Структура, параметры и физико-химическая природа центров с глубокими уровнями в соединениях A2B6 Хамидов Марасилав Магомедович

Введение к работе

Актуальность. Теория генерационно-рекомбинационных процессов, описывающая работу оптоэлектронных устройств, использует самые простые модели релаксации неравновесных носителей заряда в объеме и на поверхности полупроводников. При рекомбинации с участием центров прилипания (ЦП) и рекомбинации (ЦР) носителей заряда применяется модель Шокли-Рида, сечения захвата оцениваются с помощью приближения Лэкса, полевые зависимости аппроксимируются на основании теории Френкеля-Пуля. Применительно к широкозонным полупроводникам группы А²В⁶ перечисленные модели недостаточно точны, поскольку данный класс полупроводников характеризуется рядом специфических особенностей. Например, наличие трудно контролируемого состава точечных дефектов кристаллической структуры и остаточных примесей, приводит к появлению в их запрещенной зоне богатого спектра электронных состояний;' большое число макроскопических дефектов (дислокации, границы блоков двойникования и т.п.) в кристаллах приводит к возникновению сильных электрических и упругих полей, что сопровождается флуктуацией зонного потенциала. Перечисленные особенности приводят к тому, что генерационно-рекомбинационные процессы контролируются не одним типом ЦП и ЦР, а всей совокупностью глубоких центров, наблюдаемых в изучаемом образце, а вблизи макроскопических дефектов они существенно отличаются от подобных процессов в «нормальных» областях кристалла. В то же время, однозначное описание процессов генерации и рекомбинации неравновесных носителей заряда в данном классе полупроводниковых материалов весьма важно с точки зрения их практического применения. Последнее обстоятельство заставляет вернуться к поиску простых, но эффективных методов определения характеристических параметров [энергии оптической (Е₀) или термической (Е,) ионизации, сечения захвата электрона (S_n) и дырки (S_p), сечения захвата фотона (S>.)], глубоких центров, участвующих в генерационно-рекомбинационных процессах с учетом специфики соединения. Необходимо так же идентифицировать структуру и физико-химическую природу центров и установить особенности их взаимодействия с крупномасштабными нарушениями кристаллической структуры объекта исследования.

Таким образом, проблема глубоких центров и связанная с ней необходимость определения физико-химической природы, структуры, характеристических параметров и построение моделей генерационно-рекомбинационных процессов в полупроводниках со сложным энергетическим спектром локализованных состояний и нарушенной трансляционной симметрией кристаллической структуры представляют собой весьма акту-

альпую задачу физики полупроводников и полупроводникового приборостроения.

Настоящая диссертационная работа и посвящена в основном решению этой проблемы в широкозонных соединениях группы А²В⁶, являющихся представителями большого класса халькогенидных полупроводников и относящихся к перспективным материалам фото- и оптоэлектрони-ки.

Основная цель диссертационной работы — определение структуры, характеристических параметров, физико-химической природы центров с глубокими уровнями, обуславливающих фото-, термоактивацион-ные и люминесцентные свойства соединений А²В⁶.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

методами фото- и термоактивационной спектроскопии определяются энергетический спектр электронных и дырочных состояний, сформированных глубокими центрами;

на основании существующих теорий фото- и термоактивационной спектроскопии разрабатываются алгоритмы и вычислительные процедуры позволяющие с достоверной точностью определять характеристические параметры ЦП;

определяются структура, характеристические параметры и физико-химическая природа ЦП и ЦР в образцах различного химического состава;

проводится классификация ЦП и изучаются особенности генера-ционно-рекомбинационных процессов с участием быстрых и медленных электронных и дырочных ЦП в образцах с различным типом макроскопических дефектов, находятся диагностические признаки наличия коллективных электрических полей этих дефектов и предлагаются методы оценки параметров последних;

сравнением теоретически рассчитанных и экспериментальных фото- и термоактивационных спектров доказывается справедливость предлагаемых моделей генерационно-рекомбинационных процессов с участием глубоких центров, протекающих в монокристаллических полупроводниках с нарушенной трансляционной симметрией.

Экспериментальные исследования проводились с применением комплекса методов, основанных на изучении спектральных и кинетических характеристик примесной и индуцированной примесной фотопроводимости, термостимулированного тока, фото-, термо- и электролюминесценции, оптического и термического гашения фотопроводимости и люминесценции. При реализации данных методов вариацией уровня фотовозбуждения полупроводника в широких пределах осуществлялось управление квазиуровнями Ферми, что позволило раскрыть широкие методиче-

ские возможности этих методов для изучения особенностей электронной структуры глубоких центров.

Научная новизна работы. Экспериментальные и теоретические исследования, выполненные в диссертационной работе, привели к установлению следующих данных:

Впервые обнаружены:

в кристаллах ZnSe квазилинейчатые спектры ФП и ИПФ, обусловленные распределенными по межатомному расстоянию донорны-ми парами типа (Agi)₂ и ассоциатами с их участием;

нетепловой механизм диффузии атомов участвующих в обратимых фотохимических реакциях (ФХР). Результатом их протекания в кристаллах ZnSe является уменьшение концентрации изолированных междоузельных доноров Agf и образование ассоциатов Ag?\ (Ag?)_n;

рост неравновесной фоточувствительности полупроводников, обусловленный перезарядкой электронных ЦП;

эффект пространственной модуляции кинетических параметров электронных и дырочных ЦП коллективным электрическим полем макроскопических неоднородностей кристалла.

Впервые представлены экспериментальные доказательства существования в полупроводниковых соединениях ZnSe, ZnS:

быстрых (а-) ЦП и медленных ф-) ЦП. ЦП а-типа связаны с меж-доузельными атомами серебра (Agj), и их ассоциатами; ЦП р-типа обусловлены дефектными комплексами, в состав которых входят вакансии металла, халькогена и остаточные примеси, определены их характеристические параметры и особенности проявления в генерационно-рекомбина-ционных процессах;

оптически активных электронных ЦП с Ее - 0.22 эВ в кристаллах ZnSe;

двухуровневых дырочных и электронных ЦП с весьма близкими фотоэлектрическими свойствами. Энергетические состояния этих центров сгруппированы в две серии уровней Еу + (0.45-0.66) эВ и Еу + (0.06-0.26) эВ в р - ZnTe, Ее - (0.6-0.65) эВ и Е_с - (0.14-0.18) эВ в n-ZnS.

Предложены и уточнены модели:

центров излучательной рекомбинации $У_К~ - D , обуславливающих длинноволновые полосы самоактивированной люминесценции в соединениях А²В⁶;

центров сине-зеленой люминесценции сульфида цинка;

центров оранжевой люминесценции сульфида кадмия.
Развиты методы фото- и термостимулированной спектроскопии

глубоких ЦП сложной структуры, основанные на явлении управления ква-

зиуровнями Ферми с помощью вариации уровня фотовозбуждения полупроводника собственным светом.

Научно-практическая значимость работы:

1. Разработаны, теоретически обоснованы и экспериментально проверены новые алгоритмы определения кинетических параметров электронных и дырочных ЦП, основанные на анализе элементарных полос термоактивационных спектров.

2. Предложен метод «оптической очистки» спектров ТСТ, позволяющий определять энергетическую структуру оптически активных ЦП, участвующих в термоактивационных процессах.

3. Предложены методы оценки достоверности определяемых характеристических параметров глубоких центров.

4. Определены характеристические параметры многочисленных центров прилипания и рекомбинации в кристаллах ZnS, ZnSe и ZnTe, нашедших практическое применение в современной оптоэлектронике.

5. Разработана методика легирования кристаллов ZnSe примесью серебра, позволяющая производить их фотоочувствление в средней области ИК-спектра излучения.

6. Предложен метод определения потенциала электрического поля, созданного макроскопической неоднородностью кристаллической решетки полупроводника.

7. Метод экспресс анализа однородности полупроводниковых кристаллов основанный на исследовании спектров ТСТ или ТСЛ.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. В широкозонных полупроводниках ZnS, ZnSe, ZnTe существуют
быстрые (отношение скорости захвата электрона к скорости его рекомби
нации с дыркой R»l) и медленные (R«l) центры прилипания носителей
заряда. Быстрые центры прилипания обладают не только большими сече
ниями захвата электронов (S, = 10"^и- 1СГ¹⁶ см²), но и фотонов (Sx). Вслед
ствие последнего обстоятельства, они проявляют высокую фотоактив
ность, обуславливая длинноволновую неравновесную фоточувствитель
ность полупроводников.

Медленные же центры прилипания имеют не только малые сечения захвата (S_t = 1СГ¹⁷— 1СГ²⁴ см²) носителей заряда, но и фотонов, поэтому их эффективное исследование осуществляется методами термоактивацион-ной спектроскопии.

2. Наблюдаемые в кристаллах ZnSe медленные (р-) ЦП с уровнями
в интервале энергий Е_с- (0.11-0.56) эВ связаны с анионными вакансиями.
Многообразие энергетических уровней электронных ЦП соответствую
щих им спектров ТСТ, ТСЛ и самоактивированной длинноволновой лю-

минесценции — следствие сложной структуры этих центров, обусловленных ассоциатами [(к,?" ->*)' -Vff с их участием.

3. Энергетические состояния дырочных и электронных ЦП в p-ZnTe и n-ZnS сгруппированы в две серии уровней E_v + (0.45-0.66) эВ и E_v + (0.06-0.26) эВ, Е_с - (0.6-0.65) эВ и Е_с - (0.14-0.18) эВ соответственно. Они связаны с распределенными по межатомному расстоянию вакансионно-примесными парами, в состав которых входят двухуровневые катионная (Ук)и анионная {V_A) вакансия. Эти центры относятся к классу медленных ЦП. Они в состоянии с одним носителем заряда проявляют нормальные, а в состоянии с двумя носителями заряда — аномальные кинетические свойства.

4. Аномально малые значения (S_t = 10~¹⁷— Ю^-24 см²⁾ сечений захвата носителей заряда медленных центров прилипания в кристаллах ZnS, ZnSe, ZnTe — результат взаимодействия этих центров с макроскопическими дефектами, создающими сильные электрические поля, что сопровождается флуктуацией зонного потенциала и модуляцией им этого кинетического параметра центров.

5. Быстрые (а-типа) (Е₀ = 0.21 эВ, S_n ~ 10~¹⁴ см²) ЦП электронов в кристаллах ZnSe, обусловленные междоузельными атомами серебра. Многообразие энергетических уровней оптически активных электронных

ЦП и соответствующих спектров ИПФ — следствие участия этих \-dg*J центров, в распределенных по межатомному расстоянию ассоциатах типа донор-донорных молекул.

6. Обратимые фотохимические реакции, наблюдаемые в кристаллах ZnSe, являются результатом уменьшение концентрации изолированных междоузельных доноров Agf и образование ассоциатов Agf, {Agf)_n. Совпадение энергий оптической и термической ионизации доноров Agf с энергиями активации процессов уменьшения концентрации этих центров и роста концентрации Agf- и (Ag, )„-центров в процессе протекания ФХР свидетельствуют о нетепловом характере диффузии доноров Agf.

7. «Эстафетный» механизм участия глубоких донорных уровней ДАП в процессах излучательной рекомбинации, на основании которого объяснены энергетическое положение полос СЗЛ в кристаллах ZnS, их спектральные сдвиги в зависимости от уровня возбуждения (J-сдвиг), температуры (Т-сдвиг) и времени после возбуждения (t-сдвиг).

Апробация работы: материалы диссертационной работы обсуждались на II Республиканской конференции по фотоэлектрическим явлениям в полупроводниках (г. Одесса - 1982 г.); V Всесоюзном совещании по физике и техническому применению полупроводников А²В⁶ (г. Вильнюс — 1983 г.); III Всесоюзном и IV Всероссийском совещаниях по физике и

технологии широкозонных полупроводников (г. Махачкала — 1986, 1993 гг.); Международных конференциях "Центры с глубокими уровнями в полупроводниках и полупроводниковых структурах" (Ульяновск -1997 г.) и "Оптика полупроводников" (Ульяновск - 1998-2000 гг.), "Оптика, оптоэлектроника и технологии" (Ульяновск - 2001-2003 гг.), VI Всероссийской конференции по физике полупроводников (Санкт-Петербург — 2003 г), "Оптика, наноструктуры и технологии" (Сочи - 2004, Владимир -2005 и Ульянове - 2006 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 38 научных работ из них в центральной и региональной печати 16.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 218 страницах, имеет 8 таблиц и 74 рисунка. Список цитируемой литературы содержит 249 наименований.

Диссертация состоит из семи глав, из которых пять являются оригинальными.

Похожие диссертации на Структура, параметры и физико-химическая природа центров с глубокими уровнями в соединениях A2B6

Плазмонные эффекты в композитных металл-полупроводниковых структурах на основе соединений A2B6 и A3NБеляев Кирилл Геннадьевич

ИК-фоточувствительные твердые растворы CdHgTe: физико-технологическая оптимизация параметров и дефектной структурыКарачевцева, Людмила Анатольевна

Влияние объемных неоднородностей на параметры полупроводниковых структурБогатов, Николай Маркович

Магнитостатические волны в планарных магнитных структурах с нестационарными и неоднородными параметрамиФетисов, Юрий Константинович

Оптические свойства и параметры зонной структуры соединений некоторых редкоземельных элементовГигинеишвили, Акакий Власович

Обменные параметры переноса электронной теории молекулярных периодических структур со слабым взаимодействием фрагментовПетренко, Александр Николаевич

Процессы дефектообразования и деградации параметров в кремниевых биполярных структурах при импульсном лазерном облученииСидорова-Бирюкова, Анна Алексеевна

Электронные и оптические свойства нерегулярных сверхрешеток на основе полупроводниковых соединений групп A3B5 и A2B6Торопов Алексей Акимович

Возбуждение и распространение обменных спиновых волн в ферритовых пленках с неоднородными по толщине магнитными параметрамиТихомирова, Марина Павловна

Сопряженное действие радиации и внешних факторов на деградацию фотоэнергетических параметров фотопреобразователейКабулов, Ибрагим Акрем оглы