Φωτοθερμικός χαρακτηρισμός ημιαγωγών και ηλιακών επιλεκτικών επιφανειών

Abstract

Η εργασία αυτή έχει σαν στόχο τον χαρακτηρισμό υλικών υψηλής τεχνολογίας με δυο μη καταστροφικές τεχνικές, την Φωτοθερμική Ραδιομετρία (PTR) και την Φωτο-Διαμορφωμένη Θερμική Ανακλαστικότητα (PMTR). Στην μεγαλύτερη της έκταση η εργασία επικεντρώνεται στην μελέτη των ημιαγωγών και κυρίως του πυριτίου. Αρχικά παρουσιάζεται μια ποσοτική ανάλυση της συμπεριφοράς του φωτοθερμικού σήματος PMTR σαν συνάρτηση της θερμοκρασίας στη περιοχή χαμηλών θερμοκρασιών (40-300Κ) σε εμφυτευμένα με φωσφόρο δισκία πυριτίου. Διερευνάται επίσης ο μηχανισμός Drude και ο μηχανισμός πλήρωσης ζώνης καθώς και οι σχέσεις τους με τον κρυσταλλικό χαρακτήρα του πλέγματος. Η ποσοτική ανάλυση έχει σαν αποτέλεσμα την εξαγωγή των θερμικών και ηλεκτρονικών παραμέτρων των εμφυτευμένων δειγμάτων, και τον διαχωρισμό των συνεισφορών πλάσματος και θερμοκρασίας με βάση την θερμοκρασία του πλέγματος. Ακολούθως παρουσιάζεται ένα διστρωματικό μοντέλο που περιγράφει την φωτοθερμική συμπεριφορά ενός εμφυτευμένου ημιαγωγού. Η μελέτη έγινε με στόχο τον προσδιορισμό των ηλεκτρονικών και θερμικών ιδιοτήτων ενός αμόρφου στρώματος ημιαγωγού που βρίσκεται πάνω σε κρυσταλλικό υπόστρωμα. Το μοντέλο αυτό με μικρές τροποποιήσεις μπορεί να περιγράψει την φωτοθερμική συμπεριφορά ενός οποιουδήποτε συστήματος αγωγού, μονωτή και ημιαγωγού. Επίσης παρουσιάζεται για πρώτη φορά ο συσχετισμός των συντελεστών πλάσματος και θερμοκρασίας του φαινομένου PTR με την πυκνότητα προσμείξεων. Στη συνέχεια διερευνάται η επίδραση του όρου θερμικής γένεσης ηλεκτρικών φορέων που παρουσιάζεται στην εξίσωση θερμικής διάχυσης, στην διάδοση των φωτοδιεγερμένων κυμάτων φορέων σε ημιαγωγούς σαν συνάρτηση της θερμοκρασίας και της πυκνότητας προσμείξεων. Η διερεύνηση της επίδρασης αυτής γίνεται στα πλαίσια της ανισότητας των Vasile' v και Sandomirskii και εξάγονται συμπεράσματα για τις συνθήκες κάτω από τις οποίες είναι απαραίτητη η ανάγκη εισαγωγής του όρου αυτού στους φωτοθερμικούς υπολογισμούς. Ακολούθως με την μέθοδο της φωτοθερμικής ραδιομετρίας χαρακτηρίζεται μια κατηγορία υλικών που συμπεριφέρονται επιλεκτικά σε σχέση με τις οπτικές ιδιότητες του ηλιακού φωτός. Ένα μονοδιάστατο μοντέλο χρησιμοποιείται για την εύρεση θερμικών παραμέτρων των δειγμάτων ηλιακών απορροφητικών επιφανειών.

This work focuses on the characterization of advanced rnaterials using two non-destructive techniques, narnely phototherrnal radiornetry (PTR) and photornodulated therrnoreflectance (PMTR). Most of this work deals with the study of serniconductors and rnore specifically silicon. At first we present a quantitative analysis of the PMTR signal frorn phosphorus irnplanted silicon sarnples as a function of ternperature in the low ternperature regirne ( 4-300Κ). The two rnain rnechanisrns contributing to the signal, Drude effect and band filling effect are discussed. The quantitative analysis results in the extraction of the therrnal and electronic pararneters of the irnplanted wafers as well as in the differentiation between the plasrna contribution and therrnal contribution to the phototherrnal signal. Α two layer rnodel is then introduced in order to analyze the phototherrnal behavior of an irnplanted serniconductor. The purpose of this study was to extract the electronic and therrnal pararneters of an arnorphous silicon layer on top of a crystalline substrate. This rnodel with rninor rnodifications can describe the phototherrnal response of any layered systern cornprised of a cornbination of conducting, serniconducting or insulating rnaterials. The behavior of the PTR plasrna and therrnal coefficients on the irnpurity concentration is also investigated. Α further investigation of the therrnal generation terrn in the phototherrnal signal is accornplished within the frarnework of Vasile' ν και Sandornirskii inequality. The conditions under which the introduction of the therrnal generation terrn in the phototherrnal equations is necessary are explored. Finally we apply phototherrnal radiornetry in order to evaluate therrnal and optical properties of rnaterials that absorb selectively solar energy and are used in solar energy applications.