoconductivity, kinetics, relaxation.

PDF

References

1. Oh J., Yuan H.-C. & Branz H.M. An 18.2%-efficient black-silicon solar cell achieved through control of carrier recombination in nanostructures. Nature Nanotechnology. 2012. 7, No 11. P. 743-748.

https://doi.org/10.1038/nnano.2012.166

2. Savin H., Repo P., Gastrow G., Ortega P., Calle E., Garín M., Alcubilla R. Black silicon solar cells with interdigitated back-contacts achieve 22.1% efficiency. Nature Nanotechnology. 2015. 10, No 7. P. 624-628.

https://doi.org/10.1038/nnano.2015.89

3. Juntunen M.A., Heinonen J., Vähänissi V., Repo P., Valluru D., Savin H. Near-unity quantum efficiency of broadband black silicon photodiodes with an induced junction. Nature Photonics. 2016. 10, No 12. P. 777-781.

https://doi.org/10.1038/nphoton.2016.226

4. Otto M., Algasinger M., Branz H., Geseman B. et al. Black silicon photovoltaics. Adv. Opt. Mater. 2015. 3, No 2. P. 147-164.

https://doi.org/10.1002/adom.201400395

5. Onyshchenko V.F. Rozrahunok spektriv fotoprovidnosti v kremniyi z poverhnyami, strukturovanimi makroporami. Optoelektronika i poluprovodnikovaya tehnika. 2017. № 52. S.123-127. (in Ukrainian)

6. Bett A.J., Eisenlohr J., Höhn O., Repo P., Savin H., Bläsi B., Goldschmidt J.C. Wave optical simulation of the light trapping properties of black silicon surface textures. Opt. Exp. 2016. 24, No 6. P. 434-445.

https://doi.org/10.1364/OE.24.00A434

7. Onyshchenko V.F. Rozpodil nerivnovazhnih nosiyiv zaryadu v strukturah makroporistogo kremniyu pri yih odnoridnij generaciyi po ob'yemu zrazka. Optoelektronika i poluprovodnikovaya tehnika. 2015. № 50. S. 125-131. (in Ukrainian)

8. Onyshchenko V.F. Rozpodil fotonosiyiv u makroporistomu kremniyi pri yih neodnoridnij generaciyi. Optoelektronika i poluprovodnikovaya tehnika. 2016. No 51. S. 158-162. (in Ukrainian)

https://doi.org/10.15407/jopt.2016.51.158

9. Karachevtseva L., Kartel M., Kladko V, Gudymenko O., Bo Wang, Bratus V., Lytvynenko O., Onyshchenko V., Stronska O. Functionalization of 2D macroporous silicon under the high-pressure oxidation. Appl. Surf. Sci. 2018. 434. P. 142-147.

https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2017.10.029

10. Ernst M., Brendel R. Modeling effective carrier lifetimes of passivated macroporous silicon layers. Solar Energy Materials and Solar Cells. 2011. 95, No 4. P. 1197-1202.

https://doi.org/10.1016/j.solmat.2011.01.017

11. Monastyrskii L.S., Sokolovskii B.S., Pavlyk M.R. Analytical and numerical calculations of photoconductivity in porous silicon. Ukr. J. Phys. 2011. 56, No. 9. P. 902-906.

https://doi.org/10.1155/2011/896962

12. Onyshchenko V.F. Karachevtseva L.A. Effective minority carrier lifetime and distribution of steady-state excess minority carriers in macroporous silicon. Chemistry, Physics and Technology of Surface. 2017. 8, No 3. P. 322-332.

https://doi.org/10.15407/hftp08.03.322

13. Onyshchenko V.F., Karachevtseva L.A., Lytvynenko O.O., Plakhotnyuk M.M., Stronska O.Y. Effective lifetime of minority carriers in black silicon nano-textured by cones and pyramids. Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. 2017. 20, No 3. P. 325-329.

https://doi.org/10.15407/spqeo20.03.325

14. Karas N.I., Onyshchenko V.F., Kalustova D.A., Kornaga V.I. "Medlennye" poverhnostnye urovni i relaksaciya fotoprovodimosti v strukturah makroporistogo kremniya v fioletovoj oblasti opticheskogo spektra. Optoelektronika i poluprovodnikovaya tehnika. 2017. № 52. S. 135-140. (in Russian)

15. Karachevtseva L.A., Onyshchenko V.F. Relaxation of excess minority carrier distribution in macroporous silicon. Chemistry, Physics and Technology of Surface. 2018. 9, No 2. P. 158-166.

https://doi.org/10.15407/hftp09.02.158

16. Bonch-Bruevich V.L., Kalashnikov S.G. Fizika poluprovodnikov: uchebnoe posobie. 2-e izd. Moskva: Nauka, 1990. (in Russian)

В.Ф. Онищенко, М.І. Карась

РЕЛАКСАЦІЯ ФОТОПРОВІДНОСТІ У МАКРОПОРИСТОМУ КРЕМНІЇ

У роботі представлена дифузійна модель релаксації фотопровідності та простий вираз, який визначає час релаксації фотопровідності у макропористому кремнії. Модель релаксації фотопровідності у макропористому кремнії враховує неоднорідність генерації нерівноважних носіїв заряду в зразку, проникнення світла в макропори та освітлення монокристалічної підкладки крізь дно макропор. Релаксація фотопровідності у макропористому кремнії визначається рекомбінацією нерівноважних носіїв заряду на поверхні макропор та обмежується дифузією носіїв заряду з підкладки до рекомбінаційних поверхонь. Час релаксації фотопровідності у макропористому кремнії з підкладкою та без неї знайдено з нестаціонарного рівняння дифузії неосновних носіїв заряду. Розв’язок нестаціонарного рівняння дифузії, записаного для макропористого шару та монокристалічної підкладки, доповнюються граничними умовами на поверхнях зразка макропористого кремнію та на межі між макропористим шаром та монокристалічною підкладкою. Час релаксації фотопровідності у макропористому кремнії залежить від таких величин, як об’ємний час життя неосновних носіїв заряду, коефіцієнт дифузії носіїв заряду, товщина підкладки, середній діаметр макропор, середня відстань між центрами макропор, швидкість поверхневої рекомбінації, об’ємна частка макропор. Час релаксації фотопровідності у макропористому кремнії розраховано та наведено на рисунку у залежності від глибини макропор. Показано, що релаксації фотопровідності у макропористому кремнії з наскрізними порами аналогічна релаксації фотопровідності у монокристалічному кремнії. Але в цьому випадку час релаксації фотопровідності у макропористому кремнії відповідає меншому часу релаксації фотопровідності у монокристалічному кремнії так, як відбувається додаткова рекомбінація нерівноважних носіїв заряду на поверхні макропор.

Ключові слова: макропористий кремній, фотопровідність, кінетика, релаксація.

Back / Повернутися