Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 6 Фотоэлектрические явления в монокристаллах CdV2S4 и структурах на их основе й А.А. Вайполин, Ю.А. Николаев, И.К. Полушина, В.Ю. Рудь, Ю.В. Рудь, Е.И. Теруков, N. FerneliusЖ Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 195251 Санкт-Петербург, Россия Ж Air Force Wright Lab., Wright Patterson AFB, OH, USA (Получена 2 декабря 2002 г. Принята к печати 3 декабря 2002 г.) Выращены монокристаллы тройного соединения CdV2S4 и выполнены исследования их кристаллической структуры, электрических свойств и оптического поглощения. Показано, что замещение элемента III группы в соединениях AIIBIIICVI на ванадий приводит к получению кристаллов n-типа проводимости с концентрацией 2 4 электронов 1018 см-3 и холловской подвижностью Un 150 см2/(В с) при T = 300 K, которая ограничивается рассеянием на колебаниях решетки. На монокристаллах CdV2S4 созданы первые выпрямляющие фоточувствительные структуры, исследованы их фотоэлектрические свойства и сделан вывод о возможности их применения при создании широкодиапазонных фотосенсоров естественного излучения.

Тройные полупроводниковые соединения и их бинар- вытянуты и часто имеют форму заостренной иглы. Миные аналоги обеспечивают управление фундаменталь- нимальная скорость роста направлена вдоль [111]. При ными свойствами алмазоподобных полупроводников за освещении белым светом кристаллы CdV2S4 непрозрачсчет вариации природы образующих эти вещества изопе- ны, тогда как в отраженном обладают металлическим риодных атомов [1]. В ряде позиционно-упорядоченных блеском и имеют светло-серую окраску. Полученные полупроводников установлено, что введение в их состав кристаллы по знаку термоэдс при T = 300 K обнаруэлементов из других периодов позволяет еще более живают электронный тип проводимости. Для измерений расширить диапазон управления характеристиками этих коэффициента Холла R и удельной электропроводимовеществ [2Ц4]. К примеру, замещение в тройных полу- сти использовались участки монокристаллов в форме проводниках AIIBIIICVI элементов II группы на элеменпрямоугольного параллелепипеда с естественной огран2 ты VIII (AII AVIII) обеспечивает создание магнитных кой при средних размерах 0.15 0.5 4 мм. На таких полупроводников нового класса [2Ц4]. В данной работе образцах методом сварки в электрическом разряде под представлены результаты изучения замещения атомов микроскопом [6] создавались в нужных местах точечные III группы в соединениях AIIBIIICVI атомами VIII группы зонды из серебряной проволоки. В результате этой про2 (на примере замещения ванадием атомов галлия). В ре- цедуры образец снабжался 4 потенциальными и 2 токозультате выращены монокристаллы CdV2S4 и созданы выми зондами. Контакты были омическими и нейтральфоточувствительные структуры двух типов, что открыло ными по отношению к освещению. Исследования удельвозможность впервые определить ряд оптоэлектронных ной электропроводности и коэффициента Холла провопараметров этого вещества и выявить перспективы его дились в слабых электрическом и магнитном полях.

применения в полупроводниковой электронике.

На рис. 1 приведены типичные температурные завиМонокристаллы CdV2S4 получены кристаллизацисимости кинетических коэффициентов и R в исслеей из нестехиометрических растворовЦрасплавов [5].

дованном интервале температур 140-300 K. Из рис. Рентгеновские исследования показали, что монокри(кривые 1 и 2) следует, что монокристаллы CdV2S4 при сталлы кристаллизуются в кубической гранецентрирокомнатной температуре обладают значительной элекванной решетке с параметром a = 5.6577 0.тропроводностью 50-60 Ом-1см-1, которая плавно при T = 300 K. Обычно эти монокристаллы предрастет с понижением температуры. Аналогичный темставляют собой вытянутые вдоль кристаллографичепературный ход обнаруживает и коэффициент Холла, ского направления [112] призмы или иглы, огравозрастая от 6-7 до 8.5-9см3/Кл с понижением темниченные двумя естественными зеркальными плоспературы от 300 до 140 K. Вычисленная концентрация костями (111) и двумя (110). Следует подчерксвободных электронов в полученных монокристаллах нуть, что такая огранка не соответствует точечсоставляет 1018 см3 при T = 300 K. Слабое повышеной группе симметрии этого кристалла F43m. Средние кинетических коэффициентов и R с понижением ние размеры полученных монокристаллов составтемпературы позволяет высказать предположение о суляют (6-12) (0.4-0.6) (0.08-0.15) мм3. Максиществовании достаточно мелких уровней, что в соединемальная скорость роста кристаллов соответствует наниях AIIBIIICVI еще не наблюдалось [7]. Следовательно, 2 правлению [112], из-за чего в данном направлении они замещение атомов BIII(Cd, Zn) V приводит к сильно E-mail: yuryrud@mail.ioffe.ru му росту проводимости на 10-12 порядков величины, Фотоэлектрические явления в монокристаллах CdV2S4 и структурах на их основе фициент оптического поглощения из соотношения [9] 1 (1 - R0)2 (1 - R0)2 = ln + + R2, (1) d 2T0 2Tгде коэффициент отражения R0 0.3. На рис. 2 (кривая 1) представлен типичный спектр ( ) для монокристалла CdV2S4. Видно, что значительный рост наблюдается при >1 эВ. При энергиях фотонов выше 1.24 эВ этот рост усиливается и завершается вблизи 1.34 эВ. В координатах ( )2- в спектре коэффициента оптического поглощения удается выделить прямолинейный участок (рис. 2, кривая 2), а его экстраполяция ( )2 0 дает значение ширины запрещенРис. 1. Температурные зависимости удельной электропроводной зоны Eg 1.22 эВ при T = 300 K. С учетом низких ности (1), коэффициента Холла (2) и холловской подвижности значений коэффициента оптического поглощения вблизи электронов (3) монокристалла CdV2S4.

Eg ( 30 см-1) по аналогии с кристаллами AIIBIVCV следует отнести эти межзонные переходы к псевдопрямым [10,11]. Однако очевидно, что окончательный вывод о природе краевого поглощения в CdV2S4 требует например, относительно аналога CdV2S4 ЧCdGa2S4 [7].

продвижения в область сильного оптического поглоВероятно, введение атомов типа ванадия в кристаллы щения ( >103 см-1), что при имеющихся размерах AIIBIIICVI может рассматриваться при решении пробле2 полученных кристаллов с помощью традиционной абмы легирования этих веществ [7]. К числу существенных сорбционной спектроскопии оказалось нереализуемым.

особенностей электрических свойств монокристаллов Для применения фотоэлектрической спектроскопии CdV2S4 следует также отнести:

при изучении свойств полученных монокристаллов в раа) обнаружение достаточно высокой холловской боте была также предпринята попытка создания фоподвижности электронов Un 150 см2/(В с) при точувствительных структур на основе монокристаллов T = 300 K и высокой их концентрации n 1018 см-3;

CdV2S4 n-типа. С этой целью изучались возможности б) рост холловской подвижности с понижением тем-3/пературы T < 300 K по закону Un T, что позволяет сделать вывод о доминирующем рассеянии электронов на колебаниях решетки [8].

Как видно из рис. 1 (кривая 3), при T = 140 K холловская подвижность электронов возрастает до значений Un 620 см2/(В с), что свидетельствует о принципиальной возможности получения достаточно совершенных монокристаллов CdV2S4. Экстраполяция полученной зависимости Un(T ) к температуре жидкого азота свидетельствует о том, что при сохранении решеточного механизма подвижности возможно достижение в этом тройном соединении значений Un 2300 см2/(В с) при T = 77 K. Следовательно, тройные соединения нового класса AIIBVIIICVI являются полупроводниками и могут 2 быть получены с достаточно высокой (для полупроводников сложного состава) подвижностью электронов.

Следует при этом отметить, что для тройных аналогов CdV2S4 соединений AIIBIIICVI, которые изучаются уже 2 достаточно длительное время [4,7], пока не обнаружены кристаллы со значительной подвижностью носителей заряда, а вопрос о механизмах рассеяния в них еще не анализировался.

Методом абсорбционной спектроскопии на полученных монокристаллах CdV2S4 столь малых размеров при Рис. 2. Спектральная зависимость коэффициента оптическоT = 300 K были выполнены также измерения оптическо- го поглощения в координатах - (1) и в координатах го пропускания T0, согласно которым вычислялся коэф- ( )2- (2) монокристалла CdV2S4 при T = 300 K.

Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 668 А.А. Вайполин, Ю.А. Николаев, И.К. Полушина, В.Ю. Рудь, Ю.В. Рудь, Е.И. Теруков, N. Fernelius Фотоэлектрические свойства структур на основе монокристал- деляются в основном проводящими свойствами элеклов n-CdV2S4 при T = 300 K тролита. Пропускное направление полученных ячеек H2O/ CdV2S4, как правило, всегда соответствует отриm Тип структуры K U0, В R0, Ом n SU, В/ Вт, эВ цательной полярности внешнего смещения на кристалле In / n-CdV2S4 50 0.6 330 1.9 50 2.7-3.3 CdV2S4.

H2O/ n-CdV2S4 20 105 10 2.9-3.Примечание. K Ч коэффициент выпрямления ВАХ, n Ч коэффициент идеальности ВАХ.

контактов изучаемых кристаллов с металлами и жидким электролитом. На основании исследований контактных явлений некоторых металлов (In, Cu, Mo, Au) с плоскостью [111] монокристаллов CdV2S4 было установлено, что напыленные вакуумным термическим испарением тонкие пленки индия (d 0.1мм) обнаруживают четкое выпрямление. На рис. 3 представлена типичная вольт-амперная характеристика (ВАХ) структуры In / n-CdV2S4. Средние размеры кристаллов CdV2S4 составляли 0.50.50.1мм3. При напряжениях смещения |U| 0.7 В коэффициент выпрямления K в лучших структурах достигает 50 (см. таблицу), причем пропускное направление всегда соответствовало положительной полярности внешнего смещения на барьерном контакте.

При U > 0.8 В вольт-амперные характеристики начинают следовать соотношению Рис. 3. Вольт-амперная характеристика структуры In / n-CdV2S4 в координатах I-U (1) и на вставке Ч U - Uв координатах lg I-U (2 Ч прямая ветвь, 3 Ч обратная) I =, (2) Rпри T = 300 K. Пропускное направление реализуется при отрицательной полярности внешнего смещения на кристалле где напряжение отсечки U0 0.6 В и остаточное со- CdV2S4.

противление R0 330-350 Ом при T = 300 K для полученных структур In / CdV2S4. В координатах lg I-U прямая ветвь ВАХ (рис. 3, кривая 2) при U0 0.3В следует экспоненциальному закону eU I = I0 exp - 1 (3) f nkT со значением фактора неидеальности n 1.7-1.9, что позволяет высказать предположение о рекомбинационной природе прямого тока [12] в полученных структурах In / CdV2S4. Обратный ток плавно увеличивается с ростом напряжения по степенному закону I U, где при U < 0.35 В показатель = 1, тогда как при U > 0.7В ток начинает резко расти и 10, что свидетельствует о наступлении ДмягкогоУ пробоя.

На монокристаллах CdV2S4, подобно [13], также созданы фотоэлектрохимические ячейки (ФЭХЯ). В случае ячеек H2O/ CdV2S4 наблюдалось выпрямление, характеризуемое коэффициентом K 20 при напряжениях Рис. 4. Спектральные зависимости относительной кванто|U| 10 В, тогда как значения сопротивлений R0 были вой эффективности фотопреобразования структур на основе существенно более высокими, чем для твердотельных монокристаллов n-CdV2S4 при T = 300 K (1 Ч In / CdV2S4, структур In / CdV2S2 (см. таблицу). Столь высокие зна- 2 ЧH2O/ CdV2S4). Спектральное разрешение не ниже 1 мэВ.

чения R0 характерны вообще для ФЭХЯ [13] и опре- Освещение структур со стороны барьерных контактов.

Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. Фотоэлектрические явления в монокристаллах CdV2S4 и структурах на их основе высокой эффективности собирания фотогенерированных пар в структурах на монокристаллах CdV2S4.

На рис. 5 демонстрируются примеры анализа спектров ( ) для типичных структур. Как следует из рис. (кривая 1), длинноволновая часть спектров фоточувствительности поверхностно-барьерных структур In / CdV2Sподчиняется закону Фаулера [14], что может служить основанием для вывода об эмиссии фотогенерированных носителей заряда через барьер. Из экстраполяции линейного участка зависимости 1/2 0 можно оценить высоту энергетического барьера в таких структурах B 0.6-0.9 эВ для различных образцов, которая согласуется с величиной напряжения отсечки U0 в вольтамперных характеристиках (рис. 3) полученных структур. Длинноволновый рост квантовой эффективности фотопреобразования описывается законом Рис. 5. Спектральные зависимости относительной кванто = A(Eg - )1/2, (4) вой эффективности фотопреобразования структур на основе монокристаллов n-CdV2S4 при T = 300 K: 1 Ч в координачто, согласно [15], дает основание считать переходы тах 1/2-, 2Ц5 Ч ( )2-. Исследованные структуры:

прямыми и из экстраполяции ( )2 0 для разных 1-3 ЧIn / CdV2S4; 4, 5 ЧH2O/ CdV2S4. Освещение неполяструктур определить Eg 1.18-1.21 эВ (кривые 2, 4 на ризованным излучением со стороны барьерного контакта.

рис. 5). Следует подчеркнуть, что этот анализ хорошо согласуется с подобным анализом спектров ( ) монокристаллов, на которых создавались фоточувствительПри освещении обоих типов полученных структур ные структуры (рис. 2).

неполяризованным излучением обнаруживается фотоИз рис. 5 также следует, что прямолинейный учавольтаический эффект. Знак фотонапряжения в структусток в зависимости ( )2- обоих типов барьеров рах In / CdV2S4 и H2O/ CdV2S4 оказывается одинаковым имеется и в коротковолновой спектральной области и не зависит от геометрии их освещения и энерфоточувствительности, а его экстраполяция ( )2 гии фотонов. Отрицательная полярность фотонапряжедает значение Eg 2.22-2.28 эВ. Эта величина энергии ния соответствует кристаллу CdV2S4, что согласуется межзонных переходов приходится на область высокого с направлением выпрямления в полученных структурах.

оптического поглощения и поэтому может быть связаМаксимальная вольтовая чувствительность обычно нана с прямыми межзонными переходами в соединении блюдается при освещении структур со стороны барьер- CdV2S4. Подчеркнем, что величины Eg и Eg практически ного контакта (In и H2O) и в структурах In / CdV2S4 не зависят от типа созданных энергетических барьеров m достигает SU = 50 В / Вт при T = 300 K (см. таблицу).

на одном и том же полупроводниковом соединении. Этот Следует также указать на отсутствие выраженных эффакт является еще одним свидетельством в пользу того, фектов деградации фоточувствительности в созданных что найденные величины Eg и Eg являются фундаменструктурах.

тальными параметрами монокристаллов CdV2S4.

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам