Инжекционный фотодиод на основе фоточувствительной полукристаллической пленки CdS

III. Экспериментальные результаты и обсуждение
На рисунке 1 представлены в двойном логарифмическом масштабе темновые и световые вольт - амперной характеристики типичной In - nCdS - nSi - структуры. Прямым направлением тока в структуре считается, когда к nSi контакту прикладывается «+» потенциал, а обратным «-» потенциал. Анализ ВАХ показывает, что структура обладают выпрямляющими свойствами и их коэффициенты выпрямления «K» (определяемые как отношение прямого и обратного тока при фиксированном напряжении V=5 V), составляют более двух порядков.
III.а. Спектральное распределение фототока.
Вначале проанализируем спектральное распределение фототока n⁺CdS- nCdS-nSi- структуры, которое приведено в относительных единицах на рис. 2. Из этого рисунка видно, что кривая спектрального распределения фоточувствительности состоит из двух частей. В первой области с λ≈ 490-495 nm кривой фототока начинает резко возрастать и своего максимального значения достигает при λ≈735 nm, затем фототок резко уменьшается с дальнейшим возрастанием длины волны и при λ≈850 nm достигает минимального значения. Во второй области I_ф начинает резко возрастать при длине волны 850nm и достигает своего максимального значения при λ≈930 nm и затем I_ф начинает плавно уменьшаться до λ≈1300 nm. Это показывает, что n⁺CdS – nCdS – nSi - структура имеет широкий диапазон спектральной чувствительности от λ≈490-495 nm до λ≈1200nm. Как видно из рисунка 2 в первой и второй областях спектрального распределения, фототок имеет разная полярность, что обусловлено с обратным включением потенциальных барьеров, имеющиеся между n⁺CdS - nCdS изотипного перехода и nCdS – nSi гетероперехода. Кроме этого, кривая спектрального распределения фоточувствительности показывает, что изотипный nCdS-nSi гетеропереход на границе раздела содержит малую плотность поверхностных состояний. Подтверждением тому является, то, что структура имеет коэффициент выпрямление более двух порядков и появление максимума на кривой I/I_o,(λ) при λ≈938 nm и проведенная к нему касательная по спаду в длинноволновой области спектра отсекает на оси абсцисс длину волны, соответствующую ширине запрещенной зоны кремния.
Как известно, у CdS гексагональной модификации (а_CdS=5,84Ǻ) и Si (а_Si=5,43Ǻ) постоянные кристаллические решетки а отличаются почти на 7%, а для создания гетероперехода с низкой плотностью поверхностных состояний их различие не должно превышать 4% [8]. Однако выше приведенные экспериментальные факты указывают, что на границе раздела контактирующих полупроводниковых материалов имеются низкая плотность поверхностных состояний. Поэтому предполагается, что в процессе формирования структуры образуется промежуточный слой между CdS и Si , который способствует сглаживанию разницу между постоянных кристаллических решеток кремния и сульфида кадмия. С целью доказательства этого предположения было исследовано распределение химических элементов по толщине пленки на рис.3, которое проводилось по ее сколу. Измерение проводилось на микроаналитическом комплексе Jeol – JXA - 8900 с помощью ЭДС LINK ISIS (энерго- дисперсионный спектрометр); погрешность измерений составляла ±2.0%. Условия измерений: V=20 kV, I=10 nA. Эталоны: самородные Cd, и Si, для S – синтетический FeS. Результаты измерений и микрофотография показывают, что элементы Cd, S и Si на границе раздела резко уменьшаются от единицы почти до нуля на расстояние ≈ 1мкм по толщине пленки. Отсюда следует, что между CdS и Si имеется твердый раствор толщиной порядка одного микрометра. Чтобы определить компонентов этого твердого раствора, было исследовано рентгеноструктурный анализ и химический состав для n⁺CdS–nCdS-pSi структуры. Структурные исследования выращенных пленок CdS проводились на рентгеновском дифрактометре с излучением CuKα (λ = 1,54 Å). Дифрактограмма пленок CdS, не содержащих примесь In, содержит 4 пика, которые, как следует из работы [9], характерны для гексагональной фазы CdS (рис.4.). Дифрактограмма пленок CdS, легированных In, содержит 7 пиков (рис.5.). Согласно работе [9], пики 1, 2, 5 и 6 характерны для CdS, пик 3 соответствует In [9]. Пик 4, согласно работе [10], характерен для соединения In₂S₃ (411), пик 7 соответствует соединению CdIn₂S₄ (533). Таким образом, при легировании индием пленка CdS может содержать включения сульфида индия и тройного соединения CdIn₂S₄.
Химический состав пленок CdS исследовался методом электронной Оже- спектроскопии. Характер Оже-спектров поверхности пленок CdS для всех образцов был идентичен, за исключением интенсивности спектральных линий вследствие различия концентрации химических элементов, входящих в состав пленки. Типичный Оже-спектр, полученный в результате исследования образцов 1–2, представлен на рисунке 6. На основе полученных Оже-спектров были рассчитаны атомные концентрации химических элементов S, Cd, Cl, C, O, In, входящих в состав пленки CdS (табл. 1). Из таблицы 1 видно, что все образцы имеют избыточную концентрацию серы по отношению к кадмию. Согласно работе [11] для CdS должна наблюдаться обратная ситуация: наличие вакансий серы и избыток кадмия. Именно этим обусловлен n-тип проводимости CdS [11]. Наблюдаемую ситуацию можно объяснить тем, что метод электронной Оже-спектроскопии фиксирует химический состав пленки и не дает ответа на вопрос, какая доля примеси является электрически активной. Так как полученные пленки CdS на всех образцах имеют n-тип проводимости, то можно считать, что не вся наблюдаемая примесь серы является электрически активной. Избыток серы может быть обусловлен наличием в пленке CdS промежуточных продуктов реакции, которые не были удалены в ходе травления и отмывки образцов.