Enhanced diode performance in cadmium telluride–silicon nanowire heterostructures



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j.jallcom.2015.04.195

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were found to be 2.06 and 15.2 nA for the nanowire based 
and planar diodes, respectively. I-V characteristics of the diodes are strongly affected by the 
parasitic resistances such as series resistance (R
s
). This parameter should be taken into 
consideration in terms of the device performance. The value of the R
s
 
was calculated to be 
1.84 kΩ for the nanowire based diode, and 58 kΩ for the planar diode. It is clear that the use 
of nanowires for the fabrication of heterojunction devices significantly decreased the R
s
. High 
series resistance is known to cause non-ideal diode behavior, deteriorating the device 
performance. 
An open circuit voltage of 120 mV was also obtained from the nanowire based 
heterojunction device under illumination. This result also confirms the formation of a much 
better interface between the CdTe thin film and Si nanowires as opposed to the formed within 
planar Si. The obtained open circuit voltage may be low for a solar cell application but the 
efficient CdTe thin film/Si nanowire heterojunction photovoltaic devices can be achieved by 
optimizing the production process of the both Si nanowires and complementary CdTe thin 
film. Reducing the lattice mismatch by using a buffer layer between the CdTe thin film and 
the nanowires could also be useful for the improvement of the device performance.
Photocurrent characteristics of the photodiodes at a bias of 2 V are provided in Figure 
5 (c). Both the dark and illuminated current was measured for 10 second. From Figure 5 (c), 
measured dark currents of the nanowire based and planar diodes were 2 and 0.4 mA, 
respectively. Upon illumination, current values raised to 8 and 0.8 mA, respectively. The 
currents of the both photodiodes decreased quickly to its original value with very good 
stability and reproducibility after the light was turned off. The rise and fall times were 

16 
reproducibly found to be less than 1 second for both devices over many repeated cycles. 


Moreover, the current ON/OFF ratio was found to be 4 and 2 for the nanowire based and 
planar devices, respectively. The high sensitivity to the incident light of the fabricated 
photodiode with Si nanowire arrays suggests that it can be potentially attractive for 
photodetection and optical switching applications.
The working mechanism of the heterojunction devices can be understood by the 
energy band diagram provided in Figure 5 (d). There are two energy band offsets (valence 
band offset (

E
v
) and conduction band offset (

E
c
)) due to the different electron affinities 
and optical bandgaps of the CdTe and Si nanowires. Namely, the E
g
and electron affinity of 
the p-type CdTe are 1.47 eV (obtained from the optical measurements) and ~4.3 eV, 
respectively [16]. The E
g
and electron affinity of the Si nanowires were assumed to be 1.1 
and 4.1 eV, respectively [36]. Energy band offsets were then calculated to be 

E
c
= 0.2 eV 
and 

E
v
= 0.57 eV using the Anderson’s rule. As a result of the differences between the work 
functions of the CdTe and Si, a space charge region is formed and a built-in electric field is 
established at the interface. Upon illumination, the photons with wavelengths shorter than 
845 nm are mainly absorbed by the CdTe film, while longer wavelength photons are 
absorbed by the Si nanowires. Both semiconducting materials (CdTe and Si) contribute to the 
absorption and accordingly to the electron-hole pair generation. The photogenerated carriers 
that are separated through the built-in electric field can then be collected by the metallic 
electrodes, giving rise to the photocurrent. Among the photogenerated carriers, holes sweep 
to CdTe side of the junction and collected at the front contact, while the electrons travel 
through Si towards the back contact.
The reflection of the light from the device surface is the one of the loss mechanisms 
that decreases the efficiency of the photodetectors [4]. Mostly, anti-reflection coatings are 
used to minimize such losses [18]. Si nanowire arrays are known to show superior 

17 
antireflection properties [5]. Reflection of fabricated heterojunction diodes are provided in 


Figure 6 (a). The nanowire based device exhibited an average reflectance of less than 4%, in 
comparison to 35% for the planar device within the investigated wavelength range. Improved 
antireflective performance of the devices with Si nanowires could also contribute to the 
enhanced optoelectronic performance of the devices.
The responsivity of a photodiode is defined as the ratio of photocurrent density to the 
intensity of incident light at a certain wavelength and shows the photoelectric sensitivity of 
the diode to incident light energy. Figure 6 (b) shows the spectral response of the fabricated 
heterojunction diodes measured using a calibrated light source under a reverse bias of 2 V. 
Two pronounced device features shows two humps located at 845 nm and 1000 nm are 
evident in the spectra which are associated with the absorption edges of p-type CdTe thin 
film and n-type Si, respectively. The planar reference device shows a photoresponse within 
the wavelength range of 700-1000 nm, and no response is obtained for the incoming photons 
with the wavelengths shorter than 700 nm. The maximum responsivity is 0.08 A W
-1
at the 
wavelength around 1000 nm. On the other hand, a large enhancement in responsivity over the 
broad spectral range is observed for the nanowire based heterojunction diode. Both the range 
of detection and signal intensity are substantially higher as opposed to planar control sample. 
The detection window is extended to the ultraviolet region. The strong antireflective 
properties of the vertically aligned nanowire arrays in the CdTe thin film/Si nanowire 
heterojunction diode structure could explain the attained spectral improvement. However, it 
may not be solely enough to explain the observed distinct difference in the photoresponsivity 
of the fabricated photodiodes. In the CdTe thin film/Si nanowire heterojunction device 
structure, the photocurrent generation process starts with the absorption of the incoming light. 
Since the CdTe film is a good absorber due to its high absorption coefficient of 10
5
cm
-1
[19, 
20], most of the incident photons are absorbed close to the surface on the CdTe side of the 

18 
junction that is away from the p-n interface. As mentioned before, the three-dimensional 


nature of the Si nanowires reduces the lattice mismatch-originated structural disorders 
(extended defects or dislocations) formed within the CdTe films and, hence decreases the 
number of defect states. The existence of the defect states within the bandgap of the CdTe 
could act as recombination centers or transport channels for the carriers created upon 
absorption of the light and cause some of the photogenerated carriers to be annihilated before 
they go through the space charge region. Based on the XRD and Raman results, a high degree 
of crystallinity was observed for the CdTe thin film deposited onto the Si nanowires as 
opposed to the film deposited onto planar Si substrate. The improved film quality together 
with the decreased defect density and number of defect states for the CdTe film on the Si 
nanowires leads to a high photocurrent for the investigated spectral interval of photocurrent 
spectrum (Figure 6 (b)). Additionally, the reduced effective p-n junction depth and the closer 
interface to the CdTe film surface together with the advantage of the three-dimensional 
structure of the Si nanowires make the recombination losses less pronounced. This effect is 
remarkable in the lower wavelength part of the photoresponsivity spectrum for the nanowire 
based diode. As a result of spectral photoresponsivity measurements, the maximum 
responsivity was detected to be 0.5 A W
-1
at around 845 nm for the nanowire based device. 
There is almost a 7-fold higher responsivity at this wavelength. Accordingly, the CdTe thin 
film/Si nanowire heterojunction device shows potential promise to be used as a 
photodetector, which operates particularly in near-infrared wavelengths. 
The detectivity (D) and external quantum efficiency (EQE) for a photodiode are a 
figure of merits used for the characterization of the device performance. The detectivity 
characterizes normalized signal to noise performance of a detector and can be determined 
using the following equation [37],

19 
(3) 


, where R(


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