Неорганические материалы, 2020, T. 56, № 1, стр. 9-11

ВВЕДЕНИЕ

В последнее время представляет особый интерес создание гетеропереходов между CdTe и Si, так как гетероструктуры, созданные на их основе, могут быть еще одним решением вопроса преобразования солнечной энергии в электрическую. Такие гетеропереходы объединяют возможности кремниевых солнечных элементов с преимуществами теллурида кадмия. Однако имеются трудности в получении качественных гетеропереходов CdTe–Si, так как постоянные решеток CdTe и Si отличаются на 15%, что приводит к образованию большого количества поверхностных дефектов на границе. Тем не менее, в последнее время появились возможности получения качественных гетеропереходов CdTe–Si с низким уровнем поверхностных состояний благодаря образованию промежуточного переходного слоя, играющего роль буфера при формировании гетероструктуры nSi–pCdTe. При этом в промежуточном слое должен образоваться твердый раствор, приводящий к сглаживанию постоянных решеток.

Целью настоящей работы является получение слоев CdTe с переменным составом на Si-подложках и изучение состава слоя в зависимости от его толщины, а также вольтамперных и спектральных характеристик сформированной гетероструктуры nSi–pCdTe.

Как известно, тонкие пленки CdTe на различных подложках можно получить разными способами [1, 2]. Однако в последнее время чаще всего их получают путем термического осаждения в вакууме, т.е. методом конденсации из паровой фазы [3]. В настоящей работе для получения слоев CdTe был использован именно этот метод, так как он позволяет получать различные фоточувствительные структуры, обладающие высоким быстродействием. К тому же имеется возможность управления процессом осаждения и, таким образом, получения пленок с переменным составом. Например, в работе [4] исследовано влияние компенсации дополнительным источником паров Те в процессе роста на морфологию пленок CdTe, полученных вакуумным напылением. Показано, что регулированием температуры основного и компенсирующего источников можно получить пленки CdTe с проводимостью n- и p-типов.

МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА

Все исследованные гетероструктуры были получены путем термического осаждения порошков CdTe. Испарение CdTe проводилось медленно, как описано в работе [5], в квазизамкнутой вакуумной системе с остаточным давлением 10^–3 Па. В качестве подложек были использованы кремниевые пластины толщиной 300–350 мкм, вырезанные в направлениях (001) и (111) из слитков монокристаллического кремния n-типа проводимости с удельным сопротивлением ρ ≈ 5–10 Ом см. Использованные Si-подложки были подготовлены (отшлифованы и отполированы) в заводских условиях согласно ГОСТ. Однако для удаления имеющихся на поверхности кремниевой пластины загрязнений, образованных в результате длительного хранения, был применен щелочной травитель, который состоял из 5%-ного водного раствора КОН. Травление проводилось в течение 8–10 мин, после чего подложки тщательно промывали, так как КОН плохо удаляется с поверхности. Промывка проводилась вытеснительным методом [6] в два этапа: сначала подложки промывались проточной дистиллированной водой в течение 8–10 мин, затем деионизованной (~20 M Ом) водой в течение 3–5 мин. После этого подложки помещались в сушильный шкаф с инфракрасной сушкой на 15–20 мин.

Свойства образцов, полученных на подложках, очищенных вышеописанным способом, в 70–80% случаев имели близкие параметры (фоточувствительность и форма ВАХ), 20–30% образцов имели отклонение основных параметров 50–80%.

Морфологические исследования полученных пленок показали, что размеры кристаллитов сильно зависят от технологических режимов, прежде всего от времени осаждения и температуры подложки. При осаждении пленок температура тигля с источником (CdTe) варьировалась в интервале t_ист ≈ 800–850°С, а температура подложки (nSi) поддерживалась в пределах t_п ≈ 250–270°С. При этом для обеспечения воспроизводимости свойств была применена заслонка, с помощью которой задавалось время осаждения CdTe, что обеспечивало одинаковую толщину пленок в разных экспериментах.

Поверхность пленок CdTe была исследована с помощью микроскопа MИИ-4. Пленки CdTe состоят из плотно упакованных кристаллитов (зерен) с неровной, похожей на текстуру, поверхностью (рис. 1).

Рис. 1.

Микрофотография поверхности пленки.

Кроме того, было изучено распределение химических элементов по толщине слоя CdTe на микроаналитическом комплексе Jeol-JXA-8900 с погрешность ±2.0% (условия съемки: U = 20 кВ, I = 10 нА; эталоны: природные Cd, Te и Si, для S – синтетический FeS) (рис. 2). Результаты рентгенофазового анализа приведены на рис. 3. Как видно из рис. 2 и 3, на поверхности nSi-подложки (вертикаль 2) количество Si больше, чем количество CdTe, с ростом пленки количество Si постепенно уменьшается, а количество CdTe увеличивается. Наконец, за вертикалью 1 количество Si уменьшается почти до минимума, а количество CdTe достигает максимума. Из рис. 3 также видно, что интенсивность эмиссии вторичных электронов кадмия и теллура, выбитых с поверхности слоев, максимальная, т.е. поверхность пленки в основном состоит из CdTe.

Рис. 2.

Распределение химических элементов по толщине пленки.

Рис. 3.

Распределения химических элементов по поверхности слоев по данным рентгенофазового анализа.

Известно, что для создания гетероперехода с низкой плотностью поверхностных состояний различие не должно превышать 7% [7]. Однако исследования вольтфарадных характеристик на границе раздела между слоем pCdTe и nSi-подложкой показали, что плотность поверхностных состояний оказалась ниже, чем ожидалось в начале эксперимента.

На полученных гетероструктурах nSi–pCdTe были исследованы вольтамперные характеристики (ВАХ). Для этого изготовлялись контакты путем напыления индия в вакууме: на Si-подложку сплошные, а к слою pCdTe точечные площадью ~1 мм². Как видно из рис. 4, ВАХ имеет типичную форму, соответствующую диодной структуре.

Рис. 4.

ВАХ гетероструктуры nSi–pCdTe.

Также были исследованы спектральные характеристики структур nSi–pCdTe (рис. 5). Спектральная зависимость фоточувствительности измерялась на монохроматоре 3МР-3 при комнатной температуре. Источником излучения служила ксеноновая лампа типа ДКСШ-1000, работающая в режиме минимально допустимой мощности, имеющая в ультрафиолетовой и видимой областях сплошной спектр. Из рис. 5 видно, что спад максимума, расположенного в длинноволновой области спектра, соответствует кремнию, а спад максимума, расположенного в коротковолновой области, – теллуриду кадмия. Средняя часть спектральной зависимости (плато между максимумами кремния и теллурида кадмия) соответствует слою с переменным составом, образованному между кремнием и теллуридом кадмия.

Рис. 5.

Спектральная характеристика гетероструктуры nSi–pCdTe.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Показана возможность получения слоев CdTe на Si-подложках с переменным составом, т.е. качественных гетеропереходов между CdTe и Si для использования их в качестве солнечных элементов.