Введение к работе
Актуальность темы
Широкозонные полупроводники сульфид кадмия и селенид цинка в настоящее время считаются наиболее перспективными материалами оптоэлектроники. Они широко используются при создании лазеров, фотоприемников, люминесцентных и лазерных экранов, а также све-тодиодов. В чаотносги, сульфид кадмия и селенид цинка, легированные теллуром, применяются в качестве высокоэффективных сцин-тилляторов для датчиков регистрации потоков нейтронов и т - радиации. Сознательное управление технологическим циклом получения кристаллов CdSТе и ZnSe-Te из расплава с повышенной интенсивностью рабочей полосы - оранжевого свечения 600 - 630 нм встречало ряд трудностей, поскольку природа этого свечения интерпретируется различно. С одной стороны, полоса 600 - 635 нм весьма интенсивна в легированных теллуром кристаллах и может быть обусловлена присутствием этой примеси, с другой - тот же эффект наблюдался при введении кислорода. И наконец, ряд авторов связывает полосу 600 - 635 нм о собственными точечными дефектами ZnSe и CdS. Сведения об уровне загрязнения сцинтидляционных кристаллов кислородом в большинстве случаев отсутствуют. Полностью отсутствуют данные о влиянии одновременного легирования кислородом и теллуром на микроструктуру материалов, тем более не изучены оптические свойства реальных кристаллов ZnSe-Te(O) и CdS-Те(0) с различным соотношением в них концентраций кислорода и теллура. Вопрос о взаимодейотвии иэоэлектронных примесей теллура и кислорода с собственными точечными дефектами в различных условиях роста кристаллов также оставался открытым.
Цель исследования
Нами были предприняты комплексные исследования оптических свойств, состава и структуры кристаллов CdS-Те(0) и ZnSe-Te(O) с целью выяснения необходимости и достаточности присутствия кислорода, собственных точечных дефектов (СТД) и теллура в формировании центров иэлучательной рекомбинации.
Задачи диссертационной работы 1. Выяснение возможности фонового загрязнения кислородом кристаллов CdS-Те и ZnSe-Te, выращенных ив расплава для датчиков ионизирующих излучений о рабочей полосой излучения в оранжевой
- 4 - т
области спектра.
-
Выявление сходства и различия основных характеристик оранжевого свечения в легированных теллуром образцах селенида цинка и сульфида кадмия и кристаллах, активированных кислородом.
-
Исследование влияния на оптические свойства кристаллов CdS и ZnSe совместного легирования кислородом и теллуром, а также выявление эффектов, обязанных присутствию каждой из этих примесей или их взаимного воздействия.
-
Изучение механизма дефектообразования, изменения типа и концентрации собственных точечных дефектов в CdS и ZnSe в присутствии изоэлектронных примесей кислорода и теллура.
-
Исследование природы центров рекомбинации или возможности образования нескольких типов центров в кристаллах ZnSe-Te(O) и CdS-Те(0) при сложном легировании иэоэлектронными примесями.
Методы исследования Для решения поставленных задач были проведены комплексные исследования, которые включали в качестве основных:
-
Методы оптической спектроскопии для изучения спектрального распределения фотолюминесценции при высоких уровнях возбуждения (~ 1026 - 1027 см~3с-1), катодо- и микрокатодолюминесцен-ции при средних уровнях возбуждения (10zz - 1025 см~эс-1), а также отражения, фотопроводимости и фотовозбуждения люминесценции.
-
Электронно - микроскопические исследования, которые выполнены в растровых электронных микроскопах (РЭМ) JSM - 2 и JXA - 840А по модифицированной методике для изучения поверхности объекта в свете катодолюминесценции, вторичной эмиссии или отраженных электронов с одновременной регистрацией спектров люминесценции микроучастков объекта.
-
Для определения химического состава участков поверхности и микровыделений использовался рентгеновский микроаналиэатор.
-
Общее содержание кислорода в образцах определялось по методике, основанной на прецизионной газовой хроматографии. Содержание теллура определялось колориметрическим методом.
-
Использовались исследования зависимости люминесценции от интенсивности возбуждения, температуры, уровня легирования, условий отжига, особенностей структуры кристаллов.
Научная новизна работы
В результате проведенной работы были получены следующие новые сведения, представляющие научный интерес.
Выяснено, что в выращенных из расплава кристаллах CdS и ZnSe, легированных теллуром, всегда присутствует кислород на уровне сильного легирования > 1019 см-3.
Показано, что оптические свойства кристаллов CdS-Те(0) и ZnSe-Те(О) зависят от соотношения концентраций легирующей примеси теллура и фоновой - кислорода.
Исследовано изменение спектра связанного экситона CdS-0 в зависимости от собственно дефектной структуры кристалла в пределах области гомогенности.
Показана идентичность характеристик оранжевого свечения в "чистых" нелегированных кристаллах CdS и ZnS& и кристаллах, легированных теллуром.
Впервые установлена роль кислорода в образовании центров оранжевого свечения ZnSe-Те(Zn) и CdS-Te(Cd).
Впервые получены диаграммы равновесия собственных точечных дефектов в CdS и ZnSe с учетом присутствия в них изоэлектронкых примесей кислорода и теллура, согласующиеся с экспериментальными электрофизическими свойствами реальных кристаллов.
Выявлена роль микроструктуры кристаллов ZnSe-Те(О) в формировании центров свечения в краевой, оранжевой, а также инфракрасной областях спектра.
Практическая ценность работы
Полученные в результате проведенной работы данные были использованы в рамках программы "Чернобыль - 94" в целях разработки датчиков регистрации потоков нейтронов и г - радиации с улучшенными сцинтилляционными характеристиками на основе CdS-Те и ZnSe-Те.
Проведенные исследования определяют условия создания материала с концентрацией центров рекомбинации в рабочей оранжевой области спектра существенно более высокой, чем на основе других технологий, поскольку показано, что определяющим фактором повышения интенсивности свечения 600 - 635 нм является кислород. Эта примесь наряду с цинком способствует образованию при охлаждении ZnSe-Те(0, Zn) сложной двухфазной системы. Оранжевые центры рекомбинации в системе распада твердого раствора ZnSei-xOx,
- б - '
CdSi-xOx реализуются на границах оксидных выделений в концентрации значительно более высокой , чем в однородном монокристалле.
Выполненные расчеты диаграмм равновесия собственных точечных дефектов с учетом присутствия кислорода показали, что существует критическая концентрация дефектов ~ 10z0 см-3, превышение которой затрудняет или прекращает рост кристаллов.
Выявлены условия выращивания крупных кристаллов ZnSe, легированных теллуром с высокой эффективностью зеленой люминесценции 470 - 495 нм, что может быть использовано для применения их при создании низкотемпературных быстродействующих датчиков.
Положения, выносимые на защиту
Зависимость оптических свойств CdS-Те(0) и ZnSe-Те(О) от содержания изоэлектронных примесей кислорода и теллура.
Идентичность основных характеристик полосы излучения в оранжевой области спектра "чистых" кристаллов CdS и ZnSe и кристаллов, легированных теллуром.
Механизм формирования центров оранжевого свечения в кристаллах CdS и ZnSe, легированных теллуром, и, в частности, роль кислорода, металла и теллура в этом процессе.
Зависимость экситонного спектра CdS-О от собственно - дефектной структуры и содержания кислорода в кристаллах.
Общие закономерности дефектообразования в CdS-Те и ZnSe-Те с учетом присутствия примесей кислорода и теллура.
Связь микроструктуры образцов и спектрального состава свечения кристаллов ZnSe-Те(0) и CdS-Te(O).
Апробация работы Основные результаты работы докладывались на Межгосударственной конференции "Сцинтилляторы - 93" (Харьков, сентябрь 1993 г.); IY Всероссийском совещании "Физика и технология широкозонных полупроводников" (Махачкала, сентябрь 1993 г.); I Международной конференции по материаловедению алмазоподобных и халько-генидных полупроводников (Черновцы, сентябрь 1994 г.); научно -техническом семинаре "Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах. Метрология, диагностика, технология" (Москва, ноябрь - декабрь 1994 г.).
Публикации
Основные результаты исследований представлены в 11 публикациях и научном отчете.
Структура и объем диссертации Диссертация состоит из пяти глав (в том числе обсуждения результатов) и введения. Она содержит 139 страниц текста, 66 рисунков, 7 таблиц и список литературы из 196 наименований.
