Оптические и фотоэлектрические свойства диарсенидов кадмия и цинка Семененя, Татьяна Викторовна

Введение к работе

Актуальность темы

Развитие электронной техники связано с поиском и созданием новых полупроводниковых соединений. К числу новых полупроводниковых материалов относится ряд соединений элементов II и V групп (А²В⁵). Для выяснения перспективности новых соединений и для создания впоследствии на их основе приборов, необходимо детальное исследование свойств этих полупроводников.

Диарсениды кадмия и цинка, изучению оптических и фотоэлектрических свойств которых посвящена данная работа, два наименее исследованных полупроводниковых соединения из группы А²В⁵. Характерной особенностью CdAs₂ и ZnAs₂ является наличие наряду со связями металл—анион, связей анион —анион, которые образуют зигзагообразную цепочечную структуру, вытянутую вдоль оси с кристалла, что обуславливает значительную анизотропию свойств эпгх соединений. Согласно оценкам, на основе ZnAsj могут быть созданы анизотропные термоэлементы, у которых при 300 К температурная чувствительность больше в 10 раз, а инерционность меньше в 6 раз, чем у элементов из CdSb (лучших в настоящее время анизотропных термоэлементов). Недавно в ZnAs₂ было получено вынужденное излучение на длине волны 1,235 мкм, что открывает возможность создания твердотельного лазера. Установлено, что вблизи края собственного поглощения ZnAs₂ коэффициент поглощения изменяется почти на три порядка в зависимости от ориентации всэктора напряженности электрического поля Е световой волны относительно оси кристалла с. Это позволяет использовать его в качестве поляризатора и отрезающего фильтра в ИК области.

Несмотря на перспективность применения CdAs₂ и ZnAs₂ в электронной технике, имеющиеся в литературе данные об

основных параметрах их зонной структуры крайне ограничены и противоречивы. Изучение свойств CdAs₂ и ZnAs₂ до последнего времени ограничивалось отсутствием крупных структурно — совершенных монокристаллов. Исследования проводились или на поликристаллах, или на монокристаллах невысокого структурного совершенства с маловоспроизводимыми параметрами.

В последнее время в ИОНХ им. Н.С. Курнакова РАН
достигнуты значительные успехи в технологии выращивания
монокристаллов методом вертикальной направленной

кристаллизации по — Бриджмену, что позволило получить крупные структурно — совершенные монокристаллы CdAs₂ и ZnAs-j.

Основная цель работы

Настоящая работа посвящена исследованию спектров оптического пропускания — T_np(hv), фотопроводимости — ФП(Ьу) на образцах CdAs₂ и ZnAs₂ максимальной чистоты, а также фототока короткого замыкания — I_K3(^nv) Диодных структур на основе этих монокристаллов с целью выяснения основных параметров зонной структуры и спектра уровней, создаваемых в запрещенной зоне структурными дефектами.

Научная новизна

Впервые в области 80 — 300 К проведены совместные исследования спектров оптического пропускания и фотопроводимости структурно — совершенных монокристаллов CdAs₂ и ZnAs2, а также фототока короткого замыкания диодных структур на их основе вблизи края собственного поглощения, а для CdA&j и в примесной области. Проведенные исследования позволили впервые получить спектры собственного поглощения в широкой области значений коэффициента поглощения — а: для CdAs₂ величина а изменялась в области 4-10~³ —10³ см^-1; для ZnAs₂ в области 4-Ю^-2—10³ см^-1. Анализ полученных спектров

собственного поглощения позволил с большой точностью определить основные параметры зонной структуры CdAs₂ и ZnAs-,. Впервые проведенные исследования спектров фотопроводимости в области примесного поглощения позволили установіггь существование в запрещенной зоне CdAs₂ двух глубоких донорных уровней, создаваемых структурными дефектами; определить их энергию ионизации.

Положения, выносимые па защиту:

1. Показано, что в CdAs₂ и ZnAs2 энергетическое положение края
и форма спектров собственного поглощения - определяются
поляризацией падающего на образец света относительно оси с
кристалла.

Для CdAs₂:

1. Показано, что оба края фундаментального поглощения (для поляризаций ЕІ і с и Е±с) определяются непрямыми разрешенными переходами, идущими с участием экситонных состояний. Определены: величины минимальных непрямых межзонных промежутков (Sq¹), определяющих край собственного поглощения для ЕІ і с и EjLc; температурные коэффициенты смещения s_g'(E| | с) и Ед'(ЕХс) в области 80 — 300 К; энергия связи непрямого экситона; энергии фоионов, участвующих в непрямых переходах.

2. Показано, что для ЕІ I с имеет место прямоіі разрешенный переход, при этом непрямая и прямая зоны проводимости разнесены по энергии на 0.33 эВ. Определена величина минимального прямого межзонного промежутка (^ug^J) ^{и ее} температурный коэффициент смещения в области 5 — 300 К.

3. Предложена модель структуры энергетических зон CdAs₂ в области минимума межзонного промежутка.

4. Установлено существование двух глубокие донорных уровней, создаваемых г, запрещенной зоне CdAs₂ структурными дефектами.

6 Определены энергии ионизации этих уровней. Предложена модель формирования структурных дефектов. Для ZnAs₂:

6. Показано, что для поляризации Е||с в области значений а<10
см^-1 собственное поглощение определяется непрямым, а в
области значений ооЮ см^-1 прямым разрешенными переходами,
идущими с участием экситонных состояний. Определены
величины минимальных непрямого и прямого межзонных
промежутков (с_д¹(Е| t с) и s„^d(E||c)) с точностью до энергии связи
экситона; их температурные коэффициенты смещения в области
80 — 300 К; энергии фононов, участвующих в непрямом переходе.

7. Показано, что для поляризации Е±с край собственного
поглощения определяется прямым запрещенным переходом,
идущим с участием экситонных состояний. При 5 К в спектрах
пропускания обнаружена экситонная серия из трех линий.
Определены; величина s_g^d(E±c) и ее температурный коэффициент
смещения в области 5 — 300 К; энергия связи экситона.

8. Предложена модель структуры энергетических зон ZnA^ в
области минимума межзонного промежутка.

Практическая ценность работы

Полученные в диссертации результаты помимо научного имеют также и практический интерес. Диарсениды кадмия и цинка используются как диффузанты для соединений группы А³В⁵. Помимо этого, исследованные в диссертационной работе структурно —совершенные монокристаллы ZnAs₂ могут быть использованы в качестве материала для отрезающих фильтров и иммерсионных линз в ИК области; создания твердотельных лазеров. Диарсениды кадмия и цинка могут быть использованы для создания анизотропных термоэлементов.

Апробация работы и публикации

Материалы диссертационной работы докладывались на 2ой Всероссийской конференции по физике полупроводников (г. Зеленогорск, 1996 г.), на секции физики Ломоносовских чтений (Москва, 1996 г.).

По результатам исследований опубликовано 9 работ.