CC BY
31
УДК 621.315.592
Электрические свойства пленок теллурида кадмия и барьера Шоттки на его основе (Al/СdТe)
Н. Султонов, А.Т. Акобирова, Р.Б. Хамрокулов, О.В. Гафуров, Б.А. Рахматов, У.Р. Наимов
Таджикский национальный университет (Душанбе, Таджикистан)
Electrical Properties of Cadmium Telluride Films and the Al/CdTe Based Schottky Barrier
N. Sultonov, AT. Akobirova, R.B. Khamrokulov, O.V. Gafurov, B.A. Rakhmatov, U.R. Naimov
Tajik National University (Dushanbe, Tajikistan)
Показано, что с ростом толщины пленок теллурида кадмия от 0,4 до 1 мкм удельное сопротивление уменьшается от 8-108 до 8,1- 107 Ом-см, что равносильно возрастанию проводимости от 1,25-10-9 до 1,23-10-8 Ом-1-см-1. При толщинах выше 1 мкм удельное сопротивление и проводимость меняются слабо.
При толщинах пленок Д=0,4 мкм на рентгенограмме наблюдается один широкий максимум, что свидетельствует о несовершенстве кристаллитов. С ростом толщины до 1 мкм на рентгенограмме появляется ряд четких рефлексов с нарастающей интенсивностью, который связан с усовершенствованием кристаллической структуры пленок.
Получена вольт-амперная характеристика диода Шоттки. Показано, что с ростом прямого смещения наблюдается значительное увеличение прямого тока, а также заметное увеличение обратного тока при обратном смещении. Начальный участок прямой характеристики при напряжениях до 10 В является линейным и присущ барьерам Шоттки, однако при высоких напряжениях характеристика становится нелинейной.
Нелинейность вольт-амперной характеристики барьера Шоттки в достаточно широком диапазоне приложенного напряжения связана с эффектом границы зерен в поликристаллических пленках. А именно, при увеличении приложенного напряжения до определенного значения плотность ловушечных состояний в области границы кристаллита уменьшается, т.е. дырки начинают заполняться, что обычно наблюдается в полупроводниках, содержащих проводящие частицы в непроводящей матрице. Этот эффект мы использовали при изучении возможности изготовления детекторов ядерного излучения со структурой металл — полупроводник — металл. Ключевые слова: барьер Шоттки, рентгенограмма, тел-лурид кадмия, кристаллиты, проводимость, пленка, энергия активации, межзеренные границы, вакуумная установка.
DOI: 10.14258/izvasu(2022)4-11
It is shown that with an increase in the thickness of cadmium telluride films from 0.4 to 1 ^m, the resistivity decreases from 8-108 to 8,1- 107 Ohm-cm. It is equivalent to an increase in conductivity from 1,2540-9 to 1,2340-8 Ohm-1- cm-1. The resistivity and conductivity change only slightly at thicknesses above 1 ^m.
One broad maximum is observed on the X-ray diffraction pattern at film thicknesses D=0.4 ^m. This indicates the imperfection of the crystallites. As the thickness increases to 1 ^m, a number of clear reflections with increasing intensity appear on the X-ray diffraction pattern, which is associated with the improvement of the crystal structure of the films.
The current-voltage characteristic of the Schottky diode is obtained. It is shown that with an increase in the forward displacement, a significant increase in the forward current is observed, as well as a noticeable increase in the reverse current with a reverse displacement. The initial section of the forward characteristic at voltages up to 10 V is linear, which is inherent in Schottky barriers. However, the characteristic becomes non-linear at high voltages.
The nonlinearity of the current-voltage characteristic of the Schottky barrier in a fairly wide range of applied voltage is related to the grain boundary effect in polycrystalline films. Namely, as the applied voltage increases to a certain value, the density of trap states in the region of the crystallite boundary decreases; holes begin to fill, which is usually observed in semiconductors containing conductive particles in a non-conductive matrix. We used this effect when studying the possibility of manufacturing nuclear radiation detectors with a metal — semiconductor — metal structure.
Key words: Schottky barrier, X-ray pattern, cadmium telluride, crystallites, conductivity, film, activation energy, grain boundaries, structure, reflex, vacuum setup.
Введение
Тонкие пленки теллурида кадмия, а также халько-гениды кадмия являются подходящим материалом для создания фотоэлектрических преобразователей, поскольку их ширина запрещенной зоны близка к диапазону теоретически возможного максимального значения коэффициента полезного действия (КПД) [1]. Их можно использовать в гетеропереходах, ИК-де-текторах, коммутационных устройствах и оптоэлект-ронике. Высококачественные поликристаллические пленки теллурида кадмия уже используются для создания высокоэффективных солнечных элементов [2-4].
Повышенный интерес к солнечным преобразователям породил спрос на тонкие пленки с высокими коэффициентами поглощения в видимой области спектра. Важнейшим параметром полупроводников с точки зрения использования в фотоэлектрических преобразователях является ширина запрещенной зоны Е§. С помощью халькогенидов Cd можно регулировать ширину запрещенной зоны в пределах 1,4<Бв<2,4 эВ, что обеспечивает разумное перекрытие энергии солнечного спектра. CdTe является наиболее перспективным материалом для создания фотогальванических устройств из-за его большой ширины запрещенной зоны и высокого коэффициента поглощения.
Тонкие пленки теллурида кадмия могут быть получены различными технологиями [5-8].
Методы исследования
Исследование структуры тонких пленок теллурда кадмия проводилось методом рентгеноструктурно-го анализа на дифрактометре ДРОН-1. Использовали СиК2 излучения фильтрования никелем. Для регистрации рассеянного излучения использовали гониометр ГУР-5, где предусмотрено раздельное и собственное вращение счетчика и образца. Использован режим соотношения скоростей 2:1, т.е. скорость вращения счетчика составляла 1 град/мин, а скорость вращения образца — 0,5 град/мин.
Регистрацию интенсивности рассеяния I осуществляли сцинтилляционным счетчиком. Углы дифракционных максимумов (по шкале гониометра и по диаграмме на ленте самописца) измеряли с точностью 0,03 мин.
Электрические измерения проводили при помощи нановольтамперметра Р341, который позволяет измерять напряжения и ток в следующих поддиапазонах: напряжения: 0-500 нВ; 0-500 нВ; 0-500 мкВ; 0-10 мВ; ток: 0-500 нА; 0-50 мкА.
Кроме того, прибор позволяет при помощи встроенных (внешних) делителей расширять пределы измерения напряжения от 0-50 мВ до 0-5 В, тока от 0-125 мкА до 0-250 мкА.
Пленки толщиной 50-150 мкм получены на вакуумной установке ВУП-5.
Полученные результаты
В этой работе рассмотрены проводимость пленок, а также характеристики и параметры диода Шоттки на основе пленок теллурида кадмия толщиной 2 мкм, полученных вакуумным напылением в квазизамкнутом объеме. Пленки имеют поликристаллическую структуру с размером кристаллитов 140 А.
Как известно, зависимость темнового тока от тем-
пературы выражается формулой, а = а0 ехр
ЛБ 2кТ
где — предэкспоненциальный коэффициент, ДБ — энергия активации технологического процесса, к — постоянная Больцмана.
На рисунке 1 показана зависимость логарифма удельной проводимости от обратной температуры. Электропроводность образцов измеряли в темноте в интервале температур 300-400 К. Как видно, зависимость от 1/Т представляет собой прямую с наклоном (ДЕ/2к). С повышением температуры проводимость увеличивается. Зависимость — 103/Т для пленок представляет собой прямую линию, что свидетельствует об активирующем характере проводимости тонких пленок. Очевидно, такой характер зависимости от 1/Т свидетельствует о том, что доминирующим механизмом протекания тока является ограничение тока границами зерен (из-за наличия межкристаллитного барьера).
Следует отметить, что межзеренные границы являются местом, где велика концентрация разного рода несовершенств, связанных с поликристаллической природой пленок. Механизм роста проводимости тонких пленок с температурой связан с тем, что полученные вакуумным методом пленки теллурида кадмия являются полупроводниками [7, 8].
Рис. 1. Температурная зависимость проводимости пленок CdTe
Из графика, приведенного на рисунке 1, рассчитана энергия активации носителей пленок толщиной 2 мкм, которая оказалась равной 0,4 эВ. Эти данные не противоречат данным, полученным в работах авторов [8, 9].
В таблице приведены значения удельного сопротивления пленок разной толщины. Видно, что с увеличением толщины пленки от 0,4 до 1 мкм удель-
ное сопротивление уменьшается с 8-108 до 8,1-107 с 1,25-10-9 до 1,23-10-8 Ом-Ьсм-1. 1 см-1. При толщи-Ом-см, что эквивалентно увеличению проводимости нах более 1 мкм р изменяется незначительно.
Изменение размеров кристаллитов и удельного сопротивления с ростом толщины пленок
Толщины пленок Д, мкм Размеры кристаллитов Ь,, А к Интенсивность реф. (002) ^ усл. ед. Удельное сопротивление р, Ом-см
0,4 70 52 8-108
0,6 100 70 4,8-108
0,8 130 115 8,2-107
1,0 135 120 8,1-107
На рисунке 2 приведена рентгенограмма пленок различной толщины. При толщине пленки Д=0,4 мкм на рентгенограмме наблюдается один широкий максимум, что свидетельствует о дефектности кристаллитов. При увеличении толщины до 1 мкм на рентгенограмме появляется ряд четких рефлексов с возрастающей интенсивностью.
Как видно из таблицы, с увеличением толщины пленок размеры кристаллитов и интенсивность рефлекса (002) заметно увеличиваются вплоть до 0,8 мкм (рис. 2). Из анализа данных рентгеновских измерений
и удельной проводимости следует, что проводимость пленок теллурида кадмия зависит от совершенства кристаллической структуры: улучшение кристаллической структуры способствует увеличению проводимости пленок (табл., рис. 2).
Низкая удельная проводимость (а~10-8 Ом1 • см1) и значительная энергия активации проводимости (0,4 эВ) свидетельствуют о том, что проводимость тонких пленок теллурида кадмия определяется межкри-сталлитными барьерами [7, 8].
Рис. 2. Дифрактограммы пленок С^е различной толщины: 1 — 0,4; 2 — 0,6; 3 — 0,8; 4 — 1 мкм
Важнейшими характеристиками тонких пленок с точки зрения использования в фотоэлектрических устройствах являются удельная проводимость и возможность создания барьерного слоя на границе металл — полупроводник.
Барьер Шоттки на границе алюминия и СёТе создавался следующим образом. В вакуумной установке на пленку теллурида кадмия толщиной 2 мкм на стеклянной подложке был напылен алюминиевый контакт [9, 10]. Площадь контакта с алюминием была выбрана меньшей, чем площадь пленки. Барьер, об-
разовавшийся на границе поликристаллического тел-лурида кадмия и алюминия (А1-СёТе), является барьером Шоттки. Известно, что барьер Шоттки имеет широкий спектр применения: на основе барьеров Шоттки уже созданы высокочастотные диоды, транзисторы, полевые транзисторы и т.д.
Вольтамперные характеристики тонких полупроводниковых пленок с металлическими контактами (ВАХ) отражают характеристики диода. Прямая и обратная ветви ВАХ описываются уравнениями:
3 = Зs
цУ/
-1
3 = ЛТ2 ехр(- цфБ/кТ) 4пцш*к2
Л = -
к3
Экстраполируя значение обратного тока при ну-(1) левом напряжении, получаем плотность тока насыщения )
Из формулы (2) определяем высоту барьера
(2)
где п — фактор идеальности, ) — плотность тока, — плотность тока насыщения, фБ — величина барьера Шоттки, к — постоянная Больцмана (8,62-10-5эВ/К°), Т — абсолютная температура.
^Б =
кТ
2,3ц
ЛТ2
Зs
(3)
V Js у
Фактор идеальности контакта дается уравнением
п =
' 2,3ц 1 ' АУ '
1 кТ А у
(4)
Л 4пцш*к2
~к3 '
где А — эффективная постоянная Ричардсона, д — заряд электрона, т* — эффективная масса дырки, к — постоянная Больцмана, Ь — постоянная Планка.
На рисунке 3 приведена ВАХ структуры (А1-СёТе) на основе поликристаллической пленки СёТе. Как видно, при увеличении прямого смещения происходит значительное увеличение прямого тока, а также заметное увеличение обратного тока при обратном смещении. Начальный участок прямой характеристики при напряжениях до 10 В линейный, что присуще барьерам Шоттки. При больших напряжениях характеристика становится нелинейной.
Рис. 3. Характеристики барьера Шоттки на границе А1-С^е.
Нелинейность вольтамперной характеристики в достаточно широком диапазоне приложенного напряжения связана с эффектом границы зерен в поликристаллических пленках. При увеличении приложенного напряжения до определенного значения плотность ловушечных состояний в области границы кристаллита уменьшается, т.е. дырки начинают заполняться [11]. Это явление обычно наблюдается
в полупроводниках, содержащих проводящие частицы в непроводящей матрице. Высота барьера Шоттки рассчитывалась по формуле (3) по наклону зависимости 1о£)8 (V) (рис. 4). Коэффициент идеальности перехода также рассчитывался по рисунку 4 и уравнению (4). Высота барьера Шоттки на границе А1/СёТе и коэффициент идеальности составили 0,66 эВ и 1,16 соответственно.
Ьш
Рис. 4. Зависимость 1§з5 от приложенного напряжения для определения высоты барьера Шоттки
Точно такие же измерения и вычисления были проведены для контакта Ад-С^е. Высота барьера Шоттки [12], вычисленная на основе вольтамперных характеристик и температурной зависимости удельной проводимости, составляла величину 0,75 эВ. Это связано с различием работ выхода металлов А1 (4,2 эВ) и Ад (4,7 эВ).
Заключение
На основе анализа данных рентгеновского измерения и удельной проводимости установлено, что проводимость пленок теллурида кадмия сильно зависит от совершенства кристаллической струк-
туры: совершенствование кристаллической структуры способствует возрастанию проводимости пленок. Изготовлены барьеры Шоттки А1-С^е на основе поликристаллических пленок теллурида кадмия.
Установлено, что нелинейность вольтамперной характеристики в достаточно широких пределах приложенного напряжения связана с эффектом границы зерен в пленках, которые часто сравнимы со средней длиной свободного пробега основных носителей. Показано, что высота барьера Шоттки на контакте А1/С^е и фактор идеальности соответственно составляют величину 0,66 эВ и 1,16.
Библиографический список
1. Чопра К., Дас С. Тонкопленочные солнечные элементы / пер. с англ. с сокр. М., 1986.
2. Bhattacharya R.N., Rajeshwar K. Heterojunction CdS/ CdTe Solar Cells Based on Electrodeposited p-CdTe Thin Films: Fabrication and Characterization // J. Appl. Phys. 1985. № 58.
3. Marsillac S., Parikh V.Y., Compaan A.D. Ultra-thin Bifacial CdTe Solarcell // Sol. Energ. Sol. C. 2007. № 91.
4. Kumar L., Singh B.P., Misra A. Characterization of CdSe x Te 1-x sintered filmsfor photovoltaic applications // Physica B-Condensed Matter 2005. № 1-4.
5. Kumar V., Khan, K.L., Singh G, Sharma, T.P, Husain M. ZnSe Sintered Films: Growth and Characterization // Appl. Surf. Sci. 2007. Vol. 253. № 7.
6. Campbell D.S. Handbook of Thin Film Technology / eds. L.I. Maissel, R. Glang ; McGraw-Hill Book Compani. New York. 1970.
7. Беляев А.П. Зибец В.А., Калинкин И.П. Электрофизические характеристики эпитаксиальных пленок CdTe // Изв. вузов. Физика. 1990. № 3.
8. Беляев В.П., Рубец В.П., Нуждин М.Ю. Электрические свойства пленок теллурида кадмия, синтезированных в тепловом поле градиента температуры // ФТП. 2003. Т. 37. № 6.
9. Darwish S. DC electric and photoelectric measurements of CdTe thin films in Schottky-barrier cells // Phys. B. 2004. Vol. 349.
10. Soshnikov A., Bilevych Ye., Darchuk L., Apatskaya M., Tsybrii Z., Vuychyk M., Boka A., Sizov F. Boelling and B. Sul-kio-Cleff. The influence of substrate materials to the properties of CdTe thin films grown by HWE // Journal of Crystal Growth. 2005.
11. Clark A.H., Kazmerski L.L. Polycrystalline and Amorphous Thin Film Devices // Academic. New York. 1980.
12. Султонов Н., Акобирова А.Т., Хамрокулов Р.Б., Наи-мов У.Р. Определение высоты барьера Шоттки на контакте металл — пленка CdTe // Наука и инновация. 2014. № 1. С. 65-69.
