Фізичні властивості гетеропереходів в системі сульфід-телурид кадмію

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЧЕРНІВЕЦЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ім. ЮРІЯ ФЕДЬКОВИЧА

УДК 621.315.292

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ГЕТЕРОПЕРЕХОДІВ В СИСТЕМІ СУЛЬФІД-ТЕЛУРИД КАДМІЮ

(01.04.10- фізика напівпровідників і діелектриків)

БАРАСЮК ЯРОСЛАВ МИКОЛАЙОВИЧ

Чернівці - 2000

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі оптоелектроніки Чернівецького державного університету ім. Юрія Федьковича.

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор Махній Віктор Петрович, Чернівецький державний університет, професор кафедри оптоелектроніки.

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор Раренко Іларій Михайлович, Чернівецький державний університет, завідувач кафедри напівпровідникової мікроелектроніки;

кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Катеринчук Валерій Миколайович, Чернівецьке відділення Інституту проблем матеріалознавства НАН України, старший науковий співробітник відділу шаруватих кристалів.

Провідна організація: Інститут фізики напівпровідників НАН України (м. Київ)

Захист відбудеться 27 вересня 2000 р. о 14 год на засіданні спеціалізованої вченої ради Д76.051.01 при Чернівецькому державному університеті ім. Юрія Федьковича за адресою:
58012, м. Чернівці, вул. Коцюбинського, 2.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Чернівецького державного університету ім. Юрія Федьковича (вул. Л. Українки, 23).

Автореферат розісланий 25 серпня 2000 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради М.В. Курганецький

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

дозиметричний кадмій монокристал гетероперехід

Актуальність теми. Гетеропереходи (ГП), одним з компонентів яких є телурид кадмію, перспективні для створення детекторів різного типу випромінювань. Це зумовлено цілою низкою причин. По-перше, ширина забороненої зони Е_g телуриду кадмію є оптимальною для перетворення сонячної енергії в електричну. По-друге, високі густина та атомний номер CdTe сприяють значному підвищенню ефективності детектування часток великих енергій. І нарешті висока радіаційна стійкість широкозонних ІІ-VI сполук, порівняно з іншими комерційно доступними напівпровідниками (Ge, Si, III-V сполуки) допускає експлуатацію приладів на їх основі в жорстких умовах. Зауважимо, що легування ІІ-VI сполук ізовалентними домішками приводить до значного підвищення температурної та радіаційної стійкості.

З цієї точки зору найбільш інтенсивно вивчаються ГП в системі сульфід-телурид кадмію, причому основна увага приділяється полікристалічним тонкоплівковим сонячним елементам. Незважаючи на простоту технології та можливість отримання таких структур великої площі на дешевих підкладинках, питання узгодження параметрів компонент ГП залишається відкритим. Останній фактор є основною причиною обмеженої кількості досліджень монокристалічних ГП сульфід-телурид кадмію, які мають ряд переваг перед полікристалічними (більш висока температурна, радіаційна і часова стабільність, швидкодія тощо). На перший план при цьому виступають задачі, які пов'язані з пошуком простих відтворюваних технологій виготовлення гетероструктур з низькою концентрацією дефектів на межі поділу. Залежність властивостей ГП від препаративних умов їх створення вимагають встановлення взаємозв'язку між ними. Це з однієї сторони сприятиме більш глибокому розумінню фізичних процесів, які обумовлюють характеристики структур, а з іншого - цілеспрямованому вибору режимів виготовлення на їх основі приладів з необхідними параметрами. Особливий практичний інтерес являє також проблема створення монолітного пристрою "сцинтилятор-фотодіод" на базі високоефективних радіаційно стійких кристалів CdS<Te>.

Аналіз літератури показує, що результати досліджень монокристалічних ГП сульфід-телурид кадмію присвячені головним чином розв'язуванню окремих технологічних і фізичних задач і не завжди узгоджуються між собою. Крім того, майже не з'ясовані питання визначення областей практичного використання таких структур в напівпровідниковій електроніці.

З викладеного вище випливає, що розробка технології виготовлення та дослідження основних фізичних властивостей монокристалічних гетеропереходів сульфід-телурид кадмію являє собою актуальну наукову і прикладну задачу.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота є складовою частиною науково-дослідних робіт "Розробка методів одержання діркової провідності в кристалах широкозонних ІІ-VI сполук та дослідження їх фізичних властивостей", "Дослідження фізичних процесів в бар'єрних детекторах оптичного та іонізуючого випромінювання на основі широкозонних II-VI сполук" та "Дослідження процесів переносу заряду та оптичних явищ в бар'єрних структурах на основі напівпровідникових сполук", які виконувались на кафедрі оптоелектроніки ЧДУ в рамках Координаційного плану НДР Міносвіти України на 1997-2000 рр. "Фізика конденсованого стану, включаючи метали, напівпровідники, діелектрики та рідини".

Метою роботи є розробка відтворюваної технології виготовлення структурно досконалих гетеропереходів сульфід-телурид кадмію на базі монокристалів CdS, комплексне дослідження їх фізичних властивостей та вивчення можливостей практичного використання.

Досягнення мети передбачає вирішення таких задач:

Вибрати оптимальний метод створення гетеропереходів в системі сульфід-телурид кадмію на основі низькоомних монокристалів CdS.

Провести комплексне дослідження електричних, фотоелектричних та дозиметричних характеристик отриманих структур у залежності від технології їх виготовлення.

Визначити можливі області практичного використання отриманих ГП.

Наукова новизна результатів, отриманих в дисертаційній роботі, полягає в тому, що в ній вперше:

Показано, що процес утворення гетерошарів телуриду кадмію на підкладинках сульфіду кадмію носить дифузійний характер. Визначені енергія активації та коефіцієнт дифузії.

Встановлена роль надбар'єрної емісії, генераційно-рекомбінаційних, тунельних та лавинних процесів у формуванні темнових вольтамперних характеристик досліджуваних гетеропереходів.

Показано, що світлові інтегральні та спектральні характеристики визначаються процесами генерації фотоносіїв в області просторового заряду гетероструктури при низьких прямих зміщеннях і надбар'єрним проходженням носіїв - при великих.

Виявлена спектральна залежність коефіцієнта помноження фотоносіїв. Встановлено, що домінуючу роль в процесах ударної іонізації відіграють дірки.

Досліджені інтегральні та спектральні характеристики при опроміненні гетеропереходів рентгенівськими квантами.

Практичне значення одержаних результатів:

Показано перспективність використання методу реакцій твердофазного заміщення для створення гетероструктур в системі сульфід-телурид кадмію з властивостями, які близькі до ідеальних гетеропереходів.

Встановлені технологічні умови (температура, час та склад інгредієнтів відпалу) виготовлення гетеропереходів з необхідними параметрами і характеристиками.

Створені лабораторні зразки низки приладів та пристроїв: сонячні елементи, фотоприймачі лазерного випромінювання, оптронні пари, детектори іонізуючого випромінювання прямого перетворення та типу “сцинтилятор-фотодіод”.

Публікації і особистий внесок дисертанта. По результатах дисертації опубліковано 14 робіт, перелік яких приведений в кінці автореферату. В роботах, опублікованих в співавторстві, здобувачу належить виготовлення та експериментальне дослідження зразків [1,2,4,6,7,9-12]; виготовлення та проведення експериментальних досліджень гетеропереходів CdS-CdTe [3,5,8,13,14]. В усіх роботах здобувач приймав активну участь в розробці технології, обговоренні одержаних результатів та написанні статей.

Апробація роботи. Основні результати досліджень викладені в дисертаційній роботі доповідались і обговорювались на конференціях:

Наукова конференція викладачів, співробітників та студентів, присвячена 120-річчю заснування Чернівецького державного університету (Чернівці 1995);

International workshop on advanced technologies of microscop. solids films and structures and their application in photonics. (Uzgorod. 1996);

Second International School-Conference "Physical Problems in Material Science of Semiconductors " (Chernivtsi, 1997);

First Polish - Ukraine Symposium. New Photovoltaic Materials for Solar Sells. (Krakow 1996);

Third International conference on Physical Problems in Material Science of Semiconductors. (Chernivtsi 1999);

Международная конференция, посвященная методам рентгенографической диагностики несовершенств в кристаллах, применяемых в науке и технике. (Черновцы 1999).

Структура і об'єм дисертації. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаної літератури та додатку. Робота викладена на 127 сторінках, включає 51 рисунок, 1 таблицю і список літератури (106 джерел).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обговорюється актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано задачі досліджень, наукова новизна і практичне значення отриманих результатів, приведено дані про апробацію роботи, публікації та особистий внесок дисертанта.

Перший розділ присвячено огляду літератури по темі дослідження. Приведений огляд літературних джерел свідчить про перспективність використання гетеропереходів CdS-CdTe для створення різноманітних детекторів електромагнітного випромінювання. Однак використання таких приладів стримується низкою причин, основною з яких є суттєва неузгодженість параметрів компонент ГП.

Основна маса досліджень присвячена тонкоплівковим сонячним елементам, в той час як монокристалічним ГП приділяється значно менша увага. Звертає на себе увагу також недостатня вивченість електричних і фотоелектричних властивостей структур та їх зв'язку з технологією виготовлення.

Незважаючи на перспективність використання ГП CdS-CdTe в різних галузях оптоелектроніки, більшість робіт присвячена дослідженню сонячних елементів на їх основі. Практично відсутня інформація про дослідження цих структур як напівпровідникових детекторів (НД) рентгенівського та лазерного випромінювання.

В другому розділі описана технологія виготовлення ГП CdS-CdTe, яка базується на використанні методу реакцій твердофазного заміщення. Вихідними підкладинками служили монокристалічні низькоомні пластини CdS<Te> типорозміром 441 мм³. Для зняття поверхневого порушеного шару вони піддавалися механічній та хімічній обробці, після чого завантажувалися в кварцові ампули разом із наважками Те, CdTe, та Li₂CO₃. Ампули відкачувались до вакууму не гірше 10^-4 Торр, запаювались і поміщались в піч, де вони витримувалися деякий час в ізотермічних умовах. Експериментально встановлений склад інгредієнтів відпалу допускає виготовлення гетероструктур в досить широкому температурному діапазоні (820-1020 К). Останнє дозволяє, крім того, змінювати товщину одержуваних шарів від одиниць до сотень мікрометрів, та величину питомого опору CdTe в межах 10²-10⁸ Омсм. В спектрах оптичного пропускання одержаних структур спостерігається різкий звал при енергіях квантів близьких до 1,5 еВ, що суттєво менше краю пропускання (~2,5 еВ) вихідних підкладинок CdS.

Наявність перегину на кривих пропускання при енергіях квантів, близьких до 1,2 еВ зумовлено нелінійною залежністю ширини забороненої зони в твердих розчинах CdS_хТе_1-х, яка має мінімум рівний 1,3 еВ при х=0,2[I].

Спектр фотолюмінесценції одержаних шарів являє собою вузьку смугу з максимумом біля ћ1,5 еВ, в той час як на спектрах фотолюмінесценції вихідних підкладинок спостерігається один вузький пік з максимумом біля ћ2,5 еВ. Зазначені дані переконливо свідчать про те, що в процесі відпалу на поверхні CdS утворюється шар CdTe. На межі поділу між CdS і CdTe утворюється шар твердих розчинів CdS_хТе_1-х із плавною зміною х від 1 до 0, ширина забороненої зони якого неперервно змінюється від 2,5 до 1,5 еВ. Він дозволяє зняти неузгодженість параметрів граток компонентів гетеропереходу, що в свою чергу приводить до зменшення концентрації дефектів на межі поділу ГП. Дослідження показали, що процес утворення гетерошарів CdTe на підкладинці CdS носить дифузійний характер. Встановлено, що залежність коефіцієнта дифузії D від температури відпалу Т_а описується відомим виразом:

, см²/с. (1)

де k - постійна Больцмана.

Енергія активації дифузії визначена із залежності товщини заміщеного шару від температури відпалу. Вираз (1) дозволяє прогнозувати товщину шару CdTe при заданих технологічних умовах (температура і час відпалу) і, таким чином, керувати в певних межах властивостями гетероструктур.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Прямі гілки ВАХ ГП CdS-CdTe, виготовлених при Т_а=820 К. На врізці - температурні залежності (1) та I_s (2).

В третьому розділі розглядаються механізми струмопроходження в одержаних гетеропереходах CdS-CdTe. Останні суттєвим чином залежать від величини послідовного опору R ГП, що визначається технологічними умовами виготовлення, та величини і полярності прикладеної до зразка напруги V. На рис. 1 представлені вольтамперні характеристики (ВАХ), зняті при прямому зміщенні, для структур із незначним послідовним опором.

Початкові ділянки описуються співвідношенням Саа-Нойса-Шоклі, яке отримане у припущенні рекомбінації в області просторового заряду через одиничний рівень [II]:

, (2)

де I - величина струму через ГП; Т - температура, при якій проводились виміри; - струм відсічки при V=0, причому

. (3)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2. Обернена світлова ВАХ ГП, виготовленого при Т_а=820 К. На врізці - спектральна залежність коефіцієнта помноження.

Таким чином температурна залежність дозволяє знайти ширину забороненої зони. Як видно з рис. 1 (врізка), експериментальна залежність (Т) добре описується виразом (3). Визначена з неї енергія активації дорівнює ~1,62 еВ, що близьке до ширини забороненої зони E_g CdTe при 0 К. У зв'язку з цим можна вважати, що максимальний темп рекомбінації спостерігається у варізонній області CdS_xTe_1-x із значенням х близьким до 0.

При збільшенні величини прямої напруги домінує надбар'єрний струм, ВАХ якого описується виразом [II]:

, (4)

де I_s - струм відсічки при V=0, причому

. (5)

де _о - висота потенціального бар'єру. Зауважимо, що відсутність тунельних складових у прямому струмові зумовлена двома головними причинами. Перша з них полягає у високій ступені досконалості межі поділу гетеропереходу, що підтверджується дослідженнями ємнісної дисперсії. Наявність шару твердих розчинів CdS_xTe_1-x не допускає утворення "пічка", який може викликати тунельний струм. Разом з тим на експерименті залежності із характерним для цього процесу нахилом e/kT не спостерігаються. Останнє зумовлено тим, що значна частина прикладеної до зразка напруги падає на послідовному опорі. З врахуванням останнього ВАХ для надбар'єрного струму описується виразом:

. (6)

Таким чином, залежність, побудована в координатах lnI-eV/kT=f(I), повинна зображатися прямою лінією, що і спостерігається на досліді. Температурна залежність струму відсічки при V=0 (врізка на рис. 1) дала змогу визначити висоту потенціального бар'єру, яка рівна 1,27 еВ, що корелює із висотою бар'єру, знайденою іншими методами.

Обернений струм таких ГП при низьких зміщеннях носить тунельний характер. Це зумовлено малою величиною параметрів і I_s, а також слабкою залежністю генераційно-рекомбінаційного та надбар'єрного струмів від V. Враховуючи енергетичну зонну структуру ГП можна вважати, що домінуючим процесом є тунелювання електронів з CdTe в CdS. При збільшенні величини прикладеного оберненого зміщення спостерігається більш різкий ріст струму, що зумовлено процесами лавинного помноження носіїв заряду в результаті ударної іонізації. Згідно загальновідомих міркувань, такі процеси доцільно вивчати при аналізі залежностей фотоструму від величини прикладеного оберненого зміщення. Проведені дослідження вказують на те, що помноження здійснюється носіями одного знаку, а саме дірками. Експериментально знайдене відношення коефіцієнтів ударної іонізації для дірок та електронів _p/_n при 300 К досягає 25 при V=4 В. Спостережувана залежність коефіцієнта помноження від енергії збуджуючих квантів адекватно пояснюється у рамках теорії ударної іонізації для варізонних ГП.

Найбільш цікавими з практичної точки зору є ГП з p-i-n-структурою, які одержуються при температурі виготовлення більшій, ніж

920 К. У формуванні вольтамперних характеристик таких структур визначальну роль відіграє великий опір CdTe та варізонного шару. Проходження струму в таких ГП описується у рамках теорії струмів обмежених просторовим зарядом. Інтерес до таких p-i-n-структур зумовлений перш за все наявністю в них значного внутрішнього підсилення реєструємого сигналу при збільшенні величини прикладеної напруги обох полярностей. При напругах V50 В спостерігається тенденція до насичення фотоструму, зумовлена насиченням дрейфової швидкості електронів в CdTe. Внутрішнє підсилення спостерігається при використанні різних збудників фотоносіїв - видимого світла та рентгенівських квантів.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3. (а) - спектр фоточутливості ГП CdS-CdTe (суцільна лінія) та спектр радіолюмінесценції монокристалів CdS<Te>. Стрілками позначені максимуми в спектрах випромінювання гелій-неонового лазера (1), та декількох промислових світлодіодів АЛ307В (2), АЛ307Б (3) і 3Л341Б (4). (б) - залежність струму короткого замикання та напруги холостого ходу від потужності опромінення.

В четвертому розділі розглядаються фотоелектричні та рентгеночутливі властивості одержаних ГП CdS-CdTe. Спектри фоточутливості гетероструктур, виготовлених в температурному діапазоні 820-1020 К охоплюють інтервал енергій квантів 1,2-2,5 еВ, Високоенергетичний край кривих І_р(ћ) обривається при енергіях квантів, близьких до ширини забороненої зони сульфіду кадмію, через який проводилось освітлення. Наявність фотоструму при енергіях, менших від E_g телуриду кадмію зумовлена нелінійною залежністю ширини забороненої зони твердих розчинів CdS_xTe_1-x , яка має мінімум E_gmin=1,2 еВ при х=0,2 [I].

Світлові ВАХ досліджуваних ГП зумовлені генерацією фотоносіїв в області просторового заряду гетероструктури при малих рівнях освітленості, та надбар'єрним проходженням носіїв заряду - при великих. Як показали дослідження, величина струму короткого замикання I_sc суттєво залежить від умов виготовлення ГП. Так, зокрема, при зміні температури відпалу від 820 K до 1020 K I_sc зменшується майже на порядок, що зумовлено збільшенням величини послідовного опору з ростом Т_а. В той же час напруга холостого ходу V_oc цих же зразків при аналогічних умовах вимірювань практично не залежить від температури виготовлення ГП.

Проведені дослідження показують, що залежності I_sc та V_oc від рівня освітленості Р описуються виразами [II]:

, , (7)

де І_о та n - темновий струм відсічки та коефіцієнт ідеальності, які визначаються механізмом проходження струму, що ілюструється даними рис. 3.б. При Т_а920 К показник степеня m1, тобто виконується лінійний закон генерації нерівноважних носіїв заряду. При збільшенні Т_а показник степеня зростає і досягає значення 1,5 при Т_а=1020 К. Даний факт пояснюється тим, що генерація фотоносіїв відбувається як в ОПЗ, так і високоомному шарі CdTe, який володіє значною фоточутливістю. Це приводить до залежності послідовного опору гетероструктури від рівня освітленості, що в свою чергу викликає зростання m. Відхилення експериментальних залежностей V_oc(P) від теоретичних при малих значеннях P також зумовлене впливом послідовного опору.

Гетеропереходи CdS-CdTe, особливо з p-i-n-структурою виявилися чутливими до рентгенівського випромінювання. Джерелом рентгенівських променів служила рентгенівська трубка БС1-Cu. Рентгенівські кванти різної енергії виділялися з суцільного спектру за допомогою кремнієвих та графітових фільтрів різної товщини, по методиці, описаній в [III]. Нормований спектральний розподіл фоточутливості таких структур, виміряний при оберненому зміщенні 10 В при опроміненні зразка з сторони CdTe через плівку золота, зображений на рис. 4. В першу чергу звертає на себе увагу максимум в області енергій 11 кеВ, який пояснюється наступними причинами. Спад у високоенергетичній області зумовлений зростанням довжини повного поглинання рентгенівських квантів, а у низькоенергетичній - поглинанням більш довгохвильових квантів в приповерхневому шарі та плівці золота, через яку проводиться опромінення. Було виявлено значне зростання І_р у високоенергетичній області при збільшенні величини прикладеної до зразка напруги (врізка на рис. 4), що пояснюється зростанням внеску радіолюмінесценції базових кристалів CdS<Te> у загальну.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4. Спектр фоточутливості ГП CdS-CdTe до рентгенівського випромінювання. На врізці - спектральна залежність відношення фотострумів при напрузі 50 В (I_p2) і 10 В (I_p1).

В п'ятому розділі розглядаються можливості практичного використання одержаних гетеропереходів. В p-i-n-структурах, одержаних при Т_а920 К спостерігається значне внутрішнє підсилення корисного фотосигналу як при прямому, так і при зворотному зміщенні. Разом з тим дослідження показали, що дані напівпрвідникові детектори доцільніше використовувати при оберненому зміщенні. Останнє зумовлене кількома причинами. По-перше, при оберненому зміщенні покращується швидкодія таких структур. По-друге, залежність фотоструму від потужності опромінення лінійна тільки при оберненому зміщенні, в той час як при прямому зміщенні спостерігається суттєва нелінійність при низьких рівнях опромінення.

Наші дослідження показали, що параметри фотодіодів залишаються незмінними в процесі вимірювань при опроміненні структури гелій-неоновим лазером та після його припинення в широкому діапазоні зміни (1-50 мВт) потужності випромінювання.

Чутливість таких детекторів лазерного випромінювання при напрузі 100 В складає біля 20 А/Вт. Крім того одержаний фотодіод може працювати в парі із промисловими світлодіодами. Для оптопари із найбільш ефективним світлодіодом типу АЛ307Б коефіцієнт передачі складає біля 4% при струмі через світлодіод біля 4 мА і 300 К.

Розглядувана p-i-n-структура може використовуватися як високоефективний детектор рентгенівського випромінювання, що працює в двох режимах роботи. В режимі прямого перетворення структура опромінюється зі сторони CdTe через золотий контакт, а для монолітного пристрою типу "сцинтилятор-фотодіод" - зі сторони CdS. Збільшення величини оберненої напруги приводить до зростання дозової чутливості, а при V60 В спостерігається тенденція до насичення, зумовлена насиченням дрейфової швидкості електронів в CdTe. При напрузі 80 В вона досягає значення 310^_3 Асм^_2Р^_1год. Мінімальна потужність дози, яку може зареєструвати даний детектор при опроміненні рентгенівською трубкою з Cu-анодом складає 1 мР/год.

Відомо, що монокристали CdS<Те> володіють потужною радіолюмінесценцією з максимумом при 0,73 мкм, спектр якої зображено на рис. 3.а [I]. Можна припустити, що досліджуваний гетероперехід може бути використаний як елемент монолітного пристрою "сцинтилятор-фотодіод". Коефіцієнт використання випромінювання для даної структури складає ~40 %, що дещо нижче від цього параметру для комбінованого детектора CdS<Те>-кремнієвий фотодіод, який служив еталонним. Величина дозової чутливості для інтегрального та комбінованого НД при V=0 практично однакові.

При збільшенні напруги до 10 В на фотодіоді ФД-228 (який служить приймачем в комбінованому детекторі) чутливість залишається практично незмінною. При напругах більших 10 В починає значно зростати темновий струм, який різко погіршує співвідношення сигнал/шум. Для монолітного детектора при V=80 В чутливість зростає майже на два порядки і досягає значення 10^_5 Асм^_2Р^_1год.

Експериментально встановлено, що максимальний к.к.д. (~9 % при 300 К в умовах освітлення АМ1,5) перетворення сонячної енергії в електричну одержується на зразках, виготовлених при Т_а= 820 К. При цих умовах напруга холостого ходу складала 0,5 В, густина струму короткого замикання 17 мА/см², а фактор заповнення навантажувальної характеристики 0,55.

Одержане значення к.к.д. значно менше, ніж у кремнієвих сонячних елементів, проте ГП CdS-CdTe характеризуються більш високою температурною та радіаційною стійкістю. Це дозволяє експлуатацію гетероперехідних фотоперетворювачів при таких умовах, коли Si-сонячні елементи взагалі не працюватимуть.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ І ВИСНОВКИ

Методом реакцій твердофазного заміщення на базі монокристалів CdS виготовлені анізотипні гетеропереходи в системі сульфід-телурид кадмію з низькою концентрацією дефектів на межі поділу, яка забезпечується перехідним шаром твердих розчинів CdS_xTe_1-x.

Експериментально показано, що процес заміщення носить дифузійний характер, а коефіцієнт дифузії описується виразом D=4exp(-0,62/kT_a), см²с в діапазоні температур відпалу T_a=820-1020 К.

Встановлено, що прямі гілки темнових вольтамперних характеристик гетеропереходів отриманих при T_a=820-920 К визначаються рекомбінацією в області просторового заряду при низьких напругах і надбар'єрним проходженням носіїв заряду - при великих. Обернений струм таких структур контролюється тунельними переходами електронів з p-CdTe в n-CdS. Показано, що при T_a920 К утворюються p-i-n-структури, темнові вольтамперні характеристики яких описуються в рамках теорії струмів обмежених просторовим зарядом.

Досліджені основні фотоелектричні властивості гетероструктур у залежності від технології їх виготовлення. Показано, що збільшення температури та часу виготовлення приводить до зменшення струму короткого замикання I_sc та фактору заповнення навантажувальної характеристики, залишаючи при цьому практично незмінною величину напруги холостого ходу V_oc. Встановлено, що фотострум визначається генераційно-рекомбінаційними процесами в області просторового заряду при низьких прямих зміщеннях і надбар'єрною емісією - при великих.

Встановлено, що збільшення фотоструму при обернених напругах V3 В в гетеропереходах, виготовлених при T_a=820-920 К, зумовлено процесами ударної іонізації, яка здійснюється переважно дірками. Виявлена спектральна залежність коефіцієнта помноження, величина якого в діапазоні енергій квантів 1,3-2,4 еВ змінюється в 3-4 рази. Різкий ріст фотоструму p-i-n-структур при збільшенні напруги обох полярностей з тенденцією до насичення при V50 В обумовлено ефектами внутрішнього підсилення та насиченням дрейфової швидкості електронів.

Виявлена чутливість досліджуваних гетеропереходів до рентгенівського випромінювання в спектральному діапазоні 8-33 кеВ. Встановлено, що збільшення прикладеної до структури напруги приводить до значного підвищення (майже в десять раз) чутливості в високоенергетичній області спектра.

Створені лабораторні зразки:

сонячних елементів з к.к.д. ~9 % при 300 К в умовах освітленості АМ1,5, температурна та радіаційна стійкість яких значно кращі, ніж у аналогічних кремнієвих;

детекторів лазерного випромінювання, струмова чутливість яких при напрузі 100 В складає біля 20 А/Вт;

оптопар з коефіцієнтом передачі біля 4 % при струмі, що проходить через світлодіод І4 мА;

детекторів рентгенівського випромінювання прямого перетворення та типу “сцинтилятор-фотодіод” з чутливістю до інтегрального потоку рентгенівських променів з енергією 8-33 кеВ біля 310^-3 Асм^-2Р^-1год та 10^_5 Асм^_2Р^_1год відповідно, яка майже на два порядки перевищує чутливість існуючих аналогів.

СПИСОК ЦИТОВАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

Рыжиков В.Д. Сцинтилляционные кристаллы полупроводниковых соединений А²В⁶. Получение, свойства, применение. - М.: НИИТЭХИМ, 1989. - 123 с.

Фаренбрух А., Бьюб Р. Солнечные элементы: Теория и эксперимент: Пер. с англ. под ред. Колтуна М.М. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 280 с.

Клюев В.К. Рентгенотехника: Справочник. - М.: Машиностроение, 1980. - 305 с.

Основні результати дисертаційної роботи викладені в наступних публікаціях:

Махній В.П., Баранюк В.Є., Березовський М.М., Барасюк Я.М. Проблеми створення сонячних елементів з гетеропереходами на основі ІІ-VІ сполук / Тези доп. на наук. конф. "120 років ЧДУ".- Чернівці. - 1995. - 2. - С. 39.

Махній В.П., Баранюк В.Є., Барасюк Я.М. Електричні та фотоелектричні властивості гетеропереходів сульфід-телурид кадмію // УФЖ - 1996.- 41, №4.- С. 453-457.

Makhniy V.P., Barasyuk Ya.M., Melnik V.V. Obtaining and properties of hole conductivity layers of wide-gap II-VI compounds/ Book of abstr. Int. Workshop on advanced technologies of microscop. solids films and structures and their application in photonics. - Uzgorod. Ukraine. -1996. - P. 26.

Makchniy V.P., Baranyuk V.Ye., Barasyuk Ya.N. Detectors of the electromagnetic radiation on the basis of the heterojunction of the sulphide-telluride cadmium / Abstr. bookl. Sec. Intern. school-konf. Phys. probl. in mater. sciense of semicond.- Chernivtsy, Ukraine.- 1997.- P. 292.

Makhniy V.P., Barasyuk Ya.M., Berezovskiy M.M., Makhniy O.V., Melnik V.V. Physical properties of the layers of cadmium and zinc chalcohenides obtained by use of solid-state substitution reactions metods / Abstr. First Polish - Ukraine Symposium. New Photovoltaic Materials for Solar Cells. - Crakow.-1996. - P.38.

Махний В.П., Барасюк Я.Н., Склярчук В.М. Детектор рентгеновского излучения на основе гетероперехода сульфид-теллурид кадмия // ПТЭ.-1997.-№2.-С.115-117.

Махний В.П., Барасюк Я.Н. Интегральный детектор ионизирующих излучений на основе гетероперехода сульфид-теллурид кадмия // Письма в ЖТФ. - 1997.- 23, №.14. - С. 17-20.

Баранюк В.Е., Барасюк Я.Н., Махний Е.В. Фодчук И.М. Свойства слоев широкозонных II-VI соединений, полученных методом реакций твердофазного замещения // Петербургский журнал электроники. - 1997. - № 1. - С. 24-26.

Махний В.П., Барасюк Я.Н. Фотоприемник с внутренним усилением на основе гетероперехода сульфид-теллурид кадмия // Микроэлектроника. - 1998.- 27, № 2. - С. 90-92.

Баранюк В.Є., Барасюк Я.М., Махній В.П., Малімон І.В. Спектральні та дозиметричні характеристики рентгеночутливих гетеропереходів сульфід-телурид кадмію // Науковий вісник Чернівецького університету. Фізика. - 1998.- 30.- С. 138-142.

Барасюк Я.М., Махній В.П., Малімон І.В., Собіщанський Б.М. Вплив технологічних умов виготовлення гетеропереходів сульфід-телурид кадмію на їх фотоелектричні властивості// Науковий вісник ЧДУ: Фізика. - ЧДУ, 1999. - 50. - С. 50-52.

Barasyuk Ya.M., Makhniy V.P., Medvid' M.S. Impact ionization in heterojunctions of cadmium sulphide-telluride/ Abstracts booklet of Third International school-conference on Physical Problems in Material Science of Semiconductors. - Chernivtsy, Ukraine. - 1999. - P. 286.

Махний В.П., Баранюк В.Е., Барасюк Я.Н., Демич Н.В., Малимон И.В., Мельник В.В., Собищанский Б.М. Проблемы создания барьерных детекторов на основе широкозонных ІІ-VI соединений / Тезисы докладов международной конференции, посвященной методам рентгенографической диагностики несовершенств в кристаллах, применяемых в науке и технике. - Черновцы, Украина. - 1999- С. 78.

Махній В.П., Баранюк В.Є., Барасюк Я.М., Демич М.В., Махній О.В., Мельник В.В., Собіщанський Б.М. Бар'єрні детектори електромагнітного випромінювання на основі широкозонних II-VI сполук // Науковий вісник ЧДУ: Фізика. Електроніка - ЧДУ, 1999. - 66. - С. 24-27.

Барасюк Я.М. Фізичні властивості гетеропереходів в системі сульфід-телурид кадмію. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.10 - фізика напівпровідників і діелектриків. - Чернівецький державний університет, Чернівці, 2000.

Дисертація присвячена вивченню електричних, фотоелектричних та рентгеноелектричних процесів в анізотипних гетеропереходах сульфід-телурид кадмію, виготовлених методом реакцій твердофазного заміщення. Встановлені технологічні режими які дозволяють отримувати гетеропереходи з незначною концентрацією дефектів на межі поділу. Встановлено зв'язок основних електричних та фотоелектричних характеристик і параметрів гетероструктур з умовами їх виготовлення. Виявлено спектральну залежність коефіцієнта помноження носіїв заряду, що дало змогу встановити домінуючу роль дірок в процесах ударної іонізації. Досліджено спектральні та дозиметричні характеристики гетероструктур при їх опроміненні рентгенівськими квантами. Виготовлено лабораторні зразки сонячних елементів, детекторів лазерного випромінювання, оптопар, детекторів рентгенівського випромінювання прямого перетворення та типу “сцинтилятор-фотодіод”. Чутливість останніх до рентгенівських квантів у діапазоні 8-33 кеВ більш, ніж на два порядки перевищує чутливість існуючих аналогів.

Ключові слова: гетероперехід, метод реакцій твердофазного заміщення, II-VI сполука, сонячний елемент, фотодіод, детектор рентгенівського випромінювання, сцинтилятор.

Барасюк Я.Н. Физические свойства гетеропереходов в системе сульфид-теллурид кадмия. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков. - Черновицкий государственный университет, Черновцы, 2000.

Диссертация посвящена изучению электрических, фотоэлектрических и рентгеноэлектрических процессов в анизотипных гетеропереходах сульфид-теллурид кадмия, изготовленных методом реакций твердофазного замещения. Установлены технологические режимы, которые позволяют получать гетеропереходы с незначительной концентрацией дефектов на границе раздела. Экспериментально показано, что процесс замещения серы в монокристаллах CdS теллуром носит диффузионный характер, а температурная зависимость коэффициента диффузии описывается соотношением D=4exp(_0,62/kT_a), см²с в интервале температур отжига Т_а=820-1020 К.

Установлено, что механизмы переноса тока существенным образом зависят от условий изготовления гетероструктуры. Так прямые ветви вольтамперных характеристик гетеропереходов, изготовленных при 820-920 К, определяются рекомбинацией носителей в области пространственного заряда при низких напряжениях и надбарьерным прохождением носителей заряда - при больших. Обратные ветви вольтамперных характеристик таких структур обуславливаются туннельными переходами электронов из p-CdTe в n-CdS. При температурах отжига, больших 920 К получаются p-i-n-структуры, темновые вольтамперные характеристики которых описываются в рамках теории токов, ограниченных пространственным зарядом.

Исследованы основные фотоэлектрические свойства полученных гетероструктур и их зависимость от технологических режимов изготовления. Спектр фоточувствительности охватывает спектральный диапазон 1,2-2,5 еВ. Наличие фототока при энергиях квантов, меньших ширины запрещенной зоны теллурида кадмия обусловлено поглощением таких фотонов в слоях твердых растворов CdS_0,2Te_0,8, ширина запрещенной зоны которых ~1,2 еВ. Установлено, что фототок обусловлен генерацией носителей в области пространственного заряда при низких прямых смещениях и надбарьерной эмиссией - при больших. Показано, что увеличение температуры и времени отжига ведет к уменьшению тока короткого замыкания и фактора заполнения нагрузочной характеристики, оставляя при этом практически неизменной величину напряжения холостого хода.

Показано, что для структур, изготовленных при температурах меньших 920 К, увеличение фототока при обратных смещениях V3 В вызвано процессами ударной ионизации, которая осуществляется преимущественно дырками. Исследована спектральная зависимость коэффициента умножения, который в энергетическом интервале 1,3-2,4 еВ изменяется в 3-4 раза. Обнаружена чувствительность исследованных гетеропереходов к рентгеновскому излучению в спектральном диапазоне 8-33 кеВ. Установлено, что увеличение приложенного к гетероструктуре напряжения приводит к значительному (~10 раз) увеличению чувствительности в высокоэнергетической области спектра.

Созданы лабораторные образцы: солнечных элементов с к.п.д. ~9 % при 300 К в условиях освещенности АМ1,5; детекторов лазерного излучения, токовая чувствительность которых при напряжении 100 В составляет около 20 А/Вт; оптопар с коэффициентом передачи около 4 % при токе І4 мА, протекающем через светодиод; детекторов рентгеновского излучения прямого преобразования и типа “сцинтиллятор-фотодиод” с чувствительностью к интегральному потоку рентгеновских квантов с энергией 8-33 кеВ около 310^-3 Асм^-2Р^-1час и 10^-5 Асм^-2Р^-1час, соответственно.

Ключевые слова: гетеропереход, метод реакций твердофазного замещения, II-VI соединение, солнечный элемент, фотодиод, детектор рентгеновского излучения, сцинтиллятор.

Barasyuk Ya.M. Physical properties of heterojunctions in system sulphit-telluride of cadmium. - Manuscript.

Dissertation for a Candidate's Sciences degree by speciality 01.04.10 - Physics of Semiconductors and Dielectrics. - The State University of Chernivtsy, Chernivtsy, 2000.

The thesis is devoted to study electric, photoelectric and X-ray-electric processes in anysotype heterojunctions of cadmium sulphit-telluride produced by a solid state substitution reaction method. The technological modes are set which allow to gain heterojunctions with insignificant concentration of flaws on a demarcation. The connection of the basic electric and photoelectric performances and parameters of heterostructures with requirements of their produce is set. A spectral dependence of multiplying coefficient of charge carriers is detected which has allowed establish a dominant role of holes during impact ionization explored. The spectral and electric performances of heterostructures at their irradiation of X-ray quantums are explored. Laboratory samples of solar cells, detectors of a laser radiation, optopair and X-ray detectors of direct transformation and of "scintillator - photodiode" type were produced. The responsivity of X-ray detectors to X-ray quantums in the range 8-33 keV exceeds two orders more the responsivity of existing analogs.

Key words: heterojunction, solid state substitution reaction method, II-VI compounds, solar cells, photodiode, X-ray detector, scintillator.

Размещено на Allbest.ru