Enhanced diode performance in cadmium telluride–silicon nanowire heterostructures



Yüklə 1,06 Mb.
Pdf görüntüsü
səhifə5/10
tarix02.05.2023
ölçüsü1,06 Mb.
#106326
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10
j.jallcom.2015.04.195

3. Results and discussion
The XRD patterns for the CdTe thin film deposited onto the soda-lime silicate glass 
substrate is shown in Figure 1 (a). Three main peaks that are assigned to (111), (220) and 
(311) reflections for cubic CdTe lattice are evident (JCPDS 89-3053). The XRD pattern for 
bare Si nanowires is provided in Figure 1 (b) for comparison. The XRD patterns for the CdTe 
thin films deposited onto planar reference sample and nanowire arrays are provided in Figure 
1 (c) and (d), respectively. No noticeable impurities or second phases were observed in the 
XRD spectra of the fabricated samples within the detection limits. Figure 1 (d) also includes 
the solid vertical reference peaks for CdTe (JCPDS 89-3053) and Si [10, 12, 28] below the 
XRD pattern. Extra peaks appeared around 33

, 62

and 69

in Figure 1 (c) and (d) belong to 
crystalline Si.
From Figure 1, it is seen that the full width at half maximum (FWHM) of the (111) 
and (220) reflections are much smaller for the CdTe thin film deposited onto Si nanowire 
arrays compared to that on planar Si. Quantitatively, the FWHM values of the (111) and 
(220) reflections were found to be 0.244 and 0.241 degrees for the nanowire based sample 
and 0.273 and 0.312 in degrees for the planar reference sample, respectively. These results 
demonstrate higher crystallinity of the CdTe film deposited onto Si nanowires as opposed to 
the CdTe film deposited onto Si wafer. Rietveld refinement revealed detailed structural 
parameters such as average crystallite size, microstrain and dislocation density of the CdTe 


thin films. Structural information for the CdTe was obtained from the database. An average 


crystallite size was calculated to be 45 nm and 25 nm for the nanowire based and the planar 
samples, respectively. Rietveld analysis revealed that the microstrain and dislocation density 
in the CdTe thin films deposited onto planar substrate are higher than the ones obtained from 
CdTe thin films deposited onto the Si nanowire arrays. The microstrain and dislocation 
density were found to be 7.7 x 10
-5 
and 16 x 10
14 
m
-2 
for the planar sample and 3.7 x 10
-5
and 
4.9 x 10
14 
m
-2
for the nanowire based sample, respectively. The obtained lattice constant of 
the CdTe thin films deposited onto the nanowires and planar substrate was 0.647 nm and 
0.651 nm, respectively. Lattice parameter for CdTe thin film on planar Si substrate was larger 
than that of the ideal bulk CdTe (a = 0.648 nm) [29]. It is known that the lattice parameter of 
a deposited thin film is influenced from the lattice mismatch between the film and the 
underlying substrate. 
Rietveld analysis
the CdTe film deposited onto the planar 


The lattice mismatch between the CdTe thin film and Si substrate resulted in a 
structural disorder within the thin film and created interface states at the depletion layer of the 
junction. The 
optical bandgap 
(E
g
) of the CdTe thin films sputtered onto glass substrates was calculated to be approximately 
1.47 eV (data not shown here), which is found to be in reasonable agreement with the 
literature [21, 31].

10 
Raman spectroscopy, highly effective and non-destructive technique for the 


characterization of the structural properties of the materials, was performed in order to further 
investigate the crystal quality of the semiconductor CdTe films. Room-temperature Raman 
spectra of the CdTe thin films deposited onto the Si nanowire arrays and planar Si substrate 
in the spectral range between 100 - 900 cm
−1
are provided in Figure 2 (a). Three pronounced 
vibrational features located at approximately 170, 340 and 510 cm
–1
were assigned to first 
order longitudinal optical (LO) phonon scattering of the CdTe, its second order (2LO) and 
third order (3LO) overtones, respectively. Similar peaks have been previously observed and 
reported for the CdTe structure [32-34]. It can be noticed that the 2LO and 3 LO region for 
the sample deposited onto planar substrate is less prominent, suggesting formation of poorly 
ordered CdTe film. Particularly, distinct Raman peaks of the LO modes and their overtones 
with increased intensity and decreased linewidth were observed for the CdTe film deposited 
onto Si nanowire arrays compared to one obtained from the planar sample. This result 
provides strong evidence on high degree of crystallinity within the CdTe film deposited onto 
Si nanowires. Therefore, both the XRD and Raman analyses revealed the improved 
crystallinity of the CdTe thin film deposited onto Si nanowires compared to the thin film 
deposited onto planar Si substrate. The improved structural characteristics and high quality of 
the CdTe thin films on the Si nanowires indicated by the XRD and Raman data could be 
attributed to either the stress relief resulting from the flexibility of the nanowires due to their 
three-dimensional nature or to the enhanced surface area and nucleation sites on the surface 
of the nanowires. The small diameter of the Si nanowires leads to an elastic relaxation at the 
nanowire sidewall surfaces that makes possible to grow sequence of large lattice mismatch 
materials one on top of each other. In addition, the three-dimensional junction extending 
along the entire length of nanowires with larger interfacial contact area between the Si 
nanowire arrays and the CdTe thin films could minimize the structural disorders in the CdTe 

11 
thin film such as crystal defects or dislocations circumventing the lattice mismatch between 


these complementary materials [12].
The common features observed in the first order LO phonon band of the CdTe thin 
film are low frequency asymmetry and peak broadening, as shown in Figure 2 (a). In terms of 
the selection rules, the presence of both the LO and transverse optical (TO) phonon modes of 
CdTe films deposited onto Si nanowires and planar Si substrate is expected, because the 
(111) plane of the CdTe in cubic form permits both optical phonons. In Figure 2 (a), the first 
order LO phonon mode is clearly visible and is the strongest mode for the CdTe films 
deposited both onto nanowires and flat substrate. Besides, the TO phonon mode of the films 
can be identified at the low frequency side of the Raman spectra. Curve fitting procedure by 
superposition of the Gaussian lines allowed the determination of the positions of the different 
components contributing to the Raman spectrum. Figure 2 (b) shows the deconvoluted 
Raman spectrum from the CdTe film deposited onto Si nanowires in LO phonon band. The 
main peak at 171.5 cm
−1
can be directly assigned to the scattering by LO phonons in the 
CdTe thin film [29]. The distinct lowest component at 146.5 cm
−1
is ascribed to the CdTe TO 
phonon, because of its frequency proximity to the frequency of corresponding CdTe bulk 
crystal [35]. The other component peaked at 158.9 cm
−1
can be attributed to the surface 
optical (SO) phonons, as the frequency of the SO mode is expected to be between the LO and 
TO phonon modes. In addition to the scattering feature at the low-frequency side of the LO 
peak, a noticeable high-frequency shoulder (HSF) of the LO peak is located at around 188 
cm
-1
, originating probably from the contribution of acoustic phonons or surface-induced 
vibrational modes [32].
A top-view SEM image obtained from the CdTe thin films deposited onto the planar 
Si substrate is provided in Figure 3 (a). Non-uniform distribution of the CdTe nanoparticles 
on the planar substrate is evident. The corresponding film thickness was measured to be 

12 
around 500 nm from the cross-sectional SEM image (see inset of Figure 3 (a)). The same 


amount of the CdTe thin film was deposited onto the Si nanowires and planar Si under 
identical conditions. Therefore, any observed difference in the performance of the fabricated 
devices can be safely ascribed to the properties of the Si nanowires. The surface morphology 
and roughness of the deposited CdTe thin films were also examined by AFM. Figure 3 (b) 
shows three-dimensional AFM image for the CdTe thin film deposited onto planar Si 
substrate. Root mean square (RMS) roughness value of the thin film was found to be 3.36 
nm, revealing the relatively smooth surface. A cross-sectional SEM image of the CdTe thin 
film deposited onto Si nanowires is provided in Figure 3 (c). It is quite clear from the image 
that the CdTe thin film deposited onto nanowire arrays forms a continuous film at top of the 
nanowire arrays. As clearly, the film packing on the Si nanowires increases from the bottom 
towards the top, resulting in formation of matchstick-like structures. The cross-sectional SEM 
image of the as-prepared Si nanowires (length of approximately 1 μm) is provided as an inset 
in Figure 3 (c), for comparison. Figure 3 (d) shows the EDX spectrum obtained from the 
CdTe thin film deposited onto Si nanowires, revealed the presence of the cadmium (Cd), 
telluride (Te) and Si. The atomic ratios of Cd, Te and Si obtained from the EDX 
measurement were 28.49%, 30% and 41.51%, respectively. It was found that the deposited 
CdTe film is slightly deficient in cadmium with a Cd:Te atomic ratio of 0.95. 
In order to unveil the electrical properties of the fabricated heterojunction devices, I-V 
measurements were conducted. A schematic configuration of a nanowire based 
heterojunction device with front (Au) and back (Ag) contacts is shown in Figure 4. Figure 5 
(a) shows typical semilogarithmic I-V characteristics of the nanowire based and planar 
heterojunctions measured both in the dark and under illumination. Decent rectifying 
properties were obtained from both nanowire based and planar heterojunction devices. 
Rectifying behaviors indicated the formation of p-n junctions within the devices. 

13 
Rectification ratios of 10


5
and 10

(I
F
/I

taken at 

5V) were obtained for the nanowire based 
and planar heterojunction, respectively. It is clear that the diode performance of the 
heterojunction with nanowires was superior compared to the planar counterpart. This result 
points out the formation of a highly effective depletion region between the CdTe thin film 
and Si nanowires. The difference between the rectification ratios could be attributed to the 
enhanced surface area due to the three-dimensional nature of the Si nanowires. In addition, 
increased interfacial area on the nanowire surfaces can minimize the structural disorders in 
the thin films such as crystal defects or dislocations leading to a stress relief [10]. Under 
illumination, the increase in the reverse saturation current for both devices was evidenced at 
first sight. This is based on the generation and collection of the photogenerated minority 
carriers under illumination. Photocurrent (I

Yüklə 1,06 Mb.

Dostları ilə paylaş:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10




Verilənlər bazası müəlliflik hüququ ilə müdafiə olunur ©azkurs.org 2024
rəhbərliyinə müraciət

gir | qeydiyyatdan keç
    Ana səhifə


yükləyin