WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 9 Физические свойства монокристаллов твердых растворов CuxAg1-xIn5S8 и поверхностно-барьерных структур на их основе © И.В. Боднарь, Е.А. Кудрицкая, И.К. Полушина, В.Ю. Рудь, Ю.В. Рудь Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники, 220069 Минск, Белоруссия Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 27 ноября 1997 г. Принята к печати 30 декабря 1997 г.) На монокристаллах тройных соединений CuIn5S8, AgIn5S8 и их твердых растворов исследованы электрические свойства, спектры фотолюминисценции. Определены: тип проводимости, подвижность, концентрации носителей заряда и энергии излучательных переходов в этих материалах. На основе монокристаллов изготовлены поверхностно-барьерные структуры и измерена вольтовая фоточувствительность.

Введение ных соединений CuIn5S8, AgIn5S8 и твердых растворов на их основе в пределах погрешности метода соответствует Тройные полупроводниковые соединения CuInS2 и расчетному.

AgInS2 в настоящее время утвердились уже как матеСтруктуру и параметры кристаллических решеток укариалы для создания высокоэффективных тонкопленочзанных материалов определяли рентгеновским методом.

ных преобразователей и светодиодов линейно-поляризоДифрактограммы записывали с использованием аппарата ванного излучения [1,2]. В процессе развития технолоДРОН-3М в излучении CuK с никелевым фильтром.

гии этих соединений были обнаружены различные фазы Проведенные исследования показали, что как тройные в системах Cu2S–In2S3 и Ag2S–In2S3, которые могут соединения CuIn5S8 и AgIn5S8, так и твердые растворы возникать в определенных технологических условиях, CuxAg1-xIn5S8 кристаллизуются в кубической структуи для получения высокоэффективных преобразователей ре типа шпинели. Разрешение высокоугловых линий процессами формирования и подавления различных фаз на дифрактограммах свидетельствует о равновесности необходимо управлять. В этой связи возникает необтройных соединений и гомогенности твердых растворов.

ходимость в изучении фундаментальных свойств таких Параметры элементарных ячеек, рассчитанные с испольсоединений, как, например, CuIn5S8 и AgIn5S8 [3–5]. В зованием метода наименьших квадратов по линиям, для настоящей работе представлены результаты исследовакоторых 2 > 60, равны: a = 10.769 для CuIn5S8 и ния некоторых физических свойств соединений CuIn5S8, a = 10.825 для AgIn5S8. Параметр a в зависимости AgIn5S8 и твердых растворов CuxAg1-xIn5S8, а также от состава (x) изменяется линейно в соответствии с поверхностно-барьерных структур на основе этих матезаконом Вегарда.

риалов.

Электрические свойства Выращивание монокристаллов монокристаллов Указанные соединения и их твердые растворы предЭлектрические свойства исследовались в слабых поварительно синтезировали двухтемпературным методом.

стоянных электрическом и магнитном полях на образцах Полученные после синтеза слитки перегружали в двойв виде прямоугольных параллелепипедов со средними ные кварцевые ампулы с коническим дном. Вакуумиразмерами 1 2 8мм3. Омический контакт изгорованную амплитуду помещали в вертикальную двухтавливался вплавлением чистого индия (температура зонную печь, в которой проводили выращивание моно 200C, время 3мин). Как показали измерения, кристаллов. Температуру в зоне расплава поддрживали результаты которых приведены в таблице, все кристаллы 13901420 K, в зоне отжига — 11001120 K. Ампулу с твердых растворов, как и исходные соединения CuIn5Sрасплавом протягивали через фронт кристаллизации со и AgIn5S8, имели электронный тип проводимости. Знаскоростью 0.26 0.52 мм/ч при градиенте температуры чения концентрации свободных электронов n в этих в зоне кристаллизации 3040 град/см. Выращенные мокристаллах охватывают широкий диапазон от 1014 до нокристаллы имели диаметр 1214 мм и длину 50 мм.

1019 см-3. Измерения показывают, что значение n не имеет определенной корреляции с составом твердого раствора, т. е. с x, а скорее определяется, согласно [5], Рентгеновские исследования концентрацией доминирующих донорных дефектов VS.

Состав и однородность кристаллов определяли с по- Следует обратить внимание на величины холловской мощью микрозондового рентгеноспектрального анализа. подвижности u, достаточно типичные для алмазоподобУстановлено, что состав выращенных кристаллов трой- ных полупроводников (см. таблицу). Поэтому можно 2 1044 И.В. Боднарь, Е.А. Кудрицкая, И.К. Полушина, В.Ю. Рудь, Ю.В. Рудь что для некоторых образцов на коротковолновом спаде Электрические и люминесцентные свойства монокристаллов дополнительно разрешается еще и четкий перегиб, святвердых растворов CuxAg1-xIn5Sзанный с изменениями в каналах рекомбинации. Энергия T = 300 K T = 77 K Eg, эВ максимума полос ФЛ, как можно видеть из таблицы, во x всех образцах оказалась меньше ширины запрещенной n, см-3 u, см2/В · с m, эВ 1/2, мэВ [5] зоны Eg для исходных соединений [5]. Поэтому есть 1.0 2 · 1016 240 1.22 270 1.основания считать, что ФЛ в исследованных материалах (перегиб 1.35) связана с излучательными переходами неравновесных 0.8 7 · 1014 75 1.09 160 носителей на уровни дефектов решетки, удаленные от одной из свободных зон на 0.08 0.17 эВ. Полученные 0.6 1 · 1018 5 1.26 280 результаты позволяют также отметить, что m, как и (перегиб 1.35) электрические характеристики кристаллов, не обнаружи0.2 2 · 1017 150 1.26 230 вает плавной зависимости от x. Это скорее всего отра(перегиб 1.35) жает тот факт, что в области составов, соответствующих 0.0 3 · 1019 120 1.63 260 1.x < 0.2, рекомбинация обусловлена дефектами решетки одного типа, для которых энергия уровня оказывается нечувствительной к соотношению атомов меди и серебра в твердой фазе, и скорее всего это, в основном, дефекты допустить, что в кристаллической структуре шпинели в подрешетке серы.

также имеются условия для эффективного транспорта носителей заряда. Этот вывод весьма важен, поскольку ранее считалось, что для реализации полупроводниковых свойств необходима алмазоподобная структура [6,7]. Для исследованных кристаллов, как и обычных полупроводников III–V и их аналогов, нами установлено, что с ростом n происходит уменьшение холловской подвижности электронов. Последнее может быть обусловлено усилением рассеяния на статических дефектах решетки, роль которых в образцах данной системы выполняют вакансии в подрешетке серы VS.

Исследование люминесценции На образцах тройных соединений CuIn5S8, AgIn5Sи твердых растворах CuxAg1-xIn5S8 при возбуждении излучением аргонового лазера (с плотностью мощности P 0.8Вт/см2) при 77 K наблюдалась фотолюминесценция (ФЛ), интенсивность которой быстро падала с ростом температуры. ФЛ регистрировалась от поверхностей свежего скола с той же стороны, на которую падал возбуждающий луч. Спектральные зависимости ФЛ хорошо воспроизводились при сканировании различных участков поверхности образцов (диаметр возбуждающего пятна 0.2мм), что свидетельствует об их однородности в отношении излучательных свойств. Следует также подчеркнуть и то обстоятельство, что интенсивность ФЛ при непрерывном возбуждении не обнаруживала какой-либо деградации. Типичные спектральные зависимости ФЛ приведены на рис. 1, а количественные параметры, положение максимума полосы m и полная ширина на полувысоте 1/2 приведены в таблице. Видно, что спектры ФЛ как для исходных соединений, так и для твердых растворов характеризуются достаточно широкими полосами. Найденные значения их полной ширины на Рис. 1. Спектральные зависимости стационарной фотолюмиполувысоте 1/2 позволяют считать, что излучательные несценции монокристаллов n-CuxAg1-xIn5S8 при T = 77 K.

переходы, ответственные за полосы ФЛ, неэлементарны.

x: 1 —1.0, 2 —0.8, 3 —0.6, 4 —0.2, 5 —0.0. Стрелками В пользу этого свидетельствует также то обстоятельство, показан перегиб при 1.35 эВ.

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № Физические свойства монокристаллов твердых растворов CuxAg1-xIn5S8... Поверхностно-барьерные структуры На кристаллах данной системы была также предпринята попытка создания первых фоточувствительных структур. Как показали наши исследования, фоточувствительные структуры могут быть получены вакуумным термическим осаждением чистого индия на поверхность скола кристалла без какого-либо его подогрева в процессе и после осаждения. Такой контакт характеризуется коэффициентом выпрямления до 102 при напряжениях смещения до 5 В, а при его освещении генерируется фотонапряжение, отвечающее положительной полярности на кристалле n-CuxAg1-xIn5S8.

На образцах с x = 1 и 0.8 были получены структуры с максимальной вольтовой фоточувствительностью Su 102 В/Вт при 300 K. Знак фотонапряжения не зависел ни от положения светового зонда, ни от энергии падающих фотонов, что указывает на отсутствие помимо поверхностного барьера других ”паразитных” барьерных структур. При этом наибольшая фоточувствительность реализуется при освещении структур со стороны барьерного слоя металла. Типичные примеры спектральных зависимостей относительной квантовой Рис. 3. Спектральные зависимости длинноволнового края относительной квантовой эффективности фотопреобразования поверхностно-барьерных структур In/n-CuxAg1-xIn5S8 при T = 300 K. x: 1, 3 —1.0; 2, 4 — 0.8. Полученные экстраполяцией линейных участков отсечки на оси энергий (указаны стрелками) соответствуют значениям 1.28, 1.34, 1.62, 1.68 эВ.

эффективности фотопреобразования в условиях слабого сигнала, когда фотоответ пропорционален плотности падающего на структуру светового потока, приведены на рис. 2. Как и в случае структуры на основе тройного соединения (кривая 1), так и для структуры из твердого раствора (кривая 2) спектр фоточувствительности, нормированной на число падающих фотонов, имеет широкополосный характер. Быстрый рост фоточувствительности в обеих структурах начинается при энергии фотонов >1.2 эВ. Спектральные контуры фоточувствительности для барьеров, созданных на кристаллах различного состава, оказались сходными. Максимальная фоточувствительность в них достигается при энергиях 2.0 эВ, что оказывается выше Eg исходных соединений (см. таблицу). Высокая квантовая эффективность фотопреобразования в глубине фундаментального поглощения указывает на то, что полученные энергетические барьеры достаточно эффективно подавляют влияние поверхностной рекомбинации, которая проявилась в резких Рис. 2. Спектральные зависимости относительной квантовой коротковолновых спадах фотопроводимости [5]. Это эффективности фотопреобразования поверхностно-барьерных обстоятельство указывает на то, что такие барьеры на структур In/n-CuxAg1-xIn5S8 при T = 300 K. Воздействие кристаллах CuxAg1-xIn5S8 могут применяться в качестве естественным излучением вдоль нормали к поверхности со широкополосных фотопреобразователей естественного стороны барьерного контакта. x: 1 —1.0, 2 —0.8. m, эВ:

излучения в диапазоне энергий = 1.8 2.7эВ.

1 — 2.02: 2 — 2.15.

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 1046 И.В. Боднарь, Е.А. Кудрицкая, И.К. Полушина, В.Ю. Рудь, Ю.В. Рудь Длинноволновый край фоточувствительности типичных структур в координатах ( )1/2 — и ( )2 — показан на рис. 3. Результаты этого анализа сходны с полученными для коэффициента оптического поглощения исходных соединений CuIn5S8 и AgIn5Sв работе [5]. Как видно из рис. 3 (кривые 1 и 2), экспериментальные спектры ( ) спрямляются в координатах ( )1/2 —. Это позволяет сделать вывод о том, что межзонные переходы в тройном соединении CuIn5S8 и в твердом растворе (на примере состава с x = 0.8) — непрямые, и экстраполяцией ( )1/2 можно получить значения энергии для непрямых оптических переходов: 1.28 эВ для CuIn5S8 и 1.34 эВ для Cu0.8Ag0.2In5S8 при 300 K. Высокоэнергетичный участок спектральный зависимостей ( ) спрямляется в координатах ( )2 —, и аналогичная экстраполяция (кривые 3 и 4, рис. 3) позволяет оценить энергии прямых оптических переходов для CuIn5S8 — 1.62 эВ и для Cu0.8Ag0.2In5S8 — 1.68 эВ. Полученная нами из фотоэлектрических измерений оценка энергии межзонных переходов для тройного соединения CuIn5S8 удовлетворительно согласуется с результатами традиционного анализа коэффициента оптического поглощения [5], а наблюдаемое расхождение этих оценок может быть следствием отклонений от стехиометрии. Последнее требует проведения дополнительных исследований.

Важно отметить, что при образовании твердых растворов характер межзонного поглощения остается таким же, как и в исходных соединениях.

Список литературы [1] К. Чопра, С. Дас. Тонкопленочные солнечные элементы (М., Мир, 1986).

[2] Ю.В. Рудь, З.А. Паримбеков. ЖТФ, 54, 2253 (1984).

[3] M.Robbins, M.A. Miksovsky. Mater. Res. Bull., 6, 359 (1971).

[4] C. Paorici, L. Zanotti, N. Romeo, G. Sberveglieri, L. Tarricone.

Mater. Res. Bull., 12, 1207 (1977).

[5] A. Usujima, S. Takeuchi, S. Endo, T. Trie. Japan J. Appl. Phys., 20, 505 (1981).

[6] Н.А. Горюнова. Химия алмазоподобных полупроводников (Л., ЛГУ, 1963).

[7] Ф.П. Кесаманлы, Ю.В. Рудь. ФТП, 27, 1761 (1993).




© 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.