WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 9 Спектры микрофотолюминесценции теллурида кадмия, полученного в неравновесных условиях © В.В. Ушаков¶, Ю.В. Клевков Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, 119991 Москва, Россия (Получена 10 ноября 2002 г. Принята к печати 4 декабря 2002 г.) Методами микролюминесцентного спектрального анализа и имиджинга исследованы примеси и дефекты в кристаллах теллурида кадмия, полученного неравновесными методами, включающими низкотемпературный синтез и очистку соединения в условиях конгруентной сублимации, движения пара в режиме газодинамических потоков и высокой скорости конденсации при низкой температуре. Несмотря на значительное отклонение от равновесия в условиях роста, исследованный поликристаллический материал с размером зерен 1–2 мм обладал высокой интенсивностью низкотемпературной экситонной люминесценции и относительно равномерным распределением ее по объему слитков. В то же время обнаружена тенденция к образованию конгломератов из остаточных примесей и дефектов с высокой концентрацией некоторых примесей в областях размером порядка сотни микрометров.

1. Введение 2. Методика эксперимента В течение многих лет теллурид кадмия является Экспериментальные образцы представляли собой текпривлекательным объектом для физических исследо- стуры [111] с размером монокристаллических зеваний и технологических разработок ввиду постоянно рен 1-2 мм. Исследования проводились на плоскорасширяющихся перспектив его применения, которые стях {111}, приготовленных последовательным провев настоящее время охватывают оптоэлектронику, рентдением шлифовки, полировки и травления в раствогеновскую и -спектрометрию, производство солнечных ре бромметанола. Далее для выявления межзеренных батарей [1]. Однако, несмотря на успехи в области границ и дефектов кристаллической структуры внутри материаловедения, современные технологии не всегда зерен проводилась обработка образцов селективным траобеспечивают должный контроль над процессами форвителем E-Ag-1. Основными структурными дефектами, мирования примесно-дефектного состава и структуры выявленными методами химического травления, были кристаллов в процессе роста. Ранее методами низграницы зерен, двойниковые границы и единичные дискотемпературного синтеза и сублимационной очистки локации с плотностью менее 103 см-2 внутри монокрисоединения с приведением его к составу минимального сталлического зерна. По холловским данным, при комдавления был получен материал с лучшими значениями натной температуре образцы имели p-тип проводимости оптических и электрофизических параметров [2]. Однако и удельное сопротивление 103-104 Ом · см.

при этом все же не удалось освободиться от ряда фоноПосле исследования исходного материала образцы вых примесей, содержание которых в кристаллах иногда подвергались отжигу в насыщенных парах Cd при 700C превосходило соответствующие значения в исходных в течение 70 ч.

компонентах с качеством 6N. Для повышения эффекИзмерения выполнялись на автоматизированном митивности очистки в данной работе были использованы крофотолюминесцентном сканере с возможностью пронеравновесные технологические процессы, протекающие ведения как спектрального анализа излучения в зав условиях конгруэнтной сублимации и движения пара данных точках поверхности, так и люминесцентного в реакторе в режиме газодинамического потока [3]. Всоимиджинга на заданной длине волны. Образцы монтирочетании с глубокой предварительной очисткой исходных вались на хладопроводе криостата, позволяющего вести компонентов это позволило на конечной стадии полуизмерения при температурах 100–300 K. Контроль темчать поликристаллические слитки CdTe с минимально пературы осуществлялся с помощью термопары медь– возможным отклонением от стехиометрии и содержаниконстантан. Для возбуждения люминесценции испольем основных фоновых примесей не более 1015 см-3. При этом скорость осаждения паров при температурах, близ- зовался He–Ne-лазер (632.8 нм) с системой оптической ких к 600C, на порядок превосходила обычные (близкие фокусировки. Типичная мощность возбуждения на пок равновесным) значения и составляла 500 мкм/ч. верхности образцов составляла 2.5–3.0 мВт при диаДля изучения свойств полученного материала была метре пятна 8–10 мкм. Для уменьшения уровня возбуиспользована техника низкотемпературного микролюми- ждения использовались оптические светофильтры. Спекнесцентного спектрального анализа и имиджинга, соче- тральный анализ люминесценции в области до 1 мкм тающих как высокую чувствительность к содержанию проводился светосильным дифракционным монохромав кристаллах примесей и дефектов, так и локальность тором МДР-12 (1200 штрихов) с обратной линейной измерений.

дисперсией 2.4 нм/мм, а регистрация осуществлялась ¶ E-mail: ushakov@mail1.lebedev.ru охлаждаемым фотоумножителем ФЭУ-83 с синхронным 1068 В.В. Ушаков, Ю.В. Клевков детектированием и компьютерной обработкой сигнала.

Положение возбуждающего пятна на поверхности образца контролировалось визуально с помощью оптической микроскопической „системы наведения“. Сканирование осуществлялось путем перемещения специального стола с криостатом в двух взаимно перпендикулярных направлениях относительно неподвижного лазерного луча по командам управляющего компьютера. Величина шага варьировалась в зависимости от характера задачи и обычно составляла 25 мкм. В процессе пространственного сканирования на заданной длине волны данные измерений выводились на дисплей с цветовой кодировкой интенсивности люминесценции, при этом в „интересной“ точке можно было, сделав паузу, развернуть излучение образца в спектр. Полученные в данной работе спектры люминесценции приводятся далее с учетом спектральной чувствительности установки.

Рис. 2. Репрезентативные спектры микрофотолюминесценции исследованного материала в различных точках (A–I, см. рис. 1) 3. Результаты и их обсуждение монокристаллического зерна при температуре 100 K.

В низкотемпературной макролюминесценции образцов доминировали линии экситонной части спектра, люминесценции для которых приведены на последуа интенсивность излучения в более длинноволновых ющих рисунках. Экспериментальные данные были попримесно-дефектных полосах была незначительна, что лучены на „состарившейся“ поверхности кристалла со свидетельствует о высоком качестве исследованного стабилизированным окисным слоем, и, как следствие, материала. Результаты данной работы получены при отсутствием „деградации“ люминесценции, т. е. уменьизмерениях в области зерна с размером 1.8 1.2 мм, шения ее интенсивности со временем под сфокусиропредставленном на рис. 1 с обозначением точек, спектры ванным лазерным лучом [4]. Все представленные далее результаты получены при температуре 100–110 K, т. е.

в условиях, когда в люминесценции теллурида кадмия на первый план выходят излучательные переходы на относительно глубоких примесно-дефектных центрах.

При сопоставлении спектров микро- и макролюминесценции следует учитывать, что различие в уровнях возбуждения для этих случаев часто составляет несколько порядков. При отличии зависимостей интенсивности различных полос от уровня возбуждения [5], регистрируемая этими методами форма спектров может существенно отличаться. В частности, характерной чертой катодо- и микрофотолюминесценции является относительно большая интенсивность экситонных линий излучения по сравнению с примесно-дефектными полосами. Это легко демонстрируется расфокусировкой возбуждающего луча. В данной работе — с учетом падавшей на поверхность образца лазерной мощности, коэффициента поглощения лазерного излучения, диаметра пятна и литературных данных о времени жизни и диффузионной длине неравновесных носителей — максимальная концентрация последних в области люминесцентного анализа по оценке могла достигать 1018 см-3, что на 1.5–2 порядка превышало уровень возбуждения при обычных макроизмерениях.

На рис. 2 приведены репрезентативные спектры микрофотолюминесценции, зарегистрированные в различРис. 1. Структура монокристаллического зерна размером ных точках исследованной кристаллической структуры.

1.8 1.2 мм с обозначением точек, спектры люминесценции для которых приведены далее. В спектре люминесценции любой точки на поверхности Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. Спектры микрофотолюминесценции теллурида кадмия, полученного в неравновесных условиях ния с помощью светофильтров (без изменения диаметра лазерного пятна) до 1% от исходного значения (т. е. до макролюминесцентного уровня) положение экситонной полосы не изменялось, а максимум примесно-дефектной полосы монотонно сдвигался с 1.485 до 1.433 эВ (рис. 3).

Существенно, что это не сопровождалось изменением формы полосы, а результаты микролюминесцентного картирования зерна при максимальном и минимальном уровнях возбуждения были идентичны. Это свидетельствует о том, что наблюдавшийся сдвиг не связан с наблюдением нескольких перекрывающихся спектральных полос с различной зависимостью интенсивности от уровня возбуждения, а есть действительная характеристика рассматриваемых излучательных переходов. С учетом всех спектральных характеристик вероятной идентификацией природы полосы представляется известное излучение донорно-акцепторных пар с участием мелких доноров и акцепторов A-центров (VCd-D) [11,12]. В этом Рис. 3. Зависимость спектров микрофотолюминесценции аспекте положение максимума полосы при минимальот уровня возбуждения (область интенсивного примесноном возбуждении (соответствующем обычной макродефектного излучения вблизи точки A на рис. 1).

люминесценции) — 1.433 эВ — вполне привычно. Его необычно большой сдвиг при увеличении возбуждения (50 мэВ против обычных 5–10 мэВ [6,13]) связан с очень высоким уровнем последнего и локальностью люминесцентного анализа в областях кристалла с заметно повышенным содержанием рекомбинационных центров.

Как видно из рис. 4, зависимости величин сдвига и интенсивности полосы 1.4 эВ с увеличением уровня возбуждения имели очевидную тенденцию к насыщению.

Это, вероятно, связано как с насыщением собственно донорно-акцепторного канала рекомбинации, так и с быстро возрастающей конкуренцией со стороны эффективного излучательного экситонного канала (близкая к квадратичной зависимость от уровня возбуждения).

Используя литературные данные о положении бесфононных линий (БФЛ) „самоактивационной“ полосы макролюминесценции для различных элементов [1,7,14,15], можно сделать попытку идентификации участвующих Рис. 4. Зависимости спектрального положения максимума в микролюминесценции локальных центров. При про(1) и интенсивности (2) примесно-дефектной полосы 1.4 эВ, ведении соответствующей оценки надо взять результаа также интенсивности краевой полосы 1.58 эВ (3) от уровня ты, полученные при минимальном уровне возбуждения, возбуждения (по данным рис. 3).

учесть температурный сдвиг, а также типичное для „самоактивационных“ полос теллурида кадмия положение БФЛ относительно максимума полосы в целом. Покристалла присутствовало краевое (экситонное) излучелученное таким образом низкотемпературное значение ние 1.578 эВ, причем величина его интенсивности была энергии БФЛ 1.47 эВ соответствует элементам седьотносительно равномерно распределена по поверхности мой группы в составе акцепторов A-центров и наиболее образца (вариации не более чем в 2–3раза). Напротив, вероятным из них является хлор.

примесно-дефектное излучение в полосе 1.4 эВ достиПо данным люминесцентного картирования, на длине гало значительной интенсивности лишь в некоторых волны 840 нм области 2.5 2.5мм (включая молокальных областях размером 100 мкм (см. далее).

нокристаллическое зерно, см. рис. 1) рассмотренное При измерениях в этих областях и максимальном примесно-дефектное излучение интенсивно лишь в некоуровне возбуждения, максимум этой полосы приходился торых ограниченных областях размером 100–150 мкм, на 1.48 эВ. Ширина линии (на полувысоте) составля- в основном в относительной близости от границы зерна ла 80 мэВ, а форма соответствовала контуру огибающей (рис. 5). Детальный механизм образования этих „выдепуассоновского распределения интенсивности типичной лений“ в процессе роста пока не ясен. С уверенностью „самоактивационной“ полосы с фактором Хуанга–Риса можно только сказать, что ни единичные дислокации, ни порядка 2 [1,6–10]. При уменьшении уровня возбужде- двойниковые границы раздела (точки C, E, I на рис. 1) Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 1070 В.В. Ушаков, Ю.В. Клевков Для изучения реакции примесно-дефектного ансамбля кристалла на термическое воздействие проводился отжиг образцов в насыщенных парах Cd при температуре 700C. Результатом явилось 100-кратное увеличение интенсивности всех полос. Кроме того, в спектрах появилась новая полоса 1.41 эВ. К сожалению, ее сильное перекрытие с другими полосами не позволило провести их независимый анализ. Эти изменения были характерны в целом для любой точки на поверхности кристалла. Таким образом, проведенный отжиг привел, с одной стороны, к существенному уменьшению концентрации центров безызлучательной рекомбинации в материале, а с другой — к образованию новых примесно-дефектных центров. Первое, однако, Рис. 5. Микрофотолюминесцентная картограмма области оббыло столь значительно, что появилась возможность разца размером 2.5 2.5мм (включая монокристаллическое наблюдения люминесценции кристалла при комнатной зерно, см. рис. 1) на длине волны 840 нм.

температуре — краевой полосы с максимумом при 1.502 эВ (переход зона–зона, экситон и его фононные повторения [17]).

4. Заключение Продемонстрирована высокая эффективность микрофотолюминесценции для изучения примесно-дефектного состава и структуры кристаллов теллурида кадмия, полученного в неравновесных технологических процессах, включающих низкотемпературный синтез из глубокоочищенных исходных компонентов и последующую очистку соединения в условиях конгруентной сублимации, движения пара в режиме газодинамических потоков и высокой скорости конденсации при низкой температуре. Принципиальным моментом выполненных исследований явилась необходимость локального анализа полученного материала. Несмотря на поликристаллическую структуру с размером зерен 1–2 мм, материал обладает высокой интенсивностью и относительно равномерным распределением низкотемпературной эксиРис. 6. Демонстрационная подборка спектров „фоновой“ тонной люминесценции по объему полученных слитков.

примесно-дефектной люминесценции исследованного материВместе с тем очевидно, что, вследствие значительного ала (точки D, F, G, I монокристаллического зерна, рис. 1).

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.