WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2007, том 41, вып. 1 Оптические свойства монокристаллов CuIn5Se8 © И.В. Боднарь¶ Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники, 220072 Минск, Белоруссия (Получена 17 апреля 2006 г. Принята к печати 11 мая 2006 г.) Методом Бриджмена (вертикальный вариант) выращены монокристаллы тройного соединения CuIn5Se8, определены их состав и структура. Исследованы спектры пропускания и спектры фотолюминесценции в интервале температур 10-300 K. По спектрам пропускания определена ширина запрещенной зоны, по спектрам фотолюминесценции — энергия донорно-акцепторных переходов в монокристаллах CuIn5Se8, и построены их температурные зависимости.

PACS: 71.55.Ht, 78.40.Ha, 78.55.Hx Тройные полупроводниковые соединения AIBIIICVI Состав выращенных монокристаллов CuIn5Se8 2 широко используются для создания приборов нелиней- определяли с помощью микрозондового рентгеноной оптики и высокоэффективных тонкопленочных фо- спектрального анализа на установке „Cameca-SX100“.

топреобразователей [1–3]. Наряду с указанными cоеди- Проведенные исследования показали, что содержание нениями из этих же элементов образуются позиционно- элементов в выращенных монокристаллах (Cu : In : Se = 7.05 : 35.75 : 57.00 aт%) хорошо упорядоченные фазы AI-BII-CVI (где n = 3, 5, m = 5, 8), n m которые в последнее время интенсивно исследуют- согласуется с заданным составом в исходной шихте ся [4–9]. Наличие прямых межзонных переходов с ши- (Cu : In : Se = 7.15 : 35.71 : 57.14 aт%) и не наблюдается значительных отклонений в составе в различных точках риной запрещенной зоны от 1.0 эВ (CuIn3Te5) до 1.8 эВ кристалла, что свидетельствует об их однородности.

(CuGa5Se8) при комнатной температуре делает эти матеСтруктуру и параметры элементарной ячейки мориалы перспективными для производства высокоэффекнокристаллов устанавливали рентгеновским методом.

тивных и радиационно стойких солнечных элементов, Дифрактограммы записывали на автоматически управИК детекторов, оптических фильтров и других оптоэлекляемом рентгеновском дифрактометре ДРОН-3М в тронных устройств. Все они, за исключением CuIn5Se8, CuK-излучении с графитовым монохроматором. Дикристаллизуются в структуре халькопирита. Соединение фрактограммы, снятые с разных участков монокриCuIn5Se8, которое образуется из Cu2Se-In2Se3, может сталлов, соответствовали гексагональной структуре. Пасуществовать (в зависимости от метода получения) в раметры элементарной ячейки, рассчитанные метонескольких структурных модификациях: гексагональной дом наименьших квадратов по рефлексам, для кото(H), тригональной (T) и тетрагональной () структурых 2 >50, оказались равными a = 4.038 ± 0.002, рах [6,10–13]. Указанное соединение является наименее c = 32.782 ± 0.005, что согласуется с данными из раизученным из этого класса соединений, что связано боты [6]. Разрешение высокоугловых линий на дифрактос трудностями выращивания гомогенных и оптически граммах свидетельствует о равновесности выращенных однородных монокристаллов.

монокристаллов.

В данной работе представлены результаты исследоСпектры пропускания в области края фундаменвания спектров пропускания и спектров фотолюминестального поглощения регистрировали на спектрофотоценции (ФЛ) монокристаллов CuIn5Se8 в интервале метре Perkin-Elmer-Lambda-19 в интервале температур температур 10-300 K.

10-300 K. В качестве приемника использовался герМонокристаллы тройного соединения CuIn5Se8 выраманиевый детектор. Образцы для измерений получали щивали направленной кристаллизацией расплава (вертискалыванием тонких пластинок толщиной 15-20 мкм кальный метод Бриджмена) в вакуумированных двойных из выращенных монокристаллов перпендикулярно оси кварцевых ампулах. Температуру в печи повышали со роста.

скоростью 50 K/ч до 1230 K (с включением вибраци По зарегистрированным спектрам пропускания (T ) онного перемешивания), и выдерживали при этой темперассчитывали коэффициент поглощения по формуле, ратуре 2 ч. После этого вибрацию отключали и проводиучитывающей многократное внутреннее отражение в ли направленную кристаллизацию, понижая температуплоскопараллельном образце:

ру печи со скоростью 2 K/ч до полного затвердевания расплава. Для гомогенизации полученных слитков их 1 (1 - R)2 (1 - R)2 отжигали при 1020 K в течение 150 ч. Выращенные в = ln + + R2, (1) d 2T 2T таких условиях монокристаллы тройного соединения CuIn5Se8 имели диаметр 12 мм и длину 40 мм.

где d — толщина образца, коэффициент отражения ¶ E-mail: chemzav@gw.bsuir.unibel.by R 0.25. Как и для других соединений этого класса, 28 И.В. Боднарь Для описания указанной зависимости было использовано следующее соотношение [15]:

2 1/ 2 2T 2T Eg(T ) =Eg(0) - 1 + + - 1, 2 (2) где — константа. Значение связано с температурой Дебая и для тройных соединений задаетD ся выражением =(3/4). В расчетах использовали D следующие величины: = 0.00034, Eg(0) =1.2251 эВ, = 208 K [10]. Расчетные величины на рис. 2 представD лены штриховой линией. Видно, что экспериментальные данные хорошо согласуются с величинами, рассчитанными по выражению (2).

Спектры фотолюминесценции (ФЛ) тройного соединения CuIn5Se8, как и спектры пропускания, регистриРис. 1. Спектральные зависимости величины (h)2 при ровали от естественных сколов. Для возбуждения спекразличных температурах (указаны в K на рисунке) для мотров ФЛ использовали аргоновый лазер (длина волны нокристаллов CuIn5Se8.

0 = 488 нм) мощностью 5 Вт (Coherent Ltd). Излучение с помощью линзы направлялось в монохроматор (Mac Pherson) и регистрировалось, как и спектры проРис. 2. Температурная зависимость ширины запрещенной зоны Eg(T ) для монокристаллов CuIn5Se8. Штриховаяая линия — расчет согласно (2).

ширину запрещенной зоны Eg определяли экстраполяцией прямолинейного участка зависимости (h)2 от энергии фотона h до пересечения с осью абсцисс (рис. 1). Значения энергий Eg для соединения CuIn5Seравны 1.146 ± 0.005 эВ (при температуре T = 300 K), 1.216 ± 0.005 эВ (80 K) и 1.224 ± 0.005 эВ (10 K). Наши данные удовлетворительно согласуются с результатами работы [10]. На рис. 2 представлена температурная зависимость Eg. Видно, что зависимость имеет вид, характерный для сложных полупроводниковых соединений, с понижением температуры ширина запрещенной Рис. 3. Спектры фотолюминесценции монокристаллов зоны возрастает [14]. CuIn5Se8 при различных температурах (указаны на рисунке).

Физика и техника полупроводников, 2007, том 41, вып. Оптические свойства монокристаллов CuIn5Se8 пускания, германиевым детектором. Измерения спектров проводили в температурном интервале 10-300 K с использованием гелиевого криостата.

Полученные нами спектры ФЛ монокристаллов CuIn5Se8 представлены на рис. 3. Видно, что при 10 K в спектре ФЛ присутствует одна широкая полоса, интенсивность которой с ростом температуры уменьшается, и вместе с тем происходит сдвиг ее в область низких энергий. Анализ полученных спектров показал, что энергия, при которой наблюдается максимум ФЛ (EP), значительно ниже, чем ширина запрещенной зоны монокристаллов CuIn5Se8, определенная по спектрам пропускания, что связано, по-видимому, с донорноакцепторной рекомбинацией.

Для подтверждения данного предположения нами были проведены измерения зависимости интенсивности максимума ФЛ от уровня возбуждения. На рис. представлены полученные нами спектры ФЛ CuIn5Seпри 10 K, а на рис. 5 — изменение энергии максимума ФЛ с увеличением мощности возбуждения. Видно, что с увеличением уровня возбуждения интенсивность полосы возрастает (рис. 4), а максимум ФЛ линейно сдвигается в высокоэнергетическую область (рис. 5), что в известной мере характерно для донорно-акцепторной рекомбинации.

Рис. 4. Спектры фотолюминесценции монокристаллов Дополнительным доказательством высказанного предCuIn5Se8 при T = 10 K и различных уровнях мощности возположения, что максимум в спектре ФЛ соответствует буждения, указанных на рисунке.

донорно-акцепторной рекомбинации, может служить изменение энергии максимума фотолюминесценции EP и ширины запрещенной зоны Eg с температурой (рис. и 2). Видно, что скорость смещения энергетического положения максимума EP с ростом температуры оказалась выше, чем снижение ширины запрещенной зоны в области температур 25-125 K. Такое изменение значений EP и Eg также свидетельствует о донорноакцепторной природе максимума в спектре ФЛ.

Рис. 5. Смещение максимума фотолюминесценции с измене- Рис. 6. Температурная зависимость максимума фотолюминеснием мощности возбуждения.

ценции EP для монокристаллов CuIn5Se8.

Физика и техника полупроводников, 2007, том 41, вып. 30 И.В. Боднарь Таким образом, методом Бриджмена из расплава вы- Optical properties of single crystals ращены монокристаллы тройного соединения CuIn5Se8.

of a ternary CuIn5Se8 compound С помощью микрозондового рентгеноспектрального анаI.V. Bodnar лиза определен состав монокристаллов, рентгеновским методом — их структура и параметры элементарной Belarusian State University ячейки a и c. По спектрам пропускания и фотолюof Informatics and Radioelectronics, минесценции в интервале температур 10-300 K опре220027 Minsk, Belarus делены ширина запрещенной зоны, энергия донорноакцепторных переходов и построены их температурные

Abstract

Single crystals of a CuIn5Se8 compound have been зависимости.

synthesized by the directed crystallization of the melt in a singlezone furnace (the vertical Bridgman version), starting from the Работа выполнена при поддержке фонда INTAS (проstoichiometric mixture of constituent elements. Phase purity of ект N 03-6314).

the synthesized material was confirmed by the powder X-ray diffraction. The transmittance as a function of the wavelength was recorded in the wavelength range of 0.5-2.5 µmat different Список литературы temperatures. Band-to-band transition energies were calculated from the transmission spectra in the region of the fundamental [1] A. Goetzberger, C. Hebling, H.W. Schok. Mater. Sci. Engin., absorption edge. The photoluminescence spectra of the CuIn5Se40, 1 (2003).

crystals were detected in the temperature range from 10 to 300 K [2] U. Rau, H.W. Schok. Ser. Photoconversion Sol. Energy, 1, at various powers of the laser excitation.

(2001).

[3] B.A. Andersson. Progr. Photovolt.: Res. Appl., 8, 61 (2000).

[4] T. Negami. Sol. St. Phenomena, 67–68, 349 (1999).

[5] И.В. Боднарь, В.Ю. Рудь, Ю.В. Рудь, М.В. Якушев. ФТП, 36, 1211 (2002).

[6] U.C. Boehnke, G. Kuhn. J. Mater. Sci., 22, 1635 (1987).

[7] И.В. Боднарь. Неорг. матер., 41, 650 (2005).

[8] N.S. Orlova, I.V. Bodnar, T.L. Kushner. Cryst. Res. Technol., 38, 125 (2003).

[9] И.В. Боднарь, С.Е. Никитин, Г.А. Ильчук, В.Ю. Рудь, Ю.В. Рудь, М.В. Якушев. ФТП, 38, 1228 (2004).

[10] С. Rincon, S.M. Wasim, G. Marin, R. Marquez, L. Nieves, G.S. Perez, E. Medina. J. Appl. Phys., 90 (9), 4423 (2001).

[11] N. Kohara, S. Nishiawaki, T. Negami, T. Wada. Jap. J. Appl.

Phys., 39, Pt 1, 6316 (2000).

[12] L. Duran, S.M. Wasim, C.A.D. Rincon, E. Hernandez, C. Rincon, J.M. Delgado, J. Castro, J. Contreraz. Phys. Status Solidi A, 199, 220 (2003).

[13] Н.С. Орлова, И.В. Боднарь, Т.Л. Кушнер, А.М. Ковальчук.

В сб.: Актуальные проблемы физики твердого тела (Минск, Изд-во БГУ, 2005) т. 2, с. 132.

[14] J.L. Shay, J.H. Wernick. Ternary Chalcopyrite Semiconductors: Growth, Electronic Properties and Applications (Pergamon Press, N. Y., 1975).

[15] R. Pssler. J. Appl. Phys., 90, 3956 (2001).

Редактор Т.А. Полянская Физика и техника полупроводников, 2007, том 41, вып.




© 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.