WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2007, том 41, вып. 2 Получение и фотоэлектрические свойства гетеропереходов окисел/CuIn5Se8 + ‡ +¶ © И.В. Боднарь, А.А. Вайполин, В.Ю. Рудь, Ю.В. Рудь, Е.И. Теруков+ Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники, 220013 Минск, Беларусь ‡ Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 195251 Санкт-Петербург, Россия + Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 20 июня 2006 г. Принята к печати 27 июня 2006 г.) Методом направленной кристаллизации расплава выращены монокристаллы соединения n-CuIn5Se8 гексагональной модификации. На основании экспериментальных исследований его термического взаимодействия с кислородом воздуха предложен метод получения новых гетеропереходов окисел/n-CuIn5Se8. Исследованы электрические и фотоэлектрические свойства полученных структур. Показано, что процесс взаимодействия CuIn5Se8 гексагональной модификации с кислородом воздуха обеспечивает получение гетеропереходов с высокой фоточувствительностью. Сделан вывод о возможности применения новой технологии при создании широкополосных фотопреобразователей на основе кристаллов CuIn5Se8.

PACS: 61.10.-i, 61.82.Fk 1. Введение кварцевый стержень, служивший держателем, который присоединяли к вибратору.

Тройное соединение CuIn5Se8 принадлежит к дефект- В начальный период температуру в печи повышали со скоростью 50 K/ч до 1000-1020 K. При указанных ным полупроводникам типа AIBIII CVI и образуется 2n+1 3n+2 температурах проводилась изотермическая выдержка в на квазибинарном разрезе Cu2Se–In2Se3 при n = 2 [1,2].

течение 2 ч с включением вибрации. Затем с той же Такие полупроводники, как и их простейший тройной скоростью температуру повышали до 1220-1230 K (без аналог CuInSe2 (n = 0), являются перспективными мавыключения вибрационного перемешивания) и снова териалами для создания высокоэффективных тонкоплевыдерживали 2 ч. После этого вибрацию отключали ночных солнечных элементов с высокой радиационной и проводили направленную кристаллизацию расплава, стойкостью. В настоящее время идет активный поиск эфпонижая температуру печи со скоростью 2K/ч до фективных технологий получения однородных кристалполного затвердевания расплава. Для гомогенизации лов этих весьма своеобразных полупроводниковых фаз полученных слитков их отжигали при 1020 K в течение и фотопреобразовательных структур на их основе [3,4].

150 ч. Выращенные в таких условиях монокристаллы Данная работа принадлежит этому важному направтройного соединения CuIn5Se8 имели диаметр 12 мм лению полупроводниковой электроники и посвящена и длину 40 мм.

разработке новой технологии создания гетеропереходов Состав выращенных монокристаллов CuIn5Se8 опре(ГП) на основе малоизученного соединения CuIn5Se8.

деляли с помощью микрозондового рентгеноспектрального анализа на установке „Cameca-SX100“.

Гомогенность и структуру выращенных монокристал2. Экспериментальная часть лов устанавливали рентгеновским методом. Дифрактограммы записывали на автоматически управляемом Монокристаллы CuIn5Se8 выращивали направленной с помощью компьютера рентгеновском дифрактометре кристаллизацией расплава (вертикальный вариант метоДРОН-3М в CuK-излучении с графитовым монохромада Бриджмена). Исходными веществами служили медь, тором.

индий и селен чистоты выше 99.999%. Взятые в стехиометрических соотношениях элементарные компоненты 3. Результаты и их обсуждение в количестве 25 г загружали в двойные кварцевые ампулы с оттянутым в виде конуса дном. После вакууРезультаты микрозондового рентгеноспектрального мирования внутренней ампулы до остаточного давления анализа показали, что содержание элементов в выращен 10-3 Па ее помещали во вторую кварцевую ампулу ных монокристаллах соответствуют формульному, т. е.

большего диаметра, которую также вакуумировали. Это соотношение компонентов Cu : In : Se = 1: 5: 8.

предохраняет синтезируемое вещество от окисления на Дифрактограммы, снятые на образцах из разных воздухе, если внутренняя ампула при кристаллизации участков монокристаллов, показали, что соединение растрескивается. К наружной ампуле снизу приваривали кристаллизуется в структуре с гексагональной ре¶ E-mail: yuryrud@mail.ioffe.ru шеткой. Параметры элементарной ячейки, рассчитанПолучение и фотоэлектрические свойства гетеропереходов окисел/CuIn5Se8 ные методом наименьших квадратов по рефлексам, для которых 2 >60, равны a =(4.040 ± 0.005), c =(32.75 ± 0.01), что хорошо согласуется с данными работы [5]. Полученные кристаллы CuIn5Se8 имели ярко выраженную спайность по плоскости (001), что свидетельствует о слоистом характере структуры. Отражения (001) нечетных порядков отличаются малой интенсивностью, т. е. можно говорить о наличии „подструктуры“ с уменьшенной вдвое элементарной ячейкой (c = 16.38 ). В том же ряду высокой интенсивностью выделяются отражения 8, 10, 12, 18 и 20-го порядков.

Тем самым грубо прорисовывается общий характер структуры, состоящей из пятислойных пакетов с небольшими различиями структуры соседних пакетов, приводящими к удвоению параметра элементарной ячейки c.

Обращает на себя внимание сходство структур CuIn5Se8 и InSe гексагональной модификации с параметрами элементарной ячейки a =(4.040 ± 0.002) и c =(16.02 ± 0.005). На самом деле получается, что структура CuIn5Se8 является упорядоченным аналогом структуры типа InSe, в которой позиции 8 атомов индия замещаются на 1Cu + 5In + 2 вакансии.

Для создания фоточувствительных структур использовались зеркальные свежесколотые плоскости (0001) Рис. 1. Стационарная вольт-амперная характеристика гетеромонокристаллов CuIn5Se8 толщиной (0.1-0.2) мм.

структуры окисел/n-CuIn5Se8 при T = 300 K. Пропускное наПоскольку поверхность сколотых монокристаллов была правление соответствует отрицательной полярности внешнего зеркально-гладкой, какой-либо дополнительной обработсмешения на пленке окисла.

ке перед созданием гетеропереходов она не подвергалась. В основе предложенного метода создания гетеропереходов на основе монокристаллов CuIn5Se8 лежит соотношении (n = 2), и весьма сложный состав окружапроцесс термического взаимодействия этих кристаллов ющей среды требуют продолжения исследований детальс кислородом воздуха. Как показали экспериментального механизма взаимодействия CuIn5Se8 с окружающей ные исследования, в процессе взаимодействия пластин средой. Главный же итог этих исследований, безусловно, CuIn5Se8 с кислородом воздуха на их поверхности состоит в том, что в результате такого процесса в возникают однородные интерференционные слои, котоприповерхностном слое пластин тройного соединения рые в интегральном свете лампы накаливания имеют происходит формирование интерференционных слоев светло-серую окраску. За счет изменения температуры окисла. Можно было предположить, что полученный и времени термообработки удается изменять толщину таким образом контакт CuIn5Se8 со слоем окисла может и соответственно окраску возникающих на подложках обеспечить формирование новых фоточувствительных CuIn5Se8 слоев. При проведении процесса термообраструктур.

ботки в вакуумированных ампулах изменения внешнего Измерение стационарных вольт-амперных характеривида сколотой поверхности не наблюдалось совсем. Это стик (ВАХ) впервые полученных изотипных гетеросвидетельствует о том, что изменения на поверхности структур окисел/n-CuIn5Se8 свидетельствует о наличии пластин CuIn5Se8 вызваны взаимодействием их с кислочетко выраженного выпрямления. При напряжениях смеродом воздуха.

щения |U| = 1-2 В коэффициент выпрямления в лучших Как показали первые исследования, слои, возникаструктурах невысокий и достигает 5, что характерно ющие в тонкой приповерхностной области пластин для многих изотипных гетеропереходов [6].

n- CuIn5Se8, также имели электронный тип проводимоНа рис. 1 представлена типичная для полученных сти и на несколько порядков более низкое по отношению ГП окисел/n-CuIn5Se8 ВАХ. Пропускное направление к исходному состоянию поверхностных слоев сопротивотвечает отрицательной полярности внешнего смещения ление. Необходимо отметить, что в диапазоне темперана слое окисла. С увеличением напряжения U > 0.6В тур T = 80-400 K сопротивление слоев практически не в пропускном направлении для всех полученных ГП изменяется. Можно высказать предположение, что тертемновой ток следует линейному закону:

мообработка соединения n-CuIn5Se8 на воздухе сопроU - Uвождается образованием в приповерхностной области I =, (1) Rпластин тонких (толщиной d 1мкм) слоев собственного окисла. Наличие в исходном состоянии пластин где напряжение отсечки U0 0.4 В, а остаточное сополупроводника трех компонент, взятых в определенном противление R0 20-25 Ом при T = 300 K. В области 3 Физика и техника полупроводников, 2007, том 41, вып. 162 И.В. Боднарь, А.А. Вайполин, В.Ю. Рудь, Ю.В. Рудь, Е.И. Теруков насыщения скорости носителей заряда [7,8]. Наблюдаемые большие значения обратных токов и их рост с напряжением (рис. 1) связаны, по-видимому, с несовершенствами периферии в полученных ГП, возникающими при расщеплении пластин по плоскости (0001).

В условиях освещения ГП окисел/n-CuIn5Se8 неполяризованным излучением возникает фотовольтаический эффект и слой окисла всегда имеет отрицательный заряд. Фоточувствительность полученных ГП оказывается выше при их освещении со стороны слоя окисла, причем максимальная вольтовая фоточувствительность m (SU) более чем на 2 порядка превышает этот параметр для ранее полученных нами структур In/n-CuIn5Se8 на тех же исходных кристаллах (см. таблицу). Это обстоятельство характеризует на данный период новый предложенный метод получения фотопреобразователей на монокристаллах CuIn5Se8 как наиболее эффективный.

На рис. 2 сопоставляются спектральные зависимости относительной квантовой эффективности фотопреобразования ( ) в области энергий фотонов = 1.0-2.5 эВ для полученных окислением ГП Рис. 2. Спектральные зависимости относительной квантоокисел/n-CuIn5Se8 (кривая 1) и поверхностно-барьерных вой эффективности фотопреобразования структур окисел/nструктур In/n-CuIn5Se8 (кривая 2), причем сравниваемые CuIn5Se8 (1) и In/CuIn5Se8 (2) при T = 300 K. Для исключения структуры были созданы на одном и том же исходном наложений спектры 1 и 2 смещены вдоль оси ординат.

кристалле CuIn5Se8. Из этого сопоставления следует, что спектры фоточувствительности столь разных типов структур практически одинаковы. Действительно, спектральное положение области максимальной фоточувствительности ( m) и ширина полосы на половине высоты 1/2 в этих структурах практически совпадают (см. таблицу и рис. 2), а из анализа длинноволнового края ( ) с позиций теории фундаментального поглощения (рис. 3) [9,10] следует нечувствительность характера межзонного поглощения и значений ширины ind d запрещенной зоны для непрямых (EG ) и прямых (EG) переходов в кристаллах CuIn5Se8 к процессу их термического окисления (см. таблицу и рис. 3).

Таким образом, развит новый метод получения фоточувствительных гетеропереходов окисел/CuIn5Se8 и получены первые спектры их фоточувствительности в широкой области энергий падающих фотонов — 0.8-2.5 эВ. Установлено, что сложный процесс термического взаимодействия тройного халькогенида CuIn5Se8 с окружающей средой приводит к получению ГП с максимальной для данного полупроводника фоточувствительностью, а значение ширины запрещенной удовлетворяет условию обеспечения максимальной эффективности фоРис. 3. Зависимости ( )1/2 = f ( ) (1, 3) и топреобразования солнечного излучения [11]. Следова( )2 = f ( ) (2, 4) для структур In/CuIn5Se8 (1, 2) и тельно, предложенный метод получения ГП на основе окисел/n-CuIn5Se8 (3, 4) при T = 300 K.

Фотоэлектрические свойства структур на основе кристаллов CuIn5Se8 при 300 K прямых и обратных смещений |U| 2.5 В ток в таm ind d Тип SU, m, 1/2, EG, EG, ких ГП подчиняется степенной зависимости I U с структуры В/Вт эВ эВ эВ эВ показателем степени = 1.0-1.1, что может определяться туннелированием носителей заряда или токами, Окисел/n-CuIn5Se8 580 1.1-1.2 0.78 0.79 0.In/CuIn5Se8 1 1.1-1.25 0.78 0.79 0.ограниченными пространственным зарядом в режиме Физика и техника полупроводников, 2007, том 41, вып. Получение и фотоэлектрические свойства гетеропереходов окисел/CuIn5Se8 нового тройного халькогенида CuIn5Se8 может найти применение в широкополосных фотопреобразователях оптического излучения.

Работа поддержана программой ОФН РАН „Новые принципы преобразования энергии в полупроводниковых структурах“ и проектом INTAS № 03-6314.

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

Abstract

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

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

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

[4] И.В. Боднарь, Е.С. Дмитриева, С.Е. Никитин, В.Ю. Рудь, Ю.В. Рудь, Е.И. Теруков. ФТП, 39, 426 (2005).

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

[6] Б.Л. Шарма, Р.К. Пурохит. Полупроводниковые гетеропереходы (М., Сов. радио, 1979).

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

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

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

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

[11] А. Милнс, Д. Фойхт. Гетеропереходы и переходы металл–полупроводник (М., Мир, 1973).




© 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.