WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 1 Динамика изменения спектров фотолюминесценции образцов CdTe стехиометрического состава в зависимости от чистоты исходных компонентов © А.В. Квит, Ю.В. Клевков, С.А. Медведев, В.С. Багаев¶, А. Пересторонин, А.Ф. Плотников Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, 117924 Москва, Россия (Получена 8 февраля 1999 г. Принята к печати 25 мая 1999 г.) Представлен новый сублимационный метод очистки веществ в вакууме, основанный на фазовом превращении кристалл–пар–кристалл. Приведена принципиальная конструкция ростового реактора и основные параметры глубокой очистки соединения CdTe. С помощью низкотемпературной фотолюминесценции показана динамика очистки, характеризующаяся полным распадом различных комплексов и резким уменьшением концентрации как мелких, так и глубоких остаточных примесей. На финишном этапе очистки получен поликристаллический CdTe состава, близкого к стехиометрическому, в спектре фотолюминесценции которого полностью отсутствует примесное излучение и остается только экситонная часть. Экспериментально подтверждена необходимость глубокой очистки исходных компонент. Аналогичные результаты получены для ZnTe и ZnSe.

Изучению фундаментальных свойств соединений II–VI актам возгонки–кристаллизации, циклически следующим и использованию их в прикладных целях в последнее друг за другом, т. е. используется циклическое повторевремя уделяется много внимания. Основные усилия были ние фазового превращения кристалл–пар–кристалл при направлены на создание детекторов ионизирующих из- перемещении постоянного температурного градиента. В лучений и эффективных источников света, работающих результате очистки состав соединения приближается к в коротковолновой части видимого спектра. Попытки составу минимального давления (так называемая точка использовать в приборах объемные кристаллы, выра- Pmin) с одновременным удалением избыточного комщенные из расплавов, растворов–расплавов или паро- понента и остаточных примесей [1,2]. Из динамики фазными методами, для которых характерны термически изменения спектров фотолюминесценции очищенного равновесные условия роста и высокие температуры, не соединения оценивалось влияние чистоты используемых привели к желаемому результату. для синтеза компонентов на эффективность метода фиСегодня становится очевидным, что низкие темпера- нишной очистки CdTe.

туры роста и чистота исходных материалов являются основным условием для последующего воспроизводиЭксперимент мого выращивания монокристаллов CdTe приборного качества. Для получения высококачественных соединеАппарат для очистки соединений (рис. 1) предстаний II–VI нужны также низкотемпературные технологии вляет собой вакуумированный цилиндрический реактор очистки, адекватные физико-химическим свойствам этих диаметром 0.1 м и длиной 2 м, который состоит из расоединений, и в частности CdTe.

бочей (1) и вспомогательной (2) частей. Рабочая часть При разработке адекватных технологий очистки нестепредставляет собой кольцеобразную полость, состоящую хиометрических соединений II–VI были учтены следуюиз двух коаксиально расположенных кварцевых труб, щие их свойства: 1) большие значения теплоты образогерметично сваренных между собой с одной стороны.

вания этих соединений, 2) высокие давления паров при Внутренняя труба со стороны вспомогательной части температурах ниже их точки плавления, 3) соединения заканчивается глухой стенкой. Открытый конец вспомоэтого класса являются фазами переменного состава, гательной части служит для загрузки в реактор очищае4) точечные дефекты могут ионизироваться и образовымого материала (3) и снабжен крионасосом (4). После вать комплексы с примесями, 5) концентрации примесей загрузки очищаемого соединения к открытому концу и ионизированных точечных дефектов взаимосвязаны.

реактора приваривается чашка (5) с охлаждаемым пальПредставленный здесь метод [1] относится к сублимацем (6), который служит сборником для очищенного ционным методам очистки веществ в вакууме и основан материала. После подсоединения реактора к вакуумной на фазовом превращении кристалл–пар–кристалл. Этот системе (вакуумный отросток на рисунке не показан) метод разрабатывался как аналог зонной плавки спеи создания в нем разрежения 10-5 Торр, его отпаивают циально для сублимирующих нестехиометрических сои помещают в печь сопротивления с двумя независимо единений. Предварительно синтезированное соединение работающими зонами нагрева. Зона II, где расположена небольшими порциями подвергается многочисленным рабочая часть реактора, нагревается до температуры T1 и ¶ E-mail: bagaev@sci.lebedev.ru обеспечивает фоновый нагрев рабочей части. Зона I, где 2 20 А.В. Квит, Ю.В. Клевков, С.А. Медведев, В.С. Багаев, А. Пересторонин, А.Ф. Плотников Рис. 1. Схематическое изображение аппарата (вверху) и распределение температуры T по его длине L (внизу).

располагается охлаждаемый палец, обеспечивает тем- Исходный CdTe, который подвергался финишной пературу осаждения очищаемого материала (T2). Ло- очистке, был синтезирован прямой реакцией компоненкальный градиент (T = T3 - T4) формируется с по- тов разной степени чистоты при температуре ниже мощью системы нагреватель/охладитель (7), состоящей 680C. Низкие температуры синтеза позволили получать из небольшой электрической печи (8) и сопла (9) для более однородный материал с минимальным отклонениинжекции газа в пространство непосредственно перед ем от стехиометрии, который способен сублимировать с электрической печью (8). В результате испарения пер- достаточно высокой скоростью.

вой порции загрузки CdTe на внутренней поверхности Поскольку все процессы синтеза и финишной очистки кольцеобразной полости в области, охлаждаемой ин- CdTe выполнялись при одних и тех же температурах, жектируемым газом, образуется пакет материала. Этот эффективность и воспроизводимость метода очистки сопакет (шириной приблизительно 8 12 см и толщиной относились со степенью чистоты исходных компонентов 0.5 1.5мм) вместе с локальным градиентом систе- Cd и Te. Перед синтезом соединения мы очищали мы нагреватель/охладитель перемещают вдоль рабочей компоненты с помощью стандартных методов вакуумной части реактора с помощью механизма протяжки (на дистилляции.

рис. 1 не показано) с заданной скоростью. Во вре- Основные характерные параметры процесса финишмя этой операции материал подвергается множеству ной очистки соединения следующие: T1 590 610C, актов сублимации–кристаллизации. Наконец, когда си- T3 630 650C, T4 540 560C, скорость переместема нагреватель/охладитель достигнет глухой стенки щения нагреватель/охладитель 6 см/ч; количество матевнутренней трубы реактора, охладитель отключают, а риала, подвергаемого очистке в одном проходе системы, пакет материала, попадая в расширенное температурное 50 70 г, а в одном цикле процесса до 0.5 0.8кг.

поле электрической печи (8), испаряется и в даль- С помощью предложенного метода были получены нейшем конденсируется на охлаждаемом пальце. Си- компактные поликристаллические слитки высокочистого стема нагреватель/охладитель возвращается в исходное CdTe при T2 = 560 580C. Размер зерна достигал положение к месту расположения загрузки, и следую- 5 мм. В табл. 1 показаны характерные результаты массщая порция материала подвергается очистке. Количество спектрометрического анализа CdTe, приготовленного из операций перемещения системы определяется массой очищенных компонентов, после финишной очистки созагрузки. единения. Суммарная чистота CdTe была 99.9997 вес% Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. Динамика изменения спектров фотолюминесценции образцов CdTe... Содержание примесей в высокочистом CdTe Элемент Концентрация, ppm Элемент Концентрация, ppm Элемент Концентрация, ppm H Не детектируется Zn 0.04 Pr < 0.Li 0.009 Ga < 0.05 Nd < 0.Be < 0.0002 Ge < 0.008 Sm < 0.B < 0.0002 As < 0.02 Eu < 0.C 4 Se 1 Gd < 0.N Не детектируется Br < 0.006 Tb < 0.O 5 Rb < 0.06 Dy < 0.F 0.02 Sr < 0.008 Ho < 0.Na < 0.006 Y < 0.01 Er < 0.Mg < 0.02 Zr < 0.01 Tm < 0.Al 0.01 Nb < 0.02 Yb < 0.Si 0.03 Mb < 0.03 Lu < 0.P < 0.01 Ru < 0.01 Hf < 0.S 0.05 Rh < 0.008 Ta Не детектируется Cl 0.04 Pd < 0.02 W < 0.K < 0.01 Ag < 0.02 Re < 0.Ca < 0.03 Cd Матрица Os < 0.Sc < 0.01 In < 0.009 Ir < 0.Ti < 0.02 Sn < 0.04 Pt < 0.V < 0.005 Sb < 0.02 Au < 0.Cr < 0.04 Te Матрица Hg < 0.Mn Не детектируется I < 0.03 Tl < 0.Fe Не детектируется Cs < 0.009 Pb < 0.Co < 0.002 Ba < 0.04 Bi < 0.Ni < 0.002 La < 0.01 Th < 0.Cu Не детектируется Ce < 0.01 U < 0.(в этой оценке исключены H, N, O, C, Cl, F и S в фективны для удаления мелких остаточных доноров.

соответствии с каталогом Johnson–Matthey). Именно уменьшение концентрации мелких доноров в Спектры фотолюминесценции измерялись при тем- CdTe приводит к ослаблению интенсивности излучения пературах 4.2 и 77 K при возбуждении Ar+-лазером полосы = 1.45 эВ, так как мелкие доноры участвуют (плотность мощности возбуждения Pexс 0.5Вт/см2). в образовании излучающих комплексов [3,4].

Это объяснение подтверждается анализом спектров фотолюминесценции экситонной области. Пропадает лиРезультаты и обсуждение ния экситона, связанного на нейтральном доноре (BE).

Единственной особенностью в экситонной части спектра Мы обнаружили изменения в спектрах низкотемпераостаются линии свободного экситона и экситона, связантурной фотолюминесценции по мере увеличения степени ного на нейтральном акцепторе (A0X) 1.59 эВ.

чистоты исходных компонентов. Так как все процессы При использовании серии циклов очистки исходных очистки были проведены при одних и тех же темкомпонентов начинает более эффективно работать и пературах, есть основания считать, что концентрации финишная очистка самого материала, что приводит к нестехиометрических дефектов соответствуют составу в заметному и постоянному уменьшению концентрации точке Pmin для всех образцов. Спектры фотолюминесZ-центров. На конечной стадии очистки материала мы наценции, один из которых показан на рис. 2 (спектр 1), блюдали гашение как Z-, так и Y-полос. Спектр приобретипичны для образцов CdTe, синтезированного из истает классический вид для высокочистых соединений — ходных компонентов, выпускаемых в настоящее время абсолютно доминируют линии фотолюминеcценции, свяпромышленностью (99.99%). В спектрах доминирует занные с излучением экситонных состояний (рис. 2, самоактивационная полоса (SA), перекрывающаяся с поспектр 3).

лосой = 1.45 эВ. После первого же процесса очистки исходных компонентов интенсивность этих полос пада- Ранее было показано, что Z-полоса = 1.3эВ ет (спектр 2) и появляется излучение так называемого (Z-A) связана с донорно-акцепторной рекомбинацией, Z-центра. Такая тенденция сохраняется при увеличении где Z — глубокий донор, а акцептор — мелкий (LiCd, числа циклов очистки исходных компонентов. NaCd, KCd [5]. В силу того, что очистка более эфНачальные стадии очистки исходных компонентов, о фективна от Z-примеси, чем от Li, K, Na, в спектрах которых речь шла выше, по-видимому, наиболее эф- люминесценции на промежуточных этапах может наФизика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 22 А.В. Квит, Ю.В. Клевков, С.А. Медведев, В.С. Багаев, А. Пересторонин, А.Ф. Плотников водниковых соединений II–VI. Эффективность очистки этих соединений возрастает с числом циклов очистки исходных компонентов. Показана взаимосвязь чистоты исходных компонентов и изменений в спектрах фотолюминесценции. Наблюдается как поэтапное уменьшение концентрации мелких доноров и мелких акцепторов, так и, что более важно, уменьшение концентрации глубоких Z- и Y -центров.

Несмотря на то, что с повышением чистоты исходных компонентов четко прослеживается тенденция к удалению из материалов многих вредных остаточных примесей, эффективность метода финишной очистки самого соединения предстоит еще исследовать.

Данная работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проекты РФФИ 97-02-17747, 97-02-16721 и 98-02-16980), гранта ”Ведущие научные школы России” 96-15-96341 и проекта Межведомственной программы ФТНС Министерства науки РФ 97-1045.

Список литературы [1] S. Medvedieff. US Patent No. 5201985 (13.04.1993).

[2] S. Medvedieff, Yu. Klevkov. Application No. PCT/RU96/00176.

[3] Y. Marfaing. Progr. Cryst. Growth Charact., 4, 317 (1981).

Рис. 2. Изменения спектра низкотемпературной фотолю[4] A.V. Kvit, Yu.V. Klevkov, S.R. Oktyabrsky, B.G. Zhurkin. Semiминесценции CdTe по мере увеличения степени очистки.

cond. Sci. Technol., 9, 1805 (1994).

1 — синтез CdTe из промышленных исходных компонентов [5] A.V. Kvit, Yu.V. Klevkov, S.R. Oktyabrsky, A.V. Tsikunov, (99.99 вес%); 2 — синтез CdTe из компонентов, подвергнутых B.G. Zhurkin. Mater. Sci. Eng. B, 26, 1 (1994).

очистке; 3 — финишная очистка CdTe.

Редактор Л.В. Шаронова Photoluminescence spectra evolution блюдаться увеличение интенсивности полос, связанных dynamics of CdTe samples of с этими мелкими акцепторами (1.55, 1.54 эВ). Однако на stochiometric composition: dependence заключительном этапе и эти линии излучения пропадаon the initial components purity ют. Спектр 3 низкотемпературной фотолюминесценции (рис. 2) характеризует достигнутый на сегодняшний день A.V. Kvit, Yu.V. Klevkov, S.A. Medvedev, V.S. Bagaev, уровень чистоты за счет совершенствования конструкA.V. Perestoronin, A.F. Plotnikov ции аппарата и эффективности очистки на завершающем Lebedev Physical Institute, этапе. Подобные результаты получены и для других Russian Academy of Sciences, соединений II–VI (ZnSe, ZnTe, CdS).

117924 Moscow, Russia Отметим, что анализируемый материал CdTe имел p-тип проводимости, холловскую концентрацию

Abstract

A new method of matter purification in vacuum based 1013 см-3 и высокую подвижность (> 100 см2/В · с) on the phase transition crystal–vapour–crystal is presented. The при 300 K. На промежуточных стадиях очистки исходных principal construction of the growth reactor and basic parameters компонентов образцы имели высокое удельное сопротиof CdTe deep purification are shown. The dynamics of purification вление (до 109 Ом·см), что мы связываем с закреплением is demonstrated by means of low-temperature photoluminescence уровня химического потенциала глубокими ловушками, measurements. Purification process is characterized by the total являющимися межпримесными комплексами. Однако decay of complexes and sharp reduction both of deep and shallow после финишной очистки сопротивление снова падает до residual impurity concentrations. Polycrystalline CdTe is obtained уровня 103104 Ом·см, что, по нашему мнению, говорит at the final stage of purification. Only exciton-related peaks are о слабой компенсации материала. Данные электрических observed in the photoluminescence spectra of this material, and the измерений достаточно хорошо согласуются с выводами impurity-related luminescence is completely absent. The need for люминесцентного анализа.

deep purification of initial components is experimentally confirmed.

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.