WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, вып. 5 Зависимость свойств кристаллов Cd1-xZnxTe от типа собственных точечных дефектов и форм присутствия кислорода © Н.К. Морозова, И.А. Каретников, В.В. Блинов, В.К. Комарь, В.Г. Галстян, В.С. Зимогорский Московский энергетический институт (Технический университет), 111250 Москва, Россия (Получена 25 сентября 1998 г. Принята к печати 14 октября 1998 г.) Комплексное исследование спектров катодолюминесценции, микроструктуры и микросостава, удельного сопротивления и присутствия кислорода позволило выявить зависимость электрических свойств и степени совершенства кристаллической решетки Cd1-xZnxTe от формы присутствия кислорода и типа собственных точечных дефектов. Обнаружено, что в зависимости от соотношения концентраций [Cd] [Zn] в кристаллах изменяется тип точечных дефектов и форма присутствия основной фоновой примеси — кислорода. Определен оптимальный состав твердого раствора для создания датчиков ионизирующего излучения, при котором кристалл наиболее высокоомен: Cd0.77Zn0.23Te.

В настоящее время на основе CdTe с удельным со- Бриджмену [3]. Заданный режим обеспечивал монокрипротивлением 109 Ом · см созданы детекторы ионизиру- сталлический рост на 2/3 длины слитка, после чего с ющего излучения, работающие при комнатной темпе- резким изменением свойств и резкой границей наблюратуре, однако их разрешение не превышает 2% [1,2]. дался переход к поликристаллу (см. далее). Схема слитка Улучшение разрешения требует более высокоомных, чем с изогнутой границей монокристалл–поликристалл предCdTe, кристаллов. Имеются сообщения [1,3] о созда- ставлена на рис. 1 (см. вставку). Там же обозначены нии датчиков ионизирующего излучения с энергетиче- места сколов. Микроанализ (МА) для всех сколов по длине l и радиусу r слитка давал избыток металла над ским разрешением до 1% при 300 K на высокоомных теллуром — величину [Cd + Zn]–[Te], которая корре(до 1011 Ом · см) кристаллах Cd1-xZnxTe определенного лирует1 с отклонением от стехиометрии. Эта величина состава. В работе [3] кристаллы были получены методом Бриджмена n-типа проводимости и удельным сопроти- по слитку сравнительно мало изменяется и составляет (5-8) · 1020 см-3 в носовой части; 6·1020 см-3 во всей влением до 1010 1011 Ом·см при значительном избытке центральной части и 7.5·1020 см-3 в конце монокристалметалла в загрузке. Поскольку избыток над стехиометрилической части слитка, а при переходе к поликристаллу ческим составом металла создает собственные доноры, незначительно (до 4 · 1020 см-3) уменьшается. Кроме этодолжнобылообеспечить достаточнонизкоеудельное измерения на сколах, тем же методом МА на продольном сопротивление кристаллов и причина их высокоомности срезе слитка по направлениям l и r (см. вставку к рис. 1) не ясна.

была промерена концентрация [Cd] и [Zn] с шагом 1 мм.

Цель данной работы — получить некоторые новые Результаты совпали.

сведения о природе дефектов, ответственных за свойства Изменение состава по слитку непосредственно связано кристаллов твердых растворов Cd1-xZnxTe, на основе с изменением ширины запрещенной зоны Cd1-xZnxTe, комплексного исследования спектров катодолюминеспоэтому нами было проведено исследование экситонных ценции, удельного сопротивления, содержания обычно спектров, полосы которых значительно смещаются при неконтролируемой фоновой примеси кислорода, микромалом изменении состава (рис. 1). На рис. 1 предстасостава и др. Выяснение типа дефектообразования в кривлены экситонные спектры для разных участков слитка:

сталлах позволило бы сознательно управлять процессом начальной (1, 1 ), средней основной монокристалличеполучения кристаллов.

ской (2, 2 ) и поликристаллической (3, 3 ). РаспредеСпектры катодолюминесценции (КЛ) исследовались ление интенсивности экситонных полос по кристаллу при уровне возбуждения порядка 1022 см-3 · с-1 в диапаприведено также на рис. 2 (кривая 1). Спектры снимазоне 500-2700 нм. Методика исследования КЛ описана лись на свежих сколах (110) при 80 и 300 K. В литев работе [4]. Концентрации [Cd], [Zn], [Te] определяратуре [7–9] имеются эмпирические зависимости Eg(x) лись количественным рентгеновским микроанализом [5].

для Cd1-xZnxTe. Расчетные значения x по данным [8,9] Микроструктура и микрооднородность контролироваблизки между собой. Для оценки x мы воспользовались лись в растровом электронном микроскопе (РЭМ). Был зависимостью [9] проведен газохроматографический анализ содержания кислорода в кристаллах [6].

Eex(Cd1-xZnxTe) =Eex(CdTe) +0.525x + 0.26x2, (1) Удельное сопротивление измерялось контактным мегде энергии Eex — в эВ, Eex(CdTe) = 1.579 эВ — тодом. Использовались точечные контакты в виде игл энергия максимума наблюдаемой экситонной полосы (0.1 мм) с наплавленным индием.

Изучение свойств проводилось на свежих сколах МА учитывал только основные компоненты кристаллов кристаллов Cd0.8Zn0.2Te, выращенных из расплава по Cd1-xZnxTe.

570 Н.К. Морозова, И.А. Каретников, В.В. Блинов, В.К. Комарь, В.Г. Галстян, В.С. Зимогорский Рис. 1. Экситонные спектры катодолюминесценции по длине слитка Cd1-xZnxTe в начале монокристаллической части (1, 1 ), в середине (2, 2 ) и в зоне поликристалла (3, 3 ). 1–3 и 1 –3 — центральная часть кристалла, 4 — вблизи тигля. Указаны длины волн максимумов в нм. На вставке — схема слитка, определяющая его размеры и места сколов.

катодолюминесценции CdTe при температуре 80 K, более тугоплавкое — твердый раствор обогащен ZnTe, Eex(CdTe) = 1.510 эВ — то же самое при T = 300 K, а жидкая фаза обогащается CdTe. Центральная часть x — содержание цинка в молярных долях. Оказалось, что слитка затвердевает позже, что приводит к образованию расчетные значения x, полученные по экситонным спек- изогнутого фронта кристаллизации. За счет повышентрам, удовлетворительно совпадают с результатами МА. ного выхода в твердую фазу ZnTe количество цинка постепенно уменьшается по длине слитка, т. е. увелиИсследования экситонных спектров показали, что экчивается отношение [Cd] [Zn]. Однако центральная ситонная полоса сдвигается в коротковолновую сторочасть слитка (l 30-50 мм) имеет состав, близкий ну, свидетельствуя об увеличении концентрации [Zn] к 23 мол%ZnTe.

на тех участках кристалла, которые затвердевают из При срыве первоначально заданного режима роста и заданного состава расплава первоначально. Это области вблизи конического дна и стенок тигля. Максималь- при переходе к поликристаллу наблюдается усиление краевого свечения (EE) (=755 нм на рис. 1, кривая 3).

ное содержание ZnTe в твердом растворе достигает Это свечение, как известно [10], связано с присутствием на этих участках 27 мол% при положении экситонной мелких акцепторов I группы.

полосы 713 714 нм (80 K). В центральной части слитка положение экситонных полос 720 723 нм, что со- Усиление линии EE обнаружено и в монокристаллиответствует 24 мол% ZnTe. Таким образом, состав ческой части слитка — у стенок тигля ( = 735 нм на слитка изменяется и по направлению r, по направле- рис. 1, кривая 4). При этом увеличивается интенсивнию l в пределах 2-3%. Эти результаты согласуют- ность и уменьшается полуширина экситонной полосы, по-видимому, за счет возникновения связанного экситося с данными МА. Причиной подобного изменения состава может быть разница в температурах плавле- на BE на тех же примесных центрах.

ния ZnTe (1300C) и CdTe (1100C). Первоначально Полуширина и интенсивность экситонных полос мопри охлаждении тигля на участках, где температура жет быть характеристикой степени совершенства криниже, чем в центре тигля, кристаллизуется вещество сталлической структуры [11]. Сравним эти величины для Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, вып. Зависимость свойств кристаллов Cd1-xZnxTe от типа собственных точечных дефектов... Полуширина экситонных полос сколов монокристаллической части исследованного нами слитка Cd1-xZnxTe меньше или сравнима с CdTe [12]. Вдоль оси слитка наименьшая полуширина экситонных полос соответствует сколам на длине l около 50 мм. Для сколов этой же области проходит через максимум и интенсивность экситонных полос (рис. 2, кривая 1). Как видно из рис. 2, удельное сопротивление по длине слитка монотонно возрастает от начала слитка (104 Ом·см) и, проходя через максимум для l 50 мм (1010 Ом · см), резко падает к границе монокристалл–поликристалл и в поликристаллической части слитка составляет 10 102 Ом · см.

Ранее нами исследовалось поведение кислорода в кристаллах AIIBVI [11–16]. Рассматривая причину высокоомности кристалла Cd1-xZnxTe при избытке металла в исходной загрузке, можно предположить ее в наличии фоновой примеси кислорода. Концентрация кислорода во всей монокристаллической части слитка порядка 1019 см-3. В межузельном положении кислород Oi является акцептором. Однако увеличение удельного сопротивления по длине монокристаллической части слитка не связано с накоплением примеси кислорода, так как концентрация [Oi] примерно постоянна по всей длине монокристаллической части слитка и даже может наблюдаться уменьшение общего содержания кислороРис. 2. Сопоставление распределения основных характерида в наиболее высокоомной области при уменьшении стик Cd1-xZnxTe по длине слитка: 1 — интенсивность эксиколичества дефектов ZnCd в составе твердого раствора.

тонной полосы Iex при 300 K, 2 — удельное сопротивлеЭто соответствует увеличению отношения концентраций ние, 3 — интенсивность полосы = 1200 (1500) нм при [Cd] [Zn], которое в высокоомной области порядка 3.

T = 80 K, 4 — интенсивность самоактивированного свечения На рис. 3 представлено изменение спектра КЛ в более ( = 800 нм) при T = 80 K, 5 — общая концентрация широкой спектральной области на ”типичных” сколах по кислорода [O]. Интенсивности полос рассчитаны по площади длине слитка. Спектры даны для центральной монокрипод кривой.

сталлической части слитка (a), границы монокристалл– поликристалл (b) и конечной поликристаллической части (c). Как было показано в работе [12], для спектра КЛ Cd1-xZnxTe характерны, кроме экситонных, еще исследованных нами объемных монокристаллов твердых две группы полос: в области 800 и 1200-1500 нм.

растворов и CdTe [12], у которых полуширина экситонИзменение интенсивности этих полос по длине слитка ных полос составляет 23 эВ (при T = 80 K) и 50 мэВ представлено на рис. 2.

(при T = 300 K). Резкое увеличение полуширины экИсследование полосы = 1200 (1500) нм показало, ситонных полос Eex наблюдалось в поликристалличто она не смещается ни с составом Cd1-xZnxTe, ни ческой части слитка. При этом высокая интенсивность с температурой, поскольку определяется внутрицентросвечения Iex для поликристалла свидетельствует о совервыми переходами с участием уровней вакансионных шенстве их структуры. Исследования в РЭМ показали, дефектов VTe [12]. Образование дефектов VTe определячто кристаллы достаточно крупные (средний размер ется большим избытком металла в исходной загрузке.

зерна 150 200 мкм), а состав их однороден, поэтому Высокая интенсивность полосы 1200 (1500) нм почти уширение полос не связано с перекрытием линий мелких по всей начальной длине монокристаллической части зерен разного состава. Однако для этой части слитка слитка свидетельствует о присутствии VTe в значительрезко возрастает концентрация кислорода [O] (рис. 2, ной концентрации (рис. 2, кривая 3). Большой избыток кривая 5). Можно полагать, что увеличение полушириметалла в кристаллах, подтверждаемый данными МА, ны экситонных полос определяется усилением экситонобязан, по-видимому, не мелкому собственному донору фононного взаимодействия и вкладом LO-сателлитов, типа Cdi, а дефекту VTe. Тот факт, что VTe сосуществует как это наблюдалось в работе [13] при большой конс присутствием кислорода в концентрации 1019 см-3, центрации изоэлектронных центров (фоновой примеси свидетельствует о том, что кислород не входит в узкислорода в узлах решетки). Действительно, содержание лы решетки, заполняя вакансии VTe. Наблюдающаяся этой примеси в поликристаллической части достигает концентрация [O] 1019 см-3 типична для твердых (2-3) · 1020 см-3. растворов кислорода в AIIBVI [11,14,15]. В такой Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, вып. 572 Н.К. Морозова, И.А. Каретников, В.В. Блинов, В.К. Комарь, В.Г. Галстян, В.С. Зимогорский кривая 3) резко увеличивает электрическое сопротивление. Срыв монокристаллического роста с уменьшением [VTe] наступает сравнительно быстро. Как видно из рис. 2, высокоомный участок сменяется резким спадом удельного сопротивления к концу монокристаллической части, где по всем данным происходит смена типа дефектности в кристалле. Уже на границе монокристалл– поликристалл удельное сопротивление уменьшается, а с переходом к поликристаллу резко падает на 7-8 порядков величины. Из рис. 2 видно, что при этом резко уменьшается интенсивность полосы = 1200 (1500) нм (т. е. уменьшается концентрация [VTe]), увеличивается концентрация [O] (кривая 5) и возрастает интенсивность полосы = 800 нм (кривая 4).

Согласно [11–16], полоса 800 нм связана с присутствием кислорода в узлах решетки OTe. Это электронейтральный изоэлектронный центр (ИЭЦ). Как показано в работе [12], наблюдаемая полоса 800 нм по своей природе аналогична самоактивированному свечению (СА) ZnSe : Te и обусловлена ближайшими френкелевскими парами (A-центр), стабилизированными кислородом в узлах решетки [13,16]. Полоса не обнаруживает типичных для донорно-акцепторной (Д–А) рекомбинации свойств, так как определяется не набором пар Д–А с разным значением расстояния между донором и акцептором rD-A, а только одним типом пар с постоянным значением величины rD-A.

Исследование полосы 800 нм в системе CdTe–ZnTe и, в частности, в их твердых растворах показало, что спектральное положение полосы зависит от состава:

полоса смещается в длинноволновую сторону при увеличении CdTe аналогично ширине запрещенной зоны Eg. Большая интенсивность этого свечения достигается только при избытке Cd и еще более резко возрастает при высокой концентрации OTe в Cd1-xZnxTe.

В этих условиях достигается стабильность центра, включающего OTe (-V) и Cdi (+V). Как показано в работах [10,12], полоса состоит из набора LO-сателлитов и спектрально не смещается с температурой, обнаруживая только усиление коротковолновых компонент с увеличением температуры (от 80 до 400 K).

Как видно из рис. 2 (кривая 4), САполоса 800 нм Рис. 3. Изменение спектра катодолюминесценции по длине спектра исследованного нами слитка Cd1-xZnxTe очень слитка Cd1-xZnxTe: a — средняя высокоомная часть, b —конец слабая в основной монокристаллической части (когда монокристаллической части, c — поликристалл. Указаны дликислород находится в междоузлиях). Интенсивность свены волн максимумов в нм и интенсивности соответствующих чения в области 800 нм начинает возрастать с уменьшеполос (в скобках). Температура измерения: сплошные линии — нием интенсивности полосы = 1200 (1500) нм, т. е. с T = 80 K, штриховые — T = 300 K.

Pages:     || 2 |



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

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.