Research on Cu2ZnSnTe4 crystals and heterojunctions based on such crystals

Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2015, ¹ 5–6 ÓÄÊ 621.315.592

К. ф.-м. н. Т. Т. КовалюК, к. т. н. М. Н. СоловаН, к. т. н. а. И. МоСТовой, к. ф.-м. н. Э. в. МайСТруК, Г. П. ПархоМеНКо, д. ф.-м. н. П. Д. МарьяНчуК

Óêðàèíà, Чеðíовèцêèй íàцèоíàльíый уíèвеðсèтет èмеíè Юðèя Федьêовèчà

E-mail: tarik-1006@mail.ru

ИсследованИе крИсталлов

Cu

₂

ZnSnTe

₄

И гетеропереходов на Их основе

в íàстоящее вðемя ведутся èíтеíсèвíые èс-следовàíèя в íàпðàвлеíèè создàíèя полупðо-водíèêовых мàтеðèàлов íà осíове сульфèдов Cu, Zn è Sn (CZTS) [1, 2], àëьòåðíàòèâíыõ тðàдèцèоííым высоêоэффеêтèвíым соедèíе-íèÿм CuInSe2 (CIS), CuIn1–xGaxSe2 (CIGS) è

CdTe. Эòî îбóñëîâëåíî òàêèмè õàðàêòåðèñòèêà -мè CZTS, êàê бëèзêàÿ ê îïòèмàëьíîé дëÿ ïðå -îбðàзîâàíèÿ ñîëíåчíîé ýíåðãèè шèðèíà зàïðå -щåííîé зîíы (Eg≈1,5 ýВ), âыñîêèé êîýффèцè

-åíò ïîãëîщåíèÿ ñâåòà (îêîëî 105 _см–1_{), бîëьшîå} вðемя жèзíè íосèтелей зàðядà, à тàêже достà-òîчíî âыñîêàÿ èõ ïîдâèжíîñòь. В îòëèчèå îò дðугèх полупðоводíèêов, это соедèíеíèе íе со-деðжèт ðедêèх è эêологèчесêè опàсíых мàтеðè-àëîâ, ýëåмåíòы, âõîдÿщèå â åãî ñîñòàâ, шèðî -êо ðàспðостðàíеíы в земíой -êоðе, à стоèмость èõ дîбычè íåâыñîêà. Имåííî ýòî âызâàëî èí -теðес ê èсследовàíèю фèзèчесêèх свойств íо-âыõ ñîåдèíåíèé Cu2ZnSnTe4, посêольêу зàмеíà

ñåðы òåëëóðîм ïîзâîëÿåò èзмåíèòь шèðèíó зà -пðещеííой зоíы, à тàêже сíèзèть темпеðàтуðу ïëàâëåíèÿ ïðè ïîëóчåíèè îбъåмíыõ êðèñòàëëîâ.

тàêже íеуêлоííо ðàстет èíтеðес ê полупðо-âîдíèêîâым ãåòåðîïåðåõîдàм бëàãîдàðÿ ðÿдó èõ ïðåèмóщåñòâ ïî ñðàâíåíèю ñ ãîмîïåðåõîдàмè. сейчàс гетеðопеðеходы àêтèвíо èспользуются в ýëåêòðîíèêå, ëàзåðàõ, фîòîâîëьòàèêå [3, 4]. В то же вðемя, существует зíàчèтельíый èíтеðес ê создàíèю гетеðопеðеходов, в êотоðых в êàче-ñòâå îêíà èñïîëьзóюòñÿ шèðîêîзîííыå ïðîâîдÿ -щèå ïðîзðàчíыå îêñèды (íàïðèмåð, TiO2) èëè

íèòðèды (TiN). Эòî ïåðñïåêòèâíыå шèðîêîзîí -íыå мàòåðèàëы, îбëàдàющèå óдàчíîé ñîâîêóïíî -стью фèзèêо-хèмèчесêèх пàðàметðов, тàêèх êàê íèзêое удельíое сопðотèвлеíèе, достàточíо вы-соêèй êоэффèцèеíт пðопусêàíèя в вèдèмой чà-стè спеêтðà, высоêàя твеðдость, высоêàя èзíо-ñîñòîéêîñòь, õîðîшàÿ õèмèчåñêàÿ èíåðòíîñòь è

Представлены результаты исследований магнитных, кинетических и оптических свойств кристал-лов Cu2ZnSnTe4. Методом магнетронного осаждения тонких пленок TiN, TiO2 и Моох на

под-ложки из кристаллов Cu2ZnSnTe4 изготовлены анизотипные гетеропереходы n-TiN/p-Cu2ZnSnTe4,

n-TiO2/p-Cu2ZnSnTe4 и n-MoO/p-Cu2ZnSnTe4. Исследованы их электрические свойства и

установ-лены доминирующие механизмы токопереноса при прямом и обратном смещениях. Ключевые слова: кристалл, магнитная восприимчивость, гетеропереход, тонкая пленка.

ñòîéêîñòь ê êîððîзèè [3]. Äèîêñèд òèòàíà шè -ðоêо пðèмеíяется в солíечíых элемеíтàх в êà-честве пðосветляющего поêðытèя, фðоíтàльíого пðоводящего êоíтàêтà, дèэлеêтðèчесêого слоя, мàтеðèàлà для фоðмèðовàíèя гетеðопеðеходов [4], íèòðèд òèòàíà èñïîëьзóåòñÿ â îïòèчåñêèõ фèльтðàх, тоíêоплеíочíых ðезèстоðàх, зàщèт-íыõ è дåêîðàòèâзàщèт-íыõ ïîêðыòèÿõ.

Цåëью дàííîé ðàбîòы ÿâëÿåòñÿ èññëåдîâàíèå мàгíèтíых, êèíетèчесêèх è оптèчесêèх свойств êðèñòàëëîâ Cu2ZnSnTe4 è опðеделеíèе èх

пà-ðàметðов, à тàêже создàíèе гетеðопеðеходов íà èõ îñíîâå.

Методика эксперимента

Êðèñòàëëы Cu2ZnSnTe4 быëè ïîëóчåíы íàмè

методом сèíтезà — путем íепосðедствеííого ñïëàâëåíèÿ êîмïîíåíòîâ. В êàчåñòâå èñõîд íыõ âåщåñòâ дëÿ ñèíòåзà ñïëàâîâ Cu2ZnSnTe4

èс-ïîëьзîâàëè ýëåмåíòàðíыå (ОСЧ) âåщåñòâà. темпеðàтуðу сèíтезà è выðàщèвàíèя êðèстàл-ëîâ ïîдбèðàëè ýêñïåðèмåíòàëьíî.

ампулы èзготовлялè èз толстостеííого êвàð-цà ñ âыòÿíóòым êîíóñîîбðàзíым êîíцîм. Äëÿ òîãî чòîбы ïðåдîòâðàòèòь âзàèмîдåéñòâèå зàãðó -жàемого мàтеðèàлà с êвàðцем, àмпулы гðàфè-òèзèðîâàëè, ïîñëå чåãî îíè ñóшèëèñь â âàêóóм -íîм шêàфó è íàõîдèëèñь â âàêóóмå дî зàãðóз -êè â àмïóëó шèõòы.

для èзготовлеíèя гетеðостðуêтуð èспользо-âàëè êðèñòàëëы Cu2ZnSnTe4 р-тèпà

пðоводèмо-ñòè. Êîíцåíòðàцèÿ íîñèòåëåé зàðÿдà ïðè òåмïå -ðàòóðå 295 Ê ñîñòàâëÿëà р=2,9∙1020 _см–3_.

стðуêтуðы èзготàвлèвàлè íàíесеíèем пле-íîê TiN, TiO2, MoOх íà ïðåдâàðèòåëьíî îбðàбî

-òàííóю (шëèфîâêîé, ïîëèðîâêîé) ïîâåðõíîñòь êðèñòàëëîâ Cu2ZnSnTe4 (òèïîðàзмåðîм ïðèмåð

Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2015, ¹ 5–6 46

íîãî мàãíåòðîííîãî ðàñïыëåíèÿ мèшåíè чèñòî -го тèтàíà в àтмосфеðе смесè àð-гоíà è àзотà для TiN, àðãîíà è êèñëîðîдà дëÿ TiO2, à тàêже

ðàс-ïыëåíèÿ мèшåíè чèñòîãî мîëèбдåíà â àòмîñфå -ðå ñмåñè àðãîíà è êèñëîðîдà дëÿ MoOx пðè

по-ñòîÿííîм íàïðÿжåíèè.

подложêè ðàзмещàлèсь íàд мàгíетðоíом íà âðàщàющåмñÿ ñòîëèêå (дëÿ îбåñïåчåíèÿ îдíî -ðîдíîñòè ïëåíîê ïî òîëщèíå). Пåðåд íàчàëîм пðоцессà íàпылеíèя вàêуумíàя êàмеðà отêàчè-âàëàñь дî îñòàòîчíîãî дàâëåíèÿ 5∙10–3 _Пà.

в течеíèе пðоцессà íàпылеíèя гàзовàя смесь фîðмèðîâàëàñь â íåîбõîдèмîé ïðîïîðцèè èз дâóõ íåзàâèñèмыõ èñòîчíèêîâ. Äëÿ óдàëåíèÿ íеêоíтðолèðовàííого зàгðязíеíèя повеðхíостè мèшåíè è ïîдëîжåê èñïîëьзîâàëè êðàòêîâðå -мåííîå ïðîòðàâëèâàíèå бîмбàðдèðóющèмè èî -íàмè àðãîíà.

техíологèчесêèе пàðàметðы пðоцессà íàпы-леíèя, тàêèе êàê пàðцèàльíые дàвлеíèя гàзов PAr, PN2, Pо2 в вàêуумíой êàмеðе, мощíость мàг-íетðоíà Pм, пðодолжèтельíость пðоцессà

íàпы-леíèя t è темпеðàтуðà подложеê Tп, пðèведеíы

в таблице.

Технологические параметры процесса напыления

плеíêè Tп,

к мèít, Pм , вт PAr

, пà PN2

, пà PO2

, пà

тiN 570 15 120 0,35 0,7 —

TiO2 570 20 300 0,7 — 0,02

MoOx 570 10 120 0,24 — 0,034

Исследовàíèе мàгíèтíых свойств êðèстàллов Cu2ZnSnTe4 пðоводèлось методом Фàðàдея в

èí-теðвàле темпеðàтуð Т=290—330 Ê è мàãíèòíыõ полей Н=0,25—4 êЭ. Измåðåíèÿ мàãíèòíîé âîñ -пðèèмчèвостè χ пðоводèлèсь отíосèтельíо этà-ëîíà ñ èзâåñòíым åå зíàчåíèåм, èññëåдóåмыå îб -ðàзцы (мàññîé îêîëî 200 мã) ðàзмåщàëèñь â òåõ точêàх мàгíèтíого поля, где íàходèлся этàлоí-íыé îбðàзåц ïðè ãðàдóèðîâêå óñòàíîâêè. Äëÿ ðå -ãèñòðàцèè âзàèмîдåéñòâèÿ èññëåдóåмîãî îбðàз -цà с мàгíèтíым полем èспользовàлèсь элеêтðоí-íыå âåñы ЭМ-И-ЗМ ñ чóâñòâèòåëьíîñòью 1 мêã.

регèстðàцèя èзмеðяемого сèгíàлà пðово-дèлàсь с помощью уíèвеðсàльíого цèфðового âîëьòмåòðà Picotest M3500A ñ ïîãðåшíîñòью ±(0,004...0,008)% â зàâèñèмîñòè îò ïðåдåëà èз -мåðåíèé, ïîýòîмó ñëóчàéíàÿ ïîãðåшíîñòь быëà íåзíàчèòåëьíîé. Пðîâåдåííыå îцåíêè ïîêàзы -âàюò, чòî ñóммàðíàÿ ïîãðåшíîñòь ïðè èзмåðå -íèè мàгíèтíой воспðèèмчèвостè, состоящàя в îñíîâíîм èз ñèñòåмàòèчåñêîé ïîãðåшíîñòè, ñâÿ -зàííîé ñ îïðåдåëåíèåм мàññы îбðàзцà è ýòàëîíà, à òàêжå ñ íåòîчíîñòью ðàñïîëîжåíèÿ îбðàзцà â мàãíèòíîм ïîëå, è ñëóчàéíîé ïîãðåшíîñòè, îб -условлеííой íеточíостью èзмеðеíèя велèчèíы ñèãíàëà, íå ïðåâыñèëà 1%.

Исследовàíèя êèíетèчесêèх êоэффèцèеíтов ïðîâîдèëèñь íà îбðàзцàõ ðàзмåðîм 8×2×1,5 мм

пðè Т=290—340 Ê è Н=0,5—5 êЭ, ñóммàðíàÿ ïî -ãðåшíîñòь ïðè îïðåдåëåíèè ýëåêòðîïðîâîдíîñòè ñîñòàâëÿëà ïðèмåðíî 2%, êîýффèцèåíòà Хîëëà 6%, ïðè èзмåðåíèè êîýффèцèåíòà òåðмî-ýдñ íå ïðåâышàëà 6%.

Измеðеíèя êоэффèцèеíтà отðàжеíèя R вы-ïîëíÿëè íà ñïåêòðîмåòðå Nicolet 6700 ñ èñïîëь -зîâàíèåм ïðèñòàâêè Pike [5] â èíòåðâàëå дëè -íы вол-íы λ=0,9—26,6 мêм. Óãîë ïàдåíèÿ ëóчà â ïðèñòàâêå Pike мîжíî èзмåíÿòь îò 30 дî 80°.

Вîëьò-àмïåðíыå õàðàêòåðèñòèêè (ВАХ) ãåòå -ðостðуêтуð èзмеðялè по стàíдàðтíой методèêе с èспользовàíèем èсточíèêà постояííого тоêà BVP Electronics, â êàчåñòâå àмïåðмåòðà èñïîëь -зîâàëñÿ òîчíыé мóëьòèмåòð Fluke 5545A, à â êà -чåñòâå âîëьòмåòðà — Picotest M3500A.

Физические свойства кристаллов Cu2ZnSnTe4

Из пðоведеííых èсследовàíèй мàгíèт-íîé âîñïðèèмчèâîñòè óñòàíîâëåíî, чòî îбðàз -цы êðèñòàëëîâ Cu2ZnSnTe4 дèàмàãíèòíы, ò. å.

èх мàгíèтíàя воспðèèмчèвость почтè íе зàвè-сèт от мàгíèтíого поля è темпеðàтуðы è ðàвíà

χ_îб=–0,25∙10–6 _см3_/ã.

кàê вèдíо èз рис. 1, получеííые темпеðà-туðíые зàвèсèмостè элеêтðопðоводíостè для èññëåдîâàííыõ îбðàзцîâ Cu2ZnSnTe4 èмеют

тà-êîé жå õàðàêòåð, чòî è дëÿ мåòàëëîâ, ò. å. зíà -чåíèå óмåíьшàåòñÿ ñ ðîñòîм òåмïåðàòóðы, чòî îбóñëîâëåíî óмåíьшåíèåм ïîдâèжíîñòè íîñèòå -лей зàðядà пðè ðосте Т.

коэффèцèеíт холлà RH=1/(ep), ãдå е —

зàðÿд ýëåêòðîíà, дëÿ êðèñòàëëîâ Cu2ZnSnTe4

ïðàêòèчåñêè íå зàâèñèò îò òåмïåðàòóðы (ñм. âñòàâêó íà ðèñ. 1), чòî óêàзыâàåò íà âыðîждåí -íыé ãàз íîñèòåëåé зàðÿдà â ïîëóïðîâîдíèêå.

Êîýффèцèåíò òåðмî-ýдñ дëÿ âñåõ îбðàзцîâ èмеет положèтельíое зíàчеíèе, что тàêже уêà-зыâàåò íà ïðåîбëàдàíèå p-òèïà ïðîâîдèмîñòè.

пðоведеííые èсследовàíèя êоэффèцèеíтà от-ðàжеíèя R поêàзàлè, что его велèчèíà

остàет-Рèñ. 1. Òåмïåðàòóðíыå зàâèñèмîñòè óдåëьíîé ýëåê

-òðîïðîâîдíîñòè è êîýффèцèåíòà Хîëëà (вставка) êðèñòàëëîâ Cu2ZnSnтe4

σ

⋅

10

3, ом –1∙ñм

–1

290 300 310 320 330 Т, к 10

9

8

290 310 330 Т, к

RH

, см

3/Êë

0,04

0,03

0,02

0,01

Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2015, ¹ 5–6 ся пðàêтèчесêè постояííой пðè èзмеíеíèè углà

пàдеíèя элеêтðомàгíèтíого èзлучеíèя, поэтому можíо пðèíять R=R(0°)=R(30°) â îбëàñòè ñîб -ñòâåííîãî ïîãëîщåíèÿ.

Исследовàíèя спеêтðàльíой зàвèсèмостè êо-ýффèцèåíòà îòðàжåíèÿ îбðàзцîâ Cu2ZnSnTe4 от

длèíы волíы элеêтðомàгíèтíого èзлучеíèя по-êàзàлè íàлèчèе его плàзмеííого мèíèмумà в êо-ðîòêîâîëíîâîé чàñòè ñïåêòðà (рис. 2).

Электрические свойства и механизмы токопереноса анизотипных гетероструктур

n-TiN/p-Cu₂ZnSnTe₄, n-TiO₂/p-Cu₂ZnSnTe₄, n-MoO/p-Cu₂ZnSnTe₄

вольт-àмпеðíые хàðàêтеðèстèêè тðех àíèзо-тèпíых гетеðопеðеходов, èзмеðеííые пðè êом-íàтíой темпеðàтуðе, пðедстàвлеíы íà рис. 3.

Äëÿ ïåðâыõ дâóõ быëè îïðåдåëåíы êîýффèцèåí -ты выпðямлеíèя k ïðè âíåшíåм ñмåщåíèè 0,6 В, âыñîòà ïîòåíцèàëьíîãî бàðьåðà ϕ0 (ïóòåм ýêñ

-тðàполяцèè пðямолèíейíого учàстêà вах пðè пðямом смещеíèè до пеðесечеíèя с осью íàпðя-жåíèé) è ïîñëåдîâàòåëьíîå ñîïðîòèâëåíèå (ïî фоðмуле RS=ΔU/ΔI):

— n-TiO2/p-Cu2ZnSnTe4 (êðèâàÿ 1):

k=50, ϕ0=0,42 в, RS=39 Ом;

— n-TiN/p-Cu2ZnSnTe4 (êðèâàÿ 2):

k=27, ϕ0=0,23 В, RS=8 Ом.

аíàлèз вах стðуêтуð n-MoO/p-Cu2ZnSnTe4

(êðèâàÿ 3) íå ïðîâîдèëñÿ, ïîñêîëьêó èõ êîýф -фèцèеíт выпðямлеíèя очеíь мàл: k≈5.

нà рис. 4 пðедстàвлеíы пðямые ветвè вах гетеðопеðеходов n-TiN/р-Cu2ZnSnTe4 è

n-TiO2/p-Cu2ZnSnTe4 в полулогàðèфмèчесêèх

êîîðдèíàòàõ дëÿ óдîбñòâà àíàëèзà дîмèíèðóю -щèх мехàíèзмов тоêопеðеíосà пðè пðямом сме-щåíèè. Аíàëèз ïîêàзàë, чòî ãðàфèêè зàâèñèмî -стè lnI=f(V) èññëåдóåмыõ ãåòåðîïåðåõîдîâ ñî -стоят èз двух пðямолèíейíых учàстêов, что свè-дåòåëьñòâóåò îб ýêñïîíåíцèàëьíîé зàâèñèмîñòè тоêà от íàпðяжеíèя è íàлèчèè двух домèíèðу-ющèх мехàíèзмов тоêопеðеíосà в èсследуемом èíòåðâàëå íàïðÿжåíèé.

Из фоðмулы ΔlnI/ΔV=e/(nkT) быëè îïðåдå -леíы зíàчеíèя êоэффèцèеíтà íеèдеàльíостè n ге-òåðîïåðåõîдîâ дëÿ îбîèõ óчàñòêîâ íàïðÿжåíèé:

— n-TiN/р-Cu2ZnSnTe4:

n=4,45 пðè 0<V<0,6 В, n=14 ïðè 0,6<V<1,0 В;

— n-TiO2/p-Cu2ZnSnTe4:

n=4,3 ïðè 0<V<0,4 в, n=10,7 пðè 0,4<V<0,6 В.

Òàêèм îбðàзîм, ïðè íåбîëьшèõ ïðÿмыõ ñмå -щеíèях для èсследуемых гетеðопеðеходов зíà-чеíèе n ïðåâышàåò 2, чòî ñâèдåòåëьñòâóåò î дî -мèíèðîâàíèè òóííåëьíîé мîдåëè òîêîïåðåíîñà. пðè этом, посêольêу пðè очеíь мàлых пðямых ñмåщåíèÿõ îбëàñòь ïðîñòðàíñòâåííîãî зàðÿдà еще íедостàточíо тоíêà для пðямого туííелèðо-âàíèÿ, åдèíñòâåííым фèзèчåñêè îбîñíîâàííым мехàíèзмом тоêопеðеíосà является мíогоступеí-чàòыé òóííåëьíî-ðåêîмбèíàцèîííыé ñ óчàñòèåм повеðхíостíых состояíèй íà гðàíèцàх ðàзделà TiN/Cu2ZnSnTe4, TiO2/Cu2ZnSnTe4, îбðàзîâàí

-íых èз-зà íесовпàдеíèя пеðèодов êðèстàллèче-ñêèõ ðåшåòîê мàòåðèàëîâ êîмïîíåíòîâ èññëåдó -åмыõ ãåòåðîïåðåõîдîâ [6].

Рèñ. 2. Сïåêòðàëьíàÿ зàâèñèмîñòь êîýффèцèåíòà îò

-ðàжåíèÿ îбðàзцîâ Cu2ZnSnTe4 от длèíы волíы элеê-òðîмàãíèòíîãî èзëóчåíèÿ ïðè óãëå åãî ïàдåíèÿ 30° R, %

50

25

0 5 10 15 λ, мêм

Рèñ. 3. ВАХ ãåòåðîïåðåõîдîâ ïðè 295 Ê:

1 — n-TiO2/p-Cu2ZnSnTe4; 2 — n-TiN/p-Cu2ZnSnTe4;

3 — n-MoO/p-Cu2ZnSnTe4

I, ма

30

20

10

–1,2 –0,4 0 0,4 0,8 V, в 2

1

3

Рèñ. 4. Пðÿмыå âåòâè ВАХ ãåòåðîïåðåõîдîâ n-TiN/р-Cu2ZnSnTe4 (а) è n-TiO2/p-Cu2ZnSnTe4 (б)

ln

I

(

I

â А)

à) _–3

–6

–9

–12

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 V, в n=4,45

n=14

б)

ln

I

(

I

â А)

–2

–4

–6

–8

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 V, в n=4,3

Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2015, ¹ 5–6 тоê пðè пðямом смещеíèè опðеделяется

сле-дóющèм âыðàжåíèåм [7]:

I=Bexp(–α(ϕ₀(T)–eV)), (1)

где B —âåëèчèíà, êîòîðàÿ ñëàбî зàâèñèò îò òåмïå

-ðàòóðы è íàïðÿжåíèÿ;

α — õàðàêòåðèñòèêà мàòåðèàëà.

Выðàжåíèå (1) мîжíî ïåðåïèñàòь â дðóãîм вèде:

I=B exp(–αϕ₀(T)) expαeV.

с учетом того, что I0=B exp(–αϕ0(T)) — òîê

отсечêè, êотоðый íе зàвèсèт от пðèложеííого íàпðяжеíèя, получèм

I=I0 expαeV. (2)

Из этого выðàжеíèя следует, что íàêлоí íà-чàëьíыõ óчàñòêîâ ïðÿмыõ âåòâåé ВАХ (ΔlnI/ΔV) опðеделяется êоэффèцèеíтом α, êотоðый ðàвеí 8,8 эв–1 _{для n-TiN/р-Cu2ZnSnTe4 è 9,2 ýВ}–1 _для n-TiO2/p-Cu2ZnSnTe4.

пðологàðèфмèðовàв выðàжеíèе для тоêà от-сечêè I0, получèм

lnI0= lnB–αϕ0(T). (3)

Еñëè зíàчåíèå âыñîòы ïîòåíцèàëьíîãî бàðьå -ðà è êоэффèцèеíтà α èзвестíы, тогдà в можíо ëåãêî âычèñëèòь èз óðàâíåíèÿ (3):

в= exp(αϕ₀(T)–lnI0).

получеíо: в=1,07∙10–3 _{а для n-TiN/р-Cu2ZnSnTe4,} в=5,9∙103 _{а для n-TiO2/p-Cu2ZnSnTe4.}

пðè V>0,6 В дëÿ n-TiN/р-Cu2ZnSnTe4 è пðè

V>0,4 в для n-TiO2/p-Cu2ZnSnTe4 îбëàñòь ïðî

-стðàíствеííого зàðядà достàточíо тоíêà, è тут уже стàíовèтся возможíым пðямое туííелèðо-вàíèе, êотоðое опèсывàется фоðмулой ньюмеíà дëÿ òóííåëьíîãî мåõàíèзмà òîêîïåðåíîñà [7]:

I = I_t expγV, (4)

где It=It0 expβT— òîê îòñåчêè; β, γ — êîíñòàíòы.

Из последíего выðàжеíèя вèдíо, что íà-êлоí пðямых ветвей вах опðеделяется êоэф-фèцèеíтом γ, êотоðый ðàвеí 2,8 эв–1 _{для n-TiN/} р-Cu2ZnSnTe4 è 3,6 ýВ–1 для n-TiO2/p-Cu2ZnSnTe4.

Обðàòíыé òîê чåðåз èññëåдóåмыå ãåòåðî -ïåðåõîды â îбëàñòè ñмåщåíèé îò V=3kT/e до 0,7 в для n-TiN/р-Cu2ZnSnTe4 è дî 0,65 В дëÿ

n-TiO2/р-Cu2ZnSnTe4 (рис. 5) îïèñыâàåòñÿ ñî

-îòíîшåíèåм Iîбð~ e xp[(ϕ0–qV)–1/2], чòî ñâèдå

-тельствует о домèíèðовàíèè туííельíого мехà-íèзмà òîêîïåðåíîñà ïðè ïðèëîжåíèè âíåшíåãî íàïðÿжåíèÿ â îбðàòíîм íàïðàâëåíèè. В îбëàñòè смещеíèй V>0,7 в для n-TiN/р-Cu2ZnSnTe4

от-êлоíеíèе эêспеðèмеíтàльíых точеê от пðямой îбóñëîâëåíî ëàâèííым ðàзмíîжåíèåм íîñèòåëåé зàðÿдà â ðåзóëьòàòå óдàðíîé èîíèзàцèè.

Выводы

пðоведеííые èсследовàíèя поêàзàлè, что êðèñòàëëы Cu2ZnSnTe4 îбëàдàюò p-тèпом

пðо-водèмостè, èх êоэффèцèеíт холлà пðàêтèче-сêè íе зàвèсèт от темпеðàтуðы, à элеêтðопðо-âîдíîñòь óмåíьшàåòñÿ ñ åå ðîñòîм. В ãåòåðî -стðуêтуðàх n-TiN/p-Cu2ZnSnTe4, n-TiO2

/p-Cu2ZnSnTe4, получеííых методом

мàгíетðоí-íîãî îñàждåíèÿ òîíêèõ ïëåíîê TiN, TiO2 íà

êðèñòàëëы Cu2ZnSnTe4, домèíèðующèмè

ме-хàíèзмàмè тоêопеðеíосà являются туííельíо-ðåêîмбèíàцèîííыé è òóííåëèðîâàíèå Нюмåíà ïðè ïðÿмîм ñмåщåíèè è òóííåëèðîâàíèå ïðè îб -ðàòíîм. Аíàëèз мåõàíèзмîâ òîêîïåðåíîñà â ãå -теðостðуêтуðàх n-MoO/p-Cu2ZnSnTe4 íе

пðово-дèлся, посêольêу èх êоэффèцèеíт выпðямлеíèя îчåíь мàë (k≈5).

Рåзóëьòàòы дàííыõ èññëåдîâàíèé мîãóò быòь èñïîëьзîâàíы дëÿ ëóчшåãî ïîíèмàíèÿ ïðîцåñ -ñîâ, ïðîòåêàющèõ â мàòåðèàëàõ Cu2ZnSnTe4 è в

стðуêтуðàх, создàííых íà èх осíове, для дàль-íåéшåãî óëóчшåíèÿ èõ ñâîéñòâ è ïàðàмåòðîâ.

ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСÒОЧНИÊИ

1. Wang W., Winkler M. T., Gunawan O. et al. Device characteristics of CZTSSe thin-film solar cells with 12.6% efficiency // Advanced energy materials.— 2014.— Vol. 4.— P. 1—5. DOI: http://dx.doi.org/10.1002/aenm.201301465.

2. Hironori Katagiri, Kazuo Jimbo, Win Shwe Maw et al. Development of CZTS-based thin film solar cells // Thin Solid Films.— 2009.— Vol. 517, N 7.— P. 2455—2460. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.tsf.2008.11.002.

3. Аëфåðîâ Ж. И. Иñòîðèÿ è бóдóщåå ïîëóïðîâîдíèêî

-âыõ ãåòåðîñòðóêòóð // ФÒП.— 1998.— ¹ 32/1.— С. 3—18. 4. Фàðåíбðóõ А., Бьюб Р. Сîëíåчíыå ýëåмåíòы: Òåîðèÿ è ýêñïåðèмåíò.— Мîñêâà: Эíåðãîàòîмèздàò, 1987.

Рèñ. 5. Обðàòíàÿ âåòâь ВАХ ãåòåðîïåðåõîдîâ n-TiN/р-Cu2ZnSnTe4 (а) è n-TiO2/p-Cu2ZnSnTe4 (б)

ln

Iîбð

(

Iîбð

â А)

à) _–6

–8

–10

–12

–14

0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 (ϕ₀–eV)–1/2_{, эв}–1/2

V= – 0,7 В V=3 kT/e

ln

Iîбð

(

Iîбð

â А)

б) –5

–6

–7

–8

–9

0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 (ϕ₀–eV)–1/2_{, эв}–1/2

Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2015, ¹ 5–6 5. Êîâàëюê Ò. Ò., Мàðьÿíчóê П. Ä., Мàéñòðóê

Э. В., Êîзÿðñêèé Ä. П. Оïòèчåñêèå ñâîéñòâà êðèñòàëëîâ

Hg1-x-yCdxDyySe Изâ. Вóзîâ. Фèзèêà.— 2013. Ò. 56,

¹ 7.— С. 98 – 103.

6. Solovan M. N., Brus V. V., Maryanchuk P. D. et al. Fabrication and characterization of anisotype heterojunctions

n-ÒіN/p-CdTe // Semiconductor science and

technolo-gy.— 2014.— Vol. 29, N 015007.— http://dx.doi. org/10.1088/0268-1242/29/1/015007.

7. Шàðмà Б. Л., Пóðîõèò Р. Ê. Пîëóïðîâîдíèêîâыå ãå

-òåðîïåðåõîды.— Мîñêâà: Сîâ. Рàдèî, 1979.

Дата поступления рукописи в редакцию 23.06 2015 г.

Т. Т. КовалюК, М. М. СоловаН, а. І. МоСТовИй, е. в. МайСТруК, Г. П ПархоМеНКо, П. Д. Мар'яНчуК

Óêðàїíà, Чеðíівецьêèй íàціоíàльíèй уíівеðсèтет імеíі Юðія Федьêовèчà

E-mail: tarik-1006@mail.ru

ÄОСЛіÄЖЕННя ÊРИСÒАЛіВ Cu

ZnSnTe

та гетеропереходів

на

ї

х основі

Представлено результати досліджень магнітних, кінетичних і оптичних властивостей кристалів Cu2ZnSnTe4. Методом магнетронного напилення тонких плівок TiN, TiO2 та Моох на підкладки з кристалів Cu2ZnSnTe4 виготовлено анізотипні гетеропереходи n-TiN/p-Cu2ZnSnTe4, n-TiO2/p-Cu2ZnSnTe4 і n-MoO/p-Cu2ZnSnTe4. Досліджено їх електричні властивості і встановлено домінуючі механізми стру-мопереносу при прямих і зворотних зміщеннях.

Ключові слова: кристал, магнітна сприйнятливість, гетероперехід, тонка плівка.

T. T. KOValIUK, M. N. SOlOVaN, a. I. MOSTOVyI, E. V. MaISTRUK, G. P. PaRKHOMENKO, P. D. MaRyaNCHUK

Ukraine, Yuriy Fedkovych Chernivtsi National University E-mail: tarik-1006@mail.ru

RESEARCH ON Cu

ZnSnTe

CRYSTALS AND HETEROJUNCTIONS

BASED ON SUCH CRYSTALS

The paper reports on the results of the studies of magnetic, kinetic and optical properties of Cu2ZnSnTe4 crystals. The Cu2ZnSnTe4 crystals showed diamagnetic properties (the magnetic susceptibility almost independent of the magnetic field and temperature). The Cu2ZnSnTe4 crystals possessed p-type of conductivity and the Hall

coefficient was independent on temperature. The temperature dependence of the electrical conductivity σ of the

Cu2ZnSnTe4 crystal shows metallic character, i. e.σ decreases with the increase of temperature, that is caused by the lower charge carrier mobility at higher temperature. Thermoelectric power of the samples ispositive that also indicates on the prevalence of p-type conductivity.

Heterojunctions n-TiN/p-Cu2ZnSnTe4, n-TiO2/p-Cu2ZnSnTe4 and n-MoO/p-Cu2ZnSnTe4 were fabricated by the reactive magnetron sputtering of TiN, TiO2 and Моох thin films, respectively, onto the substrates made of the Cu2ZnSnTe4 crystals. The dominating current transport mechanisms in the n-TiN/p-Cu2ZnSnTe4 and n-TiO2/p-Cu2ZnSnTe4 heterojunctions were established to be the tunnel-recombination mechanism at forward bias and tunneling at reverse bias.

Keywords: crystal, magnetic susceptibility, heterojunctions, thin film. DOI: 10.15222/TKEA2015.5-6.49

UDC 621.315.592

REFERENCES

1. Wang W., Winkler M. T., Gunawan O., Gokmen T., Todorov T. K., Zhu Y., Mitzi D. B. Device characteristics of

CZTSSe thin-film solar cells with 12.6% efficiency. advanced

Energy Materials, 2014, vol. 4, pp. 1-5. DOI: http://dx.doi. org/10.1002/aenm.201301465.

2. Hironori Katagiri, Kazuo Jimbo, Win Shwe Maw, Koichiro Oishi, Makoto Yamazaki, Hideaki Araki, Akiko Takeuchi. Development of CZTS-based thin film solar cells.

Thin Solid Films, 2009, vol. 517, no. 7, pp. 2455-2460. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.tsf.2008.11.002.

3. Alferov Zh. I. The history and future of semiconductor

heterostructures. Semiconductors, 1998, vol. 32, is. 1, pp. 1-14.

4. Fahrenbruch A.L., Bube R.H. Fundamentals of solar

cells. Photovoltaic solar energy conversion. New York, 1983.

5. Kovaliuk T. T., Maryanchuk P. D., Maistruk E. V.,

Koziarskyi D. P. Optical properties of Hg1–x–yCdxDyySe

crystals. Russian Physics Journal, 2013, vol. 56, no. 7,

pp. 831-836. http://dx.doi.org/10.1007/s11182-013-0106-5. 6. Solovan M.N., Brus V.V., Maryanchuk P.D., Ilashchuk M.I., Rappich J., Nickel N., Abashin S.L. Fabrication and characterization of anisotype heterojunctions n-ÒіN/

p-CdTe. Semiconductor Science and Technology, 2014,

vol. 29, no. 015007. http://dx.doi.org/10.1088/0268-1242/29/1/015007.

7. Sharma B.L., Purohit R.K. Semiconductor