WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 8 Собственные и примесные дефекты в монокристаллах ZnSe : In, полученных методом свободного роста © Ю.Ф. Ваксман, Ю.А. Ницук, Ю.Н. Пуртов, П.В. Шапкин Одесский национальный университет им. И.И. Мечникова, 65026 Одесса, Украина Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, 117924 Москва, Россия (Получена 26 декабря 2000 г. Принята к печати 22 января 2001 г.) Исследованы спектры оптического поглощения, фотолюминесценция, эффект Холла в монокристаллах ZnSe : In. Установлено наличие электрически активных донорных центров In+, ответственных за примесное Zn поглощение и электропроводность кристаллов. Показано, что компенсация проводимости в кристаллах ZnSe : In осуществляется вакансиями катионов. Доноры In+ и вакансии катионов образуют ассоциативные Zn дефекты, ответственные за длинноволновую люминесценцию ZnSe : In. Высокая проводимость кристаллов ( 5Ом-1 · см-1) достигается в результате отжига ZnSe : In в расплаве цинка, приводящего к экстракции катионных вакансий. Подвижность электронов в высокопроводящих кристаллах ограничена процессами рассеяния на LO-фононах и макродефектах, образующихся вследствие уменьшения растворимости индия в кристаллах при их отжиге в цинке.

1. Введение In2Se3. Температура источника составляла 1450-1520 K.

Температура роста была на 15-30 K ниже температуры Монокристаллы селенида цинка являются перспекисточника. Подбор температурных профилей и конструктивным материалом для изготовления на их основе ции ростовой камеры исключал возможность контакта светоизлучающих диодов и лазеров, работающих в синекристалла с ее стенками. После выращивания кристаллы голубой области спектра [1]. В этой связи актуальной охлаждались со скоростью, не превышающей 30 K/ч.

является проблема получения совершенных монокриОптимальная скорость роста, обеспечивающая получесталлов с малой плотностью дислокаций. Вместе с тем ние структурно совершенных кристаллов, не превышадля получения инжекционных светодиодов и лазеров ла 30-50 мкм/ч. Более подробное описание методики важной задачей также является достижение высокой выращивания исследуемых кристаллов селенида цинка проводимости кристаллов.

содержится в [5,6]. Концентрация индия в образцах опреВ последние годы разработана методика выращивания делялась атомно-эмиссионным методом и варьировалась объемных монокристаллов группы AIIBVI из паровой от 1016 до 1018 см-3.

фазы, исключающая контакт кристалла со стенками Отжиг кристаллов ZnSe : In в расплаве цинка осуростовой камеры [2–4]. В частности, получены [5,6] ществлялся в предварительно вакуумированных кварцекак нелегированные, так и легированные в процессе вых ампулах при температуре 1170-1220 K в течение выращивания монокристаллы селенида цинка диаметром 50-100 ч. Для исключения экстракции индия из кристалдо 50 мм. Плотность дислокаций в этих кристаллах лов в расплав цинка добавлялось некоторое количество составляет менее 104 см-2. Показана также возможность индия.

понижения сопротивления кристаллов ZnSe : In путем их Спектры оптического поглощения и люминесценотжига в расплаве цинка.

ции измерялись при помощи спектральных комплексов В настоящей работе впервые представлены резульКСВУ-24 и КСВУ-6. Спектры поглощения анализировататы комплексного исследования спектров оптического лись в координатах D2-E, где D = ln(Ii/Ip) —оптичепоглощения, фотолюминесценции и эффекта Холла в ская плотность, Ii, Ip — интенсивность прошедшего и пакристаллах ZnSe : In, полученных методом свободного дающего на кристалл излучения, E — энергия фотонов.

роста. Цель работы — выяснение состава собственных Спектры длинноволновой люминесценции представлены и примесных дефектов, формирующихся в кристаллах с учетом спектральной чувствительности измерительной ZnSe : In в процессе выращивания и последующего отустановки. Возбуждение краевой люминесценции осужига в расплаве цинка.

ществлялось излучением импульсного азотного лазера ИЛГИ-503, а длинноволновой — излучением гелийкадмиевого лазера ЛГН-403К.

2. Методика эксперимента Образцы для исследования эффекта Холла выреМонокристаллы селенида цинка выращивались мето- зались в форме параллелепипеда и имели размеры дом свободного роста на затравке в ампуле, располо- 10 1.5 1мм3. Электрические контакты из индия форженной в печи с вертикальным градиентом. Парофазное мировались путем термообработки кристаллов в вакулегирование кристаллов осуществлялось в процессе ро- уме при температуре 600-650 K. Омичность контактов ста. В качестве легирующего материала использовался контролировалась измерением вольт-амперной характеСобственные и примесные дефекты в монокристаллах ZnSe : In, полученных методом... ристики (ВАХ). Величина индукции магнитного поля вероятными центрами локализации экситонов являются составляла 0.8 Тл, что удовлетворяет условию слабого нейтральные вакансии цинка VZn. Согласно [9], энергия магнитного поля. Величина удельного сопротивления активации VZn составляет 190 мэВ, а энергия связи эккристаллов () определялась на основе полученной ВАХ ситонов на таких центрах Eex = 19 мэВ. При легирос учетом геометрии образца. вании кристаллов индием следует ожидать уменьшения ширины запрещенной зоны полупроводника Eg, величину которого в мэВ можно оценить из соотношения [10] 3. Оптические свойства кристаллов 1/3 1/3 eND Исследованы спектры оптического поглощения криEg = -2 · 105, (1) сталлов ZnSe, ZnSe : In и ZnSe : In + Zn Спектр поглощения нелегированных кристаллов при где e — заряд электрона, ND — концентрация примеси 77 K (рис. 1, кривая 1) содержит два линейных участв см-3, = 0s, s = 8.66 — статическая диэлекка (a, b). Путем линейной экстраполяции этих участков трическая проницаемость селенида цинка, 0 — элекдо пересечения с осью абсцисс (штриховые линии) опретрическая постоянная. При концентрации примеси индия делены энергии оптических переходов Ea = 2.802 эВ ND =[In] =3 · 1017 см-3, Eg 22 мэВ. Таким образом, и Eb = 2.763 эВ. Согласно данным [7,8], указанные разность Ea - Ec = 44 мэВ с учетом рассмотренных энергии оптических переходов характерны для процесфакторов можно представить как Ea - Ec Eex +Eg.

сов, происходящих с участием свободных экситонов.

Следовательно, c-область спектра поглощения кристалОбласть a связывается с поглощением света свободными лов ZnSe : In объясняется поглощением света экситонаэкситонами, а область b — с поглощением света эксими, локализованными на нейтральных вакансиях цинка.

тонами, испытывающими неупругое экситон-экситонное Вакансии катионов образуются в кристаллах ZnSe : In взаимодействие.

вследствие эффекта самокомпенсации. Присутствие ваСпектр поглощения кристаллов ZnSe : In при 77 K кансий цинка подтверждается также высокой степенью (рис. 1, кривая 2) свидетельствует о проявлении несколькомпенсации проводимости кристаллов ZnSe : In.

ких механизмов поглощения. При концентрации индия Кристаллы, легированные индием, обладают полосой [In] = 3 · 1017 см-3 в этом спектре выделяются два примесного поглощения (рис. 1, кривая 2), расположенлинейных участка (c, d), характеризующихся энергиями ной в области низких энергий. Это подтверждается обнаоптических переходов Ec = 2.758 эВ и Ed = 2.706 эВ руженной зависимостью спектрального положения этой соответственно. Присутствие примеси индия позволяполосы от концентрации индия в кристаллах. В частноет предположить возможность поглощения света эксисти, по мере увеличения концентрации индия от 3·1017 до тонами, локализованными на дефектах. Вместе с тем 3 · 1018 см-3 точка пересечения линейного участка этой значение Ec указывает на то, что экситон может быть полосы с осью абсцисс смещается от 2.705 до 2.670 эВ.

локализован на центрах с относительно большой энерЭто смещение по своей величине соответствует измегией активации ( 200 мэВ). С учетом этого наиболее нению ширины запрещенной зоны Eg, определенному согласно (1). Спектральное положение максимума примесной полосы Em = 2.743 эВ (при [In] =3 · 1017 см-3) позволяет определить оптическую энергию активации центра поглощения: ED = Eg - Eg - Em = 25 мэВ (ширина запрещенной зоны Eg = 2.812 эВ [9]). Это значение соответствует оптической энергии активации водородоподобного центра индия In+ [9].

Zn Спектр поглощения кристаллов ZnSe : In, отожженных в расплаве цинка, (ZnSe : In + Zn) свидетельствует о снижении концентрации оптически активной примеси индия (рис. 1, кривая 3). Это видно из смещения линейной d-области в сторону больших энергий на величину Eg.

Зная величину этого смещения, получим уменьшение концентрации доноров индия в кристаллах ZnSe : In + Zn в 2-3 раза. Характерно, что c-область спектра поглощения ZnSe : In + Zn не спрямляется. Это свидетельствует об отсутствии заметного поглощения света экситонами, локализованными на нейтральных вакансиях. Действительно, в процессе отжига кристаллов ZnSe : In в расплаве цинка происходит залечивание вакансий катионов.

Это подтверждается исследованиями эффекта Холла в Рис. 1. Спектры оптического поглощения монокристаллов ZnSe (1), ZnSe : In (2), ZnSe : In + Zn (3). кристаллах ZnSe : In и ZnSe : In + Zn.

Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 922 Ю.Ф. Ваксман, Ю.А. Ницук, Ю.Н. Пуртов, П.В. Шапкин 4. Люминесценция исследуемых кристаллов Исследование спектров краевой фотолюминесценции проводилось при температуре T = 77 K.

В экситонной части спектра обнаружены две линии излучения при 2.808 и 2.797 эВ. Эти линии характерны для нелегированных и слабо легированных кристаллов ([In] < 1016 см-3). Согласно [7,11], они обусловлены излучательными переходами свободных экситонов из состояний с n = 2 и 1 соответственно. Эти процессы происходят при большой мощности возбуждения. Проявление линий экситонного поглощения и люминесценции свидетельствует о низкой концентрации собственных дефектов в нелегированных кристаллах селенида цинка.

В спектре экситонной люминесценции более легированных кристаллов обнаруживается линия связанных экситонов. В частности, при [In] > 4 · 1016 см-3 она расположена при 2.771 эВ. Эта линия при аналогичных Рис. 2. Спектр фотолюминесценции монокристалла ZnSe : In с условиях возбуждения наблюдалась в [11] и связыва- [In] =4 · 1016 см-3.

ется с экситонами, локализованными на нейтральных вакансиях цинка. Различие в спектральном положении линий поглощения (2.758 эВ при [In] =3 · 1017 см-3) и излучения (2.771 эВ при [In] =4 · 1016 см-3) экситонов, локализованных на нейтральных вакансиях цинка, обусловлено зависимостью величины Eg от концентрации индия в кристаллах.

Во всех исследуемых кристаллах, легированных индием, наблюдались линии краевого излучения донорно-акцепторных пар (DAP). В кристаллах с [In] = 3 · 1017 см-3 эти линии располагаются на 2.689, 2.657 и 2.623 эВ. Линия с максимумом на 2.689 эВ обусловлена излучательными переходами, происходящими в пределах DAP [5]. Очевидно, что в состав DAP входят донорные центры In+. В качестве акцепторов могут Zn выступать ионы неконтролируемых примесей лития или натрия. Линии излучения при 2.657 и 2.623 эВ являются LO-фононными повторениями линии 2.689 эВ.

Спектры длинноволновой люминесценции I() представляют собой широкие полосы, расположенные в области длин волн = 480-700 нм. В спектрах Рис. 3. Спектры фотолюминесценции монокристалла ZnSe : In люминесценции ZnSe с низкой концентрацией индия ([In] > 1017 см-3) при относительной интенсивности возбу([In] = 4 · 1016 см-3) присутствует широкая полоса ждающего света 100 (1), 50 (2), 20% (3).

с максимумом на длине волны = 490 нм (рис. 2).

На фоне этой полосы наблюдается серия линий излучения на DAP: 2.689, 2.657 и 2.623 эВ (461, 466 и Спектры длинноволной люминесценции с умеренной 472 нм). Ранее установлено [12], что широкая полоса концентрацией индия ([In] 1017 см-3) содержат две свечения нелегированных кристаллов на длине волны полосы с максимумами на 560 и 625 нм. При этом в 490 нм обусловлена изолированными центрами кислокристаллах с [In] = 3 · 1017 см-3 преобладает желторода (OSe). Энергия термической активации центров зеленое излучение. С увеличением концентрации индия свечения равна 0.13 эВ. Это также находится в согласии до 3 · 1018 см-3 в спектре люминесценции возрастает с данными [10]. Таким образом, присутствие полосы удельный вес красно-оранжевого свечения.

длинноволновой люминесценции на 490 нм указывает на существование в кристаллах неконтролируемых приме- Спектр длинноволновой люминесценции ZnSe : In засей кислорода. В кристаллах с [In] > 1017 см-3 люми- висит от температуры кристаллов и интенсивности вознесценция кислорода не наблюдалась. буждающего света. Повышение температуры кристаллов Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. Собственные и примесные дефекты в монокристаллах ZnSe : In, полученных методом... Электрофизические характеристики исследуемых кристаллов Параметр Кристаллы ZnSe : In Кристаллы ZnSe : In + Zn [In], см-3 4.2 · 1016 2.8 · 1017 2.8 · 1018 4.2 · 1016 2.8 · 1017 2.8 ·, Ом · см 6.0 · 108 9.2 · 103 1.3 · 104 10.0 0.28 0.n, см-3 – 4.9 · 1012 4.5 · 1012 1.2 · 1015 8.1 · 1016 8.4 · µ, см2/В · с – 140 110 500 280 от 77 до 300 K приводит к увеличению удельного веса вакансии цинка. Оранжево-красное излучение обусловкрасно-оранжевого излучения. Такой характер влияния лено ассоциативными центрами (VZnInZn)-, в состав температуры на спектральный состав излучения сви- которых входят вакансии цинка в зарядовом состоянии детельствует о механизме токового переноса энергии -2 [13]. Таким образом, исследование длинноволновой между центрами свечения, характерном для рекомбина- люминесценции позволяет заключить, что заряженные ционной люминесценции.

вакансии цинка присутствуют в кристаллах в составе По мере уменьшения интенсивности возбуждающе- ассоциативных центров (VZnInZn), (VZnInZn)-.

го света от 100 до 20% доминирующей в спектре Следует отметить, что в спектрах люминесценции вылюминесценции I() становится полоса с максимумом сокопроводящих кристаллов ZnSe : In, отожженных в расна 625 нм (рис. 3). Форма спектров люминесценции плаве цинка, доминирует полоса красного свечения. Это ZnSe : In, приведенных на рис. 3, свидетельствует об их объясняется тем, что энергия замещения однозарядной неэлементарности, аналогично наблюдаемой в спектрах вакансии катиона атомом цинка меньше по сравнению с излучения ZnSe : Al, рассмотренных в [13].

соответствующей величиной для двухзарядной вакансии.

С целью определения энергетического положения уровней центров свечения, ответственных за желтозеленое и красно-оранжевое излучение, были исследо5. Исследования эффекта Холла ваны температурные зависимости интенсивности излучения I(T ) в области = 560 и 625 нм. Энергия активации Эффект Холла исследовался на кристаллах ZnSe : In процесса температурного тушения определялась по наи ZnSe : In + Zn.

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.