Релаксация фотопроводимости в кристаллах CuGaSe2(Zn, Ge) Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 537.31

РЕЛАКСАЦИЯ ФОТОПРОВОДИМОСТИ В КРИСТАЛЛАХ

CuGaSe2(Zn, Ge)

© Н. А. Емельянов

студент физико-математического факультета e-mail: [email protected]

Научный руководитель А. Ф. Князев

канд. физ.-мат. наук, доц. каф. общей физики e-mail: [email protected]

Курский государственный университет

В работе представлены результаты исследования релаксации фотопроводимости полупроводниковых монокристаллов типа CuGaSe2(Zn, Ge). Проанализированы релаксационные кривые. Обнаружено, что в кристаллах CuGaSe2(Zn, Ge) имеет место долговременная релаксация фотопроводимости, которая носит сложный характер и может быть объяснена наличием мелких ловушек глубиной залегания порядка 0,01 эВ и поверхностных состояний.

Ключевые слова: кристалл, электропроводность, фотопроводимость, релаксация, механизм релаксации фотопроводимости.

Кристаллы CuGaSe2 относятся к классу халькопиритов (соединений, являющихся изоэлектрическими аналогами цинкового сфалерита). Структурой халькопирита является суперрешетка цинкового сфалерита. Ширина запрещенной зоны у данных кристаллов меньше, чем у бинарных аналогов, и равна 1,68 эВ [Rusu, Gashin, Simashkevich 2002].

Гетеропереходы ZnSe/Cu(In, Ga)Se2 получены вакуумным напылением CuGaSe2 на поверхность (110) кристалла ZnSe [Rusu, Gashin, Simashkevich 2002]. Исследована структура гетероперехода и измерены его характеристики: вольтамперные, спектральные [Rusu, Gashin, Simashkevich 2002; Rusu, Sadewasser, Glatzel, Gashin, Simashkevich, Jager-Waldau 2002; Гременок, Ильчук, Никитин, Рудь В.Ю., Рудь Ю.В. 2005], измерены спектры люминесценции кристаллов CuGaSe2 [Пономарева, Серов, Бондарь 2007].

Представляет интерес получение кристаллов CuGaSe2 n-типа проводимости. Получение такого материала позволило бы создать гомогенный p-n-переход. Для этого в них вводились примеси Zn и Ge. Монокристаллы CuGaSe2(Zn, Ge) были выращены в ИПФ АН Республики Молдова и представлены для измерений доктором А.Н. Натепровым.

Четырехзондовым методом на постоянном токе была измерена электропроводность кристаллов CuGaSe2(Zn, Ge) разных составов. Результаты приведены в таблице. При 300 К все изученные образцы обладали p-типом проводимости.

На рис. 1 приведены зависимости удельной электропроводности от температуры.

Введение примеси (Zn, Ge) приводит к существенному понижению концентрации носителей заряда и уменьшению о. Из графика (рис. 1) для образца 2 в области низких температур можно получить

Номер образца Состав образца

Образец 1 CuGaZno,oo3Geo,oo3 Se2

Образец 2 CuGaZno,oo3Geo,oo6Se2

Образец 3 CuGaZno, iGeo,iSe2

АЕ = 2к А(1па^ = 150 эВ А( 1 /Т)

что близко к ширине запрещенной зоны СиОаБе2 (Ей = 1,68 эВ).

Рис. 1. Зависимости удельной электропроводности от температуры кристаллов Сива8е2^п ве);

01 - график для образца 1; 02 - график для образца 2; 03 - график для образца 3

Установлено, что эти кристаллы обладают фоточувствительностью, которая наиболее сильно проявляется в образце 2. Была изучена релаксация фотопроводимости в этом кристалле. По стандартной методике нами были измерены релаксационные кривые. Образец засвечивался прямоугольными импульсами с частотой модуляции V = 5 Гц, в качестве регистрирующего прибора использовался осциллограф С1-93.

Рис. 2. Схема установки для измерения релаксационных кривых фотопроводимости:

1 - лампа, 2 - модулятор, 3 - диафрагма, 4 - образец, 5 - батарея,

6 - нагрузочное сопротивление

Снимки с экрана осциллографа производились цифровым фотоаппаратом. Требования к потоку излучения и фронтам нарастания и спада его соответствовали требованиям ГОСТа для измерения параметров приемников излучения. Типичная релаксационная кривая показана на рис. 3. По длительности развертки были определены время нарастания тн и время спада тсп фотопроводимости: тн = 11,7 мс, тсп = 13 мс.

Рис. 3. Типичная релаксационная кривая фотопроводимости

В кристаллах СиваБег^п, ве) нами было обнаружено явление долговременной (порядка десяти часов) релаксации фотопроводимости (ДРФП). Наиболее сильно оно проявлялось в образце № 2.

Схема установки для изучения ДРФП приведена на рис. 4. Образец в криостате (Т = 77 К) засвечивался красным светодиодом, расположенным рядом (А = 640 нм), или сверху лампой накаливания. После выключения засветки регистрировалась зависимость напряжения на нагрузочном сопротивлении от времени ин = Ин(1;), что позволило, зная параметры схемы, получить зависимость Я=Я(^. Затем образец снова засвечивался и цикл измерений повторялся снова.

Рис. 4. Схема установки для измерения долговременной релаксации фотопроводимости

На рис. 5 приведены зависимости Я=Я(ї) при первоначальной и повторной засветках. Образец с темновым сопротивлением порядка 800 МОм после засветки снижает его до 3 МОм. Через десять минут после прекращения засветки сопротивление составляет около 92 МОм. После повторных циклов (засветка и релаксация) сопротивление достигает 83, а затем 75 МОм.

Находясь в темноте после засветки, образец возвращается в исходное состояние через время порядка 10 часов. После повторной засветки образец возвращается в начальное перед повторной засветкой состояние. Образец возвращается в исходное состояние (темновое) только после нагрева до 300 К и последующего охлаждения до 77 К. Явление долговременной релаксации фотопроводимости или остаточной проводимости известно достаточно давно. Теория его описана в [Вальтер, Рудь В.Ю., Рудь Ю.В., Шок 1997].

Рис. 5. Зависимость Я от / при первоначальной (Т34) и повторных засветках

для образца № 2

На рис. 6 приведены релаксационные кривые, измеренные при разных условиях.

Из графиков (рис. 6) видно, что механизм релаксации фотопроводимости является сложным и теория, развитая в [Вальтер, Рудь В.Ю., Рудь Ю.В., Шок 1997], скорее всего, в данном случае неприменима к исследуемым кристаллам.

Рис. 6. Зависимость ln — = f (lnt): Io - ток при засветке, I - ток в темноте,

засветка красным светодиодом (640 нм) с расстояния 20 мм;

▲ - цикл: охлаждение от 300 К до 77 К, засветка, ■ - повторная засветка, ♦ - повторная засветка

Как известно, наличие ловушек может существенно замедлить процесс релаксации фотопроводимости [Рывкин 1963]. Для определения глубины залегания ловушек используют метод термостимулированного тока и метод подсветки образца ИК-излучением.

В нашем случае, видимо, в кристаллах присутствуют мелкие ловушки с глубиной залегания порядка 0,01 эВ, также играют роль поверхностные состояния. Все это, видимо, и приводит к такому виду релаксации фотопроводимости в кристаллах Cu-GaSe2(Zn, Ge).

Выводы

1. Установлено, что введение примесей Zn и Ge в кристаллах CuGaSe2(Zn, Ge) приводит к существенному уменьшению g в зависимости от содержания Ge (образец 2), и при низких температурах он, видимо, находится в области собственной проводимости.

2. Проанализированы релаксационные кривые, на основе которых получены время нарастания и время спада фотопроводимости. Они составили тн = 11,7 мс, тсп = 13 мс.

3. Обнаружено, что в кристаллах CuGaSe2(Zn, Ge) имеет место долговременная релаксация фотопроводимости. Релаксация носит сложный характер и может быть объяснена наличием мелких ловушек глубиной залегания порядка 0,01 эВ и поверхностных состояний. Выяснение детального механизма релаксации фотопроводимости в этих кристаллах требует дополнительных исследований.

Библиографический список

Rusu M., Gashin P., Simashkevich A. Interface charakterition of ZnSe/CuGaSe2 heterojunction // Solar Energy. 2002. V. 72. № 3. P. 235-241.

Rusu M., Sadewasser S., Glatzel Th., Gashin P., Simashkevich A., Jager-Waldau A. Contribution of the ZnSe/CuGaSe2 heterojunction in photovoltaic performances of chalcopyrite-based solar cells // Thin Solid Films. 2002. № 4. P. 344-348.

Гременок В.Ф., Ильчук Г.А., Никитин С.Е., Рудь В.Ю., Рудь Ю.В. Получение и фотоэлектрические свойства гетеропереходов ZnO-Cu(In, Ga)Se2 // Физика и техника полупроводников. 2005. Т. 39. Вып. 2. С. 218-221.

Пономарева И.П., Серов Ю.А., Бондарь И.В. Примесное поглощение и люминесценция кристаллов CuGaSe2 // Физика твердого тела. 2007. Т. 49. Вып. 2. С. 23-26.

Вальтер Т., Рудь В.Ю., Рудь Ю.В., Шок Г. Фоточувствительность тонкопленочных элементов Zno/CdS/Cu(In, Ga)Se2 // Физика и техника полупроводников. 1997. Т. 31. Вып. 7. С. 806-810.

Рывкин С.М. Фотоэлектрические явления в полупроводниках. М.: Физматгиз, 1963.