WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 7 Получение и оптические свойства монокристаллов ZnSe, легированных кобальтом © Ю.Ф. Ваксман¶, В.В. Павлов, Ю.А. Ницук, Ю.Н. Пуртов, А.С. Насибов, П.В. Шапкин Одесский национальный университет им. И.М. Мечникова, 65026 Одесса, Украина Физический инстутит им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, 117924 Москва, Россия (Получена 5 декабря 2005 г. Принята к печати 21 декабря 2005 г.) Исследованы монокристаллы ZnSe, легированные путем диффузии кобальта. Диффузия осуществлялась из металлического кобальта в атмосфере гелия или аргона. Исследованы спектры оптической плотности в области длин волн 0.4-2 мкм. Установлено смещение края поглощения по мере увеличения концентрации легирующих примесей, обусловленное образованием твердого раствора Zn1-x CoxSe. Диффузионный профиль примеси кобальта определен путем измерения относительной оптической плотности кристаллов в видимой области спектра. Рассчитаны коэффициенты диффузии (D) кобальта в кристаллах ZnSe при температурах T = 1103-1273 K. Анализ температурной зависимости D(T ) позволил определить коэффициенты в уравнении Аррениуса: D0 = 3.4 · 106 см2/с и E0 = 3.8эВ.

PACS: 78.66.Hf, 78.30.Fs 1. Введение 2. Методика эксперимента Исследуемые образцы были приготовлены путем дифМонокристаллы селенида цинка, легированные пефузионного легирования кобальтом исходно чистых мореходными элементами, могут быть использованы в нокристаллов ZnSe. Нелегированные кристаллы были качестве активных сред для лазеров среднего инфраполучены методом свободного роста на ориентированкрасного (ИК) диапазона излучения. В частности, на ной в плоскости (111) или (100) подложке монокриоснове кристаллов ZnSe : Cr2+ получены [1,2] импульссталлического ZnSe. Подробное описание этого метода ные перестраиваемые лазеры, работающие в диапазоне и основные характеристики кристаллов ZnSe приведены длин волн 2-3 мкм. Исследования нелинейного оптив [5,6]. Подбор температурных профилей и конструкции ческого пропускания кристаллов ZnSe : Co на длине ростовой камеры исключал возможность контакта криволны 1.54 мкм [3] свидетельствуют о возможности их сталла с ее стенками. Плотность дислокаций в полученприменения в качестве пассивных затворов для лазеров ных кристаллах не превышала 104 см-2.

на стекле с эрбием.

Первые опыты по диффузии кобальта осуществлялись Вместе с тем выращивание объемных монокристаллов по методике, аналогичной той, что использовалась при диффузии хрома [4]. Легирование кристаллов осущеZnSe : Cr,Co с низкой плотностью дислокаций вызывает ствлялось путем диффузии примеси из напыленного определенные технологические сложности. В [4] нами на поверхность кристалла металлического слоя кобальописана методика диффузионного легирования хромом та в вакуумированной кварцевой ампуле. Установлено, исходно чистых кристаллов ZnSe. В настоящей рабочто при 1173 K металлический слой кобальта толщите предложена методика диффузионного легирования ной 5 мкм полностью растворялся в кристаллах за кобальтом монокристаллов ZnSe с низкой плотностью время до 30 мин. Как показали спектры оптического дислокаций. Изучена и идентифицирована структура поглощения, полученные кристаллы были слабо легиспектра оптического поглощения ZnSe : Co в видимой рованными. Вместе с тем такие кристаллы оказались и ближней инфракрасной областях длин волн. Установудобным объектом для изучения структуры спектров лено смещение края поглощения по мере увеличения оптического поглощения.

концентрации легирующих примесей. Анализ профиля Эффективная диффузия кобальта осуществлялась относительной оптической плотности в области края путем отжига кристаллов в жидкой эвтектике поглощения позволил впервые определить коэффициент 60%Co + 40%Se при 1233 K. Однако поверхность диффузии кобальта в кристаллах ZnSe.

кристаллов в процессе отжига подвергалась заметному Цель настоящей работы — разработка методики травлению.

диффузионного легирования кристаллов ZnSe кобаль- Для получения сильно легированных кристаллов ZnSe : Co наиболее оптимальной оказалась следующая том, идентификация спектров оптического поглощения, методика осуществления диффузионного процесса. Чиопределение коэффициента диффузии (D) кобальта в стые кристаллы ZnSe помещались в кварцевую амкристаллах ZnSe.

пулу вместе с металлическим порошкообразным ко¶ E-mail: Vaksman_yu@farlep.net бальтом. Из ампулы откачивался воздух и напускался 816 Ю.Ф. Ваксман, В.В. Павлов, Ю.А. Ницук, Ю.Н. Пуртов, А.С. Насибов, П.В. Шапкин аргон или гелий. Отжиг кристаллов осуществлялся в эвакуированной кварцевой ампуле при температурах от T = 1103 до 1273 K. Длительность диффузионного процесса составляла 5-260 ч. После отжига кристаллы ZnSe : Co приобретали темно-коричневый цвет в отличие от желто-зеленого цвета нелегированного кристалла ZnSe.

Диффузия кобальта осуществлялась в условиях, когда концентрация примеси в источнике (порошкообразный кобальт) оставалась постоянной. В этом случае решение диффузионного уравнения Фика для одномерной задачи позволяет представить диффузионный профиль концентрации примеси:

C(x) x = 1 - erf, (1) C4Dt где C0 — концентрация примеси у поверхности, t — время, erf — функция ошибок (функция Гаусса).

Спектры оптической плотности измерялись при помощи дифракционного спектрофотометра СФ-46 (в видимой области) и монохроматора МДР-6 с дифракционной решеткой 600 штр/мм (в ИК области от 1 до 2 мкм).

Спектры оптической плотности измерялись при темпе- Рис. 1. Спектры оптической плотности в видимой области ратурах 77 и 293 K. нелегированного (1) и по-разному легированных кобальтом Для измерения диффузионного профиля примеси ко- кристаллов ZnSe: 2 — диффузия кобальта из металлического слоя в вакууме при 1173 K в течение 0.5 ч; (3–5) —отжиг бальта выкалывалась тонкая (0.2-0.4мм) пластинка кристаллов в порошкообразном кобальте в атмосфере аргона кристалла в плоскости, параллельной направлению дифв течение 10 ч при 1173, 1223 и 1273 K соответственно. На фузионного потока. Измерения профиля оптической вставке — фрагмент кривой 2 в области низких энергий плотности кристаллов, легированных кобальтом, осупоглощения.

ществлялись посредством микрофотометра МФ-2. Этот прибор позволяет измерять величину оптической плотности с шагом 10 мкм в направлении диффузионного потока. При этом измерялась интегральная оптическая на высокое возбужденное состояние иона кобальта или плотность в спектральном интервале 440-550 нм. состояние связанного экситона. Аналогичная линия наблюдалась [8] в спектре излучения Zn1-xCoxSe. Авторы [8] склонны считать, что она обусловлена переходом 3. Спектры оптической плотности 4 2 A2(F) T1(H), где T1(H) — возбужденное мультиZnSe : Co в области края плетное состояние иона Co2+. Уровень возбужденного поглощения мультиплетного состояния T1(H) расположен на расстоянии 200 мэВ от дна зоны проводимости. Нам предНа рис. 1 представлены спектры оптической плотставляется более обоснованной идентификация линии ности (D) кристаллов, легированных кобальтом при на 2.360 эВ, предложенная в [8]. В связи с этим можно различных условиях. Для сравнения представлен спектр считать, что линии поглощения на 2.434, 2.473, 2.549 эВ оптической плотности нелегированного кристалла (криобразуются благодаря спин-орбитальному расщеплению вая 1). Как видно, по мере увеличения степени леги- состояния T1(H). Следует отметить, что линии 2.360, рования кристаллов край поглощения смещается от 2.2.434 и 2.549 эВ наблюдались в [9] (L-, M-, N-линии до 2.30 эВ. Это свидетельствует об образовании твердого поглощения) и также были объяснены как результат раствора Zn1-xCoxSe. В области низких энергий фотовнутрицентровых переходов.

нов E на кривых 2–4 видны слабо разрешимые линии (отмечены стрелками). На вставке к рис. 1 в увеличен4. Поглощение ZnSe : Co ном масштабе показан фрагмент спектра 2 в области низких энергий поглощения. Выделяются четыре линии в инфракрасной области спектра поглощения: 2.360, 2.434, 2.473 и 2.549 эВ. Расстояния между ними равны соответственно 74, 39 и 76 мэВ, Установлено, что в ближней ИК области спектра все что значительно превышает энергию продольного оп- легированные кобальтом кристаллы, в отличие от нелетического фонона в ZnSe (30 мэВ). Таким образом, гированных кристаллов, имеют серию линий поглощенаблюдаемые линии поглощения не связаны с фононами. ния. Наиболее разрешима структура линий поглощения Линия поглощения на 2.360 эВ наблюдалась в [7] и в слабо легированных кристаллах. Как видно из рис. 2, соответствует переходу из основного состояния A2(F) в спектре поглощения имеются три основные линии Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Получение и оптические свойства монокристаллов ZnSe, легированных кобальтом на 1.64, 1.71 и 1.78 эВ (отмечены стрелками). Остальные При повышении температуры кристаллов от 77 до 293 K линии являются их фононными повторениями и отстоят фононные линии исчезают и видны лишь основные составляющие. Первая из основных линий (1.64 эВ), от основных на расстояниях 10 мэВ, что соответствует согласно [7], является бесфононной. Она обусловлена энергиям поперечных акустических фононов в ZnSe.

4 переходами A2(F) T1(P). Две остальные линии наблюдаются впервые. Очевидно, они обусловлены переходами на расщепленные в результате спин-орбитального взаимодействия T1(P)-состояния иона Co2+.

На рис. 3 представлены спектры поглощения в средней ИК области. Для сравнения приведен спектр оптической плотности нелегированного кристалла ZnSe.

Видно, что в чистых кристаллах никаких особенностей в этой области спектра не наблюдается. На кривых 2, видны две полосы с максимумами при 0.83 и 0.76 эВ.

Полоса при 0.76 эВ, согласно [7], соответствует пере4 ходу A2(F) T1(F). Как видно из рис. 3, по мере увеличения степени легирования кристаллов происходит размытие полос поглощения. Аналогичное размытие структуры линий имеет место и в спектрах поглощения в ближней ИК области. Очевидно, это связано с проявлением межпримесного взаимодействия ионов Co2+.

5. Определение коэффициента диффузии кобальта в кристаллах ZnSe Смещение края поглощения кристаллов ZnSe, легированных кобальтом, (рис. 1) свидетельствует о возРис. 2. Спектры оптической плотности кристаллов ZnSe, можности определения диффузионного профиля примелегированных кобальтом, в ближней ИК области при 77 (1) си посредством измерения относительной оптической и 293 K (2).

плотности ( ). Эта величина является функцией координаты x в направлении потока диффузии и определена соотношением D(x) - D() =, (2) D(0) - D() где D(x) — оптическая плотность кристалла как функция координаты x, D(0) — оптическая плотность кристалла в приповерхностном слое с координатой x = 0, D() — оптическая плотность кристалла в области, где концентрация кобальта пренебрежимо мала (кристалл не легирован). Выбранное определение относительной оптической плотности позволяет сравнить профиль поглощения по глубине с концентрационным профилем примеси C(x)/C0, рассчитываемым по формуле (1). Подбором величины коэффициента диффузии в (1) получено хорошее соответствие профилей относительной оптической плотности и концентрации кобальта в кристаллах (рис. 4). Таким образом были определены коэффициенты диффузии кобальта в кристаллах ZnSe при температурах 1103-1273 K. Температурная зависимость коэффициента диффузии, представленная на вставке к рис. 4, описывается уравнением Аррениуса ED(T ) =D0 exp -, (3) Рис. 3. Спектры оптической плотности нелегированного (1) kT и легированных кобальтом кристаллов ZnSe (2, 3) в средней где множитель перед экспонентой D0 = 3.4 · 106 см2/с, ИК области: 2 — отжиг при 1173 K, 0.5 ч; 3 — отжиг при 1223 K, 10 ч. а энергия активации диффузии E0 = 3.8 эВ. При темпе4 Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 818 Ю.Ф. Ваксман, В.В. Павлов, Ю.А. Ницук, Ю.Н. Пуртов, А.С. Насибов, П.В. Шапкин 4) Впервые рассчитаны коэффициенты диффузии кобальта в кристаллах ZnSe в области температур 1103-1273 K. Анализ температурной зависимости D(T ) позволил определить коэффициенты в уравнении Аррениуса: D0 = 3.4 · 106 см2/с и E0 = 3.8 эВ. При температуре 1173 K коэффициент диффузии кобальта составляет 1.5 · 10-10 см2/с.

Список литературы [1] В.И. Козловский, Ю.В. Коростелин, А.И. Ландман, Ю.П. Подмарьков, М.П. Фролов. Квант. электрон., 33 (5), 408 (2003).

[2] К. Грэхэм, В.В. Федеров, С.Б. Миров, М.Е. Дорошенко, Т.Т. Басиев, Ю.В. Орловский, В.В. Осико, В.В. Бадиков, В.Л. Панютин. Квант. электрон., 34 (1), 8 (2004).

[3] Н.Н. Ильичев, П.В. Шапкин, С.Е. Мосалева, А.С. Насибов.

Квант. электрон., 34 (12), 1169 (2004).

[4] Ю.Ф. Ваксман, В.В. Павлов, Ю.А. Ницук, Ю.Н. Пуртов, А.С. Насибов, П.В. Шапкин. ФТП, 39 (4), 401 (2005).

[5] Yu.V. Korostelin, V.I. Kozlovsky, A.S. Nasibov, P.V. Shapkin.

J. Cryst. Growth, 161, 51 (1996).

Рис. 4. Профили относительной оптической плотности (точ- [6] Yu.V. Korostelin, V.I. Kozlovsky, A.S. Nasibov, P.V. Shapkin.

ки) и диффузионные профили кобальта (сплошные кривые) J. Cryst. Growth, 197, 449 (1999).

кристаллов ZnSe, легированных кобальтом при температурах [7] D.J. Robbins, P.J. Dean, J.L. Glasper, S.G. Bishop. Sol. St.

1173 (1), 1223 (2) и 1273 K (3). На вставке — температурная Commun., 36, 61 (1980).

зависимость коэффициента диффузии кобальта. [8] Mak Chee-Leung, R. Sooryakumar, M.M. Steiner. Phys.

Rev. B, 48, 11743 (1993).

[9] В.И. Соколов, А.Н. Мамедов, Т.П. Суркова, М.В. Чукичев, М.П. Кулаков. Опт. и спектр., 62 (4), 805 (1987).

ратуре отжига кристаллов 1173 K коэффициент диффуРедактор Л.В. Шаронова зии кобальта составляет 1.5 · 10-10 см2/c. Эта величина на порядок ниже коэффициента диффузии хрома в криPreparation and optical properties сталлах ZnSe, определенного нами в [4] по аналогичной of ZnSe single crystals doped with cobalt методике.

Следует отметить, что рассчитанные величины коYu.F. Vaksman, V.V. Pavlov, Yu.A. Nitsuk, Yu.N. Purtov, эффициентов поглощения в максимумах L-, M-, A.S. Nasibov, P.V. Shapkin N-линий (рис. 1) совпадают по порядку величины с соответствующими значениями, приведенными в [9] для кри- Mechnikov National University, сталлов, содержащих 5 · 1019 см-3 кобальта. Это позво- 65026 Odessa, Ukraine ляет заключить, что максимальная концентрация кобаль- Lebedev Physical Institute, Russian Academy of Sciences, та в исследуемых кристаллах составляет 1019 см-3.

117924 Moscow, Russia 6. Заключение

Abstract

ZnSe single crystals doped by means of cobalt diffusion have been investigated. The diffusion was performed from Проведенные исследования позволяют сделать следуmetallic cobalt in an atmosphere of helium or argon. The optical ющие выводы.

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.