WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 10 Влияние сверхстехиометрических компонентов на спектрально-кинетические характеристики люминесценции изовалентно легированных кристаллов ZnSe © О.В. Вакуленко, В.Н.Кравченко, В.Д. Рыжиков, В.И. Силин, Н.Г. Старжинский Киевский университет им. Тараса Шевченко, Физический факультет.

252127 Киев, Украина (Получена 22 апреля 1996 г. Принята к печати 20 марта 1997 г.) В интервале температур T = 80 500 K исследованы спектрально-кинетические характеристики рентгенолюминесценции кристаллов ZnSe, легированных Zn, Se и Te в процессе роста и отожженных (или неотожженных) в парах Zn. Для кристаллов ZnSe, выращенных из шихты стехиометрического состава или с примесью халькогенов, свойственны минимальный уровень послесвечения, а также резкое возрастание интенсивности РЛ и смещение ее максимума из инфракрасной области в красную после их отжига в цинке.

Кристаллы ZnSe, выращенные из шихты, содержащей избыток Zn, имеют относительно низкий выход РЛ при значительном уровне послесвечения. Предполагается, что при выращивании кристаллов, активированных Te, в них генерируются термодинамически устойчивые комплексы VZnTeSe, являющиеся центрами излучательной рекомбинации. Введение избытка Zn в исходную шихту приводит к уменьшению концентрации VZn и, следовательно, центров излучательной рекомбинации.

Показано, что при концентрациях свободных электронов n < 1018 см-3 зависимость времени послесвечения от n может быть описана в рамках модели излучательной рекомбинации через один примесный уровень, а при n >1018 см-3 наблюдается уменьшение с ростом n, которое не может быть объяснено в рамках этой простой модели. Предполагается, что в кристаллах с n > 1018 см-3, полученных в результате длительного отжига в парах Zn, формируются центры излучательной рекомбинации нового типа.

Оптические и электрические свойства кристаллов се- анализа. Содержание кислородосодержащих примесей ленида цинка во многом могут определяться, даже при составляло 0.1 вес%, углерода — 5 · 10-4 вес% и наличии сторонних примесей, типом и концентрацией других сторонних примесей не более 10-5 вес%. Сособственных точечных дефектов решетки (СТДР) [1,2]. держание в кристаллах активатора Te, а также избытка В работах [3–5] теоретически обоснованы и реализова- цинка и селена приведено в таблице.

ны принципы целенаправленного управления люминес- Спектральные характеристики люминесценции центными свойствами селенида цинка путем введения кристаллов изучались с помощью измерительноизовалентной примеси Te, что позволило получить ма- вычислительного комплекса КСВУ-23, в качестве териал, во многом превосходящий традиционные сцин- источника возбуждения использовался рентгеновский тилляторы [6]. С учетом обнаруженного определяющего излучатель ”РЕИС-И”. Кинетика люминесценции влияния ансамбля СТДР на сцинтилляционные процессы исследовалась на специализированном измерительнопредставляет интерес изучение влияния на механизм лю- вычислительном комплексе [9]. При измерениях минесценции кристаллов ZnSe(Te) избытка собственных уровня послесвечения образцы облучались компонентов (Zn, Se, Te), вводимых в сырье при синтезе рентгеновским источником ”РАПАН-160/200” (W — этого материала. анод, 160–200 кВ, 0.1–0.5 мА, tIMP = 2с), а при измерениях времени высвечивания — рентгеновским источником ”Мира-2Д” (h 200 кэВ, tIMP 10 нс).

1. Образцы и техника экспериментов Уровень послесвечения определялся как отношение интенсивности люминесценции I(t) через t = 10 мс Исследовались кристаллы ZnSe, выращенные метопосле возбуждения к максимальнаму ее значению дом Бриджмена–Стокбаргера, под давлением 60 атм.

IM, умноженное на 100%. За время высвечивания аргона. Во всех опытах использовалась одна и та же принималось время, за которое интенсивность партия шихты селенида цинка, прошедшая вакуумную люминесценции уменьшалось в e раз после прекращения термообработку для уменьшения концентрации сторонвозбуждения.

них примесей и непрореагировавших компонентов [7].

Избыточные компоненты Zn, Se и легирующая примесь Te вводились в шихту в концентроции 2 вес%. Послеро- 2. Экспериментальные результаты стовая термообработка кристаллов проводилась в парах Zn (24 ч, 1290 K, 1 атм) или в жидком цинке (24–72 ч, Основные характеристики люминесценции, измерен1000 K) [8]. ные при 300 K: положение максимума в спектре свечения Контроль элементного состава образцов осуществлял- M, время высвечивания и уровень послесвечения ся методами рентгенолюминесцентного и химического кристаллов селенида цинка, прошедших резличные виды 1212 О.В. Вакуленко, В.Н.Кравченко, В.Д. Рыжиков, В.И. Силин, Н.Г. Старжинский Спектрально-кинетические характеристики кристаллов ZnSe примесной полосы РЛ во всей области T = 4.2-350 K, а с изовалентными примесями при 300 K также наличие интенсивного прикраевого излучения (см.

рис. 1, a). Эти результаты согласуются с описанными,% IXL, № Кристалл M, нм, мкс через 10 мс отн. ед. в [10].

Добавка в шихту ZnSe + ZnTe избытка Zn (кристаллы A1 ZnSe 620 < 1 2 B3 и B4) приводит к значительной термической нестаA2 ZnSe : Zn 628 55 17 бильности полос РЛ, отсутствию прикраевого излучения A3 ZnSe(Se0) 870 < 1 25 1.и очень затянутой кинетике свечения.

A4 ZnSe(Se0) : Zn 625 90 < 0.05 A5 ZnSe(Zn0) 617 270 20 0.3 Для кристаллов B9, которые получены путем длиA6 ZnSe(Zn0) : Zn 625 220 23 тельной термообработки образцов типа B1 в цинке при A7 ZnSe(Te0) 830 30 5 0.T = 1000 K, характерен необычный для кристаллов A8 ZnSe(Te0) : Zn 635 80 < 0.05 ZnSe(Te) спектр стационарной РЛ при 300 K — с B1 ZnSe(Te2-) 890 26 12 M = 595 нм (рис. 1, b) и быстрая кинетика затухания B2 ZnSe(Te2-) : Zn 640 100 < 0.05 при отсутствии послесвечения и прикраевого излучения.

B3 ZnSe(Te2-, Zn0) 620 550 7 С ростом температуры от 80 до 500 K для этих криB4 ZnSe(Te2-, Zn0) : Zn 630 > 5000 31 сталлов обнаружена двойная инверсия доминирующей B5 ZnSe(Te2-, Se0) 850 70 5 полосы РЛ: в диапазоне 80–100 K максимум РЛ распоB6 ZnSe(Te2-, Se0) : Zn 640 180 < 0.05 ложен в области 620–630 нм, в диапазоне 110–350 K — B7 ZnSe(Te2-, Te0) 880 280 21 при 595 нм, и в диапазоне 400–500 K — снова в области B8 ZnSe(Te2-, Te0) : Zn 640 140 < 0.05 620–630 нм. Кроме того, при T < 130 K в спектрах B9 ZnSe(Te2-) : Zn 595 3 < 0.05 РЛ образцов B9 наблюдается инфракрасная (ИК) полоса Примечание. Кристаллы B9 получены путем длительной термообра- излучения (M 880 нм). Вышеотмеченные особенноботки кристаллов B1 в цинке.

сти температурной перестройки спектра РЛ связаны с различными температурными зависимостями интенсивности излучения в максимумах каждой из названных термообработки, приведены в таблице. В скобках обополос (рис. 2). Интенсивность полосы с M = 630 нм значена примесь, вводимая в шихту, через двоеточие — с повышением T от 80 K уменьшается с энергиями среда отжига образцов. Обозначения Zn0, Se0, Te0 соотактивации термогашения T = 0.05, 0.12 и 0.6–0.7 эВ на ветствуют легированию элементарными компонентами, температурных участках 80–100, 100–400 и 450–500 K Te2- — теллуридом цинка.

соответственно; интенсивность полосы с M = 595 нм До отжига в цинке только в трех из восьми выбранных при повышении T от 80 до 220 K увеличивается, а при бодля исследования кристаллах, а именно в образцах A1, лее высоких температурах — уменьшается с T = 0.5эВ;

A5 и B3, максимум в спектре рентгенолюминесценции интенсивность ИК полосы монотонно убывает с ростом (РЛ) расположен в красной области. В остальных пяти температуры и исчезает при T 120 K.

образцах — A3, A7, B1, B5, B7 — до отжига доминирует полоса с максимумом в ИК области спектра, а после отжига максимум РЛ перемещается в красную область.

3. Обсуждение результатов При этом значительно возрастает интенсивность РЛ (IXL) и уменьшается уровень послесвечения.

По совокупности физико-химических и оптоэлектронКристаллы, выращенные из шихты, содержащей изных свойств изученные кристаллы селенида цинка можно быток Zn, менее чувствительны к отжигу в Zn. Так, разделить на две группы: 1) кристаллы, выращенные в результате процесса A5 A6 интенсивность РЛ из шихты стехиометрического состава или с примесью возрастает в 6–7 раз, тогда как процесс A3 A4 дает халькогенов, и 2) кристаллы, полученные из шихты, совыигрыш в IXL более чем в 100 раз. А в случае перехода держащей избыток цинка. Для первой группы до отжига B3 B4 имеет место обратный результат: уменьшение в парах свойственно преобладание в спектрах РЛ ИК поIXL при значительном возрастании и.

лосы, наличие полосы поглощения в области 500–550 нм, При T = 80 K в спектрах большинства исследованных а после отжига — резкое возрастание интенсивности кристаллов доминирует широкая полоса с максимумом РЛ, смещение максимума РЛ в область 630–640 нм в области M = 620-640 нм. Исключением являются и минимальный уровень послесвечения. Формирование нелегированные кристаллы типа A1 и производные от центров РЛ в данной группе кристаллов происходит в них образцы A2 (т. е. отожженные в Zn), в спектрах соответствии с моделью, предложенной в работах [3,4]:

которых преобладает полоса в M = 560 нм. К раз- при выращивании кристаллов, активированных Te, в них ряду исключительных принадлежит также кристалл Bгенерируются вакансии цинка VZn, причем комплексы с M 500 нм (рис. 1, a), который к тому же имеет (VZnTeSe) являются термодинамически устойчивыми даотносительно большое время высвечивания.

же при последующем отжиге кристаллов ZnSe(Te) в цинДля кристаллов B2 характерна очень высокая тем- ке, а также являются центрами селективного поглощения пературная стабильность IXL и наличие только одной в области 500–550 нм и излучательной рекомбинации.

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Влияние сверхстехиометрических компонентов на спектрально-кинетические характеристики... Рис. 1. Спектры РЛ кристаллов: 1 — B2, 2 — B4 при T =80 K (a) и кристалла B9 при T, K: 3 — 80, 4 — 300, 5 — 470 (b).

Для второй группы кристаллов свойственны от- двумя основными факторами: временем захвата дырки сутствие селективных полос поглощения в области на центр рекомбинации (p) и временем рекомбинации 470–1500 нм и ИК полос в спектрах РЛ, значительный электрона (свободного или донорного) со связанной дыруровень послесвечения и очень низкий выход РЛ, что кой (n). В условиях, когда p n, время высвечивания можно объяснить следующим. Введение избытка Zn n. Величина n, очевидно, обратно пропорциов исходную шихту приводит к тому, что в условиях нальна полной концентрации свободных электронов n, выращивания в автоклаве, т. е. при температурах, до- которая равна сумме двух концентраций: темновой (n0) и стигающих 1900 K, и избыточных давлениях в десятки неравновесной (n1). При достаточно больших значениях атмосфер данная сверхстехиометрическая компонента n0 можно принять n n0, так что (n0)-1. В может входить в решетку кристалла, заполняя вакансии соответствии с этим, на рис. 3 мы имеет прямую в -в узлах катионной подрешетки и препятствуя форми- зависимости ln( ) от ln(n0) при n 1015 см-3.

рованию комплексов типа (VZnTeSe), и более того — При n0 > 1015 см-3 уменьшение с ростомn0 огранивызывать генерацию вакансий в анионной подрешетке VSe чивается, по-видимому, величиной p, которая определя(и межузельных SeI), образующих в запрещенной зоне ется концентрацией центров захвата-рекомбинации (N).

глубокие донорные уровни с Ea = 0.3-0.45 эВ [11].

Как видно из рис. 3, в пределах 1015 n0 1018 см-В такого рода кристаллах, обычно высокоомных, должвремя остается практически неизменным, что может на иметь место значительная пространственная неодсвидетельствовать о постоянстве N в этих образцах. В нородность электрических и оптических параметров, вызванная флуктуационным потенциалом примеси [12].

Последний, как известно [13], обусловливает долговременную, так называемую ”замороженную” фотопроводимость в полупроводнике. В этом, как нам кажется, причина затянутой кинетики затухания РЛ в образцах Bи B4.

В подтверждение вышесказанному в образцах второй группы нами обнаружены нелинейные вольт-амперные характеристики типа варисторных.

Отсутствие прикраевого излучения также можно объяснить влиянием флуктуационного потенциала примеси, который вызывает пространственное разделение зарядов в возбужденных электронно-дырочных парах [14], препятствуя образованию экситонов или прямой зоназонной рекомбинации.

Относительно временных характеристик люминесценции исследованных образцов заметим следующее. Известно, что в кристаллах n-типа со средней высокой Рис. 2. Температурная зависимость интенсивности полос РЛ проводимостью время высвечивания ( ) обусловлено кристаллов B9 с M, нм: 1 — 595, 2 — 630, 3 — 880.

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 1214 О.В. Вакуленко, В.Н.Кравченко, В.Д. Рыжиков, В.И. Силин, Н.Г. Старжинский Как видно из (3), закон затухания люминесценции в общем случае не является экспоненциальным. Рассмотрим два частных случая. При p n доминировать будет первый член в правой части выражения (3), т. е. время затухания люминесценции будет определяться концентрацией центров рекомбинации. Для случая p n имеем pa(t) exp(-t/n), т. е. кинетика люминесценции определяется концентрацией свободных электронов.

Итак, предложенная схема электронных переходов позволяет объяснить поведение при n < 1018 см-3.

Однако при n > 1018 см-3 время высвечивания снова уменьшается в ростом n. Это может означать, что в сильно легированных кристаллах или же формируются центры захвата-рекомбинации нового типа, или же какимРис. 3. Зависимость времени высвечивания от концентрации то образом видоизменяется форма электронного трека, n0 свободных носителей: 1 — теория, 2 — эксперимент на возбужденного квантом рентгеновского излучения.

кристаллах ZnSe(Te).

Еще одна возможная причина уменьшения времени высвечивания РЛ с ростом темновой концентрации электронов — это влияние безызлучательных переходов независимости N от n0 нет ничего необычного, поскольку типа оже-процессов, когда энергия рекомбинирующего концентрация основных центров рекомбинации задается, электрона передается другому свободному электрону как мы уже отмечали, концентрацией VZn, а последняя (третьей частице), который благодаря этому становится определяется условиями роста кристалла, тогда как по”горячим” [13]. Оже-процессы на свободных носителях следующий отжиг образцов в Zn, завершающий формистановятся существенными только при высоких конценрование центров излучательной рекомбинации, опредетрациях последних, что мы и имеем в данном случае.

ляет величину n0, которая при одних и тех же значениях К тому же интенсивность РЛ кристалла B9 ниже, чем концентраций вакансий Zn может меняться в широких интенсивность РЛ родственного ему кристалла B2, так пределах.

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.