WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи     

МИДЕРОС МОРА ДАНИЭЛЬ АЛЕХАНДРО

Оптические свойства соединений А2В6 с изоэлектронной примесью кислорода с позиций теории непересекающихся зон.

(На примере системы ZnS–ZnSe).


Специальность 01.04.10 - Физика полупроводников


Автореферат

диссертации на соискание ученой степени
кандидата физико-математических наук


 
  
 
Москва – 2008

Работа выполнена на кафедре “Полупроводниковая электроника”

Московского энергетического института (технического университета)

 

Научный руководитель:

  

доктор физико - математических наук, профессор

Морозова Наталия Константиновна

  

Официальные оппоненты:

  

доктор физико - математических наук, профессор

Никитенко Владимир Александрович

кандидат физико - математических наук,

Козловский Владимир Иванович 

   

Ведущая организация:

  

ЗАО НИИ Материаловедения (г. Зеленоград)

   

          

Защита состоится « 5 » июня 2008 г. в аудитории К-102 в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 212.157.06 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: Москва, Красноказарменная ул., д. 14.

Отзывы (в двух экземплярах, заверенные печатью) просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый совет МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан « 30 » апреля 2008 г. 

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.06

д.т.н., профессор Мирошникова И. Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Соединения A2B6 являются перспективными материалами оптоэлектроники, наноэлектроники и ИК-техники. В связи с этим они интенсивно исследуются уже более полстолетия, что определяет все новые области их применения. В последнее десятилетие привлекли значительное внимание системы твердых растворов с резким несоответствием свойств компо­нентов, в которых анионы частично заменены более электроотрицательными атомами. Важным эффектом, наблюдаемым в таких соединениях, является изменение зонной структуры при резком уменьшении ширины запрещенной зоны и сохранении величины параметров решетки с введением малых количеств изоэлектронной примеси.

Неизменное присутствие кислорода в ZnS и ZnSe на уровне 1020 см-3 как электроотрицательной фоновой изоэлектронной примеси хорошо известно. Известно также, что нет достаточного теоретического обоснования природы ряда особенностей оптических свойств этих кристаллов и понимания, сколь существенную роль играет кислород в оптике соединений А2В6. Исследование этих проблем с привлечением вновь создающихся теоретических разработок является весьма актуальным.

Цель диссертационной работы.

В связи с этим была поставлена цель по выяснению влияния ИЭП кислорода на ряд особенностей спектров соединений А2В6, учитывая новые представления теории “непересекающихся зон” (ВАС). Для достижения поставленной цели необходимо было решить ряд основных задач:

  1. Выяснить основы развивающейся теории ВАС, проверить применимость теории для объяснения наших экспериментальных результатов.
  2. Проанализировать большое количество спектров исследованных нами образцов ZnS, ZnSe и ZnSxSe1-x, легированных в процессе роста кислородом и медью.
  3. Проанализировать в соответствии с моделью непересекающихся зон спектры люминесценции, отражения, поглощения, возбуждения и пропускания ZnS и ZnSe, исследованные нами ранее с изменением концентрации кислорода.
  4. Рассчитать зонные модели, определяющие излучательных переходы для самоактивированного свечения и поглощения ZnS и ZnSe.
  5. Провести изучение роли кислорода в пропускании ZnSe и ZnS в диапазоне 5- 20 мкм.

Обоснованность и достоверность полученных результатов подтвержда­ется большим числом исследованных образцов с использованием современных общепризнанных методик анализа, комплексным характером независимых измерений, в том числе с изменением интенсивности возбуждения и температуры, исследованиями микросостава и микронеоднородности в РЭМ, а также измерениями отражения, поглощения, пропускания и т.п. При исследовании всех образцов осуществлялся контроль концентрации кислорода, а также других примесей. Получено хорошее совпадение результатов повторных экспериментов на близких по свойствам образцах. Все экспериментальные результаты, расчеты, выводы и предложенные модели достаточно хорошо согласуются с имеющимися литературными данными и не противоречат друг другу.

Научная новизна. В результате проведенной работы были получены следующие новые данные, представляющие научный интерес.

1. Впервые дана интерпретация особенностей оптических свойств ZnS-ZnSe на основе теории “непересекающихся зон”, т.е. с учетом присутствия кислорода.

2. Проведен анализ спектров катодолюминесценция (КЛ), поглощения, отражения, возбуждения люминесценции, пропускания на основе новых представлений, что глобально изменяет подход к их интерпретации.

3. Построены зонные модели с учетом кислорода для типичных составов кристаллов (ZnS-ZnSe)О.

4. Изучено изменение ширины запрещенной зоны (Еg) на примере ZnS в зависимости от концентрации растворенного кислорода. Представлена зависимость Е– ~ [OS], определяющая сдвиг края фундаментальной абсорбции сфалерита как 75мэВ на 1 мол% ИЭП.

5. Впервые с учетом присутствия кислорода на основе теории “непересекающихся зон” исследованы и интерпретированы спектры и изменение ширины запрещенной зоны сульфоселенидов ZnSxSe1-x во всем диапазоне составов. Идентифицированы спектры кристаллов ZnSeTe(O).

6. Впервые изучено самоактивированное свечение на основе модели ВАС, уточнена классификация полос самоактивированного свечения ZnS и ZnSe в зависимости от стехиометрии и присутствия кислорода, дано объяснение дублетной структуры SA и SAL полос.

7. Показано, что неоднородность реальных кристаллов за счет образования скоплений кислорода определяет ведущие полосы самоактивированного свечения в спектрах, причем спектральное положение этих полос позволяет определить [OS] в скоплениях.

8. Обнаружены и исследованы полосы связанного экситона на SA и SAL центрах. Показано, что экситонные полосы, соответствующие скоплениям, определяют спектр краевого свечения.

9. Согласно представленной модели переходов с поглощением в сложной мультизоне (ZnS-ZnSe)O проведена интерпретация отдельных полос спектров поглощения, возбуждения люминесценции, а также селективных полос поглощения в среднем ИК диапазоне.

10. Выяснена структура спектра и природа свечения Cu в ZnSO и ZnSeO.

Практическая значимость работы. Выяснение роли кислорода в люминесценции и пропускании ZnS и ZnSe, могут быть положены в основу оптического метода контроля концентрации растворенного кислорода в ZnS и ZnSe в основном объеме кристалла (матрице) и в скоплениях. Для контроля концентрации кислорода может быть использовано спектральное положение экситонных полос катодолюминесценции, отражения, а также пропускания в ИК диапазоне. Тип самоактивированного свечения определяет отклонение состава кристаллов от стехиометрии.

Освоение новых материалов, управляемо легированных ИЭП кислорода, перспективно для создания ряда новых приборов, в частности наноэлектроники. Проведенные исследования носят фундаментальный характер и могут быть обобщены для объяснения аналогичных явлений по всей группе соединений A2B6.

Основные положения, выносимые на защиту:

  1. Экспериментальные результаты, показывающие, что резкое уменьшение ширины запрещенной зоны ZnS(ZnSe) объясняется с позиции теории непересекающихся зон.
  2. Предложена зонная модель кристаллов ZnSO, ZnSCu(O), ZnSеO, ZnSеCu(O).
  3. Новая интерпретация полос люминесценции Cu в соединениях ZnSO и ZnSeO, как и дублетной структуры полос SA и SAL самоактивированного свечения.
  4. Модель кислородных центров свечения в соединениях A2B6 и интерпретация на основе теории непересекающихся зон особенностей исследованных самоактивированных полос люминесценции.
  5. Модель, соответствующая основным компонентам спектра поглощения (отражения, пропускания), возбуждения люминесценции в системе твердых растворов ZnSO - ZnSeO.
  6. Идентификация полос связанных экситонов BE на акцепторных уровнях кислородных центров самоактивированного SA свечения ZnSO и ZnSeO.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Международном научно – техническом семинаре “Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах” (Москва. МЭИ. 2005 – 2008 гг.) – 5 докладов; Международной научно – технической конференции студентов и аспирантов “Радиоэлектроника, электротехника и энергетика” (Москва. МЭИ. 2005 – 2008 гг.) – 6 докладов; Международной конференции “Оптика оптоэлектроника и технологии” (Ульяновск, 27–30 июня 2005 г., 24–30 сентября 2007 г.) – 2 доклада; XIII Intern. Conf. “High-purity substances and materials. Production, analysis, application” (Nizhny Novgorod, 28-31 Mау, 2007) – 1 доклад; II Int. Congress on Radiation Physics and Chemistry of Inorganic Materials, High Current Electronics, and Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows. (Tomsk, 10-15 November, 2006) – 1 доклад.

Основные результаты исследований по теме диссертации представлены в 18 публикациях, в том числе 4 – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных результатов диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пять глав, заключения, библиографического списка из 176 наименований, содержит 152 страниц текста, 73 иллюстрации и 7 таблиц.

Краткое содержание работы

Первая глава предлагает обзор основных работ, составляющих основу новой теории “непересекающихся зон” (ВАС). Теория и подтверждающие ее экспериментальные результаты определяют влияние изоэлектронных примесей (ИЭП) даже при малых концетрациях < 1 мол % на зонную структуру твердых растворов на основе соединений III-N-V и II-О-VI.

Расположение уровня ИЭП относительно краев зон зависит от типа примеси. Для изоэлектронного акцептора ИЭА с электроотрицательностью большей, чем у атома матрицы, уровень образуется вблизи дна зоны проводимости. Такие ИЭА влияют на изме­нение структуры зоны проводимости, но не затрагивает валентную зону. Согласно модели ВАС изоэлектронные акцепторы расщепляют зону проводимости на две подзоны: E– (протяженные состояния) и E+ (локализованные состояния), которые ре­зонансно взаимодействуют друг с другом. Энергетический зазор между подзонами меньше, нежели расстояние до вышележащих зон при k = 0, но зависит от концен­трации ИЭП. Увеличение концентрации примеси приводит к опусканию подзоны Е–, что обуславливает резкое уменьшение запрещенной зоны.

В соответствии с теорией ВАС в работе дается характеристика изоэлектронных примесей (ИЭП), инициирующих изменение зонной структуры. Это примеси с резким несоответствием свойств: разности электроотрицательностей и размеров по отношению к атому матрицы, который она замещает. Например, для системы ZnTeS, разность электроотрицательностей Те-S = 0,48 и отличие размеров 0,28 оказываются достаточными для влияния на структуру зон. В то время как в системе ZnSSe = 0,03 и отличие размеров 0,1 не дают изменений в зонной структуре.

Для изоэлектронных доноров (ИЭД) с электроотрицательностью меньшей, чем у атома матрицы, уровень примеси формируется вблизи максимума валентной зоны.

Вторая глава описывает использованные методики эксперимента. Рассмотрены методы исследования спектров фотолюминесценции, возбуждения фотолюминесценции, а также различные возможности съемки спектров катодолюминесцен­ции при варьировании плотности возбуждения и глубины информационного слоя. Охарактеризованы методы комплексных исследований в растровых электронных микроскопах: микросостава, морфологии, микрокатодолюминесцен­ции (МКЛ).

Для выяснения влияния кислорода на поглощение, отражение и пропускание спектры снимались с использованием различных стандартных методик: непосредственно в жидком азоте с фотографической регистрацией или с использованием спектрофотометров СФ-8, Hitachi, а в ИК-области – Фурье спектрометра Bruker.

Дается краткая характеристика использованных методик определения кон­центрации кислорода в кристаллах: рентгеноструктурным анализом, нейтронно-активационным на быстрых нейтронах 14 МэВ, рентгеновским микроанализом, а также определение примеси кислорода химическим анализом в сочетании с газовой хроматографией.

Третья глава посвящена анализу изоэлектронной примеси кислорода в соединениях A2B6 и исследованию аномального изменения ширины запрещенной зоны при растворении кислорода в ZnS и ZnSxSe1-x. Рассмотрено также влияние собственных точечных дефектов на формы присутствия, растворимость и распределение кислорода в кристаллах ZnS, ZnSe.

Различие свойств кислорода по сравнению с анионами ZnS и ZnSe выше, чем для ряда систем твердых растворов с резким несоответствием свойств компо­нентов, когда имеет ме­сто изменение зонной структуры. В связи с этим приводятся результаты исследования влияния легирования кислородом на уменьшение ширины запрещенной зоны на примере ZnS. Кислород вводился в мелкодисперсные порошки сфалерита при избытке цинка. Ширина запрещенной зоны оценивалась по экситонным спектрам катодолюминесценции (КЛ), отражения и поглощению при 80 - 300К.

С увеличением [OS] в КЛ наблюдалось практически линейное ДВ смещение полосы свободного экситона ZnSO, соответствующее 75 мэВ на 1 мол% кислорода. При [OS] 0 полоса свободного экситона ZnSO смещалась в общепринятое для сфалерита положение 336,2 нм (3,688 эВ) при 300 или 326,6 нм (3,796 эВ) при 80К. Полученные значения FEZnS приняты в работе для полосы свободного экситона в “бескислородном” ZnS, поскольку и в современных литературных источниках они различается.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»