Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
Глава I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ II
I.I. Основные свойства теллурида цинка II
1.2. Энергетическая структура примесей переходных
элементов в кристаллическом поле 12
1.3. Одноэлектронное описание электронной струк
туры переходных металлов в K^q 17
1.4. Теоретическое описание спектра фотоионизаци
онных переходов 24
Глава 2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА 36
2.1. Выращивание чистых и легированных монокристаллов
ZnTe 36
2.2. Измерение и ошибки измерения коэффициента
поглощения 37
Ошибки измерения коэффициента поглощения в параллельном пучке, перпендикулярном образцу 37
Ошибки измерения коэффициента поглощения, обусловленные расположением образца по отношению к падающему параллельному пучку света 40
Ошибки, вызванные измерениями в непараллельном пучке лучей 42
2.3. Погрешности определения моментов спектральных
полос 47
2.4. Использованная измерительная аппаратура и
подготовка образцов 48
Глава 3. ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА ZnTe , ЛЕГИРОВАННО
ГО ПРИМЕСЯМИ ГРУППЫ ЖЕЛЕЗА 53
3.1. Фотоионизационное поглощение 3d - элементов
в соединениях АрВд 53
3.2. Спектры фотоионизации Со, ні, Мп, Сг
в кристаллах ZnTe 65
3.3. Энергетическая схема уровней примесей Со ,
Hi , Мп и Сг в соединениях AgBg 74
3.4. Влияние примесей группы железа на экситонные
спектры отражения ZnTe 80
Глава 4. СПЕКТРЫ ОПТИЧЕСКИХ ПЕРЕХОДОВ МЕШДУ УРОВНЯМИ
4.1. Внутрицентровое поглощение ZnTe , легиро
ванного Со , Mi и Мп 86
2+ 2+
4.2. Внутрицентровая люминесценция Ні иМпт
в ZnTe 99
Глава 5. ЛЗЕМШЕСЦЕНЦИЯ КРИСТАЛЛОВ ZnTe , ЛЕГИРОВАННЫХ
ПЕРЕХОДНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ ГРУППЫ ЖЕЛЕЗА .... 105
5.1. Краевая фотолюминесценция легированных и не
легированных кристаллов ZnTe 105
5.2. Акустолюминесценция нелегированных и легиро
ванных марганцем кристаллов III
Акустолюминесценция нелегированных монокристаллов ZnTe 112
Акустолюминесценция монокристаллов ZnTe , легированных марганцем 115
5.3. слектролюминесценция кристаллов ZnTe:Mn . . 117
5.4. Термолюминесценция кристаллов ZnTe 120
Термолюминесценция легированных и нелегированных монокристаллов ZnTe [і. 10,її] . . 120
Термолюминесценция кристаллов ZnTe , легированных переходными элементами группы
железа 122
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ РАБОТЫ 125
ЛИТЕРАТУРА 127
Введение к работе
Актуальность работы. Спектроскопия кристаллов, содержащих ионы группы железа и редкоземельные ионы, является важной областью физики твердого тела. Исследуемые в работе примеси создают в кристаллах, как правило, сильнолокализованные состояния. Вследствие этого электронная структура кристалла с примесью непосредственно связана со структурой изолированного иона. Эта особенность позволяет использовать примесь как своего рода зонд по изучению примесных систем. Легирование кристаллов примесями переходных элементов позволяет, с одной стороны, изучать кристаллы и их влияние на примесные ионы и, с другой стороны, исследовать воздействие примесей на свойства полупроводникового материала.
Следует отметить, что изучаемые спектры примесных ионов в высокосимметричных состояниях коренным образом отличаются от спектров примесей, входящих в состав кластеров из примесей и дефектов или дислокаций. Это обстоятельство позволяет раздельно изучать примеси замещения в различных зарядовых состояниях и их ассоциации с другими дефектами решетки.
Соединение 7иТе находит широкое применение в опто- и акус-тоэлектронике. На основе этого полупроводника создаются излучающие и фотоприемные устройства оптического диапазона. Эффективная люминесценция 2hiе позволяет создавать когерентные и некогерентные источники света [і.39]. Известно, что Зе/-примеси в соединениях AgBg служат, как правило, гасителями краевого излучения. Однако внутрицентровая люминесценция, появляющаяся взамен краевой, может быть использована в некоторых соединениях для создания перестраиваемых лазеров ближнего ИК диапазона [2.45].
Кристаллы ?пТе используются для создания высокоскоростных просветляющихся фильтров, работающих в области 528-544 нм[3.9|. Действие этих фильтров основано на насыщении под действием мощного излучения поглощения электронных переходов с участием мелких примесных уровней. Переход на глубокие примесные уровни в перспективе позволит существенным образом расширить спектральную область за счет выбора соответствующей примеси.
Кристаллы, используемые в акустоэлектронике и подверженные воздействию интенсивного ультразвука, способны излучать свет І.64І. Влияние на этот процесс примесей, особенно глубоких, практически не изучено.
Недостаточная изученность изменения оптических свойств перспективного полупроводника ?пТе при введении примесей первой переходной группы обуславливает актуальность настоящей работы.
Цель работы. Основной целью настоящего исследования является:
Экспериментально исследовать энергетическое расположение уровней примесей
Исследовать особенности проявления электронно-колебательного взаимодействия в кристаллах гГлТё t легированных элементами группы железа, а также влияние примесей на колебательный спектр кристаллов.
Получить информацию о влиянии изучаемых примесей на экситонные состояния в соединении ІУіТе. ,
Изучить проявление акустолюминесценции в кристаллах
Научная новизна диссертации состоит в следующем:
І. В работе показано, что фотоионизационное поглощение
- б -
света определяется переходами с основного уровня примеси в зону проводимости.
2. Определено оптическое положение уровней Со, А/і , Мм ,
Сг и $с по отношению к энергетическим зонам кристаллов Fnle.
3. Изучено влияние матрицы AgBg , где Ag = 7я, с J ; Bg =
S , е , Те, на глубину залегания основного уровня примеси.
Показано, что положение примесного уровня переходного элемен-
2+
та в зарядовом состоянии Me относительно зоны проводимости
определяется примесью, ближайшим окружением атомами УІ группы и их геометрическими размерами.
Экспериментально показано увеличение электрон-фононно-го взаимодействия в 2V7e при введении переходных элементов, что приводит к сглаживанию тонкой структуры в кристаллах ZnTetCo по сравнению с CcTVe'Co.
Впервые исследована акустолюминесценция кубических кристаллов соединения к^В^ - 7«Те , нелегированных и легированных марганцем.
Практическое значение. Полученные в работе результаты могут быть использованы для развития теории глубоких примесных состояний и описания спектров оптических переходов с изменением зарядового состояния примеси, а также при исследовании оптических свойств соединений AgBg , легированных элементами группы железа.
На основании изученного можно увеличивать поглощение кристаллов 7н~е в той или иной спектральной области введением примеси, что может быть полезно, например, для нужд нелинейной оптики.
Изучение широкой бесструктурной внутрицентровой люминесценции рассматриваемых примесей интересно с точки зрения соз-
дания перестраиваемых лазеров, особенно в ИК области.
Перспективным является и возможность управлять экситонными свойствами кристаллов с помощью легирования примесями.
Результаты настоящей работы позволяют также выбрать полупроводниковый материал группы Ar>Bg , в котором глубина залегания уровня близка к заданной.
Общая методика исследований. Исследование выращенных кристаллов проводилось по известным методикам. Спектры поглощения, люминесценции и отражения изучались с использованием фотоэлектрической системы регистрации. Изучались также электропроводность, акусто-, электро- и термолюминесценция.
Основные защищаемые положения:
предложена схема уровней примесей переходных элементов С г , Мп » Со и ИЛ' в соединениях AgBg ;
определены зарядовое состояние изученных примесей, вид переходов с изменением зарядового состояния примесей и соответствующие глубины залегания примесных уровней в ?пТе ;
изучены особенности проявления электронно-колебательного и электрон-дырочного взаимодействий в легированном Z/i~7e ;
определено влияние примесей на излучательную рекомбинацию в кристаллах 2пГе при различных видах воздействий.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научных семинарах и научных конференциях аспирантов и молодых ученых Киевского государственного педагогического института им.А.М.Горького (I982-I9S3 г.г.), на научных семинарах Института физики АН УССР (1982-1983 г.г.), на научной конференции преподавателей Винницкого политехнического института (1984 г.}, на 19 Всесоюзном съезде по спектроскопии /г. Томск, июль 1983 г J , на У Всесоюзном совещании по физике и
техническому применению полупроводников аЧ1 (г. Вильнюс, декабрь 1983 г.), на I конференции молодых ученых Львовского политехнического института [1983 г.].
Публикации. По результатам исследований опубликовано 7 научных работ [3.1-4,6-8].
Диссертация содержит пять глав, выводы и список использованной литературы.
В первой главе дается краткая сводка по основным свойствам полупроводникового соединения Zuie и обзор литературы. Рассмотрены вопросы описания примесей группы железа как в одно-, так и многоэлектронном приближениях. Существующие методы не позволяют до настоящего времени дать количественное описание переходных элементов в соединениях ABg и AgBg , согласующееся с экспериментом. В связи с этим возрастает роль экспериментальных данных в понимании природы глубоких примесных состояний 3<т|-элементов в соединениях AoBg .
Рассмотренные модели описания спектров фотоионизационных переходов, т.е. оптических переходов с изменением зарядового состояния примеси, позволяют в одноэлектронном приближении учесть различные аспекты этой задачи, такие как строение примеси и учет структуры полупроводника, а именно: гибридизацию, квантово-механическое смешивание состояний примеси, спин-орбитальное и электронно-колебательное взаимодействия. Тем не менее сложность получаемых выражений и ограниченность приближений приводят к необходимости анализировать экспериментальные спектры фотоионизации примесей в рамках модели Луковского 2.40], игнорирующей внутреннюю структуру примесей и строение полупроводника. Вместе с тем формулы Луковского, как показывают эксперименты, за исключением некоторых участков спектра,
верно описывают форму спектра фотоионизации в широком спектральном диапазоне.
Во второй главе изложены вопросы получения легированных и нелегированных кристаллов 5?мТе . Выращивание проводилось из расплава в автоклаве или из газовой фазы.
В главе описан метод измерения коэффициента поглощения и определены ошибки его вычисления. Приводится также анализ ошибок вычисления моментов спектральных полос. В заключение приводятся использованная аппаратура и методы проведения измерений, а также подготовки образцов к измерениям.
В третьей главе работы приведены результаты измерения спектров поглощения. В спектрах выделены полосы фотоионизационных переходов и проводится анализ их формы. Определено энергетическое положение уровней примесей в ?Ы~е. Рассмотрен вопрос об изменении глубины залегания примеси С г, Со, //" , Аї/і в зависимости от матрицы к^>^ , в которой она находится. Влияние примесей на энергетическую структуру кристаллов изучено на основе экситонных спектров отражения. Обнаружено, в частности, что с в ZiTe , как и в clTt , проявляет донор-ные свойства.
В четвертой главе изучены внутрицентровые переходы между уровнями примеси и рассмотрены особенности электронно-колебательного взаимодействия в легированных кристаллах.
В поглощении проанализированы внутрицентровые переходы і , Со и А7л в ?л іе . Рассмотрены разрешенные и запрещенные переходы и их температурные зависимости.
Внутрицентровая люминесценция У.'2+ и Мп** связана с переходами между нижайшим возбужденным уровнем и основным. Температурное поведение этой люминесценции позволяет опреде-
лить параметры электронно-колебательного взаимодействия.
В пятой главе исследованы процессы излучательной рекомбинации в нелегированных и легированных кристаллах Z*Te . Наблюдаемая краевая фотолюминесценция состоит из излучения связанных экситонов и излучения донор-акцепторных пар. Введение примесей переходных элементов приводит к уменьшению интенсивности краевой люминесценции, т.к. они, обычно, являются гасителями люминесценции [I.89J. Помимо этого происходит перестройка спектра излучения донор-акцепторных пар, вызываемая залечиванием примесями собственных дефектов структуры кристаллов. Введение примеси в больших концентрациях приводит к увеличению амплитуды 0-фононных повторений основного пика излучения, что свидетельствует об увеличении силы электрон-фо-нонного взаимодействия, подтверждая предположение четвертой главы.
Люминесценция в кристаллах 2V7V возбуждается также и мощной ультразвуковой волной. Изучение этого явления позволяет сделать вывод, что в нелегированных кристаллах оно имеет собственно-дефектную природу. В кристаллах 7hTe-.tfh(4:%) акустическая волна возбуждает внутрицентровую люминесценцию.
Внутрицентровая электролюминесценция Р)п~ возникает в кристаллах с неоднородностями и связана с барьерным предпро-бойным механизмом.
Исследование термолюминесценции позволило определить уровни захвата носителей. Результаты измерений подтверждают вывод о том, что Яс в ZnTe является мелкой донорной примесью в отличие от глубокой примеси J^'i .
- II -
