Введение к работе
Основным методом создания полупроводниковых материалов с заданными свойствами является легирование полупроводников различными типами примеси. Среди широкого спектра примесей, применяемых для легирования полупроводников А2Вб, элементы группы железа занимают особое положение, а полупроводниковые материалы, легированные элементами этой группы, получили название полумагнитных полупроводников (ПМП). Неполностью заполненная Зd-oбoлoчкa примесного атома является причиной особых физических свойств ПМП. Взаимодействие локализованных магнитных моментов примесного атома со спинами свободных носителей приводит к аномальным электрофизическим и магнитооптическим явлениям. Один и тот же ПМП в зависимости от концентрации магнитной примеси может обнаруживать поведение, характерное для парамагнетика, спинового стекла и антиферромагнетика. В оптических спектрах ПМП появляются новые характеристические полосы, обусловленные переходами с участием электронных состояний Зd-oбoлoчки.
Интенсивное развитие в последние годы оптоэлектроники, применение оптических приборов в различных областях человеческой деятельности приводят к необходимости поиска новых материалов для создания фотоприемников и источников излучения. Возможность применения ПМП при создании элементов памяти с оптической записью и считыванием, полупроводниковых лазеров с возможностью перестройки внешним магнитным полем, делают актуальной задачу изучения люминесцентных свойств ПМП.
Кроме того, ПМП являются интересным объектом фундаментальных исследований физики твердого тела, таких её направлений, как магнитные свойства полупроводников, теория глубоких уровней, теория электронно-колебательных состояний примесных центров.
Все вышесказанное определяет актуальность темы диссертационной работы.
Объектом исследовании настоящей работы были бинарные полупроводники CdTe, CdS, ZnSe, ZnS, ZnO и тройные твердые растворы Zn^xCdxSe и ZnSxSei.x, легированные элементами Mn, Fe и № как в малой концентрации
4 (1017 см"3 и более), так и в концентрации, приводящей к образованию тройных твердых растворов.
Цель работы состояла в изучении влияния магнитной примеси на като-дрлюминесцентные свойства ПМП, в определении основных механизмов излу-чательной рекомбинации и роли в них магнитных примесей.
В работе были поставлены и решались следующие основные задачи:
-
Измерение и изучение спектров катодолюминесценции (КЛ) бинарных полупроводников CdTe, CdS, ZnO, ZnS, ZnSe и некоторых тройных твердых растворов на их основе, легированных магнитными примесями Mn, Ni и Fe, в широком диапазоне температур, уровней возбуждения и временных задержек.
-
Изучение процессов температурного тушения различных полос КЛ и определения энергии активации температурного тушения.
-
Выяснение влияния магнитных примесей на основные механизмы собственной люминесценции полупроводников А2Вб.
-
Определение механизмов люминесценции, непосредственно связанных с магнитными примесями.
Применение метода катодолюминесцентного исследования, дающего
возможность менять в широких пределах уровень возбуждения, позволило изу
чить спектры КЛ в широком спектральном диапазоне (видимая, ближние УФ- и
ИК-области спектра) и наблюдать малоинтенсивное излучение. .—
Полученные результаты обладают достаточной достоверностью, поскольку в работе исследовалось значительное количество образцов, полученных различными методами, результаты исследования сравнивались с исследованиями аналогичных материалов другими методами (поглощение, электроотражение, фотолюминесценция и другие).
По мнению автора, научная новизна работы состоит в следующем.
1. Впервые исследованы спектры КЛ Cdi.xMnxTe в широком спектраль
ном диапазоне и интервале изменения состава X
2. Впервые исследованы спектры КЛ CdTc:Fe, Cdi_xFexTe и
Cdi.xMnxTe:Fe в широком спектральном диапазоне.
-
Впервые исследованы спектры КЛ полупроводников ZnS, ZnSe, ZnO, CdS, ZnLxCdxSe, ZnSxSej.x и Zni.xMnxSe с примесью Ni в широком спектральном диапазоне.
-
Получены новые данные об излучательных механизмах в этих материалах с участием внутрицентровых состояний магнитных примесей. На основании спектров КЛ рассчитаны параметры внутрицентровых состояний ионов Mn2*, Fe2+ и Ni2* в рамках теории кристаллического поля (ТКП). Определен характер взаимодействия этих состояний с фононами.
Практическая ценность работы определяется плодотворностью использования метода КЛ для исследования оптических свойств ПМП. Полученные результаты могут быть использованы при выращивании кристаллов и различных гетероструктур для контроля их качества, при определении примесного состава, при разработке оптоэлектронньгх приборов на основе ПМП. Разработанная в работе методика может быть использована для контроля люминесцентных характеристик широкого класса широкозонных ПМП.
Основные защищаемые положения работы состоят в следующем:
-
Основными механизмами КЛ в изученных полумагаитных полупроводниках являются рекомбинация локализованных экситонов и примесная люминесценция, возникающая в результате излучательных оптических переходов с участием внутрицентровых. состояний Зd-oбoлoчки магнитной примеси.
-
Локализация экситонов в Cdi_xMnxTe имеет сложный характер. Основные механизмы - локализация на акцепторах при малых концентрациях марганца (состав X менее 1%), на акцепторах и на флуктуационных неоднородно-стях кристаллического потенциала с образованием магнитного полярона — для состава более 1 %.
-
Люминесценция Cdi.xMnxTe в ближней ИК-области объясняется излу-чательными переходами с участием внутрицентровых состояний Зd-oбoлoчки неконтролируемой примеси железа. Внутрицентровые состояния ионов Fe"+ и
определяют люминесценцию CdTe'.Fe и Cdi-xFexTe в ближней ИК-области спектра.
-
Интенсивная КЛ ПМП с примесью никеля в желтой области спектра вызвана излучательными оптическими переходами с изменением зарядового состояния ионов Ni2*".
-
Наблюдаемое в некоторых ПМП с примесью никеля явление селективного тушения примесной люминесценции вызвано процессом самопоглощения излучения внутрицентровыми переходами в Зс1-оболочке иона никеля.
-
Характер спин-орбитального расщепления основного ^(Р) состояния иона Ni2*" в исследованных полупроводниках может быть описан теорией кристаллического поля с обязательным учетом взаимодействия этого состояния с фононами.
-
Положение донорного уровня иона Ni2+ в тройных твердых растворах ZnbxCdxSe и ZnSxSei.x существенным образом зависит от состава X. Параметры теории кристаллического поля иона №2+ зависят от состава тройного твердого раствора не только в случае анионного замещения (ZnSxSei.x), но и в случае ка-тионного замещения (Zni_xCdxSe).
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах кафедры физики полупроводников физического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова, на 7 всероссийских и международных конференциях. Материалы диссертации опубликованы в 3 статьях в российских научных журналах и в тезисах докладов 7 конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитированной литературы, включающего 103 наименований. Объем диссертации - 158 страниц машинописного текста, в том числе 63 рисунка и 27 таблиц.
