WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 1997, том 39, № 9 Катодолюминесценция кристаллов ZnSe(Bi) : Al © В.С. Вавилов, А.А. Клюканов, К.Д. Сушкевич, М.В. Чукичев, Р.Р. Резванов, Е.К. Сушкевич Молдавский государственный университет, 277009 Кишинев, Молдавия Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, 119899 Москва, Россия (Поступила в Редакцию 8 апреля 1997 г.) Проведены исследования катодолюминесценции (КЛ) в кристаллах ZnSe, отожженных при T = 1200 K в расплаве Bi, содержащем примесь алюминия. Спектры снимались при разных уровнях возбуждения, температурах и временах задержки регистрации t0. С увеличением t0 интенсивность оранжевой полосы с max = 630 nm (1.968 eV) в спектре КЛ уменьшается по сравнению с интенсивностью доминирующей желто-зеленой полосы с max = 550 nm (2.254 eV), полуширина которой в интервале температур 6–120 K увеличивается, а при дальнейшем росте температуры уменьшается. Показано, что такое поведение желтозеленой полосы обусловлено конкуренцией двух процессов: рекомбинации донорно-акцепторных пар и свободных электронов с локализованными на акцепторах дырками. При низких температурах преобладает первый механизм, а при высоких — второй. В области T 120 mK вклады обоих механизмов в излучение сравниваются. Результирующая бесструктурная полоса при этом имеет максимальную полуширину, обусловленную взаимодействием рекомбинирующих носителей заряда с продольными оптическими и акустическими фононами и с плазмой свободных электронов. Среднее число испущенных LO-фононов на фотон определяется в основном их взаимодействием с дырками, локализованными на глубоких акцепторах, которыми служат атомы Al, замещающие Se. Донором в рассматриваемой паре является межузельный Al.

Легирование алюминием кристаллов ZnSe приводит кристалла характеризуется уменьшением интенсивности к образованию в них разных типов дефектов, ответ- ”Cu-зеленой” полосы и появлением LO-фононных поственных за излучение в соответствующих областях вторений линии излучения свободного экситона. Отмеспектра [1–4]. В частности, Al входит в состав центра тим, что спектры КЛ кристаллов ZnSe, отожженных рекомбинации, ответственного за полосу с максимумом в расплаве Bi с добавками 10-2, 10-1 at.% Al, снятые вблизи = 550 nm (2.254 eV). Однако механизм излуча- без задержки регистрации сигнала, характеризуются потельной рекомбинации в ZnSe для желто-зеленой полосы явлением доминирующей широкой структурной полосы однозначно не установлен. Определению данного меха- в оранжево-желто-зеленой области спектра, а также резнизма может способствовать анализ результатов иссле- ким уменьшением свечения в экситонной области спекдования кристаллов ZnSe, легированных Al различными тра. Задержка же регистрации в 5 µs позволяет выделить способами. Нами был применен высокотемпературный желто-зеленую полосу в ”чистом” виде. На рис. 1, b отжиг селенида цинка в расплаве Bi с 10-2 и10-1 at.% Al представлен спектр КЛ образца, отожженного в расплаве при T = 1200 K в течение 120 h. При введении в расплав Bi с добавкой 10-2 at.% Al, снятый при вышеуказанной Bi 1 at.% Al образцы теряли прозрачность и монокри- задержке. Видно, что излучение в области ЭПК резко сталличность. Легирование приводило к уменьшению уменьшается и исчезает ”Cu-зеленая” полоса. В то же удельного сопротивления образцов до 103-104 · cm.

время появляются Q0-серия, = 459 nm (2.698 eV), и Катодолюминесценция (КЛ) возбуждалась электронным интенсивная желто-зеленая полоса с максимумом вблипучком с длительностью импульса 0.5 µs и частотой их зи = 547.5nm (2.264 eV) и полушириной 210 meV.

следования 200 Hz. Плотность тока пучка электронов в При отжиге в расплаве Bi с 10-1 at.% Al полностью импульсе изменялась в пределах 0.01–10 A / cm2. Энер- исчезает излучение в области ЭПК, полоса Q0 преобрагия электронов в пучке составляла 40 keV. Температура зуется в полосу с максимумом вблизи = 460 nm образцов изменялась в интервале 6–355 K.

(2.64 eV) (рис. 1, c). Интенсивность желто-зеленой поСтруктура спектров КЛ исходных кристаллов ZnSe лосы = 552 nm (2.246 eV) возрастает ( в 6 раз), состоит из линий излучения экситон-примесного ком- а ее максимум смещается в длинноволновую сторону.

d плекса (ЭПК) (доминирует линия I1 и ее LO-фононные Полуширина полосы при этом уменьшается до 174 meV.

повторения), а также слабых полос M, = 480 nm Интенсивность данной полосы возрастает линейно с ро(2.58 eV), и ”Cu-зеленой”, = 519 nm (2.39 eV) [5]. стом j, а максимум, как в случае рекомбинации донорноСогласно [5], при отжиге образцов в расплаве Bi от- акцепторных пар, смещается в коротковолновую область сутствует внедрение последнего в материал. В то же спектра: от = 553 nm (2.24 eV) при j = 0.01 A/cmвремя может происходить частичная очистка матери- до = 548 nm (2.262 eV) при j = 6A/cm2. Задержка ала от ряда неконтролируемых примесей. Спектр КЛ регистрации КЛ до 10 µs приводит к смещению макситакого образца при 6 K представлен на рис. 1, a. Его мума полосы в длинноволновую область на 20 meV структура в отличие от структуры спектра исходного (штриховая кривая на рис. 1, c).

Катодолюминесценция кристаллов ZnSe(Bi) : Al рекомбинацией донорно-акцепторных пар, для которых спектральное распределение скорости излучательной рекомбинации с использованием результатов работ [6,7] может быть записано в виде 2r 2r R = A3 exp - - wt0e- ae ae r exp it( - tr) I(t)dt, (1) где I(t) — производящая функция в двухуровневом приближении, v I(t) =exp h() - ei re() d Im f (t, ). (2) (, ) Здесь — частота света, A —константа, r — расстояние между донором и акцептором, радиусы которых ae и ah, 0 и — статическая и высокочастотная диэлектрические проницаемости, t0 — время задержки, (, ) — продольная диэлектрическая функция кристалла. ЭнерРис. 1. Спектры КЛ кристаллов ZnSe при T = 6K гия перехода донор–акцептор имеет вид (E = 40 keV, j = 0.05 A/cm2). a — образец, отожженный в расплаве Bi, спектр снят без задержки регистраeции, b — образец, отожженный в расплаве Bi с добавкой tr = Eg - (EA + ED) + +J(r) +J1(r). (3) 0r 10-2 at.% Al, c — образец, отожженный в расплаве Bi с добавкой 10-1 at.% Al. Спектры b и c сняты при задержке регистраДля водородоподобных центров ции t0 = 5 µs (штриховая линия — положение желто-зеленой полосы задержки ее регистрации на 10 µs). -e,h() = 1 + ae,h, e2 5 e2 1 Желто-зеленая полоса в излучении ZnSe, легированED,A = - + -, (4) 0ae,h 2me,ha2 16 ae,h ного Al, наблюдалась авторами работ [2–4]. В рабоemh те [3] процесс диффузии Al проводился из паровой фазы, а интеграл перекрытия J(r) определяется формулой (6) содержащей небольшое количество цинка, при высокой из работы [8]. Использованный нами метод расчета температуре (1000-1100C). С ростом давления паров позволяет кроме известных слагаемых в формуле (3) цинка от 0.15 до 3 atm в присутствии Al происходит определить функцию J1(r), которая характеризует экраперераспределение интенсивности свечения от оранженирующее влияние плазмы зонных носителей на энергию вой к желто-зеленой полосе: интенсивность первой паизлучательных переходов, дает, а второй — растет. Авторы работы [3,4] делают предположение, что полоса = 630 nm (1.967 eV) 2e2 0 sin r обусловлена излучательной рекомбинацией электронов J1(r) = 1 - 1 - (, 0) r и дырок на самоактивированном комплексе Al+ -VZn, а Zn желто-зеленая — на комплексе Al+ -Na-. Максимум Zn Zn оранжевой полосы, согласно данным работы [3], с ро e() +h() -e()h() стом уровня возбуждения смещается в коротковолновую область спектра, а с увеличением времени задержки — - e() -h() dx. (5) в длинноволновую. Полученные нами результаты свидетельствуют о том, что такое же поведение в зависимости от внешних воздействий характерно и для желто-зеленой Взаимодействие с продольными оптическими фононами полосы. Следовательно, можно предположить, что как учтено в ED,A (4). Нули диэлектрической функции оранжевая, так и желто-зеленая полосы обусловлены (, ) определяют частоты колебаний, с которыми Физика твердого тела, 1997, том 39, № 1528 В.С. Вавилов, А.А. Клюканов, К.Д. Сушкевич, М.В. Чукичев, Р.Р. Резванов, Е.К. Сушкевич взаимодействуют связанные электрон и дырка, а функция уширению полосы. При малых концентрациях свободных f (t, ) имеет вид носителей заряда смешиванием фононов и плазмонов можно пренебречь, тогда + 0, а f (t, ) = exp(it)-1 n()+1 + exp(-it)-1 n(), ah 16 ah h -NLO = NLO 1 + ae 5 r n() = exp - 1. (6) k0T r 2r Для кулоновского взаимодействия электронов и дырок 1 - 1 + exp -. (9) ae ae в формуле (2) v = 4e2/V2, где V — объем кристалла. Отличие потенциала примеси от кулоновКак видно из формулы (9), для далеких пар NLO ского можно учесть путем введения псевдопотенциала.

больше, чем для близких. Численные расчеты с испольЗдесь мы будем определять ED и EA из согласования с h зованием формул (1), (7), (9) при NLO = 5.8 показывают, экспериментом, а в интеграле J1(r) (5) этим отличием что полоса излучения в качественном соответствии с можно пренебречь, так как основной вклад в него вносят экспериментальными данными уширяется и смещается -малые значения 0, где 0 — длина экранирования в длинноволновую сторону при увеличении t0, однако (0 > ae,h).

количественно теоретические сдвиг и уширение оказыme В длинноволновом пределе < диэлектричекая kF ваются гораздо меньше экспериментальных. Еще более функция (, ) обращается в нуль на частотах смешансущественное различие между теорией и экспериментом ных плазмон-фононных мод ±. Дырки, локализованные получается при анализе температурной эволюции спекна глубоком центре, взаимодействуют, кроме того, с тра излучения, представленной на рис. 2. Как видно из коротковолновыми продольными оптическими колебарис. 2, желто-зеленая полоса с ростом температуры в инниями решетки. В области a-1 вкладом зонных h тервале 6–120 K сдвигается в коротковолновую область носителей в (, ) можно пренебречь ( kF) и от 2.243 до 2.254 eV и уширяется от 174 до 224 meV.

из условия (, ) = 0 получить = 0, где 0 — В интервале температур 120–355 K максимум полосы частота продольных оптических фононов. При этом для производящей функции (2) находим выражение h I(t) =exp NLO f (t, 0)+N+ f (t, +)+N- f (t, -). (7) Среднее число излученных LO-фононов на один фотон зависит от ридиуса локализации дырки 5 e2 1 h NLO = - (8) 16 ah 0 и для глубоких центров может быть больше единицы.

Для того чтобы получить согласие теории с экспериментом по полуширине (174 meV) желто-зеленой полосы при T = 6K (рис. 1, c), необходимо положить NLO = 5.8 (в ZnSe 0 = 31 meV). Однако согласовать с теорией все имеющиеся экспериментальные данные при NLO = 5.8 невозможно.

Как известно, с увеличением времени задержки t0 спектр люминесценции донорно-акцепторных пар (ДАП) смещается в длинноволновую сторону, а полуширина полосы излучения уменьшается за счет быстрого высвечивания близких пар и падения интенсивности КЛ в коротковолновой части полосы [9]. Желто-зеленая полоса при t0 = 10 µs (рис. 1, c) обусловлена рекомбинацией пар с большими значениями r и смещается в длинноволновую сторону в соответствии с теорией.

Однако полуширина ее не уменьшается, а увеличивается до 220 meV. Казалось бы, такое поведение полосы противоречит механизму рекомбинации ДАП. На самом деле это не так. Действительно, несмотря на сужение бесфононной полосы и каждого LO-фононного повтореРис. 2. Температурная эволюция спектров излучения кристалния, эффективное число излученных LO-фононов NLO лов ZnSe : Al при J = 0.025 A/cm2, E = 40 keV. T (K): 1 —6, возрастает с ростом времени задержки и приводит к 2 — 75, 3 — 120, 4 — 200, 5 — 318.

Физика твердого тела, 1997, том 39, № Катодолюминесценция кристаллов ZnSe(Bi) : Al смещается в длинноволновую сторону (max = 550 nm взаимодействия с плазмонами, имеет вид (2.254 eV) при T = 120 K и max = 573 nm (2.164 eV) при T = 355 K). Полуширина полосы при этом уменьшается e2 31/2 E0 = Eg - EA - - - 0 n(0) +1, от 224 meV при T = 120 K до 168 meV при T = 318 K.

00 h Полагая NLO = 5.8, согласовать теорию с экспериментом при T > 300 K невозможно. Действительно, считая, что в области высоких температур T 300 K мелкие донор h NLO = NLO +, c = 1/31/20, (13) ные центры ионизованы и КЛ обусловлена рекомбинацией свободных электронов с дырками, локализованными на глубоких акцепторных центрах, для формфункции где — фрелиховская константа связи для электронов.

спектра излучения получим выражение [6,7] Используя параметры кристалла ZnSe (me = 0.17m0, 0 = 9.2, = 5.8), находим глубину залегания акцептора EA = 492 meV.

R = R0(1 + by)3 In(z)en n=Концентрация неравновесных электронов и дырок неизвестна, что привносит неоднозначность в определе+ ние параметров полосы. С увеличением n возрастает (y + n) +N+ y+n+. (10) ширина полосы за счет теплового разброса электронов по энергиям в зоне проводимости, и для согласования 0 - E0 расчетных и экспериментальных полос по полуширине Здесь z = NLO/ sh, =, y =, 2 k0T 0 и положению в спектре величины NLO и E0 необходимо b = 0/E0, R0 —константа, n определяет число испууменьшить, а величина EA при этом остается в пределах щенных (n > 0) или поглощенных (n < 0) LO-фононов 485–495 meV. Тем не менее эти изменения не столь в процессе рекомбинации, In(z) — функция Бесселя велики, чтобы повлиять на вывод о недостаточности мнимого аргумента, константа E0 определяет положение одного механизма рекомбинации через ДАП при низких полосы в спектре. Функция (y) для свободносвязанных температурах, так как NLO не может иметь значение переходов имеет вид 5–6. Покажем, что в качестве второго механизма может выступать только рекомбинация зонных электронов с локализованными на тех же акцепторах дырками. Вычи(y) = x1/2 fe(x) exp - (y - x)2 dx, EA 0, слим для этого механизма E0. При низких температурх с использованием численного значения EA = 492 meV длинноволновый порог бесфононной полосы для свободносвязанных переходов E0 можно варьировать только за fe(x) ={exp(x - /k0T) +1}-1. (11) счет его зависимости от концентрации электронов в зоне Здесь — химический потенциал, x = k2/2me0. проводимости. В пределе p 0 величина E0 опредеПри низких концентрациях n зонных электронов ляется формулой (13), а при высоких концентрациях с - = p =(4ne2/0me)1/2, а взаимодействие рекомбинирующих носителей заряда с плазмой приводит к дополнительному уширению полос [6,7], которое определяется величиной второго момента p 2 p 2 e2 = Np cth, Np = c. (12) 0 2k0T 0 p Предельное значение волнового числа плазмонов -c 0, где 0 — радиус экранирования Дебая для невырожденной плазмы при высоких температурах.

Полоса (10), рассчитанная с использованием численного значения NLO = 5.8, оказывается в 1.5 раза шире экспериментальной.

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.