Mesure des hauteurs de barrière dans les hétérojonctions pSnTe-nCdTe

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Submitted on 1 Jan 1986

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Mesure des hauteurs de barrière dans les hétérojonctions pSnTe-nCdTe

M. Kane, G.W. Cohen-Solal, G. Cohen-Solal

To cite this version:

M. Kane, G.W. Cohen-Solal, G. Cohen-Solal. Mesure des hauteurs de barrière dans les hétérojonctions pSnTe-nCdTe. Journal de Physique, 1986, 47 (2), pp.273-277. �10.1051/jphys:01986004702027300�.

�jpa-00210205�

Mesure des hauteurs de barrière dans les hétérojonctions pSnTe-nCdTe

M. Kane, ^{G. W.} Cohen-Solal

Laboratoire des Semiconducteurs et d’Energie Solaire, ^Faculté des Sciences de Dakar, Dakar-Dann, Sénégal

et G. Cohen-Solal

Laboratoire de Physique ^des Solides, C.N.R.S., ⁹²¹⁹⁰ Meudon-Bellevue, ^France

(Reçu ^{le 5} novembre, accepté sous forme définitive ^{le 27} septembre 1985)

Résumé.

Des mesures de hauteurs de barrière dans les hétérojonctions pSnTe-nCdTe ^ont été effectuées dans le but de construire ^le diagramme de bande de ces structures. Les résultats obtenus à partir ^des caractéristiques

courant-tension et capacité-tension ^{ont été} analysés ^et comparés. ^{De ces} études, ^{il ressort} que l’affinité électronique

du SnTe jusqu’alors ^{inconnue est voisine de} 4,50 ^{eV. Cette valeur est} celle du matériau déposé qui ^{contient une}

très faible proportion de cadmium provenant ^des phénomènes d’interdiffusion entre le substrat de CdTe et la couche de SnTe, qui prennent ^{naissance au cours de la} fabrication des hétérojonctions.

Abstract. - Barrier heights ⁱⁿ pSnTe-nCdTe heterojunctions ^{have been} measured in order to construct the _energy band diagram ^{of such} devices. Results obtained from current-voltage ^and capacitance-voltage characteristics are

analysed ^and compared. From these studies ^a value of about 4.50 eV is obtained for SnTe electron affinity. ^This

value corresponds ^{to the} deposited material which contains ^a weak proportion of cadmium proceeding from inter- diffusion _processes which take place ^{between CdTe} substrate and SnTe layer during ^the heterojunction fabrication.

Classification

Physics ^Abstracts

73.40L

1. Introduction.

Le SnTe a pendant longtemps ^{6t6 consid6r6 comme un}

semi-metal. A l’heure actuelle, ^{il ne fait} plus ^{de doute}

que ^ce materiau soit un semiconducteur. La presence

de lacunes d’6tain doublement ionis6es lui conf6re la particularite d’8tre de type p d6g6n6r6 [1, 2]. ^Sa

faible largeur ^de bande interdite (0,2 ^{eV a 300} K) ^en

fait un bon materiau _{pour la} realisation de diodes

« tunnel » [3, 4]. ^{Il a} 6t6 montr6 que le SnTe peut ^8tre 6pitaxi6 ^{sur un} substrat de meme structure cristalline

(NaCI) par ^une technique d’6vaporation thermique [5].

Ses propri6t6s optiques ^ainsi qu’un grand ^nombre

de ses propri6t6s electriques ^{ont 6t6 6tudi6es} [6, 7].

Nous avons montre que ^ce compose pouvait

constituer avec le tellurure de cadmium (CdTe)

des dispositifs ^de conversion photovoltaique ^{de 1’ener-} gie ^solaire ayant ^une sensibilité. spectrale ^{tres etendue}

en longueurs ^{d’onde et des} caract6ristiques ^{de redres-}

sement convenables [8]. ^{Le fait que l’affmité 6lectro-} nique x de SnTe etait une grandeur ^{inconnue rendait} impossible ^la construction du schema de bandes des structures; ^c’est pourquoi nous avons essay6 ^d’6va-

luer I’affmit6 6lectronique ^{de SnTe a} partir ^{de mesures}

de hauteurs de barri6re dans les heterojonctions

pSnTe-nCdTe. Pour cela nous avons 6tudi6 leurs

caract6ristiques courant-tension et capacité-tension.

L’analyse des divers r6sultats obtenus nous a conduit a donner _{a MnTe} une valeur voisine de 4,50 ^eV.

Les h6t6rojonctions ^{ont 6t6 realisees} par épitaxie

d’une couche mince de SnTe de type p ^{sur un} substrat monocristallin de CdTe de type ⁿ dop6 A ^l’indium.

Des jonctions graduelles ^{ont 6t6 obtenues a} partir

d’une m6thode de transport ^{isotherme a courte dis-}

tance dite d’6vaporation ^{diffusion en} regime ^isother- mique (E.D.R.I.) caract6ris6e _par un faible taux de croissance du d6p6t (1 A/s) [9, 10]. ^Des jonctions abruptes ^{ont ete r6alis6es en utilisant une m6thode}

de transport r6actif dite « close spaced vapour ^trans- port » (C.S.V.T.) ^{avec un taux de} croissance de depot important (40 A/s). ^La realisation expérimentale ^de

ces structures ainsi _que leur caract6risation ^ont d6jA

fait l’objet ^d’une description ^d6taill6e [11].

2. Determination des hauteurs de barrières.

2.1 MTTHODE DES CAPACITANCES.

Les jonctions graduelles ^{ont ete obtenues a 1’aide de la m6thode}

E.D.R.I. Leurs capacit6s ^{C sont d6crites de} faqon satisfaisante _par 1’expression (1) relative a une jonction

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01986004702027300

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de gradient ^de dopage a ^{constant :}

q ^est la charge ^de 1’61ectron, _s. ^{la constante} diélectrique statique ^{de CdTe, V} la tension appliqu6e ^et VD la

tension de diffusion.

Le semiconducteur d6g6n6r6 ^{SnTe de} dopage ^tres

6lev6 (10" cm-3) ^se comporte pratiquement ^comme

un metal, ^{si bien} que la structure peut ^{etre consideree}

comme une diode Schottky. ^{La zone de} charge d’espace ^est enti6rement contenue dans la base CdTe.

La figure ¹ repr6sentant ^la variation lin6aire de C-3 avec la tension de polarisation ^V, t6moigne ^de

la validite de 1’expression (1) ^{dans notre cas.}

La tension de diffusion VD ^est d6terinin6e _par l’in- tersection de la droite C - 3 avec 1’axe des V. Les

mesures ont 6t6 effectu6es sur plusieurs 6chantillons

et les valeurs obtenues, ^tres voisines, ^sont port6es

sur le tableau I.

Tous les échantillons notes A ont 6t6 realises dans les memes conditions de croissance, c’est-i-dire à

Fig.1.

^{C - 3}

^{fonction de V : structure} graduelle.

[C-3 ^{versus V :} gradual junction.]

Tableau I.

Tension de diffusion ^des structures gra- duelles.

[Diffusion voltage VD ^of gradual junctions.]

600 OC pendant ⁹⁶ heures; ^{toutefois les substrats}

utilises pr6sentaient ^de légères diff6rences dans les

dopages. L’6chantillon note B a 6t6 obtenu a 700 OC

avec une duree de croissance de 24 heures. A 1’examen du tableau I, ^{on voit} que VD ^ne depend pratiquement

pas des conditions expérimentales. ^Cette constatation

et l’invariance de la capacite ^{avec la} frequence ^de

detection prouvent que dans les structures graduelles,

les 6tats d’interface sont presque inexistants. Par

ailleurs, nous avons montr6 que dans ^{ces structures} 1’abaissement de la hauteur de barri6re du a la force

image ^est négligeable [11]. ^On peut ^ainsi prendre

pour VD ^{une valeur voisine de} 0,23 ^eV.

Les jonctions abruptes ^{ont 6t6 obtenues a 1’aide}

d’une m6thode de transport ^{r6actif a courte distance} (C.S.V.T.) [12]. ^{Au terme de la} croissance, ^{les structures} subissent un recuit thermique ^{final in situ sous atmo-} sphere d’hydrog6ne ^{a 300 OC} pendant ^{30 min. Cette}

demière operation ^a pour but d’améliorer les _pro-

pri6t6s ^de l’interface [11]. ^Les jonctions abruptes pr6-

sentent des 6tats d’interface et une couche interfaciale de CdTe intrinsèque [11], ^ce qui ^{rend difficile la d6ter-}

mination des hauteurs de barri6re _{par des} ^mesures de

capacitance. L’influence des 6tats d’interface a 6t6

largement 6tudi6e dans de nombreuses h6t6rojonc-

tions [13, 14]. ^{Ainsi un mod6le} d’interprétation ^des caract6ristiques ^{C - V consiste a} supposer que la

capacite ^{C mesur6e est} constituee de deux capacit6s

mises en s6rie l’une C1, correspondant ^{a la zone de} charge d’espace ^{et 1’autre} C2 ^{a la} couche interfaciale de faible epaisseur. ^La capacite ^{totale se met sous la}

forme :

avec

V est la tension appliqu6e ^{a la} diode, ^{N la concentra-} tion de donneurs a la jonction.

La capacite C2 ^est pratiquement ind6pendante ^{de la}

tension de polarisation ^{si bien} qu’aux fortes tensions de polarisations negatives ^{c’est la} capacite C1 ^{de la} jonction qui pr6domine (C1 C2). ^{Dans ce cas} 1’extrapolation de la courbe 1 /C2 = f(V) jusqu’a ^la

droite 1/Ci ^{dont la} figure ^{2 donne un} exemple permet de determiner la tension de diffusion VD. ^Les capacity C2 ^{ont 6t6} déterminées avec une erreur relative de rordre de 3 %.

Des r6sultats typiques ^{se trouvent} pr6sent6s ^{dans le}

tableau II. Les conditions de croissance (source

550 °C-substrat 300 OC-dur6e 30 s) ^{sont les mêmes}

pour ^tous les echantillons ; ^{seules different les condi-}

tions de preparation de la surface du substrat : essen-

tiellement un décapage thermique ^{effectue a 450-}

450 oC, 1 min pour les 6chantillons X .1 a X .11 et a

450-550 OC, 1 min pour ^ceux marques par ^une lettre.

Fig. ^2.

^{C - 2 en fonction de V : structure} abrupte.

[C -2

^{V :} abrupt-junction.]

Tableau II.

Tension de diffusion ^{des structures} abruptes. ^X 11 * durée de dgposition réduite à 20 s.

[Diffusion voltage VD ^of abrupt junctions. ^{X .11*}

growing ^time

²⁰ s.]

2.2 MÉTHODE DES CARACTÉRISTIQUES COURANT-TEN- sion.

Les diff6rents m6canismes de conduction dans les structures pSnTe-nCdTe ^ont d6ji ^{6t6 6tu-}

di6s [11] ; ^{nous en} pr6sentons ^{ici une} analyse simpli-

fiée.

La figure ^{3 donne les} caract6ristiques ^{directes à}

l’obscurit6 _pour diff6rentes temperatures ^{d’une struc-}

ture graduere (no A.I.2) ^{et la} figure ^{4 celle d’une}

structure abrupte (no X. 2 A).

Pour les deux categories de structures, le ^courant

Fig. ^3.

Caractéristiques ^{1- V à} différentes temperatures :

structure graduelle.

[I-V characteristics at different temperatures : gradual junction.]

Fig. ^4.

Caract6ristiques ^{I-V a} différentes temperatures :

structure abrupte.

[I-V characteristics at different temperatures : abrupt junction.]

direct ob6it a 1’expression :

n est le facteur d’id6alit6 qui ^{varie de 1 a 300 K a 2}

a 140 K. Aux temperatures supérieures ^{a 140} K, ^le

276

courant pr6exponentiel I, ^{varie fortement avec la} temperature ^{suivant la loi :}

,

E. ^{est une} 6nergie d’activation qui ^{selon le mod6le}

de structure peut s’identifier a la hauteur de barrière 4>

ou a la tension de diffusion YD.

Pour les deux categories ^de structures, ^les courbes de variations de Log Is, Log (IIT) ^et Log (Is/T2) ^avec

l’inverse de la temperature ^{sont linéaires et ont des}

pentes pratiquement 6gales ^{pour une structure donn6e.}

Ce qui ^{montre bien la} dependance exponentielle ^de I, ^en IIT, ^{le terme} Io ^{6tant au} plus proportionnel ^à

une puissance ^{de T. On trouve} pour les jonctions gra- duelles des energies d’activation voisines de 0,43 ^eV.

Pour les structures abruptes ^les energies d’activation d6termin6es varient d’un 6chantillon a un autre; par

exemple pour la diode X. 2 A elle vaut 0,67 ^{eV tandis}

que pour la diode X. 2 B on trouve E.

^{0,49 eV.}

3. Analyse des risultats. Schéma de bande de la struc- ture pSnTe-nCdTe.

Les valeurs des hauteurs de barri6re obtenues a partir

des deux proc6d6s ^de determination sont assez dis-

pers6es ^{dans le cas des} structures abruptes. Cependant,

pour ^un 6chantillon donne les deux m6thodes four- nissent des valeurs concordantes comme par exemple

les structures X. 2 A et X. 2 B ou pour chacune d’elles

on a E. sensiblement 6gale ^a YD. ^{Ces r6sultats sont} explicables dans 1’ensemble si ^on admet _{que le proces-}

sus de conduction est du a une emission de recombi- naison selon le mod6le propose par Dolega [15]. ^Les

differences sur les hauteurs de barri6re d’un 6chantillon a un autre proviendraient ^{du fait} que le niveau de Fermi qui peut ^{8tre très en} dessous du haut de la bande de valence de SnTe, n’a pas toujours ^{la meme} position.

11 a 6t6 montre en effet que les densit6s d’accepteurs

dans le SnTe (lacunes d’6tain) peuvent ^{8tre modifiees} par les traitements thermiques ^tels que ^ceux qui ^sont

lies a ^nos m6thodes de fabrication [3, 4, 16].

Avec les structures graduelles, qui pr6sentent ^une

interface moins perturb6e, ^{les hauteurs de barri6re}

pour ^une m6thode donn6e sont reproductibles ^d’un

6chantillon a un autre. La m6thode de caract6ristique

courant-tension donne pour ^ces structures une hauteur de baffi6re 6gale ^a 0,43 ^eV (140 ^{K T 300} K) coffespondant A ^{un processus} d’6mission thermo-

ionique perturbé par ^un effet tunnel. Les mesures de

capacitance conduisent a ^une valeur de la tension de diffusion YD ^{voisine de 0,23 eV. Il existe par ailleurs}

entre la hauteur de barrière 4>

E. ^et la tension de diffusion la relation :

Eg 1 ^{est la} largeur ^de bande interdite de SnTe. Des valeurs trouv6es pour 0 ^et Vp, ^{nous d6duisons} Eg 1

^{0,2 eV ; ce r6sultat est en bon accord avec les}

valeurs donn6es dans la litt6rature (~ 0,2 ^{eV a 300} K) [1,2]. ^La bonne concordance des r6sultats montre que l’on peut prendre pour les structures graduelles 0,23 ^eV

comme 6tant la valeur correcte de la tension de diffu- sion V D.

Dans la base de CdTe, le niveau de Fermi se trouve a 0,2 eV de la bande de conduction. On peut ^considerer

que loin de la jonction, ^{le niveau de} Fermi de SnTe est confondu avec le sommet de la bande de valence ;

cette hypothese s’appuie ^{sur la} possibilité ^{de r6duire}

la concentration de lacunes de Sn par des traitements

thermiques [3, 4, 16], ^{et l’on estime} que les traitements

thermiques ^{lies aux m6thodes de} croissance des struc- tures graduelles donnent le m8me r6sultat. Compte-

tenu de ces considerations, ^{on établit} que :

Dans cette expression XsnTe ^est l’affmité 6lectronique

de SnTe, XCdTe celle de CdTe et YD la ^{tension de diffu-}

sion. Nous trouvons pour XsnTe ^une valeur de 4,50 ^eV que ^nous estimons entachée d’une ^erreur d’environ 0,05 ^{eV. Nous avons} utilise pour xcdTe la ^{valeur de}

4,28 ^eV [17, 18].

La structure 6nerg6tique ^de I’h6t6rojonction ^SnTe-

CdTe propos6e ^{sur la} figure ^5, s’appuie ^sur l’analyse précédente.

Fig. ^5.

Schema de bande de I’h6t6rojonction pSnTe-

nCdTe sans 6tats d’interface. E,, ^et EVl respectivement ^bande

de conduction et bande de valence de SnTe. E,, ^et EV2 respectivement bande de conduction et bande de valence de CdTe. Ef : ^{niveau de Fermi. Avec le} dopage ^{du CdTe} (Np N ¹⁰¹⁴ cm-3), le niveau de Fermi se trouve à 0,2 ^eV en-dessous du bas de la bande de conduction.

[Energy ^band diagram ^{of the} pSnTe-nCdTe heterojunction

without interface ^states. ECl

and E,,,

are respectively ^con-

duction band and valence band of SnTe. EC2 ^and EVl ^are respectively conduction band and valence band of CdTe.

Ef : ^Fermi level. Fermi level in CdTe lies at 0.2 eV above the

conduction band (Np N 1014 cm-3).]

4. Conclusion.

Les h6t6rojonctions pSnTe-nCdTe ^r6alis6es par depot 6pitaxique ^d’un film mince de SnTe sur un substrat monocristallin de CdTe se pr6sentent ^{soit sous forme}

de jonctions graduelles, ^{soit sous forme de} jonctions abruptes ^{avec des 6tats} d’interface.

Les hauteurs de baffi6re ont 6t6 d6terinin6es à 1’aide des caractéristiques courant-tension et capacite-

tension. La bonne reproductibilité des r6sultats deduits

des mesures de capacitance ^{sur des} structures gra- duelles a permis ^d’6valuer correctement la hauteur de barri6re des h6t6rojonctions ^{sans 6tats} d’interface.

Nous avons pu determiner la valeur, jusqu’alors inconnue, de raff*mit6 6lectronique de SnTe. La valeur de 4,50 ^eV propos6e ^{conceme le SnTe} depose ^{sur une}

base de CdTe. Grace a cette determination, ^{il a 6t6} possible de proposer ^un schema de bandes des struc- tures que nous avons r6alis6es.

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