Ассоциаты точечных дефектов собственной и примесной природы в кристаллах ZnS, ZnSe, CdSe Магомедова, Патимат Мустафаевна

Введение к работе

Актуальность темы Соединения ZnS, ZnSe. CdSe являются типичными представителями широкозонных полупроводников группы А²В^б и обладают уникальными фотоэлектрическими и люминесцентными свойствами. На их основе созданы фото-, электро-и катодолюминофоры, твердотельные лазеры, фотоприемники и преобразователи солнечной энергии, активные элементы оптоэлек-тронных приборов.

Генерационные и рекомбинационные процессы в этих соединениях контролируются точечными дефектами собственной и примесной природы, которые в зависимости от характера участия в процессах релаксации неравновесных носителей заряда (ННЗ)¹ делятся на центры прилипания (ЦП) и центры рекомбинации (ЦР). Кинетические и энергетические характеристики этих центров определяют спектральный диапазон фоточувствительности и люминесценции, времена жизни ННЗ, квантовый выход излучения, инерционность и многие другие параметры приборов и устройств на основе широкозонных полупроводников.

Большой научный и практический интерес, проявляемый к кристаллам и пленкам ZnS, ZnSe, CdSe, способствовали изучению многих их свойств, что позволило установить структуру, параметры и природу многих ЦП и ЦР. Однако, несмотря на значительные успехи, все еще остаются открытыми и нерешенными многие вопросы, связанные с взаимодействием (ассоциацией) точечных дефектов различной природы, структурой энергетического спектра ЦП и ЦР ассоциативной природы и механизмами электронно-дырочных переходов с их участием. Эти обстоятельства осложняют решение практически важной задачи: целенаправленного управления фотоэлектрическими и люминесцентными свойствами соединений А²В⁶, более эффективного использования этих материалов при разработке и конструировании новых приборов и устройств оптоэлектроники.

Исследование ассоциатов точечных дефектов собственной и примесной природы в этих материалах представляет и фундаментальный интерес с точки зрения познания особенностей кристаллов с нарушенной трансляционной симметрией. Таким образом исследование фотоэлектрических и люминесцентных свойств, обусловленных взаимодействием точечных дефектов; установление их

физико-химической природы, структуры й особенностей их энергетического спектра и механизмов электронно-дырочных переходов с их участием, представляют весьма актуальную задачу физики широкозонных полупроводников.

Основная цель диссертационной ^работы. - определение оптимального чиела экспериментальных методов исследования ЦП и ЦР. позволяющих однозначно установить их структуру; определение физико-химической природы, кинетических и энергетических параметров взаимодействующих точечных, дефектов, и их роли в формировании фотоэлектрических и люминесцентных свойств полупроводниковых соединений А²В⁶.

Основными объектами исследования выбраны кристаллы ZnS, ZnSe, CdSe. Эти соединения независимо от технологических методов выращивания обладают монополярной проводимостью п-типа и имеют богатый набор точечных дефектов собственной природы, уровни которых локализованы в запрещенной зоне в широком интервале энергий, что. обеспечивает процессам захвата и рекомбинации в них ярко, выраженный характер. В силу чего эти соединения могут быть причислены к модельным полупроводникам для исследования ЦПиЦР.

Изучение системы ZnS-ZnSe-CdSe позволит проследить за трансформацией физических свойств этих соединений, связанных с теми или иными нарушениями кристаллической решетки при замещении в них катиона или аниона. Такие исследования могут дать дополнительную информацию о деталях изучаемых явлений, а также о природе точечных и ассоциированных дефектов в этих соединениях.

Экспериментальные исследования проводились с применением комплекса методов, основанных на исследовании кинетических, спектральных и температурных характеристик ПФ, ИПФ, ОГФ, ФЛ, ЭЛ, ТСТ, ТСЛ, эффекта Холла. При обработке экспериментальных данных и теоретических расчетах использовался пакет программного обеспечения спектрально-вычислительного комплекса КСВУ-12.

Научная- новизна. Комплекс экспериментальных" и теоретических исследований, выполненных в диссертационной работе привели к установлению следующих данных.

1. В кристаллах ZnS, ZnSe, CdSe реализуются ЦП, ЦР сложной структуры, обусловленные взаимодействующими точечными дефектами собственной (V_Zn,_Cd, Vs,s_e) и примесной природы.

2. Зонно-примесным полосам ИПФ, межпримесньЛ* полосам ФЛ и ЭЛ, обусловленным ассоциированными точечными дефектами, свойственны спектральные сдвиги в зависимости от концентрации ННЗ (уровня возбуждения). Исследования эффектов такого рода позволяют установить сложную структуру ЦП и ЦР.

3. Предложены модели центров излучательной рекомбина- . ции в кристаллах CdSe (hv=1.3-1.5 эВ) и ZnS (hv_m = 2.3 эВ), в основе которых лежат представления о ассоциатах точечных дефектов.

4. Рост неравновесной фоточувствительности кристаллов CdSe определяется не только концентрацией ЦП, пребывающих в фотоактивном состоянии, но и их зарядовым состоянием.

5. Предложен комплекс экспериментальных методов, необходимый для достоверной оценки структуры и характеристических параметров ЦП и ЦР, обусловленных ассоциатами точечными дефектами собственной и примесной природы.

Практическая ценность

6. Результаты исследования физико-химической природы, структуры, параметров и особенностей ЦП и ЦР, обусловленных взаимодействующими точечными- дефектами в кристаллах ZnS, ZnSe, CdSe могут быть использованы в технологических процессах при выращивании этих кристаллов с заранее заданными свойствами, а также при разработке и конструировании новых полупроводниковых приборов и люминофоров на их основе.

7. Для практики исследования ЦП и ЦР сложной структуры выявлен круг экспериментальных методов, позволяющих выявить структуру взаимодействующих точечных дефектов.

3. Разработана методика получения электролюминесци-
рующих ячеек на основе кристаллов ZnSe.

Защищаемые положения

1. В кристаллах ZnS, ZnSe, CdSe п^гипа в соответствии с физхимией соединений А²В⁶ реализуются двухуровневые ЦП (V_s,se)²⁺ и ЦР (VznjCd)²". Многообразие электронных уровней и соот-

ветствующих им спектров ИПФ, ОГФ, ФЛ. ЭЛ, ТСТ, ТСЛ - следствие взаимодействия этих точечных дефектов как между собой, так и с дефектами примесной (D, = Agi Си,) природы [(Agi)⁺ - (V_Cd)"], [(Си,Г - (V_cd)j, «V_s,se)^2t - [(V_Zn,cc)²- - D⁺]},

2. Рост неравновесной фоточувствительности полупроводниковых соединений А²В^б в примесной области обусловлен нетолько увелечением концентрации ЦП в фотоактивном состоянии с ростом концентрации ННЗ, но и перезарядкой этих центров.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на итоговых конференциях преподавателей и сотрудников Дагестанского госуниверситета (г. Махачкала, 1994-1997 г.г.), Международных конференциях "Центры с глубокими уровнями в полупроводниках и полупроводниковых структурах" (г.Ульяновск, 1997 г.), "Оптика полупроводников" (г. Ульяновск, 1998 г.)

Публикации." По теме диссертации опубликовано шесть научных работ (см. список в конце автореферата).

Диссертационная работа выполнена под руководством доктора физ.-мат. наук, профессора Сафаралиева Г.К. и научного консультанта кандидата физ.-мат. наук Зобова Е.М.

Во всех указанных совместных работах вклад автора настоящей диссертационной работы существенен: принимала участие в составлении программ для расчета теоретических данных; выполнила экспериментальные измерения и провела на ЭВМ обработку данных, внесла существенный вклад в обсуждение и интерпретацию результатов исследования.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 111 страницах машинописного текста, имеет одну таблицу и 40 рисунков. Список цитируемой литературы состоит из 132 наименований.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы.