Введение к работе
Актуальность темы. Диссертационкхт работа посвящена экспериментальному исследованию рздиационно-стимулнровапных процессов в широкозонкых полупроводниках А2В^, характеризующихся высокой эффективностью излучатсльной рекомбинации, фоточувствнтслъностьгс и оптической прозрачностью в е:ідимоіі и средней ИК-области спектра. Благодаря этому соединения нашли широкое применение н качестве люминофоров, детекторов ионизирующих излучений, приборов для визуализации длинноволнового излучения, активных элементов полупроводниковых лазеров с электронной накачкой и т.д.
Приборы и устройства, изготовленные на основе полупроводников А*В6, во многих случаях пока ::е имеют ожидаемых предельных параметров. Это является следствием недостаточной изученности влияния, точечных и протяженных дефектов на оптоэлектрошше свойства материалов, а тальке несовершенства "ssziiozortui ид получения
Широкое использование соединений А*В6 в ядерной и космической технике, знеяренне новых технологий ионно-лучевего легирования стимулируют работы по изучению свойств РД и механизмов их образования под воздействием :п)г/че:шй.
Многочисленные'результаты, полученные отсчестзеиными и зар\г-
бежными заторами при изучении езонстэ полупроводников с собствен
ными примесями и РД позволили устапозить природу и свойстза элемен
тарных дефектов, определяющих многие практические ва:х:'ые сЕойлтіа
материалов. ' .
При изучении радиационного дефсктообразоваккя з соединениях А*Вб полу\лш фундаментальные результаты, подтверждаемый установлением энергетических порогов смещения атомов обеих подрешетск II доказательством проявления доминирующего ударного механизма смешении. Однако вторичные процессы радиационного дефмегообразования, определяемые условиям- облучения и своПгтва&к кс-ходных материалов, до начала данной работы был:! кзучгны недостаточно. Так, з частности, было не изучено влияние температуры облучения на езойства материалов с РД, практически совсем не рассматривались вопросы, связанные с влиянием исходно.5! дефеїсгностл на механизмы радиационного дефгктообразс-вания в полупроводниках А2Вб. Одним из важнейших аспектов этой проблемы является установление особенностей образования РД з поликристаллах и монокристаллах с дислокациями.
Полупроводшіхи А*Вб и в особенности сульфид и селения цинка по мере увеличения требований к лучевой, механической, радиационной и
4. <:
химической стойкости оптических материалов находят все большее применение для изготовления оптических элементов силовой оптики в среднем ИК-диапазоне. Несовершенство и дефектность используемых полупроводников обусловливают то, что для них реально достигнутый коэффициент ОІ1 на длине волны СОД лазера (10,6 шш) в несколько раз превышает теоретический.
Наличие собственных и примесных дефектов и их ассоциатов приводит к появлению локальных колебаний и росту концентрации свободных носителей, увеличивающих ИК-поглошение. Отдельную проблему представляют объемные макроскопические дефекты в виде пор или включений инородных фаз, образующиеся в процессе синтеза и приводящие к локальному поглощению энергии излучения. В связи с этим представляется актуальным изучение природы точечных дефектов и оптических неоднородностей в полупроводниках, полученных по различным технологиям.
В качестве объектов исследования использовались моно- и поликристаллы сульфида, сепенида и оксида цинка, получаемые в лабораториях СНГ по наиболее совершенным технологиям. Кроме того, использовалась керамика ZnO с плотностью состав;: ощей 0,97 от плотности монокристаллов.
В качестве основных методов исследования использовались методы фотоэлектрической, оптической и люминесцентной спектроскопии, ЫЕСГУ и др. Комплексный подход к решению поставленных задач позволил обеспечить достоверность результатов и получить выводы, имеющие важное значение для радиационной физики полупроводников и их практического использования.
Цель работы состояла в изучении радиационно-ешмулированныл процессов в широкозонных полупроводниках A2BS, облученных электронами, быстрыми нейтронами спектра деления, тяжелыми заряженными частицами и гамма-квантами.
Конкретизація этой проблемы определила следующие основные задачи, поставленные в работе:
изучение свойств точечных дефектов и установление их влияния на оптические, люминесцентные и фотоэлектрические свойства полупроводников и параметры полупроводниковых структур;
изучение влияния дислокаций, вводимых пластической деформацией, на оптические, люминесцентные и фотоэлектрические свойства полупроводниковых соединений, установление роли дислокацій в процессах дефектообразованкя при облучении высокоэнсргстическими электронами;
-исследование влияния межэеренных границ в поликристаллах, температуры облучения и примесного состава на образование и термическую стабильность РД;
изучение особенностей образования РД в Полупроводниках при различных видах облучения;
разработка на основе моно- и поликристаллов сульфида и оксида цинка датчиков давления и дозиметров карпускулярного излучения;
исследование дефектов структуры и природы оптических неоднород-иостей материалов силовой ИК оптики на основе сульфида и селенида цинка;
установление влияния технологических факторов на оптические свойства и параметры оптических неоднородностей этих материалов.
Научная новизна. В диссертации впервые проведено систематическое комплексное исследование процессов радиационного дефектообразо-зания в широкозонных полупроводниках А2Вб при облучении электрона-аи, нейтронами, протонами, а-частицами и у-квантами. Получены данные э влиянии дефектов различной размерности, примесного состава и температуры облучения на образование и термическую стабильность радиационных нарушений. Проанализированы и сделаны выводы с механизме издания РД при малых дозах облучения.
Получены новые данные об оптических, электрических и люминесцентных характеристиках полупроводников с РД, обоснован механизм зекомбкнационного взаимодействия центров, созданных облучением.
Установлена природа оптических неоднородностей в соединениях, получаемых по CVD и MOCVD-технологияи и используемых в качестве ыатериалоэ склозон оптики в среднем ИК-диапазоне.
Практическая значимость работы состоит:
п установлении влияния дгфетггов различной размерности на образование РД :: связанное с эти?! кзмснсїяїє оптических, люминесцентных и фотоэлектрических свойств дцфокозонных полупроводников А2Вб;
з установлен:!:? зависимостей изменения свойств полупроводников от энергии и фдюенса частиц, а также температуры облучения, позволяющих прогнозировать стойкость материалов и приборов на их основе к радиационному воздействию;
з разработке на основе оксида и сульфида цинка сцинтклляторов, фото-лгсшпіес: гяткыг дозиметров протонов и быстрых электронов абсорбционного дозиметра быстрых нейтронов, а также в установлении возможности 'управления параметрами дозиметров при изменении исходной дефектности кристаллов; .
в разработке датчиков статического давления на основе ZnS;
в установлении связи с технологическими параметрами характеристик оптических неоднородностей, ограничивающих лучевую прочность материалов силовой оптики;
в получении экспериментальных данных, являющихся базой для направленного управления электрофизическими и оптическими свойствами полупроводников с целью создания на их основе оптоалектрокных устройств.
На зашиту выносятся следующие экспериментально установленные положения:
-
Влияние дефектов различной размерности на накопление и термическую стабильность радиационных нарушений в полупроводниках.
-
Механизм радиационного дефектообразованкя при малых дозах облучения.
-
Факторы, определяющие образование центров F-типа в полупроводниках.
-
Механизм переноса заряда и рекомбинационного взаимодействия центров изяучательной рекомбинации в полупроводниках с РД.
-
Влияние облучения а-частицами на радиационное упрочнение сульфида и селенида цинка.
-
Природа оптических неоднородностей в поликристаллах сульфида і: сслешвд цккка, полученных осаждением из газовой фазы. Влияние внеш-них факторов (высокие давления:: температура, облучение) на оптические свойства полупроводников.
-
Особенности излучательной рекомбинации в оксиде к сульфиде цинке при внешних БОЗДЄЙСТВИЯХ.И возможность использования этих соединений в качестве детекторов и дозиметров ионизирующих излучений, а такке чувствительных элементов датчиков высокого давления.
Личный вклад автора
Изложенные б диссертации результаты получены автором совместно с работающей под его руководством группой сотрудников УПУ-УПН. Основная часть научных исследований была проведена по кккаиатиБг к под руководством автора. «Личное участие автора состояло в постановке задачи и цели исследований, разработке экспфименталькых методик, з обсуждении полученных результатов. Значителы я часть экспериментальных результатов получена лично автором. Часть статей по теме диссертации написаны автором на основании ко.лжгивного анализа и обсуждения результатов. Обобщенные выводы и основные положения, выносимые на защиту, принадлежат автору диссертации.
Научные исследования, положенные в основу данной работы, вы-
полнены в рамках плановых госбюджетных тем УГТУ-УПИ: "Разработка новых оптических н полупроводниковых материалов электронной и вычислительной техники" на 1976-1980гг., выполняемой по Постановлению Совмина РСФСР N611 от 12.11.76г.; "Исследование электронно-оптических свойств полупроводников и диэлектриков, предназначенных для использования п качестве люминофоров, сцинтилляторов и рабочих веществ для термолюминеспентной дозиметрии на 1981-1985гг. (N г.р. 81000310), включенной в координационный план АН СССР; "Исследование рзлиа-ционно-стимулированных процессов d полупроводниковых соединениях А2В* на 1988-1990гг. (N г.р. 01830032759), выполнявшейся по межве-домственной программе "Высокочистые вещества"; "Исследование рздиа-ционно-стимулированных процессов в материалах опто- и квантовой электроники на 1991-1995гг.; НИР "Высокочистын сслеиид цинка", выполненная по программе ГКІГТ "Перспективные материалы" и 1989-1991гг. (N г.р. 01.9.00.001259).
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на II Всесоюзном совещании по физике и химии соединений типа А2Вб (Ужгород, 1970), на XIX Всесоюзном совещании по люминесценции (Рига, 1970), на VIII Межвузовской физической научной конференции (Хабаровск, 1971), на IV Всесоюзном совещании "Физика, химия и технические применения полунроводншеов А2В6 (Одесса, 1976), на V Всесоюзном совещании по физике и техническому применению полупроводников А2В" (Вилыпос, 1983), на III и IV Всесоюзных совещаниях по химии твердого тела (Свердловск, 1981, 1985), на V Всесоюзном симпозиуме по люминесцентным приемникам и преобразователям ионизирующего излучения (Таллин, 1985), на Всесоюзном совещании "Воздействие ионизирующего излучения на гетерогенные системы" (Москва, 1976), на Всесоюзном совещании "Технология, процессы, аппараты и качество промышленных люминофоров" (Ставрополь, 1977), VII Уральской конференции по спектроскопии (Свердловск, 1971), на XXI совещании, по люминесценции (Ставрополь, 1973), на II Всесоюзном совещании по глубоким уровням в полупроводшпеах (Ташкент, 1980), на V Всесоюзної! совещании "Синтез, свойства, исследование, технология и применение люминофоров" (Ставрополь, 1985), на III Всесоюзном совещании "Физика и технология широкозонных полупроводников" (Махачкала, 1986), на научно-технической конференции "Сиігтез и исследование хзлькогенщшых пленок (Свердловск, 1986), на Всесоюзной конференции по радиационной физике и химии неорганических материалов (Рига, 1989), па II Республиканской конференции Киргиз.ССР по физике диэлектриков и полупроводников (Ош, 1989), на II Республиканской конференции "Физика твердого тела и
новые области ее применения" (Караганда, 1990), на II Всесоюзной конф< рсі'ции "Модификация сиойств конструкционных материалов пучкам заряженных частиц" (Свердловск, 1991), на Всесоюзной конференції "Получение, свойства, анализ и применение соединений с молекулярно кристаллической решеткой для попой техники" (Нижний Новгород, 1991 на XIII межнациональном совещании по физике взаимодействия заряжсі ных частиц с кристаллами (Москва, 1993).
Публикации. Материал диссертации опубликован в 37 статьях и 2 тезисах Бессоюзных и республиканских конференций, получено 6 аззтог скііі; свидетельств на изобретения. Перечень основных публикаций нахс дится и конце автореферата.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, глав, заключения, списка литературы и приложения. Она содержит 42 страниц машинописного текста, 120 рисунков, 14 таблиц, 448 нацмене ваннії nnTq>aTypbi.
