Crecimiento y caracterización de películas de CdTe:Cu

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María Rosa Vera Sánchez
hace 5 años
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1 REPORTE DEL PROYECTO Crecimiento y caracterización de películas de CdTe:Cu Clave RESUMEN Se presenta el crecimiento y caracterización de películas de CdTe:Cu sobre substratos de vidrio. Las muestras fueron crecidas utilizando la técnica de transporte de vapor en espacio cerrado con evaporación libre (CSVT-FE) mediante la coevaporación del CdTe y CuTe. Con el fin de obtener diferentes concentraciones de cobre en las películas se hizo variar la temperatura del CuTe, manteniéndose a temperatura constante la temperatura de los bloques de calentamiento del CdTe y del substrato. Se caracterizaron las propiedades ópticas de las películas utilizando un Espectrómetro UV/VIS; las estructurales sutilizando difracción de rayos X; y la concentración de los elementos mediante EDAX. Se determinó la variación de las propiedades ópticas y estructurales con respecto a la concentración de Cu en la matriz de CdTe INTRODUCCIÓN La producción de nuevos materiales es un tema de gran relevancia pues además de permitir obtener información acerca de los mecanismos de interacción entre los átomos tiene un gran potencial para nuevas aplicaciones. Una familia de compuestos semiconductores que ha sido poco estudiada es la de los compuestos semiconductores con vacancias ordenadas generalmente descritos como II-III2-VI4 y en un aproximación simplista podríamos considerarlos como una variación de los compuestos II-VI [1]. La característica de tener vacancias ordenadas hacen que estos materiales sean muy difíciles de impurificar, dentro de las características útiles esta su gran resistencia a grandes dosis de radiación y por tanto con un gran potencial para la fabricación de dispositivos electrónicos que se emplearían reactores nucleares [2]. Dentro de las aplicaciones exploradas hasta ahora podemos citar las siguientes: óptica no-lineal, fotovoltaicos y semiconductores magnéticos diluidos. Un material que tiene gran esta siendo objeto de estudio es el compuesto ternario CdTe:Cu, el

2 cual pretendemos sintetizar partir de CdTe y CuTe. Mustre de León et al. [3], reportan el crecimiento de películas delgadas de Cu:CdTe mediante la técnica Magnetrón Sputtering. En donde los resultados indican que la introducción del cobre en la matriz del CdTe tiene un pequeño efecto en los vecinos cercanos del cadmio (compuestos por átomos de Te) esto es debido a que entran átomos substitucionales de cobre por el cadmio. Esto significa que le incorporación del cobre en el CdTe tiene el efecto de remover electrones localizados en los átomos del cadmio. S. López López et. al. [4], reportan el crecimiento de películas delgadas de la aleación semiconductora de Cd1-xCuxTe mediante la técnica sputtering de radio frecuencia. En donde los resultados obtenidos muestran que la estructura cristalina del CdTe es afectada con la incorporación del cobre. Adicionalmente se reportan 2 beneficios relacionados con el crecimiento de material de alta calidad (1) el cobre favorece el crecimiento cristalino orientado preferencialmente con la dirección cúbico simple [111], y (2) el cobre impide la formación de Teluro agregado, los cuales son comúnmente observados en el CdTe puro cuando son crecidos bajo condiciones de equilibrio termodinámico. S. Jiménez Sandoval et. al. [5], reportan el crecimiento de películas delgadas de Cd1-xCuxTe, mediante la técnica de sputtering de radio frecuencia. En donde los resultados muestran que la incorporación del cobre en la red del CdTe no afecta significativamente la banda de estructura electronica del CdTe. Adicionalmente, las mediciones eléctricas preliminares muestran que las películas son del tipo p con valores de resistividad del orden de 5.0x103 a 1.0x101 ohms-cm, dependiendo de las condiciones de crecimiento y de la concentración del cobre. La técnica Transporte de vapor en espacio reducido combinada con evaporación libre (CSVT-FE por su siglas en ingles) ha sido utilizada para la impurificación de películas semiconductoras. También es un método conveniente para el crecimiento de materiales ternarios debido a que es posible controlar las temperaturas de diferentes compuestos separadamente [6]. Es un técnica simple, ya que puede operarse a presión atmosférica bajo un gas inerte y usa temperaturas moderadas; y las películas obtenidas son compactas. En este trabajo reportamos el crecimiento de películas de CdTe:Cu, utilizando la técnica CSVT-FE, usando como parámetros de crecimiento las temperaturas de las fuentes de los materiales coevaporados.

3 2. DETALLES EXPERIMENTALES Las películas fueron crecidas en un sistema de evaporación al vacío, evacuado por una bomba mecánica y una turbo molecular, capaces de obtener una presión del orden de 5X10-5 Torr. Los materiales utilizados en la coevaporación fueron CdTe en polvo con 99.99% at. y CuTe con % at. de pureza. El substrato utilizado fue de vidrio corning. La fuente de CdTe fue mantenida a 500 C durante el proceso de crecimiento, mientras la fuente de CuTe fue variada entre 900 C y 1250 C, con incrementos de 50 C, con el objetivo de tener diferentes concentraciones de Cu. Para cada una de las películas se mantuvo fija la temperatura del substrato a 400ºC con un tiempo de crecimiento de 10 minutos. Las temperaturas de las fuentes de evaporación controlan la composición y la razón de crecimiento. La determinación del contenido de la concentración de Cadmio, Cobre y Teluro sobre las películas fue por medio de la técnica EDAX (Espectroscopia de Energía Dispersiva de rayos X), la estructura cristalina de las películas se determinaron por difracción de rayos X (DRX). Los espectros de absorción óptica se obtuvieron mediante un espectrofotómetro de ultravioleta a visible marca Perkin-Elmer modelo Lambda 40. Se determinó el Gap (energía de la banda prohibida) en las películas en un gráfico de α 2 Vs. hv donde α es el coeficiente de absorción del material y hv es la energía del fotón incidente, el ajuste a una recta de la parte próxima a α=0, y el intercepto para la ordenada nula es el valor de la energía prohibida. 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓNES. Los espectros de DRX de las muestras Ma1, Ma2, Ma3, M1 y M3 se muestran en la fig1. Las reflexiones características para la fase cúbica del CdTe [5] son observadas en los ángulos 2θ= 23.6º, 39.2º y 46.4º que corresponden a los planos (111), (220) y (311) respectivamente. Se observa que no hay cobre segregado en las películas puesto que no se encontraron reflexiones que correspondan al cobre en el análisis.

4 M1 CuTe Ma3 CdTe:Cu 95 Amp Ma2 CdTe:Cu 90 Amp Ma1 CdTe:Cu 85 Amp (111) (220) Cu (111) (311) Cu (200) M3 CdTe (F-43m cubico) Theta (grados) Figura 1. Espectros de difracción de rayos X para las muestras Ma1, Ma2, Ma3, M1 y M3. Adicionalmente en la tabla 1 se observan los valores de la concentración de cadmio, teluro y cobre respectivamente. Atom% Muestra Cd Te Cu Ma Ma Ma M M Tabla 1. Concentraciones en %At. Del Cu, Cd y Te Las muestras M1 y M3 corresponden al CdTe y CuTe respectivamente, mientras que las muestras Ma1, Ma2 y Ma3 corresponden al CdTe:Cu por lo que se observa la incorporación del cobre en la matriz del CdTe. En la figura 2 se aprecia el Gap de las películas Ma1, Ma2 y Ma3 se observa una pequeña variación del mismo, por lo cual se tienen películas con un ancho de banda variable. Esto se obtiene variando un parámetro tan simple en el crecimiento de las películas como lo es la temperatura.

5 Figura 2. Variación del Gap en las muestras Ma1, Ma2 y Ma3. 4. CONCLUSIONES. En este trabajo se ha obtenido un compuesto semiconductor ternario CdTe:Cu, mediante la técnica de crecimiento CSVT-FE. Los espectros de DRX en las muestras analizadas, se observa que las reflexiones de la fase cúbica del CdTe corresponden a los planos (111), (220) y (311) respectivamente. Se determinó el Gap de las películas obteniéndose una pequeña variación con respecto a la concentración del cobre, haciendo variar únicamente la temperatura de crecimiento de las películas. REFERENCIAS. [1] V.M. Koshkin and Y.N. Dmitriev, Chemistry Reviews. 19,1(1994). [2] Y.G. Gurevich, V.M. Koskhin, and I.N. Volovichev. Solid State Electron. 38, 235(1995) and I.N. Volovichev, Y.G. Gurevich, and V.M. Koskhin. Microelectronics Journal. 29, 535(1999). [3] J. Mustre de León et. Al. Local atomic environment of Cu:CdTe thin film alloys, Microelectronics Journal 31 (2000) 429?431 [4] S. López López et. al. Semiconductor alloy of Cd1-xCuxTe (1999) [5] Jiménez Sandoval et. al. On the properties of Cd1-xCuxTe a novel semiconductor alloy (1998) [6] M. Zapata-Torres, R. Castro-Rodríguez, M. Meléndez-Lira, S. Jiménez-Sandoval, A. Zapata-Navarro and J. L. Peña.Thin Solid Films. 358, (2000)

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