RECOMBINAISONS RADIATIVES DANS CuGaS₂

Résumé
Dans les monocristaux de CuGaS₂ synthétisés par transport chimique par voie gazeuse, l'analyse spectrochimique a permis de détecter la présence de Fe, Ca, Si et Ni comme impuretés traces majeures. La concentration en fer, dont la présence sous forme de Fe³⁺ sur le site de Ga a été établie par résonance paramagnétique électronique, est liée à la coloration des échantillons. Les spectres de photoluminescence des échantillons non dopés peuvent être classés en deux groupes : une émission de raies proches du bord d'absorption et une émission de bandes à plus faible énergie. Le premier groupe est formé de raies ; à 4 954 Å, attribuée à la recombinaison excitonique, à 4 971 et 4 984 Å, interprétées comme une recombinaison d'excitons piégés. Le deuxième groupe est formé de bandes d'émission vers 5 180 Å, 5 385 Å et 5 500 Å qui ne sont pas présentes simultanément pour tous les échantillons. A intensité d'excitation croissante le maximum des bandes à 5 180 Å et 5 385 Å se déplace vers les grandes énergies alors que la largeur à mi-hauteur augmente. Ces bandes sont associées à des recombinaisons donneurs-accepteurs. La somme des énergies de liaison de ces centres, E_A + E_D est égale à 166 meV pour la bande à 5 180 Å et à 265 meV pour la bande à 5 385 Å. Aucune corrélation n'a pu être établie entre les impuretés détectées et les spectres de luminescence. Des cristaux ont été dopés intentionnellement au fer. Les mesures d'effet Mössbauer ont confirmé la présence de Fe³⁺ et révélé l'existence de Fe²⁺. Les mesures d'émission ont montré que Fe³⁺ a un comportement de "poison" pour les recombinaisons radiatives proches des transitions excitoniques. Le rôle des autres impuretés est discuté.

Abstract
Spectrochemical analysis has shown the presence of Fe, Ca, Si and Ni as major trace impurities in CuGaS₂ single crystals synthetized by gaz transport reactions. The coloration of the samples is related to the iron concentration ; its presence as substitutional Fe³⁺, on the Ga sites, has been established by electron paramagnetic resonance. The photoluminescence edge emission spectrum of the undoped crystals can be separated into a group of narrow lines and a group of bands : the narrow line at 4 954 Å is ascribed to excitonic recombination and those at 4 971 Å and 4 984 Å to trapped exciton recombination. The bands at 5 180 Å, 5 385 Å and 5 500 Å are not present simultaneously on all samples. With increasing excitation intensity, the peak position of the bands at 5 180 Å and 5 385 Å moves towards higher energies, and their width increases. These bands are ascribed to acceptor-donor recombinations. The sum of the binding energies of the acceptor and the donor E_A + E_D is found to be 166 meV for the band at 5 180 Å and 265 meV for the band at 5 385 Å. However, no correlation could be found between detected impurities and the emission lines intensities. In the heavily Fe⁵⁷ doped crystals, Mössbauer measurements confirmed the presence of Fe³⁺, but showed that Fe²⁺ was also present though at a smaller concentration. It could be proved that Fe³⁺ acts as an efficient edge emission luminescence killer. Possible traps induced by other impurities are discussed.