REVISTA MEXICANA DE FISICA 50 SUPLEMENTO 1, 29–32 JUNIO 2004

Crecimiento y determinacion de la brecha de energıa en pelıculasdelgadas de Cd1−xZnxTe

M. Becerril, O. Zelaya-Angel y R. Fragoso-Soriano*Departamento de Fısica, Centro de Investigacion y de Estudios Avanzados del IPN,

Apartado Postal 14-740, 07000, D.F. Mexico.*e-mail: rogelio@fis.cinvestav.mx

L. Tirado-MejıaLaboratorio de Optoeletronica, Universidad del Quindıo,

A.A. 460 Armenia, Quindıo Colombia

Recibido el 27 de marzo de 2003; aceptado el 19 de agosto de 2003

Pelıculas semiconductoras policristalinas de Cd1−xZnxTe fueron crecidas por la tecnica de erosion catodica de radio frecuencia sobre subs-tratos de vidrio Corning 7059 a temperatura ambiente a partir de un blanco de CdTe-Zn. Pequenas laminillas de Zn fueron colocadas sobrela superficie del blanco de CdTe cubriendo pequenasareas. El intervalo de composicion del Cd1−xZnxTe fue dex = 0.0 - 0.3. Se reportanmedicionesopticas de espectroscopia de fotorreflectancia de estas pelıculas. De los espectros de fotorreflectancia se aprecia un corrimientode la brecha de energıa (E0) de tipo lineal hacia mayores energıas conforme va cambiando la concentracion dex.

Descriptores:Semiconductores II-VI; pelıculas delgadas; CdZnTe; erosion catodica.

Cd1−xZnxTe polycrystalline thin films with Zn concentration atx = 0.0 - 0.3 were grown on Corning glass 7059 substrates using the radiofrequency sputtering technique from a CdTe-Zn target. Small thin plates of elemental Zn covering small areas were glued onto the CdTetarget. We report optical measurements in these films using photoreflectance (PR) spectroscopy. From the PR spectra the band gap variationwith the Zn films content was obtained.

Keywords: Semiconductors II-VI; thin films; CdZnTe; radio frequency sputtering.

PACS: 71.55.Gs; 73.61.-r; 68.47.Fg

1. Introduccion

El CdTe es un material semiconductor del grupo II-VI, el cuales muy usual para aplicaciones de conversion de energıa so-lar, pero la comercializacion de este material semiconductoren celdas solares ha sido limitada principalmente por facto-res economicos. Dentro de este panorama en la busqueda denuevos materiales, el desarrollo de materiales semiconduc-tores continua siendo un campo de gran actividad y rapidocrecimiento. El perfeccionamiento de sofisticados sistemasde crecimiento ha permitido fabricar semiconductores terna-rios y cuaternarios en los cuales es posible, mediante un con-trol en la composicion estequiometrica, variar el valor de labrecha de energıa (E0) de acuerdo con las caracterısticas deldispositivo deseado [1-3]. Como parte del estudio de los se-miconductores del grupo II-VI esta el ternario pertenecienteal sistema Cd1−xZnxTe, donde habitualmente el Zn es sus-titucional del Cd; sin embargo, para pelıculas fabricadas porerosion catodica sobre sustratos de vidrio no se tiene descrip-cion completa de sus propiedades fısicas [4-6].

El Cd1−xZnxTe se puede fabricar en forma de pelıculadelgada en todo el intervalo de concentracion 0≤ x ≤1 y labrecha de energıa (E0) se puede ajustar desde 1.5 eV parax = 0 (CdTe) hasta 2.3 eV parax = 1 (ZnTe). Esta propiedadde ajustar su E0 lo convierte en un material interesante pa-ra aplicaciones en celdas solares, ventanasopticas y diodosemisores de luz [7-8]. Este tipo de pelıculas se puede fabricarpor diferentes tecnicas y, dependiendo del sistema de creci-

miento y de los parametros utilizados, se obtienen pelıculasepitaxiales [9-11] o policristalinas con diferente tamano degrano, que conducen a variaciones en sus propiedadesopti-cas y electricas [12,13].

En el presente trabajo reportamos la introduccion deato-mos de zinc en la red del CdTe por medio de la tecnica de cre-cimiento por erosion catodica de radio frecuencia a partir deun blanco de CdTe-Zn y reportamos los resultados correspon-dientes al valor de la brecha de energıa (E0) de las pelıculasdelgadas de Cd1−xZnxTe a partir de las mediciones de fo-torreflectancia. Los espectros se obtuvieron en un intervalode energıas comprendido entre 1.4 y 1.8 eV.

2. Materiales y metodos

Las pelıculas de Cd1−xZnxTe fueron crecidas sobre substra-tos de vidrio Corning 7059 a temperatura ambiente en un sis-tema de erosion catodica de radio frecuencia. Los crecimien-tos se hicieron a partir de un blanco de CdTe-Zn. Pequenaslaminillas de zinc (99.99 % de pureza) se colocaron sobre elblanco de CdTe y por co-erosion catodica el CdZnTe fue de-positado sobre los substratos [14]. En total se crecieron sietepelıculas, de tal manera que elarea de zinc sobre la superficiedel blanco fue variando ligeramente para cubrir una propor-cion geometrica delarea del blanco de CdTe desde 0 % hastaalcanzar el 30 % de su superficie; procurando siempre que elzinc estuviera distribuido uniformemente sobre el blanco. El

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blanco de CdTe (99.999 % de pureza) tiene un diametro de4.92 cm (dos pulgadas) y 0.4 cm de espesor. La potencia deradio frecuencia (r.f.) fue de 25 W y la distancia de separa-cion entre el blanco y el substrato fue de 4 cm. La presionbase de la camara fue de 2×10−6 torr y la presion de deposi-to fue de 10 mtorr. El gas utilizado para el deposito fue argonde ultra alta pureza. El tiempo de crecimiento fue de tres ho-ras. La estructura cristalina de las pelıculas se determino pordifraccion de rayos-X, (DRX) usando un equipo SIEMENSD5000. Todas los espectros obtenidos despliegan los picos dedifraccion caracterısticos de una estructura cubica y con unapequena fase hexagonal para las muestras M4, M5 y M6. Laaparicion de esta fase hexagonal se debe probablemente a ladistorsion que sufre la red del CdTe al introduciratomos dezinc [15]. La medicion del espesor se realizo con un TalistepDektak II A. Para realizar el calculo de la concentracion dezinc (x) en las pelıculas de Cd1−xZnxTe se utilizo el valor delparametro de red obtenido a partir de los espectros de DRXcorrespondiente a la posicion del pico de mayor intensidad.La posicion de este pico con respecto a los picos principa-les del CdTe y ZnTe, y utilizando la ley de Vegard [16], nospermite calcular la concentracion de zinc incorporado a lared de las pelıculas semiconductoras. En la Fig. 1 se mues-tra el diagrama de bloques del arreglo experimental para lasmediciones de espectroscopıa optica de fotorreflectancia, cu-yos detalles y funcionamiento ya ha sido previamente descri-to [17]. Para ajustar los espectros se utilizo en forma directala ecuacion

∆R

R= A

[E2

M5Cos(θ − 5α)− 4

E

M3Cos(θ − 3α)

+81M

Cos(θ − α)]

M = [(E − E0)2 + Γ2]1/4

α =12

tan−1 ΓE − E0

(1)

dondeΓ es el parametro de ensanchamiento de la forma delınea.

FIGURA 1. Diagrama de bloques de la tecnica de fotorreflectancia.

3. Resultados y discusion

El espesor obtenido de las pelıculas esta comprendido en-tre 2000 y 4000A, y presentan una superficie bastante ho-mogenea. En la Tabla I presentamos la concentracion del zincen la red del CdTe, calculada a partir de la ley de Vegard. Enla Fig. 2 se tiene el espectro de fotorreflectancia de la muestraCd0.7Zn0.3Te a temperatura ambiente. En esta grafica se pue-de apreciar como los datos experimentales concuerdan bas-tante bien con el valor ajustado teoricamente. Por otra parteen la Fig. 3 presentamos los resultados experimentales obte-nidos a partir de fotorreflectancia para las siete muestras deCd1−xZnxTe a temperatura ambiente. En esta figura se pue-de apreciar un corrimiento hacia mayores energıas a medidaque la concentracion de zinc (x) va aumentando. Para deter-minar la expresion de la brecha de energıa E0 para diferen-tes concentraciones de zinc, se hace un analisis de los espec-tros de fotorreflectancia a temperatura ambiente, utilizando laEc. (1). Los valores de la brecha de energıa E0 obtenidos semuestran en la Tabla 1. A partir de estos datos graficamos elvalor de la brecha de energıa del Cd1−xZnxTe en funcion dela concentracion dex, (ver Fig. 4). Para efectos de compara-cion, en la figura 5 se han graficado los datos experimentalesreportados por otros autores [18-20] y se hace una compa-racion de los valores experimentales de la brecha de energıacon las aproximaciones teoricas reportadas [21,22] (ver Ta-bla II). Un estudio preliminar de estos resultados experimen-tales nos muestra que a medida que se va incorporando elzinc en el CdTe, el ancho de banda prohibido deeste em-pieza a correrse hacia mayores energıas. Como consecuenciade la disminucion del numero atomico al reemplazaratomosde Cd poratomos de Zn en el CdTe, aparece un incrementodel potencial del nucleo, un aumento en la energıa de la tran-sicion fundamental E0 y una disminucion en la energıa deldesdoblamiento espın-orbita [2]. Para pelıculas crecidas porla tecnica de transporte de vapor en espacio cerrado (CSVT,por sus siglas en ingles) con concentraciones de zinc hasta12 % (x = 0.12) se reporta una variacion lineal de la brechade energıa (E0) [20], de igual manera que para pelıculas cre-cidas por epitaxia de haces moleculares (MBE, por sus siglasen ingles) para valores bajos dex [23].

TABLA I. Valores de la energıa E0 obtenidos a partir de los ajustesde los espectros de fotorreflectancia para el Cd1−xZnxTe.

Muestra (X) E0± 0.002 (eV)

M0 0.0 1.50

M1 0.002 1.516

M2 0.06 1.550

M3 0.12 1.576

M4 0.20 1.617

M5 0.25 1.662

M6 0.30 1.663

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TABLA II. Relacion de los datos experimentales y aproximaciones teoricas reportados en la Fig. 5.

SIMBOLO TECNICA MUESTRA M ETODO DE CRECIMIENTO REFERENCIAS

N PR Cristales Bridgman Sanchez-Almazan [18 ]

• PR Pelıculas MBE Stoica [19 ]

¥ PR Pelıculas Sputtering Este Trabajo

H PL Pelıculas CSVT Gonzalez-Hernandez [20 ]

——— PR Cristales Bridgman Tobin [21]

— · — Aproximacion teorica Olguin [22 ]

FIGURA 2. Ajuste al espectro obtenido por fotorreflectancia a tem-peratura ambiente para la pelıcula delgada Cd0.7Zn0.3Te.

FIGURA 3. Espectros de fotorreflectancia en pelıculas delgadas delCd1−xZnxTe.

FIGURA 4. Grafica de los valores de la brecha de energıa E0 delCd1−xZnxTe en funcion de la concentracion dex.

FIGURA 5. Variacion del valor de la brecha de energıa E0 delCd1−xZnxTe en funcion de la concentracion dex. Los simbolosrepresentan los datos experimentales, la linea punteada y contınuason las aproximaciones teoricas (ver Tabla II).

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4. Conclusiones

En resumen, en este trabajo reportamos dos aspectos fun-damentales: primero, la tecnica de co-erosion catodicaha resultado efectiva para obtener el compuesto ternarioCd1−xZnxTe a partir de un blanco de CdTe-Zn; segundo, apartir de resultados experimentales de la tecnica de fotorre-flectancia de las pelıculas de Cd1−xZnxTe con porcentajes dezinc hasta el 30 %, los resultados muestran una evidencia delcorrimiento de la brecha de energıa (E0) hacia altas energıasa medida que se va incorporando el zinc. Este corrimientovemos que tiene un comportamiento similar al reportado pa-ra pelıculas delgadas de Cd1−xZnxTe con concentraciones deZn hasta el 12 % (x = 0.12) crecidas por tecnicas diferentes.

Por otra parte, las pelıculas de CdTe con concentracionesde Zn por encima del 12 % (x = 0.12) hasta fechas muy re-

cientes han sido sinterizadas y sus propiedades fısicas aun nohan sido reportadas; sin embargo, por los resultados experi-mentales que hemos obtenido (de tipo parcial) consideramosque la tendencia en el cambio del ancho de banda prohibi-da, conforme va aumentando la concentracion de zinc, siguesiendo de tipo lineal hastax ∼ 0.25, parax > 0.25 se hacenecesaria una aproximacion cuadratica.

Agradecimientos

Los autores agradecen a H. Silva y M. Guerrero por su asis-tencia tecnica. Este trabajo se ha podido realizar graciasal apoyo recibido por el CONACYT y la Universidad delQuindıo, Colombia.

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