Pr掺杂ZnTe薄膜的结构及光学特性

2010-02-11 李忠贤内蒙古大学物理科学与技术学院

　　利用真空蒸发的方法制备ZnTe 多晶薄膜，并采用双源法对薄膜进行了稀土元素Pr 的掺杂。用XRD、紫外可见分光光度仪、冷热探针对薄膜的性质进行了表征。结果表明，当原子配比Zn∶Te=1∶0.7，热处理温度T=500℃时，可制备较理想的ZnTe 多晶薄膜。稀土Pr 掺杂并未改变样品的物相结构，但使薄膜光吸收增大而光学带隙增大。

　　随着世界能源资源的日益匮乏、环境的不断恶化以及人们对能源需求的加大，低成本薄膜太阳电池的开发和利用越来越引起人们的重视。

　　CdTe是直接带隙半导体，具有高达10⁵ cm^{- 1}的吸收系数，是一种理想的太阳电池材料。由于CdTe存在自补偿效应,制备高电导率浅同质结很困难, 所以实用的电池都是异质结结构。但是要使p-CdTe和金属电极形成稳定的低欧姆接触有以下几点困难：首先，CdTe的功函数比大部分金属的高，很难找到一种这么高功函数的金属与它形成欧姆接触。其次，CdTe 表面费米能级的钉扎效应使其偏离Mott- Schottky理论。而且p-CdTe存在自补偿效应，不易实现重掺杂，不能通过量子隧道效应实现欧姆接触。

　　在CdTe 和金属背电极之间沉积可以实现p型重掺杂的背接触层，从而使CdTe 费米能级与金属背电极匹配，是获得欧姆接触的有效方法。由背接触层与金属之间的量子隧道输运机制实现低电阻接触，这要求背接触层材料价带顶的位置相对与真空能级比CdTe 低或者在同一位置，使界面没有阻碍空穴向背电极输运的价带尖峰。

　　ZnTe是直接带隙半导体，禁带宽度为2.26 eV。理论与实践都表明，ZnTe与CdTe价带偏移小于0.1 eV，这小的价带偏移导致ZnTe与CdTe电阻接触很小或零势垒，载流子容易穿过。这就是ZnTe适合做CdTe 太阳电池背接触层的主要原因。它们的结构相同，晶格失配较小。

　　本文用真空蒸发方法制备了掺杂稀土Pr 的ZnTe薄膜。通过样品的X 衍射图谱和紫外可见吸收关系，研究了制备工艺条件和掺杂对ZnTe薄膜晶体结构和光学特性的影响。

1、实验

1.1、ZnTe的薄膜的制备

　　将清洗干净烘干的玻璃衬底放入蒸发室，高纯锌和碲单质取不同配比放入第一钼舟中，掺杂元素Pr 放入第二钼舟中，待蒸发室抽真空至10^-4 Pa 以上时进行蒸发。控制蒸发电流、蒸发时间即可得到ZnTe 薄膜。在300℃~500℃的不同温度下对样品进行热处理。

1.2、性能的测试

　　用X 射线衍射仪对样品进行了测试分析,根据衍射图谱用谢乐公式计算了样品的晶粒尺寸，晶格常数和晶胞体，用UV- 3100 双光束紫外可见分光光度计测试了样品的透射光谱，并根据Tauc 方程用外推法计算了各样品的光学带隙。用冷热探针对所制备的样品进行导电类型的测试。用薄膜测厚仪对薄膜进行厚度、折射率的测试。

2、结果与讨论

2.1、薄膜的的物相与结构

　　样品的XRD 测试表明，未经热处理的样品均呈现非晶态，热处理后各不同配比的样品均为立方相的闪锌矿结构的ZnTe，并未出现六方晶系的纤锌矿结构。图1 为不同原子配比下的ZnTe薄膜X 衍射图谱，热处理温度T=500℃。由图可见，不同配比下样品XRD 的择优取向均为（111）晶向，其三强峰分别对应（111）、（220）、（311）晶向。随着原子配比中Te 含量的增加，样品的衍射峰逐渐减弱，并出现了Te 单质的衍射峰。分析比较可知原子配比Zn∶Te=1∶0.7的样品比较理想。

不同原子配比的ZnTe薄膜XRD谱

图1 不同原子配比的ZnTe薄膜XRD谱T = 500℃

　　在Zn∶Te=1∶0.7 的基础上对薄膜进行了稀土元素镨的掺杂，图2 为Pr 掺杂ZnTe 薄膜的XRD图谱，样品的热处理温度均为T=500℃，稀土Pr掺杂ZnTe 薄膜的物相仍为立方晶系闪锌矿结构，择优取向仍为（111）晶向，表明掺杂并未改变薄膜的晶体结构，但掺杂Pr 影响了薄膜的结晶，使晶格发生畸变,随着掺杂量的增加，样品衍射峰逐渐降低。而且Pr 掺杂抑制了Zn 与Te 的化合,使Pr 与Zn 化合，出现合金PrZn 的物相。从而进一步减弱了Zn 与Te 的化合，使样品出现Te单质的物相。

图2 不同掺杂量的镨掺杂ZnTe 薄膜的XRD 图谱T=500℃　图3 不同热处理温度的Pr 掺杂ZnTe 薄膜的XRD 图谱掺杂源蒸发电流I=60A

　　图3 不同温度薄膜XRD 衍射图谱表明，掺杂量的掺杂电流I=60A 时，分别对薄膜在热处理温度300℃、400℃、500℃时，稀土Pr 掺杂ZnTe的物相仍为立方晶系闪锌矿结构。当薄膜的热处理温度升高，薄膜的结晶程度提高，薄膜的衍射峰增强。并在热处理温度500℃，薄膜出现PrZn 的合金物相。所以适当的热处理会使和缺陷得到不程度的消除时，薄膜的微结构的到一定的改善。

　　根据衍射谱线由谢乐公式：

D＝κλ/βcosθ

　　计算了样品的晶粒尺寸，式中κ 为常数，θ为衍射角，λ 为X 射线的波长，β 为半高宽。样品的晶粒尺寸、晶格常数、晶胞体积。表1 在热处理温度相同时，未掺杂样品的的晶粒尺寸比掺杂样品的的晶粒尺寸小. 这可能是由于掺入的Pr 代替Zn,两者的离子半径不同。晶格常数与晶胞体积先减小后增大。

样品的晶粒尺寸、晶格常数以及晶胞体积