Диссертация (1149967), страница 11
Текст из файла (страница 11)
5.7), соответствующие оптическим переходам в кристалле изтрех валентных зон Г9 , Г7 и Г7 в зону проводимости Г7 [61].Рисунок 5.7 - Люминесценция и спектры отражения пленок ZnO, выращенных накремниевой подложке в высокотемпературном режиме с повышенным содержаниемкислорода (а, b) и при более низком давлении кислорода (с, d). А, В, С – свободныеэкситоны, D0x – экситон, связанный на нейтральном доноре. T = 5 K92Экситонная структура сильно размыта в спектрах пленок такой жетолщины, выращенных в низкотемпературном режиме при прочих равныхусловиях (образец М710). В спектрах на порядок более тонких пленок,выращенных при низкой температуре подложки и пониженном содержаниикислорода в ростовой камере, экситонная структура отсутствует, и крайпоглощения сильно затянут в сторону низких энергий.В низкотемпературных спектрах люминесценции различных образцовобъемных кристаллов ZnO наблюдалось около двух десятков узких линийизлучения экситонов, связанных на нейтральных и заряженных донорах.Энергии связи экситонов с этими примесями лежат в широком интервале от1,4 до 27,5 мэВ [53].
Несколько узких линий излучения такого типаприсутствуют в люминесценции выращенных нами пленок оксида цинка, нов спектре каждого конкретного образца наблюдается лишь одна линиясвязанного экситона. В спектрах некоторых образцов (например, М712)наряду с линией связанных экситонов присутствует широкая полоса смаксимумом около 3,1 эВ, по-видимому, индуцированная собственнымидефектами, с ростом температуры ее относительный вклад в излучениеувеличивается (рис. 5.7).
Сравнение спектров люминесценции пленок ZnO,сформировавшихся на горячих подложках в одном ростовом цикле,показывает, что относительная интенсивность экситонной люминесценциибольше в образце, выращенном на кремниевой подложке.Спектры отражения, приведенные на рис. 5.7, показывают, как влияютна качество слоев ZnO условия роста (температура подложки, содержаниекислорода в газовой смеси, толщина пленки). Что касается спектровизлучения, то в пленках ZnO толщиной 300 – 400 нм,выращенных ввысокотемпературном режиме при повышенном содержании кислорода,люминесцирует вся поверхность, тогда как в образцах толщиной в несколькодесятков нанометров и менее излучают свет лишь отдельные кристаллиты.Приповерхностное электрическое поле усиливает затухание экситонныхполяритонов в ZnO в области толщиной порядка 10 нм [62], вследствие этого93уменьшается квантовый выход экситонной люминесценции.
Это особенносущественно для образцов малой толщины.5.6 Спектры КРС плёнок ZnO, выращенных методом магнетронногораспыленияСпектры КРС тонких плёнок ZnO были получены при комнатнойтемпературе в геометрии обратного рассеяния. В качестве источникавозбуждения был использован лазер с длиной волны 532 нм, что являетсянерезонансным для данного материала.
Падающий и рассеянный лучиперпендикулярны поверхности плёнки. На рисунках 5.8 и 5.9 представленыполученные спектры.Рисунок 5.8 – Спектр комбинационного рассеяния света слоёв кристалла ZnO,выращенных на кремниевой подложке методом магнетронного напыления, в геометрииобратного рассеяния. Ось сонаправлена с осью роста кристалла94В такой конфигурации, в соответствии с правилами отбора в спектрахбудут видны только колебательные моды 2 (), 2 (ℎℎ) и 1 (), что ипредставленона графиках.Пикиколебанийнаходятсявхорошемсоответствии с данными для объёмного кристалла оксида цинка [60],величина отклонения не превышает 2 см-1. Иными словами, методмагнетронного напыления позволяет получать образцы ZnO высокогокачества.На графиках заметно, что пик колебаний, соответствующий мод1 (), имеет очень низкую интенсивность. Причины у этого явления две.Во-первых, изображённые спектры КРС неполяризованные и, следовательно,моды симметрии 2 являются гораздо более сильными, т.к.
они разрешены ив параллельной, и в перпендикулярной поляризации. Во-вторых, и этоявляется свойством материала, даже при выборе правильной поляризациипадающего и рассеянного света мода 1 () имеет довольно низкуюинтенсивность в ZnO [63]. Дело в том, что существуют два возможныхмеханизма для продольного оптического рассеяния света веществом. Первыймеханизм заключается во взаимодействии смещения решётки и электроновна коротких расстояниях, описываемый деформационным потенциалом.Другиммеханизмомявляетсядальнодействующеевзаимодействие,генерируемое макроскопическим электрическим полем, связанным с LOфононом, или фрёлиховское взаимодействие.
Эти два механизма могут какусиливать, так и ослаблять друг друга. Как показано в статье [64], в случаекристалла ZnO, деформационный и фрёлиховский вклад в продольноеоптическое рассеяние ослабляют друг друга, поэтому интенсивностьколебательной моды 1 () довольно низкая.95Рисунок 5.9 – Спектр комбинационного рассеяния света слоёв кристалла ZnO,выращенных на стеклянной подложке методом магнетронного напыления, в геометрииобратного рассеяния. Ось сонаправлена с осью роста кристаллаНа спектрах КРС плёнок ZnO, выращенных на стеклянной подложке(рис.
5.9), отчётливо виден пик около 333 см-1. Согласно [60] этот пиксоответствует разностной моде 2 (ℎℎ) − 2 (). Более того, для образцаM735 можно различить слабый пик около 380 см-1, который соответствуетколебательной моде 1 ().Из полученных спектров видно, что самый тонкий образец (M711,толщина 30 нм) имеет едва различимый относительно подложки сигнал,поэтому при нерезонансных условиях сделать оценку качества полученнойплёнки не представляется возможным.96Из спектров КРС на рисунках 5.8 и 5.9 можно сделать вывод о качествевыращенных плёнок. Наиболее интенсивными пиками колебаний обладаетспектр образца M712, который, однако, не является самым толстым.
Этопозволяет сделать вывод, что наиболее оптимальными параметрами дляполучения плёнок высокого качества является нагрев подложки до 450оС,давление газа в камере 0,25 Пас при парциальном давлении кислорода около30%.Рисунок 5.10 – спектр комбинационного рассеяния образца M712,выращенного на стеклянной и кремниевой подложках, в геометрии обратногорассеяния. Ось сонаправлена с осью роста кристаллаНа рисунке 5.10 изображены спектры КРС самой хорошей по качествуплёнки ZnO (образец M712). Видно, что для кремниевой подложки97реализуются условия для возбуждения резонансного рассеяния, имеющегобольшую интенсивность, так что более информативным является спектрпленок ZnO, выращенных на стеклянных подложках.
В спектре рассеянияпрактически отсутствует структура, не соответствующая фононам решеткиZnO и спектру рассеяния подложки, таким образом, вклад колебательныхмод,индуцированныхдефектами,вспектрплёнококсидацинканезначителен.Выводы к главе 5- Спектры люминесценции, отражения и комбинационного рассеяния светапленок окиси цинка, выращенных методом магнетронного распыления,свидетельствуют об их высоком качестве.- Оптимальными параметрами для получения высококачественных пленококсида цинка являются температура подложки 450оС, мощность магнетрона150 Вт, давление газа в камере 0,25 Па при парциальном давлении кислородаоколо 30%.98ГЛАВА 6.
Оптические свойства кристаллов Cu2O.6.1 Общие сведения о Cu2OОксид меди (I) (закись меди) является одним из первых открытыхполупроводников.Выпрямительныедиодынаегоосновеначалииспользовать с 1924 года, значительная часть теории полупроводников быларазработана на основе данных, полученных с помощью устройств на основеCu2O. В кристалле закиси меди впервые наблюдался спектр экситонабольшого радиуса.
Недавно в спектре поглощения высококачественныхкристаллов Cu2O удалось наблюдать рекордную (до 25 линий!) экситоннуюсерию [65, 66].Запоследниегодыувеличилсяинтерескизучениюполупроводниковых оксидов металлов и гетеропереходов на их основе дляиспользования в светодиодах, спинтронных устройствах и в солнечныхбатареях. В этой группе полупроводников оксид меди (I) является одним изсамых привлекательных материалов с точки зрения фотовольтаики ввиду егонетоксичности и низкой цены.
Кристаллы Cu2O могут быть полученыокислением меди при высокой температуре, тонкие плёнки выращиваютсяэлектролитическим осаждением, газофазной эпитаксией и магнетроннымраспылением.Оксид меди (I), полученный высокотемпературным окислением меди вкислородной среде, имеет p-тип проводимости и характеризуется довольновысоким качеством кристаллической структуры [67]. Эффективностьсолнечныx элементов на основе гетероперехода Ga2O3/Cu2O превышает 6%[68].Как уже было сказано выше, для выращивания Cu2O могут бытьиспользованы различные методы роста. Известно, что одним из факторов вуменьшении стоимости производства солнечных батарей является снижение99температуры технологического процесса.
Вдобавок к этому, при высокойтемпературе роста (больше 400 оС) может происходить деградация отдельныхкомпонентов солнечных батарей. Метод магнетронного распыления нетребует высокой температуры для выращивания пленок Cu2O и позволяетиспользовать в качестве подложек различные материалы.Для выращивания плёнок закиси меди (Cu2O) была использована та жеустановка для магнетронного напыления, что и для плёнок оксида цинка.6.2 Режимы роста пленок Cu2OДля формирования пленок Cu2O использовалась мишень из спеченногооксида меди (I) с чистотой, заявленной производителем 99.9% (TestbourneLtd), в качестве рабочего газа применялся аргон чистотой 99,9995%,давление которогов рабочей камере составляло 0.18 Па. Мощностьмагнетрона составляла 150 Вт, толщина слоев оксида меди (I) составлялаоколо 150 нм.Высокотемпературный рост пленок оксида меди (I) осуществлялся сиспользованием медной мишени (99,99%, производство LTS chemicals) притемпературе подложки 450 °С.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
