Магнитофотолюминесценция примесей и дефектов в полупроводниках с узкой запрещенной зоной Юлдашев, Шавкат Узгенович

Введение к работе

Актуальность темы. К числу полупроводниковых материалов,вызывающих в последние годы интерес исследователей, принадлежат полупроводники с узкой запрещенной зоной. Указанные материалы получили широкое применение в ИК - оптоэлектронике и успешно используются- в качестве датчиков и источников излучения в среднем (3-5) мкм и дальнем (8-14) мкм Ш - диапазонах. Развитие исследований этих полупроводников происходит как в направлении совершенствования и управления их кристаллических структур,так и более глубокого понимания их электрофизических и оптических свойств.

Кроме важного практического применения узкованные полупроводники представляют также значительный фундаментальный интерес. Данные материалы являются наиболее удобным объектом для исследований таких фундаментальных проблем физики твердого тела,как переход металл-полупроводник, вигнеровская криесталлиза-ция электронного газа и т.д. Малая величина эффективной массы электронов и достаточно высокая . диэлектрическая проницаемость приводят к чрезвычайно малой энергии связанных состояний электронов в этих материалах. Связанные состояния электронов- мелкие доноры,экеитоны и экситон-примесные комплексы в узкозонных полупроводниках имеют водородоподобный характер и могут служить в качестве экспериментальной модели для исследования поведения водородоподобных атомов при различных, внешних воздействиях. Например, экеитоны в указанных материалах могут служить в качестве экспериментальной модели для решения фундаментальной проблемы поведения энергетических уровней атома- водорода в сверхсильных магнитных полях,т.к. условие сверхсильного магнитного поля 'Tiw /2Еех^>> 1 (где Tiw - квантованная энергия циклотронного движения электрона,Еех^- экситонный ридберг) в узкозонных полупроводниках выполняется уже для Н > 10³ Э, тогда как для атомов водорода это условие выполняется при Н > 10¹⁰ 3, возможно реализующегося лишь на нейтронных звездах.

Известно,что примеси и дефекты в основном определяют свойства полупроводниковых материалов и играют важную роль в приборах на их основе. Вместе с тем, исследование примесных и де-

фектных состояний в слаболегированных материалах электрофизическими и другими традиционными методами затруднено. В этой связи особое значение приобретают спектроскопические методы исследования.В чистых материалах важную роль играют экситонные эффекты. Связываясь с примесями и дефектами, зкеитоны образуют экситон-примесные комплексы OIK), имеющих "гигантскую силу ос--циллятора"/1/.Исследование излучателыюй рекомбинации данных комплексов позволяет поэтому, обнаружить малые концентрации примесей и дефектов.определить природу и структуру центров,связывающих зкеитоны, а также оценить глубину залегания примесных уровней в запрещенной зоне.Внешнее магнитное поле способствует локализации экситонов и поэтому примесные центры, неспособные связать экситон в отсутствии магнитного поля, могут образовать экситон-примесный комплекс в присутствии достаточно сильного магнитного поля.

Цель работы заключалась в исследовании с помощью магнитофо-толюминесценции примесей и дефектов в полупроводниках а узкой запрещенной зоной,присутствующих в чистых материанах в качестве неконтролируемой примеси,а также примесей и дефектов,вводимых в кристаллы при радиационном воздействии - ионное' травление, нейтронное легирование.

Научная новизна работы состоит в следующем:

Впервые в узкозонном полупроводниковом материале InSb обнаружена и исследована люминесценция, обусловленная излучательной рекомбинацией олабосвязанных состояний - свободных и связанных экситонов, А⁺-центра.Определены энергии связи экситонов с примесными центрами и глубины залегания примесных уровней в запрещенной зоне InSb.'

Выявлен немонотонный характер зависимости интенсивности излучения экситон - примесных комплексов от величины магнитного поля,обусловленный спецификой образования связанного экситонно-го состояния, а также изменением энергии связи экситона с примесным центром в магнитном поле.

Впервые обнаружено возгорание в магнитном поле фононного повторения полосы излучения свободного экситона,' связанное -с изменением характера пространственной корреляции электрона и дырки при квазиодномеривации пространства экеитон-фононного взаимодействия в сильном магнитном поле.

Впервые в узкозонных полупроводниковых твердых растворах CdxHgi-xTe наблюдались экеитонный максимум на краю поглощения и тонкая структура полосы излучения в спектре фотолюминесценции, обусловленная излучательной рекомбинацией экситонов, связанных на глубоких акцепторах.Установлена корреляция между наблюдаемой структурой полосы излучения ЭПК и глубиной залегания акцепторов в запрещенной зоне.

В спектре фотолюминесценции четверных узкозонных полупроводниковых твердых растворов ZnxCdyHgi-x-yTe впервые обнаружены двухзарядные состояния акцепторов,обусловленные вакансиями атомов ртути.Установлено,что при гелиевых температурах излучатель-ная рекомбинация происходит с участием экситонов,связанных на хвостах плотности состояний зон, обусловленных флуктуацияш состава. -

Впервые предложен метод получения однороднолегированного материала Cd_xHgi-_xTe р - типа проводимости,с регулируемой концентрацией акцепторов - атомов золота,взеденных с помощью нейтронного облучения.

Обнаружено,что излучательные переходы в згштаксиальных слоях РЬТе при низких температурах и в магнитном поле происходят с участием мелкого примесного уровня,расположенного вблизи дна зоны проводимости.Участие в излучательной рекомбинации примесного центра позволило впервые наблюдать излучательные междолинные переходы в эпитаксиальных слоях РЬТе на подложках ВаГг.

Практическая значимость работы.С помощью зкситонной спектроскопии исследованы примеси и дефекты в сверхчистых кристаллах ІпЬ'и.где содержание примесей мало, что затрудняет их исследование другими ^радиационными методами. Метод магнитофотолюминес-ценшш является бесконтактным,что позволяет использовать его для исследования эпитаксиальных слоев на различных,в том числе электропроводящих подложках.Данный метод дает возможность получения информации об энергетических состояниях,возникающих на границе эпитакеиальный слой-подложка. Анализ температурных зависимостей интенсивности и полуширины полосы излучения экси-тон-примесного комплекса позволяет сделать оценки концентрации примеси и степень ее компенсации в полупроводнике спектроскопическим методом.Результаты исследования с помощью магнитофотолю-минесценции влияния ионного травления на полупроводниковые

- б -

кристаллы могут быть использованы для контроля качества поверхности облучаемых материалов, а также для контроля чистоты и структурного совершенства эпитаксиальных пленок,выращиваемых на этих подложках. Результаты фотолюминесцентных исследований полупроводниковых твердых растворов показали возможность их практического использования для определения состава и однородности его распределения для широкого Круга тройных и четверных соединений. Полученные в работе результаты по нейтронному легированию твердых растворов Cd_xHgi-_xTe используются.для получения одно-роднолегированного материала, на основе которого могут быть изготовлены как отдельные,так и многоэлементные фотоприемные устройства, обладающие более высокими техническими параметрами по сравнению с существующими. Исследование примесей и дефектов в четверных твердых растворах Zn_xCd_yHgi-_x-_yTe , показали возможность его использования как альтернативного Cd_xHgi-_xTe - материалу наиболее широко использующемуся в ИК оптоэлектронике. Энергетический сдвиг полос низкотемпературной люминесценции в гетерозпитаксиальных слоях РЬТе позволяет определить константы деформационного потенциала в данном материале. Основные положения, выносимые на защиту :

1. В полупроводниках с узкой запрещенной зоной с малой концентрацией примесей и дефектов N < 10¹⁴ см ~³ излучательная рекомбинация неравновесных носителей зарядп при низких гелиевых температурах происходит с участием слабосвяэанних состояний -свободных и связанных эксйтонов, А"¹"центра.

2. Нелинейный характер зависимости интенсивности излучения экситон -, примесных комплексов от магнитного поля обусловлен спецификой образования связанного экситонного состояния,а также' изменением энергии связи зкситона с примесным центром в магнитном поле.

3.Экспериментально установлено возгорание в магнитном поле фононного повторения полосы излучения свободного зкситона, обусловленное изменением характера пространственной корреляции электрона и дырки при квазиодномеризации .пространства экси-тон-фононного взаимодействия в' сильном маг'^тмтном поле.

4.Тонкая структура полосы излучения экситон-примееного комплекса (А⁰ ,Х) в спектре фотолюминесценции CMxHgi-xTe (х -0.3) обусловлена обменным взаимодействием электрона и двух ды-

рок, входящих в состав ЗПК (А,Х) и связана с излучательными переходами из состояний,имеющих разные значения полного момента J - 1/2, 3/2, 6/2. Структура полосы излучения (А,Х) определяется глубиной залегания примесного уровня в запрещенной зоне.

5. В узкозонных четверных полупроводниковых твердых растворах ZrixCdyHEi-x-yTe излучательная рекомбинация неравновесных носителей заряда при низких температурах ( Т < '40 К ) происходит с участием экситонов,локализованных на хвостах плотности состояний зон, обусловленных флуктуациями состава твердого раствора.

6. Метод получения однороднолегированного материала CdxHgi-xTe р - типа проводимости,с регулируемой концентрацией акцепторов,атомов золота,введенных в материал в результате ядерной реакции под действием тепловых нейтронов

^19еНв80 ( п.т) ¹⁹⁷Hg₈o : > ¹⁹⁷Au₇₉.

7.Низкотемпературная магнитофотолюминесценция в зпитакси-альных слоях РЫе обусловлена излучательными переходами через примесный центр, расположенный вблизи дна зоны проводимости. Участие примесного центра в излучательной рекомбинации позволяет наблюдать в эпитаксиальных пленках РЬТе на подложках BaFe междолинные переходы неравновесных носителей заряда.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на: I и 11 Республиканских конференциях по фотоэлектрическим явлениям в полупроводниках (Ужгород 1979, Одесса 1982 г.);Меж-дународном совещании "Экситоны в полупроводниках" (Ленинград 19B«ir.);Vl и VII Всесоюзных симпозиумах "Полупроводники с узкой запрещенной зоной и полуметаллы" (Львов 1983,1986 г.г.);Всесоз-ной конференции "Теоретическая и прикладная оптика" (Ленинград 1984 г.); 1 и II Всесоюзных семинарах "Примеси и дефекты в узкозонных полупроводниках"(Павлодар 1987,1989); IX и X Уральских школах по физике полупроводников(Свердловск 1987 , 1989 г.г.); Всесоюзной конференции по фотоэлектрическим явлениям в полупроводниках (Ташкент 1989 г.); I Национальной конференции "Дефекты в полупроводниках" (С.-Петербург 1992г.), а также семинарах Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН,С.-Петербургского Технического Университете, Института ядерной физики АН РУв, и Отдела теплофизики АН РУз.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 40 печатных работах, список основных из которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав и заключения. Объем диссертации составляет 227 страниц машинописного текста,включая 61 рисунок, 4 таблицы. Список цитируемой литературы состоит из 175 наименований.