journal-opt - abst112-118

https://doi.org/10.15407/iopt.2019.54.112

Optoelectron. Semicond. Tech. 54, 112-118 (2019)

V.F. Onyshchenko

RELAXATION OF PHOTOCONDUCTIVITY IN DOUBLE-SIDE MACROPOROUS SILICON

Photoconductivity relaxation and photoconductivity relaxation time in double-side macroporous silicon is determined from a system of two transcendental equations. The equations are derived from the model of photoconductivity relaxation in bilateral macroporous silicon, which takes into account the penetration of light into the macropores and the illumination of the single crystal substrate and the second layer of macroporous silicon through the bottom of the macropores. The system of equations obtained by us is similar to a system of two equations describing the relaxation of photoconductivity in single-crystal silicon. The difference lies in the fact that the equations contain expressions describing the processes that occur in macroporous layers and on the verge of a macroporous layer and a single-crystal substrate. In the absence of macropores, this system of equations turns into a system of equations for determining the relaxation of photoconductivity in monocrystalline silicon. The photoconductivity relaxation time in double-side macroporous silicon is found from the nonstationary diffusion equation of minority charge carriers. The solution of the nonstationary diffusion equation written for each of the macroporous layers and the single crystal substrate is complemented by boundary conditions on the surfaces of the sample of macroporous silicon and on the boundary between the macroporous layer and the single crystal substrate. The photoconductivity relaxation time in double-side macroporous silicon depends on such values as: the volume lifetime of minority charge carriers, the diffusion coefficient of minority charge carriers, and the thickness of the single-crystal substrate between the macroporous layers. And also, the values recorded for each macroporous layer: the depth of the macropores, the average diameter of the macropores, the average distance between the centers of the macropores, the volume fraction of macropores, the rate of surface recombination. Calculations showed that photoconductivity relaxation in bilateral macroporous silicon is determined by recombination of excess charge carriers on the surface of the macropores of each macroporous layer and limited by the diffusion of charge carriers from the substrate to the recombination surfaces. The photoconductivity relaxation time in double-side macroporous silicon is calculated and shown in the figure depending on the depth of the macropores.

Keywords: double-side macroporous silicon, photoconductivity, kinetics, relaxation.

PDF

6-Onischenko.pdf

References

1. Ernst M., Brendel R., Ferre R., Harder N.‑P. Thin macroporous silicon heterojunction solar cells. Phys. Stat. Sol. RRL. 2012. 6, No 5. P. 187-189.

https://doi.org/10.1002/pssr.201206113

2. Ernst M. and Brendel R. Macroporous silicon solar cells with an epitaxial emitter. IEEE J. Photovolt. 2013. 3, No 2. P. 723-729.

https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2013.2247094

3. Maiolo J.R., Atwater H.A., Lewis N.S. Macroporous silicon as a model for silicon wire array solar cells. J. Phys. Chem. C. 2008. 112, No 15. P. 6194-6201.

https://doi.org/10.1021/jp711340b

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

5. 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. Express. 2016. 24, No 6. P. 434-445.

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

6. Selj J.H., Marstein E., Thogersen A., Foss S.E. Porous silicon multilayer antireflection coating for solar cells; process considerations. Phys. Stat. Sol. C. 2011. 8, No 6. P. 1860-1864.

https://doi.org/10.1002/pssc.201000033

7. Ernst Marco and Brendel Rolf. Lambertian light trapping in thin crystalline macroporous Si layers. Phys. Stat. Sol. RRL. 2014. 8, No 3. P. 235-238.

https://doi.org/10.1002/pssr.201308294

8. 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. Applied Surface Science. 2018. 434. P. 142-147.

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

9. 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

10. 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

11. 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 & Optoelect-ronics. 2017. 20, No 3. P. 325-329.

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

12. 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

13. 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

14. Onyshchenko V.F., Karas M.I. Relaksaciya fotoprovidnosti v makroporistomu kremniyi. Optoelektronika i poluprovodnikovaya tehnika. 2018. No 53. S. 248-253. (in Ukrainian)

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

15. Karas N.I., Onyshchenko V.F. Monopolyarnaya fotoprovodimost inversionnogo sloya i "medlennye" poverhnostnye urovni v strukturah makroporistogo i monokristallicheskogo kremniya v usloviyah silnogo poverhnostnogo poglosheniya sveta. Optoelektronika i poluprovodnikovaya tehnika. 2018. No 53. S. 268-272. (in Russian)

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

16. Barillaro G., Bruschi P., Pieri F., Strambini L.M. CMOS-compatible fabrication of porous silicon gas sensors and their readout electronics on the same chip. Phys. Stat. Sol. A. 2007. 204, No 5. P. 1423-1428.

https://doi.org/10.1002/pssa.200674370

17. Barillaro G., Strambini L.M. An integrated CMOS sensing chip for NO2 detection. Sensors and Actuators B. 2008. 134, No 2. P. 585-590.

https://doi.org/10.1016/j.snb.2008.05.044

18. Bonch-Bruevich V.L., Kalashnikov S.G. Fizika poluprovodnikov: uchebnoe posobie. 2-e izd. Moskva: Nauka, 1990. 688 s. (in Russian)

В.Ф. Онищенко

РЕЛАКСАЦІЯ ФОТОПРОВІДНОСТІ У ДВОСТОРОННЬОМУ МАКРОПОРИСТОМУ КРЕМНІЇ

Релаксація фотопровідності та час релаксації фотопровідності в двосторонньому макропористому кремнії визначається з системи двох трансцендентних рівнянь. Рівняння виведені на основі моделі релаксації фотопровідності в двосторонньому макропористому кремнії, яка враховує проникнення світла в макропори та освітлення монокристалічної підкладки та вихідного макропористого кремнію через дно макропор. Отримана нами система рівнянь подібна до системи двох рівнянь, яка описує релаксацію фотопровідності в монокристалічному кремнії. Відмінність полягає в тому, що в рівняннях містяться вирази, які описують процеси, що відбуваються в макропористих шарах та на межі макропористого шару та монокристалічної підкладки. За відсутності макропор ця система рівнянь перетворюється в систему рівнянь для визначення релаксації фотопровідності в монокристалічному кремнії. Час релаксації фотопровідності в двосторонньому макропористому кремнії знайдено з нестаціонарного рівняння дифузії неосновних носіїв заряду. Розв’язок нестаціонарного рівняння дифузії, записаного для кожного з макропористих шарів та монокристалічної підкладки, доповнюється граничними умовами на поверхнях зразка макропористого кремнію та на межі між макропористим шаром та монокристалічною підкладкою. Час релаксації фотопровідності в двосторонньому макропористому кремнії залежить від таких величин, як об’ємний час життя неосновних носіїв заряду, коефіцієнт дифузії неосновних носіїв заряду, товщина монокристалічної підкладки між макропористими шарами. А також величин, записаних для кожного макропористого шару: глибина макропор, середній діаметр макропор, середня відстань між центрами макропор, об’ємна частка макропор, швидкість поверхневої рекомбінації. Розрахунки показали, що релаксація фотопровідності в двосторонньому макропористому кремнії визначається рекомбінацією нерівноважних носіїв заряду на поверхні макропор кожного макропористого шару та обмежується дифузією носіїв заряду з підкладки до рекомбінаційних поверхонь. Час релаксації фотопровідності в двосторонньому макропористому кремнії розрахований та представлений на рисунку в залежності від глибини макропор.

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

Back / Повернутися