НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2007, том 43, № 7, с. 781-783
УДК 546.48.22.539.238
ОБРАЗОВАНИЕ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ CdTe1 _ xSx НА ГЕТЕРОГРАНИЦЕ CdTe/CdS
© 2007 г. Ж. Жанабергенов*, С. А. Музафарова**
*Каракалпакский государственный педагогический институт, Нукус, Узбекистан **Физико-технический институт, Ташкент, Узбекистан e-mail: samusu@rambler.ru Поступила в редакцию 02.02.2006 г.
Показано, что на гетерогранице CdTe/CdS могут формироваться твердые растворы CdTe1 _ xSx различного состава.
ВВЕДЕНИЕ
Благодаря простоте и дешевизне технологии, изготовление и исследование приборных структур на основе поликристаллических пленок СёТе и CdS являются актуальными задачами [1]. Гетеропереходы CdTe/CdS широко используются при изготовлении фотовольтаических и оптоэлек-тронных приборов, таких как солнечные элементы [1-3], фотодетекторы, фототранзисторы [4-6] и др. Несмотря на многолетние исследования, некоторые проблемы все еще не решены. В частности, не определен состав гетерограницы между CdTe и CdS. Решение этой проблемы позволило бы расширить круг приборов и повысить функциональные возможности уже существующих приборов на основе гетеропереходов CdTe/CdS.
Цель настоящей работы - исследование спектрального распределения фоточувствительности гетеропереходов CdTe/CdS и определение состава твердых растворов на гетерогранице.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Гетеропереходы CdTe/CdS площадью 1 см2 изготавливали на молибденовой подложке по технологии, описанной в [4, 5]. Передний контакт изготавливали из чистого индия (1п), нанесенного в вакууме 10-3 Па. При этом ширина контактной полосы составляла 0.8 мм, а расстояние между полосами - 2 мм. Тыльным контактом служила молибденовая фольга.
Электрофизическими исследованиями установлено, что промежуточный слой (твердые растворы CdTe1 _ ^Д,) на гетерогранице «-CdS/p-CdTe четко проявляет себя как слой в гетерострукту-рах, полученных термическим испарением порошка CdS в вакууме в квазизамкнутой системе на подложку (p-CdTe) при температуре ts = 180°С. При таком режиме полученные гетероструктуры имеют наиболее приемлемые выходные парамет-
ры: напряжение холостого хода и ток короткого замыкания. Образцы, полученные при ts = 220-240°С, имеют электрофизические характеристики, в частности вольт-амперные характеристики, как у р-/-«-структур с длинной базой, где ё/Ь = 5-6 (ё - толщина /-слоя, Ь - длина диффузии неосновных носителей тока).
В таких образцах выходные параметры значительно ниже, чем в образцах с ts = 180°С. Измерения с торца n-CdS/p-CdTe-структур на электронном микроскопе МИМ-8 показывают, что толщина /'-слоя у образцов CdTe1 - .Д,, полученных при ts = 180°С, составляет ё, = 1 мкм, а у образцов, полученных при ts = 220-240°С, ё, = 3-4 мкм. С дальнейшим увеличением температуры ts толщина слоя CdTe1 - возрастает, а выходные параметры гетероструктуры n-CdS/p-CdTe ухудшаются. Поэтому в данной работе исследования проведены при ^ = 180 и 220°С.
Фазовый состав твердого раствора CdTe1 - ^ исследовали с помощью фотоэлектрического метода. Спектральное распределение фоточувствительности измеряли в вентильном режиме на мо-нохроматоре ЗМР-З при комнатной температуре. Источником излучения служила ксеноновая лампа типа ДКСШ-1000 со световым потоком 53000 лм, яркостью до 120 Мкд/м2 с центральным световым пятном, работающим в режиме минимально допустимой мощности. Излучение отградуировано в абсолютных единицах при помощи термоэлемента с кварцевым окошком РТЭ-9. Лампа ДКСШ-1000 в УФ- и видимой областях имеет сплошной спектр, а в ближней ИК-области (800-820 нм) -мощные линии излучения. Поэтому большое значение имеет установление размеров входных и выходных щелей и разрешающей способности мо-нохроматора, позволяющие корректно измерять параметры образца. Проведенная оценка показала, что ширина щели должна составлять ~10 мкм. Однако в эксперименте была установлена более широкая щель, чтобы обеспечить достаточную
782
ЖАНАБЕРГЕНОВ, МУЗАФАРОВА
X, мкм X, мкм
Спектральное распределение фоточувствительности гетеропереходов CdTe/CdS, изготовленных при ts = 180 (а) и 220°С (б).
фоточувствительность исследуемого образца, сохраняя при этом возможность исследования тонких явлений. При этом разрешающая способность монохроматора не превышает 3% в исследуемой области спектра.
Состав твердого раствора (х) оценивали путем измерения постоянной решетки а, используя закон Вегарда [7]:
а = 0.591х + 5.832.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Одним из важных вопросов является исследование состава твердого раствора CdTe1 _ Д. На рисунке представлено спектральное распределение фоточувствительности при ts = 180 и 220°С. На рисунке (а) отчетливо видны два пика при длинах волн 0.738 и 0.795 мкм. Предполагая, что каждый из этих пиков соответствуют разным х, можно сделать вывод о формировании двух типов твердых растворов с шириной запрещенной зоны Её = = 1.558 и 1.680 эВ.
Зная величину Её для CdTe, CdS, CdTe1 _постоянную решетки а CdTe и CdS и предполагая пря-
Ширина запрещенной зоны, состав и постоянная решетки твердых растворов CdTe1 _
X, мкм Е^ эВ X а, А
0.692 1.791 0.806 6.3083
0.700 1.771 0.794 6.3012
0.738 1.680 0.728 6.2622
0.740 1.676 0.726 6.2611
0.795 1.560 0.620 6.1984
0.796 1.558 0.618 6.1972
мопропорциональную зависимость Её от а, были оценены постоянные решетки твердых растворов по закону Вегарда [7]: 6.2622 и 6.1972 А соответственно (таблица).
На основе квадратичной зависимости [8]
Е/х) = 1.74х2 - 1.01х + 1.51
найдены значения х, соответствующие Её - 1.558 и 1.680 эВ (таблица). На рисунке (а) также имеются несколько слабовыраженных пиков, природу которых можно связать с особенностями электронных переходов.
На рисунке (б) отчетливо видны четыре пика -при длинах волн 0.692, 0.700, 0.740 и 0.795 мкм. Для этих длин волн оценены значения Её, х и а (таблица). Из этих данных следует, что на гетеро-границе между CdTe/CdS формируются четыре типа твердых растворов. Кроме того, можно заключить, что состав и параметры твердого раствора можно целенаправленно менять, регулируя температуру. Как известно [9-12], каждый состав (х) характеризует соответствующее значение постоянной решетки а, которые находятся между постоянными решеток CdS (а = 5.832 А) и CdTe (а = 6.423 А). В зависимости от условий роста граница области существования у CdTe1 - с модификацией сфалерита смещается к вюртцитной [10-12]. Рентгеноструктурные исследования показали, что CdTe1 - А имеет при х > 0.4 вюртцит-ную модификацию, а при х < 0.4 переходит в сфа-леритную модификацию.
Технологические способы целенаправленного изменения параметров промежуточного слоя твердых растворов CdTe1 - Д являются предметом дальнейших исследований.
Известно, что слой CdTe1 - р-1-п получается в процессе изготовления и последующего отжига за счет диффузии атомов S в CdTe и атомов Te в
НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ том 43 № 7 2007
ОБРАЗОВАНИЕ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ
783
CdS [1-3]. При этом в зависимости от технологических условий твердый раствор может быть как дискретным, так и непрерывным. В пользу дискретности говорят результаты [13, 14]. Кроме того, в [7] с помощью рентгеноструктурного анализа найден один твердый раствор CdTex _ xSx с a = 5.8935 Â. Зная величину параметра a для CdTe, CdS, CdTex _ xSx и ширину запрещенной зоны CdTe и CdS, в данной работе проведена оценка величины Eg и х для CdTex _ xSx, которые равны Eg ~ 2.306 эВ и x = 0.98.
Измерения параметра решетки и сдвига края поглощения на гетерогранице CdS/CdTe [15] показывают образование твердых растворов CdTex _ xSx с x в интервале от 0.01 до 0.02. В [16, 17] с помощью фотолюминесцентных и рентгено-дифрак-ционных исследований установлено, что содержание серы в слое CdTex _ xSx изменяется по толщине _ от 1% на границе CdTe с CdTex _ xSx до 4 или 5% на границе CdTex _ xSx с CdS. Максимальное содержание атомов S в CdTex _ xSx составляло 5.8%. Рентгенографический микрозондовый анализ с помощью установки Cameca, проведенный в [15] для образца, изготовленного при высоких температурах (~550 K), показывает, что распределение атомов S и Cd по толщине непрерывное. Это позволяет заключить, что твердый раствор является непрерывным по составу.
В то же время известно [9], что твердый раствор системы CdTe_CdS не является непрерывным. По данным [9_11], x меняется от нуля до единицы. Известно [6, 17], что при непрерывном изменении состава твердого раствора ширина запрещенной зоны изменяется немонотонно по толщине, убывая по мере удаления от слоев CdTe и CdS и достигая минимума c Eg ~ 1.3636 эВ при x ~ 0.3. При этом твердый раствор CdTex _ xSx, состав которого возрастает от x = 0 со стороны CdTe до x = 1 на границе с CdS, может служить как варизонная база. Внутреннее электрическое поле, связанное с вари-зонностью, является тянущим электрическим полем, которое, возможно, и является причиной повышенной фоточувствительности приборных структур на основе гетеропереходов CdTe/CdS [6, 7].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Экспериментально исследовано спектральное распределение фоточувствительности гетеропереходов CdTe/CdS. Показано, что на гетерогранице CdTe/CdS могут формироваться твердые растворы CdTex _ xSx различного состава.
Состав твердого раствора может быть как дискретным, так и непрерывным, и его можно контролировать, например, варьированием температур изготовления структуры и отжига.
При получении непрерывного твердого раствора CdTex _ xSx промежуточный слой может стать ва-
ризонной базой. Возможно, в этом причина повышенной фоточувствительности приборных структур на основе гетеропереходов CdTe/CdS.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Deb S. Frontiers in Photovoltaic Materials and Devices // Curr. Opin. Solid State Mater. Sci. 1998. V. 3. № 1. P. 51-59.
2. Wu X. High-Efficiency Polycrystalline CdTe Thin-Film Solar Cells // Sol. Energy. 2004. V. 77. № 6. P. 803-814.
3. Romeo N, Bosio A., Canevari V., Podesta A. Recent Progress on CdTe/CdS Thin Film Solar Cells // Sol. Energy. 2004. V. 77. № 6. P. 795-801.
4. Султанов А.И., Мирсагатов Ш.А. Теллурид кадмиевые фототранзисторы // Электрон. техника. Cер. 11.4. 1990. № 56. C. 76-78.
5. Мирсагатов Ш.А, Султ
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.