WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика твердого тела, 2002, том 44, вып. 12 Фотолюминесценция монокристаллов ZnTe и CdTe, выращенных с применением транспортирующих газов, содержащих галогены © В.Ф. Агекян, Г.А. Ильчук, Ю.В. Рудь, А.Ю. Степанов Научно-исследовательский институт физики им. В.А. Фока Санкт-Петербургского государственного университета, 198504 Санкт-Петербург, Петродворец, Россия Национальный университет Украины „Львовская Политехника“, 79013 Львов, Украина Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Поступила в Редакцию 12 февраля 2002 г.) С применением транспортирующих газов, содержащих Cl, Br и I, выращены объемные монокристаллы ZnTe и CdTe. Спектры фотолюминесценции, состоящие из полосы свободного экситона и низкоэнергетической полосы несобственного происхождения, исследованы при различных температурах, уровнях возбуждения и временных задержках. Показано, что низкоэнергетическую полосу следует интерпретировать как излучение донорно-акцепторных пар. Значительных различий в спектрах излучения кристаллов, выращенных с применением Cl, Br и I, не обнаружено.

Влияние методов выращивания и последующей обра- с требуемым типом проводимости иногда наталкивается ботки на оптические и электрические свойства объем- на определенные трудности, которые преодолеваются ных монокристаллов группы II–VI интенсивно изучается одновременным созданием донорных и акцепторных в настоящее время, несмотря на то, что эти иссле- состояний [6].

дования уже имеют многолетнюю историю. Интерес В нашей работе получены однородно легированные к ним определяется новыми приложениями бинарных галогенами объемные монокристаллы ZnTe и CdTe и кристаллов и твердых растворов группы II-VI, стиисследованы их спектры фотолюминесценции (ФЛ) при мулирующими совершенствование методик роста. Эти импульсном возбуждении. Для выращивания исполькристаллы применяются как быстродействующие оптизован метод химических транспортных реакций, при ческие переключатели, детекторы ионизирующего излуэтом в кристаллическую решетку внедрялся галоген, чения в ядерной физике и томографии, используются входящий в состав транспортирующего газа NH4X, где в структурах с барьерами Шоттки и т. д. (см., наприX =Cl, Br, I [7]. Моделирование процесса массопереноса, мер, [1–4]). В этой связи оказываются важными времена где исходным материалом являются не легированные реакции кристаллов на внешнее воздействие, диапазоны специально кристаллы ZnTe и CdTe, и сопоставление линейности их оптических и электрических характерасчетов с количеством перенесенного вещества позвористик в зависимости от интенсивности возбуждения, ляют сделать вывод о диффузионном характере роста уровень шумов. Эти параметры зависят от элементного теллуридов кадмия и цинка [8]. Монокристаллы наилучсостава кристаллов, от типа, концентрации и зарядошего качества образуются при 750-850C, что сущевого состояния дефектов, а также равномерности их ственно ниже температуры плавления CdTe (1090C) и распределения [5]. Свойства кристаллов CdTe, ZnTe и ZnTe (1290C). Монокристаллы, выращенные из газовой их твердых растворов определяются как примесями, так фазы, имеют естественные зеркальные грани, их рази собственными дефектами, в частности вакансиями, замеры достигают 2 3 4 mm при временах осаждения ряды которых могут компенсироваться при легировании около 100 часов. При использовании NH4Cl и NH4Br элементами VII группы. Легирование в процессе роста всегда образуются кристаллы n-типа, тогда как в приможет влиять на концентрацию, строение и пассивацию сутствии NH4I могут быть получены кристаллы n- и структурных дефектов. Возможно возникновение сложp-типов. В последнем случае соотношение донорных и ных глубоких центров с участием собственного дефекта акцептоных дефектов контролируется условиями роста и примеси, особенно в соединениях цинка, имеющих куи может меняться по толщине кристалла. ФЛ возбуждабическую и гексагональную модификации. Такие центры лась импульсами азотного лазера с длительностью 5 ns являются электронными ловушками и обычно придают и частотой повторения 100 Hz. Спектры ФЛ регистрирокристаллам группы II–VI полуизолирующие свойства, вались при 4 и 80 K в режиме временного разрешения улучшающие их качество как детекторов ионизирующего излучения. Примеси VII группы вводятся различны- с задержкой t0 относительно возбуждающего импульса от 0 до 100 ns и длительностью времени регистрации ми методами; известно, что при легировании хлором около 2 ns. Далее во всех случаях, кроме специально огов процессе кристаллизации удается получить ZnTe и CdTe с относительно низкой концентрацией собствен- воренных, уровень возбуждения в максимуме лазерного ных дефектов. Выращивание кристаллов группы II–VI импульса составляет около 10 kW/cm2.

2118 В.Ф. Агекян, Г.А. Ильчук, Ю.В. Рудь, А.Ю. Степанов 2. Теллурид кадмия Спектр ФЛ CdTe состоит из полосы свободного экситона 1.58 eV и полосы с максимумом около 1.44 eV (рис. 2). Энергия максимума этой полосы изменяется в зависимости от типа галогена, использованного в процессе роста, сильнее, чем в ZnTe. Времена нарастания и затухания люминесценции в максимуме полосы 1.44 eV близки к наблюдающимся для полосы ZnTe, при увеличении времени задержки эта полоса доминирует в спектре и ее максимум сдвигается в сторону низких энергий (рис. 2). При увеличении уровня Рис. 1. Спектры фотолюминесценции монокристаллов ZnTe, возбуждения полоса 1.44 eV насыщается и ее максимум выращенных с применением галогенов, при 80 K: a —спектры сдвигается в сторону высоких энергий (рис. 2, b). Разтрех образцов, нормированные по интенсивности экситонной ница энергий ширины запрещенной зоны CdTe 1.63 eV полосы, время задержки t0 = 0; b — спектры кристалла и полосы 1.44 eV значительно превышает типичные ZnTe : Br с задержками t0, равными 0 (1), 3 (2) и 40 (3) ns.

значения энергии связи доноров в CdTe. Таким образом, энергетическое положение, кинетические характеристики полосы и влияние уровня возбуждения на 1. Теллурид цинка ее контур позволяют отнести полосу, как и в случае ZnTe, к донорно-акцепторному излучению. ДоноСпектры ФЛ кристаллов ZnTe, при выращивании кором, по-видимому, является атом галогена; что касается торых использовались различные галогены, идентичны.

акцепторного уровня, то при отсутствии намеренного Можно отметить некоторое несовпадение максимумов легирования обычно растут кристаллы CdTe p-типа.

низкоэнергетической полосы, связанной с дефектами Вероятнее всего, в образовании акцепторных состояний (рис. 1, a). По сравнению с экситонным излучением в принимают участие структурные дефекты. В спектрах области 2.36 eV эта полоса имеет медленную кинетику:

кристаллов CdTe наблюдается сильный разброс относивремя нарастания ее интенсивности до максимума сотельных интенсивностей экситонной и дефектной полос.

ставляет 3 ns, время затухания — около 50 ns (рис. 1, b).

Энергетическое расстояние между экситонной и дефектной полосами составляет около 0.13 eV и слабо зависит от типа галогена, использованного в процессе выращивания кристаллов. При увеличении уровня оптического возбуждения максимум дефектной полосы слабо сдвигается в область больших энергий, и при сильном возбуждении полоса насыщается. Эти свойства и энергетическое положение дают основания отнести полосу 2.23 eV к излучению донорно-акцепторных пар с донорным уровнем, образованным, вероятнее всего, галогеном. Максимум полосы при задержках t0 = и 40 ns сдвинут в сторону низких энергий по сравнению Рис. 2. Спектры фотолюминесценции монокристаллов CdTe с его положением при t0 = 3ns (рис. 1, b). Это также при 80 K: a — спектры кристалла CdTe : Br с задержками t0, равными 0 (1), 3 (2) и 70 (3) ns; b — нормированные по согласуется с донорно-акцепторным происхождением максимальной интенсивности спектры CdTe : I при уровнях полосы, поскольку в начале процесса заселения, как и возбуждения 10 (1), 40 (2) и 250 (3) kW/cm2.

с его достаточно поздней стадии, занятыми оказываются преимущественно более глубокие уровни, соответствующие парам большого радиуса.

В ширину экситонной полосы значительный вклад вносит неоднородное уширение, связанное с дефектами решетки — наиболее узкие экситонные полосы наблюдаются в образцах с относительно малой интенсивностью донорно-акцепторной полосы. О сравнительно малом вкладе экситон-фононного взаимодействия в ширину экситонной полосы свидетельствует ее слабое сужение при понижении температуры от 80 до 4 K. В использованных экспериментальных условиях не было замечено существенной модифиации экситонного излучения, Рис. 3. Зависимость сдвига максимума донорно-акцепторной сооответствующей переходу от свободного экситона к полосы в спектре излучения CdTe : Br от времени задержки tсвязанному при охлаждении наших образцов до 4 K. при T = 4K.

Физика твердого тела, 2002, том 44, вып. Фотолюминесценция монокристаллов ZnTe и CdTe, выращенных с применением... Список литературы [1] H. Okada. J. Appl. Phys. 80, 6740 (1996).

[2] S. Pietralunga, P. Boffy, M. Martinelli, J. Nonlin. Opt. Phys.

Mat. 5, 247 (1996).

[3] G. Tessaro, P. Mascher. J. Cryst. Growth 197, 581 (1999).

[4] O.A. Matveev, A.I. Terent’ev. Semiconductors 34, 1264 (2000).

[5] G.M. Khattak, J.M. Majid, C.G. Scott, D. Shaw. Solid State Commun. 84, 1073 (1992).

[6] H. Katayma-Yoshida, T. Sasaki, T. Oguchi. J. Cryst. Growth 117, 625 (1992).

[7] Г.А. Ильчук, В.И. Иванов-Омский, В.Ю. Рудь, Ю.В. Рудь, Р.Н. Бекимбетов, Н.А. Украинец. ФТП 34, 1327 (2000).

[8] Г.А. Ильчук. Неорган. материалы 35, 812 (1999).

Рис. 4. Температурная зависимость интенсивностей экситонной (1) и донорно-акцепторной (2) полос излучения CdTe : I (интенсивности обеих полос при T = 80 K приняты за единицу).

При 4 K увеличение задержки t0 приводит к сдвигу максимума донорно-акцепторной полосы в область низких энергий (рис. 3), что является одним из ее характерных свойств. Температурная зависимость ФЛ исследованных образцов CdTe и ZnTe также подтверждает интерпретацию низкоэнергетических полос как межпримесной излучательной рекомбинации: при повышении температуры эти полосы быстро ослабляются по сравнению с полосой излучений экситона (рис. 4).

Это подтверждает участие в излучательном процессе состояния с энергией связи, значительно меньшей, чем энергетическое расстояние от края межзонного перехода до максимума низкоэнергетической полосы.

Таким образом, при газотранспортном выращивании кристаллов ZnTe и CdTe с применением NH4X, где X является атомом галогена, в спектрах ФЛ при 80 K наблюдаются полосы свободного экситона и донорно-акцепторного излучения. Понижение температуры до 4 K не вносит в спектр фотолюминесценции существенных изменений. Энергетическое расстояние донорно-акцепторных полос от полосы экситона, т. е.

от порога фундаментального поглощения, в обоих кристаллах отличается мало. Это неудивительно, так как значения эффективных масс электронов и дырок и диэлектрических проницаемостей в CdTe и ZnTe близки, т. е. глубина аналогичных примесных уровней в этих полупроводниках отличается мало. Атомы галогенов могут играть значительную роль в пассивации структурных дефектов решеток ZnTe и CdTe, что в сочетании с низкой температурой роста кристаллов, уменьшающей концентрацию структурных дефектов, приводит к большому вкладу экситонов в излучательную рекомбинацию.

Физика твердого тела, 2002, том 44, вып.




© 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.