WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 4 Оптическое поглощение и фоточувствительность структур из тонких пленок CuInxGa1-xSe2 © В.Ю. Рудь, Ю.В. Рудь, И.В. Боднарь†, В.Ф. Гременок† Государственный технический университет, 195251 Санкт-Петербург, Россия Физико-технический институт им.А.Ф.Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия † Государственный университет информатики и радиоэлектроники, 220027 Минск, Белоруссия (Получена 26 мая 1997 г. Принята к печати 27 мая 1997 г.) Тонкие поликристаллические пленки CuInxGa1-xSe2 (0 x 1) были получены импульсным лазерным испарением. Рассмотрены результаты измерений оптических свойств, поляризационных индикатрис фототока, спектральных зависимостей квантовой эффективности фотопреобразования структур In–p-CuInxGa1-xSe2.

Обнаружен эффект окна в фоточувствительности и сделан вывод о возможности применения тонких пленок CuInxGa1-xSe2 в качестве фотопреобразователей солнечного излучения.

Тройные халькогенидные соединения и твердые рас- пленок. Для лучших по качеству пленок R 30% при творы на их основе все более широко применяются при любых значениях состава x от 0 до 1. Поэтому при создании высокоэффективных солнечных фотопреобра- анализе данных по поглощению за основу принималась зователей [1–4]. На их основе уже удалось создать именно эти величина, причем она оказалась близкой такие структуры с коэффициентом полезного действия к известному значению R для объемных кристаллов до 17% [4], и дальнейший прогресс в этой области аналогичного атомного состава [1].

лежит на пути расширения исследований фундаментальОптические свойства пленок CuInxGa1-xSe2 ных свойств этих веществ в тесной связи с вариацией условий их получния. В настоящей работе представлены № dl, T, % EG, эВ принадлежащие этому направлению исследования тон- x Ts, C образца мкм ( = 0.8эВ) ( )2 0 ких пленок в системе CuInxGa1-xSe2, которая за счет 2 1 380 1.3 49 1.14 управления атомным составом дает возможности плав3 0.8 380 1.2 37 1.ной ”подгонки” их параметров под задачи конкретных 4 0.8 490 1.2 27 1.применений.

5 0.6 490 1.4 49 1.Поликристаллические пленки исследуемой системы были получены методом импульсного лазерного распыления мишени, представляющей собой однофазный матеКак видно из рис. 1, в представленном спектральном риал с требуемым соотношением концентраций индия и диапазоне на кривых оптического пропускания нет яркогаллия. Пленки осаждались на нагреваемую стеклянную го проявления интерференции, а при энергиях фотонов подложку, температура которой могла изменяться в > 1эВ в пленках с x = 1 и 0.8, а также при диапазоне 300 500C [5].

>1.25 эВ для пленок с x = 0.6 наступает резкий Рассмотрим результаты исследований оптических экспоненциальный спад T, который, по-видимому, обсвойств пленок нескольких составов. Пленки имели плоусловлен наступлением межзонных оптических перехощадь 1 3см2, обладали хорошей адгезией по отношедов. Смещение экспоненциального края T в коротковолнию к поверхности стекла.

новую область с изменениями состава от x = 1 и 0.1. Исследования оптического пропускания T и отражек x = 0.6 может быть приписано увеличению ширины ния R проводились в естественном и линейно поляризозапрещенной зоны твердых растворов [1,3]. Сравнение ванном излучении.

спектральных зависимостей T для двух пленок с x =0.На рис. 1 представлены типичные спектральные за(рис. 1, кривые 2 и 3) при их осаждении на подложку висимости оптического пропускания пленок нескольких с различной температурой TS позволяет сделать вывод составов, а их параметры приведены в таблице. Для о чувствительности оптического пропускания к этому полученных пленок с толщинами в области d 1мкмхапараметру. На основании спектральных зависимостей T рактерно достаточно высокое пропускание T 30-50% с учетом многократного отражения рассчитывался коэфв области прозрачности. Колебание в величине T при фициент оптического поглощения пленок CuInxGa1-xSeфиксированных значениях x в диапазоне 25–30% являс использованием известного соотношения [6,7] ется обычным для получаемых пленок и не имеет прямой связи с температурой процесса осаждения TS 1 (1 - R)2 (1 - R)(см. таблицу). Скорее всего эти колебания обусловлены = ln + + R2.

d 2T 2T измененеием в оптическом качестве и гомогенности Оптическое поглощение и фоточувствительность структур из тонких пленок CuInxGa1-xSe2 данных рис. 3, состоит в том, что изменение величины x не затрагивает структуру зонного спектра и межзонные переходы остаются прямыми, тогда как ширина запрещенной зоны в пленочных твердых растворах зависит от условий осаждения и с понижением x < 0.8 возрастает.

Наблюдаемое понижение EG для пленок с x = 0.8 по отношению к пленкам с x = 1 (см. рис. 3 и таблицу) может быть также свидетельством флуктуаций в атомном составе пленки относительно исходного объемного вещества.

Поскольку в ряде работ для лазерно-осажденных пленок можно встретить сообщения о достижении высокой степени их текстурирования [8,9], мы предприняли попытку наблюдать известную для халькопиритных полупроводников анизотропию оптического поглощения.

Если пленки текстурированы так, что кристаллы в пленке преимущественно ориентируются в кристаллографической плоскости (112), тогда на основании [10] следует ожидать анизотропию в их краевом поглощении. На рис. 4 приводятся типичные поляризационные индикатрисы T для одной из полученных пленок при нескольких значениях энергии фотонов. Такие зависимости наблюдаются как в области прозрачности, так и в глубине фундаментального поглощения и характерны для всех изученных составов. Полученные данные позволяют считать, чтво текстирирование в наших пленках не проявилось, а отсутствие влияния поляризации на оптическое поглощение может быть следствием поликристаллического строения получаемых лазерным испарением тонких пленок CuInxGa1-xSe2.

Рис. 1. Спектральные зависимости коэффициента оптического пропускания тонких пленок системы CuInxGa1-xSeпри T = 300 K в естественном излучении (1 — образец 2, 2 — образец 3, 3 — образец 4, 4 —образец 5).

Спектральные зависимости для исследованных пленок представлены на рис. 2. Они являются типичными для объемных и пленочных образцов тройных халькогенидов [1,2] и характерны для полупроводников с прямыми оптическими переходами, представляя собой прямые в координатах ( )2 - (рис. 3). Посредством экстраполяции произведения ( )2 0 по величине отсечки на оси энергий определялось значение ширины запрещенной зоны E исследованных пленок (см. таблицу). Эти значения близки к известным для пленок на основе тройных халькогенидов [1,2], а наблюдаемое превышение известного для CuInSe2 значения ширины запрещенной зоны EG = 1.03 эВ отражает установленную многими авторами [1] зависимость этого параметра от температуры и других условий осаждения пленок. На этот счет, вероятно, можно отнести и то обстоятельство, Рис. 2. Спектральные зависимости коэффициента оптического что ширина запрещенной зоны в пленках с x = 1 и 0.поглощения для пленок CuInxGa1-xSe2 при T = 300 K (обознаоказалась близкой. Главный вывод, который следует из чения соответствуют принятым на рис. 1).

4 Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 434 В.Ю. Рудь, Ю.В. Рудь, И.В. Боднарь, В.Ф. Гременок лучших структур максимальная абсолютная фоточувствительность достигала 3 мА/Вт при T = 300 K и в основном при использовании пленок с x = 0.6.

Типичные спектральные зависимости представлены на рис. 5 и главные их особенности состоят в следующем.

Длинноволновый край фоточувствительности для созданных поверхностно-барьерных структур экспоненциальный и формируется в области межзонного поглощения материалом пленки. Его крутизна s = (ln )/( ) оказывается достаточно высокой, достигая 25–60 эВ-1, и отражает прямой характер межзонных оптических переходов. Спектральные зависимости для структур, созданных на разных участках пленок CuInxGa1-xSe2, обычно обнаруживают некоторые различия в спектральном контуре (рис. 5, кривые 1 и 2, а также 5 и 6), хотя энергетическое положение особенностей обычно хорошо воспроизводится. Из сравнения спектральных зависимостей для пленок, осажденных при различных TS (рис. 5, кривые 3 и 4), можно сделать вывод о том, что наблюдаемые различия невелики и такого же плана, как и при сканировании разных участков пленки. В целом полученные спектры позволяют считать, что фоточувствительность поверхностнобарьерных сруктур определяется энергетическим спектром CuInxGa1-xSe2. Отсутствие коротковолнового спада в спектральных зависимостях целого ряда полученных структур In/CuInxGa1-xSe2 (рис. 5, кривые 2–6) свидетельствует о получении лазерным импульсным осаждением достаточно совершенных пленок твердых растворов исследуемой системы.

Фоточувствительность поверхностно-барьерных структур обнаружила полное соответствие с данными поляризационных измерений оптического пропускания Рис. 3. Спектральные зависимости ( )2 для пленок систе- и также оказалась изотропной. Поляризационные индимы CuInxGa1-xSe2 при T = 300 K (x: 1 —1, 2, 3 —0.8, 4 —0.6.

TS, C: 1, 2 — 380, 3, 4 — 490).

2. Наряду с изучением оптического поглощения тонких пленок в работе исследовалась также и фоточувствительность структур из них. С этой целью на поверхность пленок через трафарет наносились полупрозрачные слои индия ( 1мкм). Схема полученных структур приведена на вставке к рис. 5. Для возможности определения однородности фоточувствительности на пленке создавалось несколько структур In/CuInxGa1-xSe2 площадью 2 2мм каждая.

Освещение структур производилось как естественным, так и линейно поляризованным излучением вдоль нормали к их фотоприемной плоскости со стороны слоя In.

Рис. 4. Поляризационные индикатрисы коэффициента оптиФоточувствительность измерялась в режиме фототока ческого пропускания пленки CuIn0.6Ga0.4Se2 (1–3) и фототока короткого замыкания i, когда фотоответ был пропорциокороткого замыкания (4) структуры In/p-CuIn0.6Ga0.4Se2 при нален плотности потока падающего излучения. Спектры T = 300 K и освещении линейно поляризованным излучением.

фототока пересчитывались на равное число падающих (Образец 5., эВ: 1 —0.7, 2 —1.2, 3, 4 — 1.4. Освещение фотонов и поэтому представляют собой относительную структуры In/CuIn0.6Ga0.4Se2 со стороны барьерного контакта квантовую эффективность фотопреобразования. Для вдоль нормали к фотоприемной плоскости).

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № Оптическое поглощение и фоточувствительность структур из тонких пленок CuInxGa1-xSe2 лей солнечного излучения с контролируемой посредством атомного состава пленок спектральной областью фотоактивного поглощения.

Работа выполнена при поддержке INTAS (грант № 94-3998).

Список литературы [1] Copper Insium Doselenide for Photovoltaic Applications, ed. by T.J. Coutts, L.L. Kamerskiik S. Wagner (Amsterdam, 1986).

[2] Y. Bougnot, S. Bochemin, M. Savelli. Solar. Cells, 16, (1986).

[3] H.-W. Schock. Appl. Surf. Sci., 92, 606 (1996).

[4] V. Nadenau, D. Braunger, D. Hariskos, M. Kaiser, Ch. Koble, A. Oberacker, M. Ruckh, U. Ruhle, R. Schaffler, D. Schmid, T. Walter. Z. Zweigart, H.-W. Schock. Prog. in Photovoltaic Research and Applications, 3, 363 (1995).

[5] V.F. Gremenok, E.P. Zaretskaya, I.V. Bodnar, Yu.V. Rud, M.A. Magomedov. Thin Sol. Films, 232, 139 (1993).

[6] Ю.И. Уханов. Оптические свойства полупроводников (М., Наука, 1977).

[7] I.С. Горбань. Оптика (Киiв: Вища шк., 1979).

[8] E. Armed, A.E. Hill, J. Leppavouti, R.D. Pilkington, R.D. Tomlinson, J. Levoska, O. Kusmartseva. Adv. Mater.

Optics and Electron., 4, 423 (1994).

[9] Y. Yamamoto, T. Yamaguchi, Y. Demiru, T. Tanaka, A. Ganjao, A. Yoshida. Proc. 10th Int. Conf. on Ternary and Multinary Compounds (Stuttgart, 1995).

[10] И.В. Боднарь, А.А. Вайполин, В.Ю. Рудь, Ю.В. Рудь. ФТП, 28, 1332 (1994).

Редактор В.В. Чалдышев Optical and photoactive absorption Рис. 5. Спектральные зависимости относительной кванof CuInxGa1-xSe2 thin films товой эффективности поверхностно-барьерных структур In/p-CuInxGa1-xSe2 в естественном излучнии при T = 300 K.

Yu.V. Rud’, V.Yu. Rud’, I.V. Bodnar†, V.F. Gremenok† 1, 2 — структуры на разных участках пленки 2 (x = 1);

3 — структура на пленке 4 (x = 0.8); 5, 6 — структуры на State Technical University, разных участках пленки 5 (x = 0.6). Ts, C: 1–3 — 380, 195251 St. Petersburg, Russia 4–6 — 490. На вставке — схема освещения и устройство A.F. Ioffe Physicotechnical Institute, структур: 1 —подложка, 2 — пленка, 3 — энергетический Russian Academy of Scienses, барьер, 4 — перемещаемая диафрагма.

194021 St.Petersburg, Russia † Belarussian State University of Informatics and Radioelectronics, 220027 Minsk, Belarus катрисы фототока i таких структур при нормальном падении линейно поляризованного излучения (рис. 4, FAX: (375)–(172)–(310914) (Боднарь) кривая 4) преставляют собой прямые. Установленная E-mail: cit@micro.rei.minsk.by (Боднарь) нечувствительность фототока к положению плоскости поляризации излучения, определяемому азимутальным углом, согласуется с высказанным выше выводом об отсутствии текстуры в получаемых лазерным осаждением пленках твердых растворов.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.