Введение к работе
Актуальность темы
Соединения A2B6 являются перспективными материалами оптоэлектроники, наноэлектроники и ИК-техники. В связи с этим они интенсивно исследуются уже более полстолетия, что определяет все новые области их применения. В последнее десятилетие привлекли значительное внимание системы твердых растворов с резким несоответствием свойств компонентов, в которых анионы частично заменены более электроотрицательными атомами. Важным эффектом, наблюдаемым в таких соединениях, является изменение зонной структуры при резком уменьшении ширины запрещенной зоны и сохранении величины параметров решетки с введением малых количеств изоэлектронной примеси.
Неизменное присутствие кислорода в CdS на уровне >1019"20см"3 как электроотрицательной фоновой изоэлектронной примеси хорошо известно. Известно также, что нет достаточного теоретического обоснования природы ряда особенностей оптических свойств этих кристаллов и понимания, сколь существенную роль играет кислород в оптике соединений АгВ6. Исследование этих проблем с привлечением вновь создающихся теоретических разработок является весьма актуальным.
Цель диссертационной работы. Учитывая опыт предшествующих исследований системы ZnS-ZnSe(O) на базе теории "непересекающихся зон", мы поставили цель- провести исследования с использованием этой теории кристаллов CdS(O). Необходимо было установить следующее.
-
Доказать возможность выявления присутствия кислорода в кристаллах (с заведомо известной концентрацией этой примеси) по данным исследования спектров люминесценции.
-
Установить аналогии этих результатов с эффектами, выявляемыми в спектрах отражения и поглощения.
-
Исследовать взаимосвязь оптических свойств конкретных кристаллов CdS(O), собственных точечных дефектов и кристаллической структуры.
-
Определить из экспериментальных данных параметры зонной структуры CdS(O), инициированной кислородом.
5. Рассчитать зонные модели, определяющие излучательные переходы для самоактивированного свечения и поглощения CdS .
Обоснованность и достоверность полученных результатов подтверждается большим числом исследованных образцов с использованием современных общепризнанных методик анализа, комплексным характером независимых измерений, контролем концентрации кислорода и других примесей, хорошим совпадением результатов повторных экспериментов на близких по свойствам образцах. Все экспериментальные результаты, расчеты, выводы и предложенные модели достаточно хорошо согласуются с имеющимися литературными данными и не противоречат друг другу.
Научная новизна.
-
Впервые проведены исследования оптических свойств кристаллов CdS-O с привлечением теории непересекающихся зон - ВАС.
-
Получены и проверены по экспериментальным данным величины, определяющие зонную модель CdS-O. Построена зонная модель с учетом кислорода для кристаллов CdS-O.
-
Расшифрованы спектры импульсной катодолюминесценции (ИКЛ), несущие информацию из объема кристалла, которые выявляют прямую зависимость положения А экситона CdS-O от концентрации кислорода.
-
Показано, что на поверхности происходит разложение твердого раствора CdS-O, поскольку изоэлектронная примесь Os резко не соответствует по свойствам основной решетке.
-
Изучено изменение ширины запрещенной зоны Eg CdSO , связанное с концентрацией растворенного кислорода. Представлена зависимость Е„ №\ ~ [os], определяющая сдвиг края фундаментальной абсорбции сильфида кадмия как ~90мэВ на 1 мол% НЭП.
-
Впервые изучено самоактивчриванное свечеш1е на основе модели ВАС, уточнена классификации іЮлос этого свечения CdS в зависимости от стехиометрии и присутств'/а кислорода, дано объяснение дублетной структуры SA полосы.
1. Впервые даны прямые зависимости, связывающие собственно-дефектную структуру CdS с интенсивностью полос лю\';гіНЄСценции: свободного и связанных (Ji -J2) экситонов, SA и краевой- свечения.
-
Подтверждена природа комплекса собственных точечных дефектов, определяющих центр ЕЕ. Показано, что кислород не входит в состав центра и не влияет на интенсивность ЕЕ, но изменяет спектральное положение серий ЕЕ в соответствии с зависимостью Eg~[Os]. Выяснено влияние кислорода на комплекс собственных точечных дефектов, определяющий SA люминесценцию CdS.
-
Впервые идентифицированы экситонные полосы CdO в прикраевой области спектра сульфида кадмия.
Практическая значимость работы. Выяснение роли кислорода в люминесценции и поглощении CdS, может быть положено в основу оптического метода контроля концентрации растворенного кислорода в кристаллах сульфида кадмия - в основном объеме и в скоплениях, обогащенных кислородом. Для контроля концентрации кислорода может быть использовано спектральное положение экситонных полос ИКЛ, отражения и поглощения. Тип самоактивированного свечения определяет отклонение состава кристаллов от стехиометрии. Обнаружение экситонных полос CdO позволяет контролировать его присутствие в сульфиде кадмия. Расчет модели дефектообразования CdS в комплексе с исследованиями кристаллической структуры уточняют оптимальные условия роста стехиометрических и совершенных кристаллов CdS из газовой фазы. Результаты этих исследований необходимы для понимания нестабильности кристаллов CdS р-типа проводимости.
Освоение новых материалов, управляемо легированных НЭП кислорода, перспективно для создания ряда новых приборов, в частности наноэлектроники. Проведенные исследования носят фундаментальный характер и могут быть обобщены для объяснения аналогичных явлений по всей группе соединений А2В6.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Экспериментальные результаты, показывающие, что резкий ДВ сдвиг экситонного спектра в ИКЛ и уменьшение ширины запрещенной зоны в поглощении CdS'O с введением кислорода объясняются с позиций теории непересекающихся зон.
-
Предложенная зонная модель кристаллов CdS-О и зависимость Eg~ [О].
-
Новая интерпретация полос самоактивированного свечения CdS-O, как и дублетной структуры полос самоактивированной люминесценции.
-
Модель самоактивированных центров свечения в соединениях А2В6 Идентификация природы полос краевого свечения и связанных экситонов на акцепторных уровнях ЕЕ центров.
-
Сопоставление расчетной диаграммы собственных точечных дефектов с изменением элекрофизических свойств конкретных кристаллов, отклонением от стехиометрии и концентрацией кислорода в них.
-
Нестабильность структур твердых растворов CdS-CdO типа HMAs на поверхности.
-
Сопоставление результатов измерений спектров импульсной КЛ, катодолюминесценции с малой глубиной проникновения пучка, микрокатодолюминесценции в растровом электронном микроскопе и импульсной рентгено люминесценции на одних и тех же кристаллах.
-
Выявление полос F+ центров и экситонного спектра CdO в излучении сульфида кадмия.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Международном научно - техническом семинаре "Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах" (Москва. МЭИ. 2008 - 2010 гг.) -6 докладов; Международной научно - технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" (Москва. МЭИ. 2009 -2011 гг.) -3 доклада; Международной конференции "Оптика оптоэлектроника и технологии" (Ульяновск, 25-28 августа 2008 г., 25-29 мая 2009 г.) - 2 доклада; 2-ой междунар. конф. "Материалы, физика конденсированных сред". 21-26 сент.2004. Молдавия. Чизинау- 1 доклад; Труды II науч.-техн. конф. Методы создания, исследования микро наносистем» 26 —29 мая 2009. Пенза- 1 доклад; 4th International Conference II-VI Compounds. 2009. 23-28 VIII. 2009 St. Peterburg - 1 доклад; 25th International Conference on Defects in Semiconductors. My 20-24, 1009.St. Peterburg- 1 доклад
Основные результаты исследований по теме диссертации представлены в 23 печатных работах, в том числе 1 работа в . (2010) и 6 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных результатов диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 158 наименований, содержит 158 страниц текста, 58 иллюстрации и 7 таблиц.
