WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. 4 Фотолюминесценция кристаллического ZnTe, выращенного при отклонении от термодинамического равновесия © В.С. Багаев, Ю.В. Клевков, В.В. Зайцев, В.С. Кривобок Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, 119991 Москва, Россия E-mail: bagaev@lebedev.ru (Поступила в Редакцию 29 июня 2004 г.) Кристаллические текстурированные и столбчатые структуры, а также игольчатые монокристаллы ZnTe синтезированы из паровой фазы и в расплаве теллура при отклонении условий роста от равновесных.

Исследования методами низкотемпературной фотолюминесценции и рентгеноструктурного анализа показали, что полученные образцы обнаруживают высокое структурное совершенство, однородное распределение примесей и слабое взаимодействие с дефектами кристаллической стукртуры. При заметной остаточной концентрации донора в замещенном состоянии в этих структурах удалось выявить эффект рассеяния поляритонов на нейтральных донорах. Показано также, что для неравновесных условий роста типично появление в спектре переходов, не характерных для равновесных кристаллов. Измерения температурных зависимостей спектров люминесценции и зависимостей от уровня возбуждения, а также различные условия отжига позволили сделать предварительные заключения о природе этих переходов.

Работа поддержана грантами Российского фонда фундаментальных исследований № 02-02-17392, 03-02-16854, 04-02-17078, а также грантом поддержки вещущих научных школ 1923.2003.2.

1. Введение ким образом, исследование ZnTe, полученного в неравновесных условиях, представляется полезным как для ZnTe считается одним из перспективных материа- выяснения механизма самокомпенсации, так и с точки лов современной оптоэлектроники. Однако существуют зрения технологии получения материала с существенно ограничения возможностей его практического примене- иными свойствами.

ния в приборостроении, связанные с так называемой В данной работе проведено исследование методом проблемой самокомпенсации, которая препятствует со- низкотемпературной фотолюминесценции (ФЛ) нелегизданию материала n-типа даже при умеренном леги- рованных кристаллов ZnTe, полученных из паровой ровании. В настоящее время существует ряд моделей фазы методом свободной кристаллизации и из жидкого самокомпенсации [1–4], основанных, как правило, на вза- теллура по механизму пар–жидкость–кристалл [8] при имодействии в процессе роста кристалла собственного отклонении условий роста от равновесных. Кроме того, дефекта решетки и донорной примеси с образованием исследовано влияние различных режимов отжига на комплексов сложной природы. Естественно, что про- спектры ФЛ полученных поликристаллов. В результате цесс возникновения такого комплекса на первой стадии обнаружен ряд интересных особенностей, характерных заключается в образовании разнесенной пары донор– для неравновесных условий роста.

компенсирующий дефект и лишь затем их объедине- Статья построена следующим образом. В разделе нии в комплекс в результате диффузии (установление описываются технология роста кристаллов и методика внутреннего равновесия за длительное время роста эксперимента. В разделе 3 приводится общая характерии охлаждения кристалла до комнатных температур).

зация спектров ФЛ образцов серий Z6V и Z6L. Раздел Предлагаемые модели компенсации дают возможность посвящен обсуждению полученных результатов, в нем предположить, что при достаточно больших скоростях рассматриваются эффекты, связанные с влиянием дороста диффузия компонентов, образующих комплекс, норной примеси, и приводятся результаты исследования становится малоэффективной. В этом случае донор и двухзарядного акцептора в Z6L.

компенсирующий дефект будут находиться в основном в разнесенном состоянии. Реализация неравновесных 2. Технология и методика условий, необходимых для возникновения подобных эффектов, представляет также интерес и с другой точки эксперимента зрения. Как показано в работах [5–7], в случае роста кристалла из паровой фазы при достаточно больших Нелегированные кристаллиты ZnTe различной форпересыщениях может иметь место изменение морфо- мы и направлений были выращены в жидком теллуре логии, заключающееся, например, в смене ростовых при температуре 700C по механизму пар–жидкость– плоскостей, что приводит в свою очередь к изменению кристалл (серия Z6L). В кварцевую ячейку цилиндримеханизма встраивания примеси в решетку, смене типа ческой формы с жидким теллуром массой 150 g, нахо„лидирующего“ структурного дефекта решетки и т. д. Та- дящуюся при температуре 700C (PTe 30-35 Torr), 584 В.С. Багаев, Ю.В. Клевков, В.В. Зайцев, В.С. Кривобок свойств ZnTe проводились для фрагмента, показанного на рис. 1, a. На дифрактограмме перпендикулярно направлению роста образцов наблюдались рефлексы одной серии ([111], [222], [333]) от ZnTe ислабыйрефлекс [003] от Te. На основании этого можно сделать вывод, что средняя часть сегмента состоит исключительно из волокон [111], которые могут слегка отклоняться от нормали к ростовой поверхности в сторону потока Zn.

Присутствие небольшого количества Te с ориентацией его базисной плоскости параллельно поверхности пленки и отсутствие других рефлексов свидетельствуют об ориентированном вхождении теллура по границам кристаллитов ZnTe. Попытка точного определения эпитаксиального соотношения между ZnTe и Te оказалась неудачной из-за малой концентрации теллура. В этом же процессе на торцевой стенке ячейки теллура были получены игольчатые кристаллы (серия Z6V ) ZnTe, которые формировались из паровой фазы в результате химической реакции компонентов.

Измерения спектров ФЛ проводились в парах He в интервале температур от 5 до 45 K. Источником оптического возбуждения служил аргоновый лазер с линиями возбуждения 5145 (2.41 eV) и 4880 (2.54 eV).

Размер пятна возбуждения составлял 100 µm. Спектр анализировался при использовании двойного монохроРис. 1. Фотографии текстуры Z6L с направлением роста [111], матора ДФС-24 с разрешением не хуже 0.1 meV. Сигнал оканчивающейся шапками из более мелких кристаллитов (a), с фотоумножителя регистрировался с помощью счета и структуры Z6L с морфологическим переходом, связанным с фотонов.

изменением пересыщения на фронте кристаллизации (b).

3. Результаты эксперимента подавался непрерывный поток паров цинка из отдель3.1. Фотолюминесценция образцов, полуной ячейки, находящейся при температуре 720C ченных из паровой фазы (серия Z6V ). Спектр (PZn 80 Torr). Обе ячейки размещались в кварцевом ФЛ кристалла серии Z6V приведен на рис. 2, a. Отметим, реакторе, процесс роста проходил в динамическом вакучто образцы данной серии имеют высокий квантовый уме. Исходные компоненты, используемые в этом провыход ФЛ и, кроме того, спектр обладает практически цессе, подвергались предварительной очистке методом идеальной повторяемостью для разных кристаллитов.

вакуумной дистилляции. Процедура роста кристаллитов Вкратце остановимся на обозначениях переходов, назанимала около 50-60 min до полного расхода компоблюдаемых в спектре. Последние удобно разделить на нентов. Наблюдаемые переходы в структурообразовании собственное излучение; излучение, связанное с примесяZnTe, касающиеся направления свободного роста крими замещения; излучение, обусловленное комплексными сталлитов и их скорости, связаны, как мы полагаем, с дефектами, и фононные (LO) повторения линий люмипеременной величиной пересыщения по мере расхода несценции. Сложная структура, наблюдаемая в области объемной фазы теллура при образовании соединения свободного экситона, может быть интерпретирована в ZnTe, а также с нарушением устойчивости жидкой фазы рамках поляритонной концепции, учитывающей выровследствие концентрационных и термических флуктуждение валентной зоны. Как известно, в этом случае аций непосредственно перед фронтом кристаллизации.

спектр формируется из излучения нижней (LP), верхПоскольку толщина раствора теллура в сечении при уканей (UP) и промежуточной (MP) поляритонных ветзанной конструкции ячейки представляет собой сегмент вей [9]. Наблюдаемое при этом расщепление в излучес максимальной высотой до 5 mm, структурообразование нии нижней поляритонной ветви обусловлено наличием ZnTe в различных сечениях имеет некоторые особеннейтрального донора.

ности.

В образцах серии Z6V излучение, связанное с изоНа рис. 1 представлены фотографии фрагментов лированными примесями замещения, проявляется в виструктуры ZnTe из разных сечений сегмента. Пред- де переходов зона–примесь (e-A), излучения донорноварительные исследования направления роста (мето- акцепторных пар (DA) и излучения экситонно-примесдом рентгеноструктурного анализа) и люминесцентных ных комплексов. Наиболее яркая линия ФЛ в образцах Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. Фотолюминесценция кристаллического ZnTe, выращенного при отклонении... Рис. 2. Спектры ФЛ образцов серий Z6V (a) и Z6L (b).

Z6V (A0X) соответствует оптическому переходу, при На наличие донорной примеси (предположителькотором после аннигиляции связанного на нейтраль- но ClTe) в замещенном состоянии указывают линии ном акцепторе экситона локализованная дырка остается D0X (2.3779), D0X (2.3785) [12], а также TE- и в основном состоянии. Двухдырочные (TH) переходы, DA-переходы. Заметная концентрация донора в замещенвозникающие в более длинноволновой части спектра, ном состоянии и неплохое качество кристаллической соответствуют процессам, при которых локализован- решетки позволили обнаружить ряд интересных особенная дырка после аннигиляции экситона оказывается в ностей при взаимодействии поляритона с нейтральным одном из возбужденных состояний. Везде далее для донором, которые обсуждаются в разделе 4.1.

них использовано обозначение |F A, где F отвечает Слабый переход (IC) в районе 2.3619 eV соответствует возбужденному состоянию дырки, A представляет собой основной линии экситона, локализованного на двухзапримесь замещения (например, 3SA Li). Классификация рядном акцепторе [13]. Регистрация данного перехода возбужденных состояний приведена в соответствии с типична для кристаллов, полученных при отклонении теоретической работой [10]. В случае экситона, локалиусловий роста от равновесных. В длинноволновой части зованного на нейтральном доноре, имеет место сходная спектра Z6V (рис. 3) присутствует излучение, связанное картина: основная линия D0X и серия двухэлектронных с изоэлектронной примесью — OTe — и комплексом K0, (TE) переходов, обозначения которых аналогичны обозначениям двухдырочных переходов с той лишь разницей, что под |F понимается возбужденное состояние электрона.

В спектре ФЛ Z6V четко проявляются два основных акцептора в замещенном состоянии: Li и Cu. Однако линия A0X имеет дублетную структуру, наиболее интенсивный пик которой ( 2.3749 eV) совпадает в пределах погрешности с положениями A0X для Li и Cu. Второй, менее интенсивный пик ( 2.3740 eV) совпадает с A0X для Ag и так называемого k-акцептора [11]. Однако каких-либо дополнительных признаков присутствия Ag и k-акцептора (соответствующих TH- или DA-переходов) не обнаружено. Рис. 3. Излучение Z6V (1) и Z6L (2) в области кислорода.

Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. 586 В.С. Багаев, Ю.В. Клевков, В.В. Зайцев, В.С. Кривобок в состав которого входит вакансия Zn [14] (рис. 2, a). в несколько раз). Процесс при этом имеет обратимый Отметим также отсутствие в Z6V характерных для ZnTe характер, и после снятия возбуждения сигнал быстро линий, связанных с протяженными дефектами. Возмож- восстанавливается. Кроме того, наблюдается достаточно, исключение составляет лишь слабая линия Y3, более но быстрое гашение указанной линии с температуподробный анализ которой приведен в разделе 3.2. рой (сигнал практически отсутствует при температуре 3.2. Фотолюминесценция образцов, синте- T 30 K). Для кристаллов, полученных при отклонении зированных в жидком Te по механизму от равновесия, данная линия практически не чувствипар-жидкость-кристалл (серия Z6L). В спек- тельна к отжигам в вакууме и низкотемпературным тре этих поликристаллов наблюдаются изменения ин- отжигам ( 400C) в цинковой атмосфере, однако при тегральной интенсивности ФЛ по высоте структуры, а отжиге Z6L в парах Zn при T = 820C она полностью также незначительные изменения относительной интен- исчезает. Мы предполагаем, что линия Y3 связана с сивности в отдельных линиях. Отметим, что в среднем образованием соединения другой фазы (в основном интенсивность ФЛ в краевой части спектра кристаллов на естественной ростовой поверхности, что объясняет Z6L в 4 раза меньше, чем интенсивность Z6V.

высокий квантовый выход этой полосы в случае Z6L), Спектр поликристалла Z6L приведен на рис. 2, b.

однако для выяснения точной природы данного перехода В первую очередь в данном случае представляет интерес необходимы дальнейшие исследования. Отметим, что появление настандартной структуры в районе линий A0X линии Y3, Y2, Y1 имеют нулевой фактор Хуанга–Риса, что и D0X. Две длинноволновые компоненты ( 2.3740 и не характерно для состояний, обусловленных точечными 2.3750 eV) — линии A0X для Ag и совокупность дефектами.

линий A0X для Cu, Li, которые спектрально не разрешаются. Наличие указанных примесей подтверждается 4. Обсуждение результатов регистрацией соответствующих DA-переходов и, кроме того, TH-переходов для Li. Две коротковолновые 4.1. Рассеяние медленного поляритона на компоненты ( 2.3779 и 2.3785 eV), как и в Z6V, н е й т р а л ь н о м д о н о р е. Как отмечалось выше, неравпредставляют собой линии D0X и D0X. Присутствие новесный рост кристалла из паровой фазы (серия Z6V ) нейтрального донора подтверждается также появленипозволяет достичь заметной остаточной концентрации ем слабого TE-перехода и провалом в спектре понейтрального донора в замещенном состоянии. Данляритонной люминесценции (в некоторых местах при ный факт, а также высокое структурное совершенство слабой интенсивности линии D0X провал переходит в кристаллической решетки позволили наблюдать взаимоособенность), связанным с рассеянием поляритона на действие так называемых медленных экситоноподобных нейтральном доноре.

поляритонов с нейтральными донорами. В работе [18] Наибольший интерес представляет достаточно интенподобные эффекты наблюдались в люминесценции нелесивная узкая линия в районе 2.3760 eV. Мы интерпрегированных эпитаксиальных пленок GaAs с разной остатировали ее как переход, соответствующий рекомбинаточной концентрацией доноров. Для GaAs, как известции экситона, локализованного на заряженном доноре.

но, ситуация аналогична ZnTe: близкие значения EEX, Особенности спектров ФЛ и факторы, свидетельствуED EA, mhh/me 5 и REX RD RA, где EA, RA — ющие в пользу данной интерпретации, рассмотрены энергия связи и радиус локализации дырки на акцепподробно в разделе 4.2.

торе, ED, RD — энергия связи и радиус локализации Яркая линия (IC) в районе 2.3619 eV, две широкие электрона на доноре, REX — боровский радиус экситона.

Pages:     || 2 | 3 |



© 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.