WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 7 Влияние состава твердого раствора CdS и Ga2S3 на его свойства и дефектную структуру ¶ © Е.Ф. Венгер, И.Б. Ермолович, В.В. Миленин, В.П. Папуша Институт физики полупроводников Национальной академии наук Украины, 03028 Киев, Украина (Получена 17 декабря 2001 г. Принята к печати 19 декабря 2001 г.) Изучено влияние избыточного содержания CdS в тиогаллате кадмия на спектр дефектных состояний в его запрещенной зоне. Проведены сравнительные исследования спектров комбинационного рассеяния, фото- и катодолюминесценции, а также кинетики фотопроводимости в исходных кристаллах (типа A) и кристаллах, полученных в условиях избыточного содержания CdS (типа B). Установлено, что основными типами дефектов A-кристаллов являются вакансии кадмия и серы, антиструктурные дефекты донорного типа GaCd, а также дефекты IS, обусловленные внедрением атомов газа–транспортера. В кристаллах типа B, наряду с IS основными дефектами являются антиструктурные дефекты акцепторного типа CdGa и межузельные атомы Cdi и Si. Показано, что излучательные характеристики исследованных кристаллов обусловлены ассоциатами указанных дефектов. Впервые обнаружена полоса люминесценции с энергией максимума hm = 0.971 эВ, обусловленная внутрицентровыми переходами в расщепленной в результате действия кристаллического поля и спин-орбитального взаимодействия d-оболочке кадмия дефекта CdGa в присутствии Si.

1. Введение ных дефектов, в том числе и стехиометрических пустот, в формировании локальных состояний в запрещенной Тройные соединения AIIBIIICVI (A = Zn, Cd; B = Al, зоне этих соединений [4].

2 4 Ga, In; C = S, Se, Te), о которых впервые было сооб- В данной работе проведены сравнительные исследощено 45 лет тому назад [1–3], вызывали пристальный вания спектров комбинационного рассеяния, фото- и интерес благодаря своим свойствам: большая ширина катодолюминесценции при изменениях температуры и запрещенной зоны (до 4 эВ), высокая фоточувствитель- уровней возбуждения, а также кинетики фотопровоность, интенсивная люминесценция и др. К настоящему димости в кристаллах, полученных в условиях синтевремени они хорошо изучены (см., например, обзор [4]). за CdS + Ga2S3 (тип A), и в кристаллах, полученных Определены основные фундаментальные характеристики в условиях синтеза 2CdS + Ga2S3 (тип B), с целью этих соединений: тип кристаллической решетки и ее па- установления влияния избыточного содержания CdS в раметры, ширина запрещенной зоны Eg и типы межзон- тиогаллате кадмия на спектр дефектных состояний в его ных переходов. Отмечалось, что эти соединения могут запрещенной зоне.

кристаллизоваться в разных структурных модификациях.

Основная структурная модификация — тетрагональная, 2. Образцы и методы исследования в которой катионы имеют тетраэдрическое окружение с пространственной группой S2 (-модификация, или так Кристаллы выращивались методом обратных газоназываемая тиогаллатная модификация, так как впервые транспортных реакций, в котором в качестве газа — она была обнаружена в CdGa2S4 — тиогаллате кадмия).

транспортера использовался йод [3,9–11]. Кристаллы Это халькопиритная ячейка, в которой 1/4 часть катионтипа A имели размеры 5 5 3мм3. Максимальные ных узлов пустая, причем эти узлы (стехиометрические размеры B-кристаллов не превышали 0.1 2 5мм3.

пустоты) упорядочены.

Для исследования фотопроводимости на гладкие поТройные соединения AIIBIIICVI представляют собой 2 верхности кристаллов осуществлялось вплавление конпо сути твердые растворы (сплавы) бинарных сотактов из In. Выполнение закона Ома для контактов единений AIICVI и BIIICVI и имеют широкую об2 контролировалось. Удельное сопротивление обоих типов ласть гомогенности. Например, для тиогаллата кадмия кристаллов в темноте составляло d 1010 Ом · см.

(сплав CdS+Ga2S3) она составляет 3 мол% (от 47.Спектры резонансного комбинационного рассеяния до 50.5 мол% CdS) [5]. Следует отметить, что в ли(КР) измерялись при использовании дифракционного тературе имеется значительный разброс в значениях спектрометра ДФС-52 и Ar-лазера (длина волны возбуEg для одного и того же соединения (для CdGa2S4, ждения ex = 514.5нм).

например, она составляет при 300 K от 3.44 эВ [6,7] Спектры фотолюминесценции (ФЛ) измерялись на до 3.58 эВ [8]), относительно параметров локальных двух установках. Коротковолновая часть спектра (энерсостояний в запрещенной зоне, энергий максимумов гии фотонов h = 1.95-3.0эВ) — на установке, собранполос люминесценции и т. д., а также противоречивые ной на основе спектрографа ИСП-51. Длинноволновая данные о роли неконтролируемых примесей, собственчасть спектра ФЛ (энергии фотонов h = 0.5-2.05 эВ) ¶ E-mail: irina-ermolovich@mail.ru измерялась при использовании монохроматора ИКС-12.

4 818 Е.Ф. Венгер, И.Б. Ермолович, В.В. Миленин, В.П. Папуша В обоих случаях ФЛ возбуждалась линией 365 нм спектра ртутной лампы ДРШ-250. Амплитуды обеих частей спектров „сшивались“ в перекрывающемся спектральном диапазоне (h = 1.95-2.05 эВ). На обеих установках интенсивность возбуждения можно было изменять в широких пределах.

Катодолюминесценция (КЛ) возбуждалась в вакуумной камере (10-5 Topp) сфокусированным пучком электронов с энергией 50 кэВ при токах 60, 80 и 160 мкА в режиме сканирования. Для анализа спектра использовалась спектральная установка КСВУ-23.

Кинетика фототока изучалась при использовании импульсов света длительностью 10 мкс лампы ИСШ-и соответствующих фильтров, которые обеспечивали объемно поглощаемый свет.

Измерения проводились в интервале температур T = 77-450 K.

3. Экспериментальные результаты 3.1. Спектры комбинационного рассеяния Как указывалось выше CdGa2S4 кристаллизуется в структуре тиогаллата с пространственной группой S2.

Поскольку его элементарная ячейка содержит в себе 7 атомов, колебательный спектр состоит из 21 ветви.

В [12] было проведено разложение колебательного спектра для этого случая по неприводимым представлениям в разных точках зоны Бриллюэна. Получено, что в КР разрешены колебания всех симметрий. Была сделана оценка активностей оптических и акустических колебаний в спектре инфракрасного (ИК) поглощения и спектре КР. Показано, что в спектрах КР активны 5 мод симметрии для ориентации вектора электрического поля световой волны относительно тетрагональной оси Рис. 1. Спектры комбинационного рассеяния кристаллов тиогаллата кадмия типа A (1) и типа B (2) для поляризаций E c и 5 мод симметрии + для E c. Одна 3 возбуждающего света E c (a) и E c (b). T = 300 K. На мода симметрии и одна двукратно вырожденная мода вставках — полоса 397 см-1 в растянутом масштабе по оси симметрии + являются акустическими.

2 абсцисс.

На рис. 1, a, b приведены спектры КР при 300 K A-кристалла (кривые 1) и B-кристалла (кривые 2) для двух поляризаций электрического вектора возбуждающей световой волны E относительно длинного ребра 3.2. Исследования фотолюминесценции исследуемых кристаллов (считается, что тетрагональная ось c направлена вдоль него). Видно, что спектры На рис. 2 приведены спектры ФЛ A-кристалла (a) и КР обоих типов образцов изотропны — по-видимому, B-кристалла (b). Видно их существенное различие, что благодаря тому, что изучаемые объекты не являются свидетельствует о перестройке дефектных состояний в монокристаллическими, а скорее представляют собой тиогаллате кадмия при увеличении содержания CdS. При поликристаллы, образованные микрокристаллами, ориT = 77 K в A-кристаллах наблюдаются широкая полоса ентированными произвольным (хаотическим) образом.

с максимумом при энергии hm = 1.17 эВ и шириной Видно также, что спектры КР A- и B-кристаллов одина полувысоте H 400 мэВ, а также более слабые наковы. Этот факт свидетельствует о том, что характер широкие полосы с hm = 1.79 и 2.05 эВ. При комнатной химических связей и силовые константы для обоих титемпературе кристаллы не люминесцируют, все три пов кристаллов одинаковы. Обращает на себя внимание полосы испытывают температурное тушение.

малая ширина полос КР в B-кристаллах по сравнению В кристаллах типа B при 77 K наблюдается весьма с полосами в спектре КР A-кристаллов. Определены частоты фононов в исследованных кристаллах. Они узкая линия, положение максимума которой и ширисоставляют: 234, 243, 265, 315, 326 и 397 см-1. на составляют hm = 0.971 эВ и H 90 мэВ соответФизика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. Влияние состава твердого раствора CdS и Ga2S3 на его свойства и дефектную структуру ственно, а также две полосы с hm = 1.91 и 2.65 эВ.

Интенсивность ФЛ в целом несколько (в 2раза) выше, чем в A-кристаллах, что свидетельствует о меньшей концентрации центров безызлучательной рекомбинации в кристаллах типа B. При комнтаной температуре все полосы гаснут, за исключением узкой полосы, максимум которой смещается в длинноволновую сторону (hm = 0.960 эВ), а ширина увеличивается (H = 140 мэВ). Интенсивность полосы hm = 0.96 эВ при 300 K слегка возрастает по сравнению с 77 K.

На рис. 3 представлены температурные зависимости наиболее интенсивных полос ФЛ B-кристалла hm = 1.91 и 0.971 эВ. Анализ интенсивности W (T) по формуле Больцмана W (T ) =W (0){1+c exp(-Ea/kT )}-позволил определить энергии активации Ea соответствующих излучательных переходов, которые составляли 0.014 и 0.058 эВ для полосы hm = 1.91 эВ и 0.и 0.56 эВ для полосы hm = 0.971 эВ. Зависимости интенсивностей этих полос от интенсивности возбуждения при 77 K и в областях их температурного тушения линейны.

3.3. Исследования катодолюминесценции На рис. 4, a–c приведены спектры КЛ при 77 K для A-кристалла (кривая 1) и B-кристалла (кривае 2, 3) при низких и высоких потоках электронов. В целом интенсивность КЛ в кристаллах типа B примерно в 4 раза выше, чем в кристаллах типа A. Положения наблюдаемых максимумов (2.65 эВ для B-кристалла и 2.1 эВ для A-кристалла) близки к положениям максимумов наиболее коротковолновых полос ФЛ этих кристаллов. Это Рис. 2. Спектры фотолюминесценции кристаллов тиогаллата кадмия типа A (a) и типа B (b) при T = 77 (1) и 300 K (2). означает, что рекомбинация неравновесных носителей заряда при электронном возбуждении проходит через те же локальные центры, обусловленные дефектами решетки, которые задействованы при фотовозбуждении.

Уже при самых маленьких потоках электронов можно видеть узкие линии свечения на фоне широких полос для обоих типов кристаллов. Их амплитуды растут с ростом потока электронов. Считаем, что эти узкие линии являются линиями стимулированого излучения.

Значительное их количество объясняется тем, что исследуются не плоскопараллельные кристаллы, а состоящие, как следует из изотропности спектров КР, из нескольких микрокристаллов разной толщины, ориентированных скорее всего произвольным образом. По-видимому, при получении достаточно качественных кристаллов и после нанесения на их грани отражающих покрытий возможно создание на их основе твердотельных лазеров для актуальной голубой области спектра. На основе материала, находящегося в нашем распоряжении, это осуществить не удалось. Однако принципиальная возРис. 3. Зависимости интенсивностей (W) полос фотолюминесможность такого использования кристаллов тиогаллата ценции 0.971 (1) и 1.91 эВ(2) кристалла типа B от температукадмия существует. О получении стимулированного изры. На вставке — энергетическая модель в конфигурационных лучения в тиогаллате кадмия на энергии h = 2.09 эВ координатах.

сообщалось в [13].

4 Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 820 Е.Ф. Венгер, И.Б. Ермолович, В.В. Миленин, В.П. Папуша (рис. 5, a, c), что однозначно свидетельствует о наличии в запрещенной зоне этих кристаллов двух типов центров — быстрой (s) и медленной (r) рекомбинации.

Коротковременный участок спада фототока в кристаллах обоих типов повторяет форму возбуждающего импульса, и это означает, что соответствующие времена рекомбиРис. 4. Спектры катодолюминесценции кристаллов тиогаллата кадмия типа A (1), типа B (2, 3) при 77 (1, 2) и 300 K (3).

Уровень возбуждения, мкА: a — 60, b — 80, c — 160.

3.4. Исследование фотопроводимости В [14,15] сообщалось о возможном присутствии в кристаллах тиогаллата кадмия двух классов центров рекомбинации (центров быстрой и медленной рекомбинации) на основе изучения стационарных характеристик фототока. Нами получены прямые доказательства этого предположения путем измерений на A- и B-кристаллах при 300 K кинетики спада фотопроводимости (ФП) при объемном возбуждении кристаллов в режиме „светового удара“, когда концентрация созданных светом носителей больше концентраций уровней прилипания и центров фоточувствительности — центров медленной рекомбинации [16,17].

Установлено, что кривые релаксации фототока (Iph) во времени (t) для обоих типов кристаллов состоят из двух Рис. 5. Кривые спада фототока в кристаллах типа A (a, b) участков — коротковременного и длинновременного и типа B (c, d). T = 300 K.

Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. Влияние состава твердого раствора CdS и Ga2S3 на его свойства и дефектную структуру нации через s-центры меньше длительности светового ных изучению их свойств. Кроме определения фундаимпульса (10 мкс). ментальных характеристик материала, много внимания Кривая спада фототока на длинновременном участ- уделялось выяснению природы локальных состояний в ке в режиме „светового удара“ описывается уравне- запрещенной зоне этих соединений с помощью исследонием [16]: dn/dt = -Cnr n(P0 + pr ), где n — кон- ваний ФП, ФЛ, а также термостимулированных проводиr центрация свободных электронов, Cnr — вероятность мости и люминесценции, электропоглощения и др. (см.

захвата свободных электронов r-центрами, Cnr = Snr v, обзор [4] и цитированную в нем литературу).

Snr — сечение захвата электрона на r-центр, v — Что касается ФЛ, то полосы, которые наблюдались в спектрах кристаллов CdGa2S4, несколько различались средняя тепловая скорость электрона, которая при 300 K по положению максимумов в работах разных авторов.

составляет 107 см/с; P0 — концентрация дырок на r r-центрах в темноте за счет заполнения достаточно глу- Это связывалось с возможными вариациями технологических режимов и условий их приготовления и с боких уровней прилипания электронами при комнатной отклонениями состава исследованных кристаллов от температуре: P0 Nt, Nt — концентрация электронов r стехиометрического. Спектральный интервал при измена уровнях прилипания; pr — концентрация дырок, рениях спектров ФЛ у разных авторов был несколько созданных освещением (pr = n).

разным и охватывал чаще всего коротковолновую часть В случае A-кристалла длинновременной участок спада спектра (h = 2.0-4.0эВ). В наших измерениях интерфототока описывается экспонентой (рис. 5, a, b), что свивал измерений был расширен в инфракрасную сторону детельствует о реализации мономолекулярного механиздо 0.5 эВ, что позволило впервые в тиогаллате кадмия ма рекомбинации: n(t) =n0 exp(-t/n), где время жизни наблюдать полосы с hm = 0.971 и 1.17 эВ.

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.