WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2007, том 41, вып. 1 Фотоэлектрические явления в барьерах Шоттки Cu(Al, In)/p-CuIn3Se5 © И.В. Боднарь¶, В.Ю. Рудь¶¶, Ю.В. Рудь+ Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники, 220031 Минск, Белоруссия Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 195251 Санкт-Петербург, Россия + Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 5 апреля 2006 г. Принята к печати 17 апреля 2006 г.) На кристаллах p-CuIn3Se5 созданы структуры и исследованы фотоэлектрические явления в барьерах Шоттки Cu/p-CuIn3Se5, Al/p-CuIn3Se5 и In/p-CuIn3Se5. Получены первые спектры квантовой эффективности фотопреобразования новых структур. Обсуждается характер межзонных переходов и определена ширина запрещенной зоны CuIn3Se5. Сделан вывод о возможностях применения кристаллов CuIn3Se5 при создании высокоэффективных широкополосных фотопреобразователей оптического излучения.

PACS: 73.30.+y, 73.50.Pz, 84.60.Jt Исследование тройных алмазоподобных соединений элементарной ячейки согласуются с приведенными в AIBIIICVI, являющихся ближайшими электронными ана- литературе данными [3,5,6].

2 логами бинарных соединений AIIBVI, привели к обнару- Выращенные в данной работе кристаллы CuIn3Se5 имели p-тип проводимости и удельное сопротивлежению среди них веществ, которые обеспечили создание ние 2 · 107 Ом · см при T = 300 K. Энергия актитонкопленочных солнечных элементов с рекордной для такого типа систем квантовой эффективностью фото- вации акцепторных центров в полученных кристаллах Ea 0.4 эВ. Для создания поверхностно-барьерных преобразования 20% [1]. Однако в тройных системах структур приготавливались плоскопараллельные пластиAI-BIII-CVI взаимодействие между входящими в их ны со средними размерами 0.5 5.0 5.0 мм. Поверхсостав элементами оказалось настолько богатым, что к ность пластин после механической полировки обрабатынастоящему времени уже удалось получить еще более валась в полирующем травителе, а затем многократно сложные фазы типа AIBIII CVI (где n = 1; 2). Такие 2n+1 3n+промывалась в дистиллированной воде и тщательно фазы дали возможность за счет тех же трех компонент, просушивалась. Барьеры Шоттки создавались методом не прибегая к образованию твердых растворов, создавакуумного термического напыления тонких пленок чивать новые алмазоподобные позиционно упорядоченные стых металлов меди, алюминия и индия (d 0.5-1мкм) соединения, которые отвечают требованиям, предъявчерез маску на поверхность пластин p-CuIn3Se5. В качеляемым к материалам для получения максимальной стве омического контакта к пластинам CuIn3Se5 испольквантовой эффективности фотопреобразования солнечзовалась серебряная паста.

ного излучения в электричество [2]. Одним из таких Измерения стационарных вольт-амперных характерисоединений является тройное соединение CuIn3Se5, на стик (ВАХ) полученных барьеров Шоттки Cu/CuIn3Seкотором была продемонстрирована возможность создаи Al/CuIn3Se5 позволили выявить, что контакт меди ния фоточувствительных структур, пригодных для иси алюминия, как и индия [3], с поверхностью крипользования в фотопреобразователях солнечного излусталлов p-CuIn3Se5 воспроизводимо обнаруживает четчения [3,4]. Настоящая работа является дальнейшим кое выпрямление. Пропускное направление в таких развитием этого актуального направления и посвящена барьерах отвечает положительной полярности внешнего разработке и первым исследованиям новых барьеров смещения U на кристалле p-CuIn3Se5. Коэффициент Шоттки на кристаллах CuIn3Se5.

выпрямления во всех таких структурах оказался на Для выращивания кристаллов тройного соединения уровне 1.5-2.0 (рис. 1), что, возможно, связано с CuIn3Se5 применялся метод направленной кристаллизанизким совершенством периферии впервые полученных ции близкого к стехиометрии данного полупроводника барьеров Шоттки. Прямая ветвь ВАХ при U > 10-20 В расплава с контролируемой по отношению к стехиометобычно следует закону рии добавкой селена. Развитый технологический процесс U - Uпозволил получить однофазные монокристаллические I =, (1) Rобразцы CuIn3Se5. Исследования состава и структуры полученных кристаллов позволили установить, что где U0 — напряжение отсечки, а R0 — остаточное их состав отвечает формуле соединения, а параметры сопротивление, которое, как показали наши измере¶ ния, практически не зависит от природы использоE-mail: chemzav@gw.bsuir.unibel.by ¶¶ E-mail: rudvas@spbstu.ru ванных в этих экспериментах барьерных металлов и Фотоэлектрические явления в барьерах Шоттки Cu(Al, In)/p-CuIn3Se5 значения b обеспечивают барьеры из меди и алюминия.

С ростом энергии фотонов выше 1 эВ в спектрах ( ) для полученных барьеров (рис. 2) наступает экспоненциальный рост квантовой эффективности, из которого оценивалась крутизна S = (ln )/( ). Для всех полученных барьеров крутизна длинноволнового края фоточувствительности оказалась близкой и достигала величины S 60 эВ-1, что, может быть, предположительно связано с осуществлением прямых межзонных переходов в CuIn3Se5. Анализ длинноволнового края фоточувствительности барьеров Шоттки с позиций теории межзонного поглощения в полупроводниках [9] для всех полученных структур позволяет выделить четкие прямолинейные участки в зависимостях ( · )1/2 = f ( ) (рис. 3, кривые 4, 6 и 8) и ( · )2 = f ( ) (рис. 3, Рис. 1. Стационарная вольт-амперная характеристика барьера Шоттки Al/p-CuIn3Se5 при T = 300 K. 1 —прямая, 2 —обратная ветви характеристики.

в основном определяется свойствами полупроводника CuIn3Se5. Для полученных барьеров остаточное сопротивление было достаточно высоким и лежало в пределах R0 = 106-107 Ом при T = 300 K. В исследованном диапазоне напряжений внешнего смещения 0.1 < U < 100 В воспроизводимо наблюдается степенная зависимость прямого и обратного тока от напряжения I Um (рис. 1). Показатель степени m 0.8-0.при U < 10 В, что позволяет связать прохождение тока либо с туннельным механизмом, либо с ограничением переноса носителей заряда в режиме насыщения скорости дрейфа носителей заряда [7,8]. При U > 10 В происходит рост показателя m до значений 1.4-1.6 у разных барьеров, что можно приписать конкуренции вклада токов, ограниченных пространственным зарядом в режимах насыщения скорости и подвижности (безловушечный квадратичный закон) [7,8].

На рис. 2 сопоставлены типичные спектральные зависимости относительной квантовой эффективности фотопреобразования ( ) для полученных барьеров Шоттки при их освещении со стороны барьерных пленок. Отметим, что зависимости ( ) для барьеров из меди, алюминия и индия на объемных кристаллах CuIn3Seоказались весьма сходными. Эти барьеры, как видно из рис. 2, обеспечивают фоточувствительность в широком спектральном диапазоне от 0.5 до 2.5 эВ при их освещении со стороны барьеров. Длинноволновый край спектров ( ) до энергии фотонов 1.0эВ Рис. 2. Спектральные зависимости квантовой эффективследует закону Фаулера (рис. 3, кривые 1–3) и из ности фотопреобразования поверхностно-барьерных структур экстраполяции на ось абсцисс 1/2 0 оценены знаCu/p-CuIn3Se5 (1), Al/p-CuIn3Se5 (2) и In/p-CuIn3Se5 (3) при чения высоты потенциального барьера b для каждого T = 300 K в неполяризованном излучении. Освещение со стоиз использованных металлов (см. таблицу). Эти иссле- роны барьерного контакта. Спектры смещены параллельно оси дования позволили установить, что наиболее высокие ординат. Стрелками отмечены значения max.

Физика и техника полупроводников, 2007, том 41, вып. 46 И.В. Боднарь, В.Ю. Рудь, Ю.В. Рудь Фотоэлектрические параметры поверхностно-барьерных струккривые 5, 7 и 9). Из экстраполяции этих зависимостей тур на основе кристаллов CuIn3Se5 при T = 300 K ( · )1/2 0 и ( · )2 0 можно определить знаind чения ширины запрещенной зоны для непрямых (EG ) max ind d Тип max, 1/2, b, SU, EG, EG, d и прямых (EG) межзонных переходов в кристаллах структур эВ эВ эВ В/Вт эВ эв CuIn3Se5 (см. таблицу). Из таблицы видно, что значения ширины запрещенной для непрямых и прямых межзон- Cu/ p-CuIn3Se5 1.23 0.52 0.63 4 1.04 1.ind d Al/ p-CuIn3Se5 1.23 0.50 0.63 3700 1.04 1.ных переходов EG и EG оказались весьма близкими In/ p-CuIn3Se5 1.25 0.88 0.25 1200 1.04 1.для различных барьеров на кристаллах CuIn3Se5, что и должно быть при условии отсутствия химического взаимодействия при получении барьеров металлов с полупроводниковым соединением.

>1.25 эВ наступает плавное снижение квантовой Важно подчеркнуть, что значения ширины запрещенэффективности преобразования. Этот спад у разных ной зоны в тройном соединении CuIn3Se5, определенном барьеров несколько различен и связывается с усилением из спектров ( ), оказались близкими к значению EG роли поверхностной рекомбинации фотогенерированных четверного твердого раствора CuInGaSe2 [10], с попар. Различия между рекомбинационными параметрами мощью которого уже удалось создать тонкопленочные структур вызывают изменения полной ширины спексолнечные элементы с рекордной величиной квантовой тров ( ) на их полувысоте 1/2 (см. таблицу). Как эффективности [1]. Получить значения EG в полупровидно из таблицы, наиболее широкополосная фотореводниках AIBIII CVI, близкие к ширине запрещенной 2n+1 3n+гистрация достигнута в барьерах Шоттки In/p-CuIn3Se5.

зоны в CuInGaSe2, удается только за счет увеличения Сравнительные исследования фоточувствительности посодержания атомов индия и селена при n > 1, не выходя лученных барьеров также позволили выявить, что наиза пределы системы Cu-In-Se. Очень важно подчеркmax более высокая вольтовая фоточувствительность SU донуть, что новое тройное соединение CuIn3Se5 по велистигнута при создании барьеров Шоттки Al/p-CuIn3Seчине EG удовлетворяет требованиям к полупроводникам, (см. таблицу).

используемым для получения солнечных элементов с Таким образом, на объемных кристаллах тройного максимальной квантовой эффективностью [2].

соединения CuIn3Se5 p-типа проводимости термическим Энергетическое положение максимумов max в осаждением чистых металлов (Cu, Al, In) реализована спектрах ( ) полученных барьеров (рис. 2) практичевозможность получения фоточувствительных барьеров ски совпадает, а с ростом энергии падающих фотонов Шоттки. При освещении полученных барьеров воспроизводимо проявляется фотовольтаический эффект, который доминирует в случае падения излучения на металлический барьер. Получены первые спектры фоточувствительности созданных барьеров и определены характер межзонного поглощения и ширина запрещенной зоны нового полупроводника. Продемонстрирована возможность применения барьеров Шоттки из кристаллов p-CuIn3Se5 в качестве широкополосных фотопреобразователей неполяризованного излучения.

Работа выполнена при финансовой поддержке программы ОФН РАН „Новые принципы преобразования энергии в полупроводниковых структурах“ и фонда INTAS (проект N 03-6314).

Список литературы [1] O. Lundberg, M. Edoff, L. Stolt. ISES

Abstract

Book. Solar World Congress (Gteborg, Sweden, 2003).

[2] Ж. Панков. Оптические процессы в полупроводниках (М., Мир, 1973).

[3] И.В. Боднарь, Т.Л. Кушнер, В.Ю. Рудь, Ю.В. Рудь, М.В. Якушев. ЖПС, 69, 520 (2002).

Рис. 3. Зависимости 1/2 = f ( ) (кривые 1–3), [4] И.В. Боднарь, Е.С. Дмитриева, В.Ю. Рудь, Ю.В. Рудь.

( · )1/2 = f ( ) (кривые 4, 6, 8) и ( · )2 = f ( ) ЖТФ, 75, 84 (2005).

(кривые 5, 7, 9) для структур Cu/p-CuIn3Se5 (1, 4, 5), [5] G. Martin, R. Marques, R. Guevara. Jpn. J. Appl. Phys., 39, Al/p-CuIn3Se5 (2, 6, 7) и In/p-CuIn3Se5 (3, 8, 9). 44 (2000).

Физика и техника полупроводников, 2007, том 41, вып. Фотоэлектрические явления в барьерах Шоттки Cu(Al, In)/p-CuIn3Se5 [6] Y.P. Wang, I. Shih, C.H. Champness. Thin Sol. Films, 361-362, 494 (2000).

[7] E. Hernandez. Cryst. Res. Technol., 33, 285 (1988).

[8] Г. Ламперт, П. Марк. Инжекционные токи в твердых телах (М., Мир, 1973).

[9] S.M. Sze. Physics of Semiconductor Devices (N. Y., Willey Interscience Publ., 1981).

[10] Copper Indium Diselenide for Photovoltaic Applications, by ed. T.J. Coutts, L.L. Kazmerski and S. Wagner (N. Y., Elsevier, 1986).

Редактор Л.В. Беляков Photoelectrical phenomena in a Cu(Al, In)-CuIn3Se5 Schottky barrier I.V. Bodnar, V.Yu. Rud, Yu.V. Rud+ Belarusian State University of Informatics and Radioelectronics, 220027 Minsk, Belarus St. Petersburg State Polytechnical University, 195152 St. Petersburg, Russia + Ioffe Physicotechnical Institute, Russian Academy of Sciences, 194021 St. Petersburg, Russia Abstract The p-CuIn3Se5 are used to obtain structures and investigate photoelectrical phenomena in Schottky barriers Cu/p-CuIn3Se5, Al/p-CuIn3Se5 and In/p-CuIn3Se5. We have obtained new spectra of the new structures photo transformation quantum efficiency. The character of the interzone transitions is discussed and CuIn3Se5 band gap width is determined. We have drawn a conclusion concerning the practical use of CuIn3Secrystals for wide band photo transformations of the optical radiation.

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.