Курсовая работа: Вплив опромінення електронами з Е 1 2 МеВ на електричні фотоелектричній оптичні властивості мон

Вплив опромінення електронами з Е=1,2 МеВ на електричні, фотоелектричні

й оптичні властивості монокристалів сульфіду кадмію, легованого атомами

індію

Сульфід кадмію належить до перспективних напівпровідникових матеріалів, які використовуються в електронній, оптоелектронній і лазерній техніці. Фізичні властивості кристалів CdS суттєво залежать від їхнього дефектного стану. Крім того, внаслідок ряду особливостей, все частіше ці сполуки розглядають як модельний матеріал для вивчення типу і структурних особливостей дефектів у широкозонних напівпровідниках групи АІІ ВІV. Тому великий інтерес викликає дослідження впливу власних дефектів решітки і їх комплексів (які включають також легуючі домішки) на фізичні властивості CdS-монокристалів. Зручним методом зміни дефектного стану зразків є опромінення їх частинками високих енергій.

У поданій статті досліджувався вплив опромінення швидкими електронами на електричні, фотоелектричні й оптичні властивості легованих індієм монокристалів CdS. Монокристали вирощувалися в інституті монокристалів (м. Харків) із розплаву спеціально очищеного порошку CdS в атмосфері інертного газу під тиском 1,86×107 Па. Легування індієм здійснювалося у процесі вирощування. Згідно з паспортними даними, концентрація індію в різних зразках становила NIn »1018 см-3, NIn »1019 см-3 і NIn »1020 см-3. Опромінення зразків електронами з енергією 1,2 МеВ відбувалося на лінійному прискорювачі. Кристали при опроміненні охолоджувалися парами рідкого азоту і їхня температура при опроміненні не піднімалася вище 290 К. Доза опромінення становила Ф»2×1017 см-2 .

Спектри поглинання (СП) і фотолюмінесценції (ФЛ) вимірювалися стандартним методом на змінному сигналі з використанням синхронного детектування. Як аналізу- ючі прилади використовувалися спектрографи ИСП-51 і ИКС-12. Вимірювання спектрального розподілу фотопровідності (ФП) й оптичного гашення фотопровідності (ОГФ) здійснювалися стандартним методом на постійному сигналі.

Експериментальні результати

Особливістю легованих індієм монокристалів СdS є поява при кімнатній температурі додаткового домішкового поглинання з максимумом =525 нм. У легованих монокристалах з’являється також додаткова домішкова фотопровідність, максимум якої близький до максимуму додаткового поглинання 524 нм (рис. 1, крива 1, пік I). Зі зниженням температури максимуми домішкового поглинання і ФП виморожуються (рис. 1, крива 2). Зміщення піка власної фотопровідності II з максимумом 513 нм (Т=290 К) у короткохвильову область, при зниженні температури, до 490 нм (Т=80 К) добре узгоджується із зростанням ширини забороненої зони (Еg ) монокристала CdS при його охолодженні.

Опромінення легованих кристалів електронами з Е=1,2 МеВ і дозою Ф=2×1017 см-2 призводить до зникнення домішкових максимумів поглинання і фотопровідності з 524 нм. Крім того, зростає фоточутливість в області власної фотопровідності (пік II) і зменшується в домішковій області з >550 нм, що особливо добре спостерігається при низьких температурах (рис. 1, криві 3 і 4).

Слід відмітити також, що електронне опромінення зразків дозою 2×1017 см-2 супроводжується зменшенням майже на два порядки величини (в порівнянні з неопроміненими кристалами) темнової електропровідності. До опромінення в досліджуваних зразках спостерігалося добре відоме в літературі невелике (до 5 %) ОГФ з максимумами при (0,9-0,95) мкм і 1,4 мкм (останній виморожується при зниженні температури), за яке відповідальні вакансії кадмію (VCd ) [1, 2] (рис. 2а, крива 1).

Після опромінення структура кривих ОГФ кардинально змінилася (рис. 2а, криві 2 і 3). Перш за все зросла величина спектрального розподілу оптичного гашення фотопровідності. Змінилося положення максимумів смуг ОГФ (0,75 мкм і 1,03 мкм, рис. 2а, крива 2). Із зниженням температури максимум з 1,03 мкм виморожується, а максимум з зміщується в довгохвильову область до 0,82 мкм (рис. 2а, крива 3).

При записуванні спектрів фотолюмінесценції (ФЛ) легованих зразків з метою порівняня записувалися спектри нелегованих кристалів, вирощених у тих умовах, що й леговані зразки. Люмінесценція збуджувалася ультрафіолетовим випромінюванням (=365 нм) ртутної лампи ДРШ-250 на свіжо сколотих поверхнях кристала.

При кімнатній температурі максимум свічення нелегованих кристалів перебував у зеленій області з вершиною =510 нм, спостерігалося невелике свічення в червоній (з 700-710 нм) та інфрачервоній (з 1,03 мкм) областях спектра (рис. 3, крива 1). Введення домішки In викликає різке зменшення інтенсивності люмінесценції. Для кристалів з великою концентрацією In (NIn 1019 -1020 см-3 ) домінуючою залишається зелена смуга свічення, але при цьому вона розширюється і її максимум зміщується на ~10 нм в короткохвильову сторону спектра, індентифікуються менш інтенсивні розмиті максимуми з 660 нм і 0,95 мкм (рис. 3, крива 2).

При температурі рідкого азоту спектри люмінесценції нелегованих зразків мали смуги екситонного випромінювання з мах =480 нм, зеленого випромінювання (з-люмінесценції) з добре розділеними фононними повтореннями і з положенням першого максимуму 514 нм, спостерігалася слабка оранжева люмінесценція (О-люмінесценція) з 604 нм. Інші смуги люмінесценції мали інтенсивність на межі чутливості реєструючих приладів (рис. 4, крива 1). У легованих зразках (NIn 1018 см-3 ) реєструвалася тільки безструктурна розмита смуга зеленого випромінювання (рис. 4, крива 2). При збільшенні концентрації In (NIn 1019 см-3 ) на фоні розмитої смуги зеленого випромінювання появляється максимум із »525 нм (рис. 4, крива 3).

Після опромінення легованих In монокристалів їхні спектри ФЛ у видимій області мають такі ж самі положення максимумів свічення, як і в нелегованих зразках, але при цьому інтенсивність випромінювання та її розподіл по максимумах відрізняється від такої в нелегованих кристалах. При кімнатній температурі в опромінених CdS:In зразках розгоряється червона люмінесценція з 710 нм, зменшується інтенсивність з-люмінесценції з положенням максимуму 510 нм (рис. 3, крива 3). При азотній температурі у спектрах, опромінених CdS:In, домінуючою стає смуга оранжевої люмінесценції з 604 нм, смуга з-люмінесценції набуває структури, яка характерна для нелегованих кристалів із положенням першого максимуму 514 нм, з’являється смуга екситонної люмінесценції з 480 нм (рис. 4, крива 4).

В інфрачервоній області в опромінених CdS:In виникає нова смуга малоінтенсивної люмінесценції з 1,2 мкм, яка не ідентифікується в неопромінених кристалах.

Обговорення результатів експерименту

Як відомо, In, який належить до елементів ІІІ групи таблиці Мендєлєєва, при легуванні монокристалів CdS входить у решітку як домішка, що заміщує атоми Cd в катіонній підрешітці кристала, створюючи при цьому мілкі донорні рівні (InCd ) [1]. Очевидно, саме з цими донорними рівнями зв’язані додаткові максимуми поглинання і фотопровідності (524 нм), які спостерігалися при кімнатній температурі в легованих In монокристалах CdS (рис. 1, пік І). Оцінена нами (за положенням домішкового максимуму ФП) енергія іонізації центра InCd, як виявилось, дорівнює Е=Ес -(0,06±0,02) еВ, що добре узгоджується з енергетичним положенням донора InCd, визначеним іншими авторами [1].

Додаткове білякрайове поглинання і максимум фотопровідності, які спостерігаються при кімнатній температурі, зумовлені фотозбудженням електронів із валентної зони на донорні центри InCd з подальшою їхньою термоіонізацією (при високих температурах) у зону провідності. Двосхідчасті переходи подібного типу часто спостерігаються в легованих широкозонних напівпровідниках АІІ ВVІ [3]. При зниженні температури внаслідок заповнення донорних центрів електронами і зменшення ймовірності їх термоіонізації в зону провідності, відбувається виморожування піків домішкового поглинання і фотопровідності.

Поява максимуму фотолюмінісценції з 525 нм при 77 К у зразках з великою концентрацією In, який накладається на безструктурну розмиту смугу з-люмінесценції (рис. 4, крива 3), очевидно, також пов’язана з центром InCd. Смуга ФЛ з 525 нм виникає внаслідок рекомбінації електронів, що містяться на заповнених при низьких температурах донорних центрах (пов’язаних з InCd ), з дірками валентної зони. Підтвердженням сказаного є зростання інтенсивності смуги ФЛ з 525 нм при збільшенні концентрації In та її гашення при підвищенні температури (внаслідок зменшення заповнення центрів InCd електронами). Центри з подібними смугами люмінесценції спостерігались у кристалах CdS, легованих Li, який також утворює мілкі домішкові рівні в зоні [2].

Зменшення інтенсивності випромінювання у легованих кристалах, розмиття і втрата структури найбільш домінуючої з-люмінесценції, зміщення її максимуму в короткохвильову область спектра (при кімнатній температурі) і відсутність спектрів екситонної люмінесценції (рис. 3 і 4) свідчить про значну дефектність легованих зразків, особливо при високих концентраціях легуючої домішки (NIn =1019 -1020 см-3 ).

Параметри елементарної комірки (визначені за допомогою рентгенівського дифрактометра HZG-4A) легованих кристалів відрізняються від параметрів нелегованих зразків (табл. 1.).

Таблиця 1

Параметри елементарної комірки CdS i CdS :In монокристалів (NIn » 1019 см-3 )

У дужках подано табличні дані для найбільш чистих і структурно досконалих монокристалів CdS [3].

За смугу з-люмінесценції з 514 нм (77 К), яка є характерною для високоомних кристалів відповідальні акцептори, роль яких відіграють міжвузлові атоми сірки (Si ) [2-5]. При цьому випромінювальні переходи зумовлено рекомбінацією вільних електронів із дірками, захопленими акцепторами.

Зсув максимуму з-люмінесценції на 10 нм у короткохвильову сторону спектра, розширення смуги випромінювання при кімнатній температурі в зразках CdS:In (рис. 3, крива 2) можна пояснити екрануванням центрів свічення зарядженими донорами, якими є InCd при високих температурах. Підтвердженням сказаного може бути зміщення максимуму смуги з-люмінесценції в довгохвильову сторону в процесі затухання, або при зменшенні рівня збудження люмінесценції. Такі явища добре відомі в широкозонних кристалофосфорах з великою концентрацією легуючих домішок, або дефектів [6, 7]. Зменшення екранування акцепторів Si донорними центрами InCd, які заповнюються електронами, при зниженні температури веде до практичного збігу максимумів з-люмінесценції легованих і нелегованих кристалів при 77 К (рис. 4.).

Радіаційні зміни в легованих зразках суттєво відрізняються від тих, які спостерігалися в нелегованих кристалах CdS [8]. Електронне опромінення монокристалів CdS дозами Ф=2×1017 см-2 призводило лише до збільшення (в ~4 рази) інтенсивності з-люмінесценції (514 нм), о-люмінесценції з 604 нм (в ~2 рази) і незначної зміни інтенсивності інших смуг люмінесценції, які спостерігалися в неопромінених зразках (720 нм і 1,03 мкм). При цьому незначно зростало ОГФ (до 10%) без зміни максимумів гашення (0,95 мкм і 1,4 мкм).

Опромінення легованих зразків призводить до зникнення максимумів домішкового білякрайового поглинання і фотопровідності (рис. 1.), зростання ОГФ і зміни положення смуг гашення фотопровідності (рис. 2.), зростання інтенсивності люмінесценції, появи смуги екситонної люмінесценції, відновлення структури зеленої люмінесценції, появи деяких нових смуг люмінесценції (рис. 3 і 4). Параметри комірки опромінених CdS:In наближають-ся до таких в нелегованих зразках, що свідчить про покращення в процесі опромінення структури легованих кристалів (табл. 1).

Найбільш повно механізми взаємодії власних радіаційних дефектів з атомами легуючих домішок були вивчені в кремнії. Зокрема, було доведено [9], що взаємодія міжвузлових атомів кремнію з домішками ІІІ групи може бути різною, залежно від співвідношення радіусів домішкового атома (rдом ) і атома кремнію (rSi ). При rдом > rSi відбувається витіснення домішкового атома міжвузловим атомом кремнію, який посідає його місце у вузлі решітки. При rдом < rSi витіснення відсутнє. Для атомів індію і кадмію rIn > rCd [10]. Якщо в бінарних напівпровідниках має місце механізм, який реалізується в кремнії, то слід сподіватися, що міжвузлові атоми кадмію (Cdi ), які утворюються при опроміненні, виштовхуватимуть із вузлів решітки атоми In, зменшуючи концентрацію донорних центрів InCd. Міжвузлові атоми індію (Ini ), які виникають при цьому, взаємодіють з іншими радіаційно наведеними дефектами і виходять, внаслідок радіаційно стимульованої дифузії, на різні стоки, тобто на дислокації, границі між двійниками, поверхню тощо, якими багаті напівпровідники групи АІІ ВVI [6; 7]. Таке припущення добре пояснює зникнення після опромінення CdS:In домішкових білякрайових максимумів поглинання і фотопровідності, зменшення майже на два порядки величини темнової електропровідності, покращення структури кристала.

Зростання фоточутливості в області власної фотопровідності (рис. 1), збільшення інтенсивності люмінесцентного випромінювання, зростання ОГФ (рис. 2) зумовлені покращенням структури і утворенням при електронному опроміненні СdS:In повільних центрів рекомбінації. Роль таких центрів у нелегованих монокристалах CdS виконують VCd [1; 2; 5; 8]. В опромінених CdS:In повільні центри рекомбінації мають іншу природу, про що свідчать інші, в порівнянні з нелегованими кристалами, максимуми ОГФ (рис. 2).

При опроміненні утворюються пари Френкеля як у підрешітці кадмію, так і в підрешітці сірки монокристалів CdS. Пари Френкеля в підрешітці сірки (зокрема компоненти пари Si ) відповідальні за зростання інтенсивності зеленої люмінесценції в опромінених нелегованих зразках CdS [8]. Очевидно, вони також відповідальні за зростання інтенсивності зеленої люмінесценції в опромінених СdS:In. VCd, утворені радіацією в СdS:In, можуть “анігілювати” з Cdi або вступати в квазіхімічні реакції з різними домішковими атомами, утворюючи нові комплекси дефектів.

Оскільки в легованих кристалах зменшення концентрації Cdi зумовлене як “анігіляцією” з VCd (особливо для близьких пар Френкеля), так і заміщенням InCd (останній механізм відсутній у нелегованих зразках), то залишкова концентрація VCd в СdS:In після опромінення повинна бути більшою, ніж у CdS при однакових дозах електронної радіації. Крім того, VCd у легованих зразках можуть активно взаємодіяти з частиною атомів Inі. Тому можна припустити, що роль центрів повільної рекомбінації в опромінених СdS:In відіграють комплекси, до складу яких входять VCd і Ini, наприклад. Таке припущення пояснює підвищену концентрацію повільних центрів рекомбінації в опромінених СdS:In (про що свідчить більше гашення фотопровідності та більше зростання власної фоточутливості) в порівнянні з нелегованими зразками (де повільні центри зумовлені VCd ), опроміненими такими ж дозами електронів.

Як відомо [11], за фотопровідність у домішковій області 580-600 нм, яка зростає при опроміненні нелегованих монокристалів CdS [12], відповідальні VCd. Електронне опромінення СdS:In призводить до зменшення фоточутливості в області >550 нм (рис. 1), що свідчить про зменшення концентрації VCd, очевидно, за рахунок їхньої взаємодії з атомами індію.

Схему енергетичного положення рівнів повільних центрів рекомбінації в СdS:In, оцінених за максимумами ОГФ, подано на рис. 2б. Збудження дірок із основного стану з Еv +1,65 eB у валентну зону зумовлює максимум ОГФ 0,75 мкм. За максимум ОГФ з 2 1,03 мкм відповідальний перехід дірки у збуджений стан на центрі, який знаходиться на відстані 1,2 еВ від основного стану (рис. 2б). При високих температурах перехід дірки у збуджений стан супроводжується їх термічним дозбудженням у валентну зону. При низьких температурах, внаслідок зменшення ймовірності такого дозбудження, відбувається виморожування піка ОГФ з 2 1,03 мкм.

Подана вище схема гашення добре узгоджується з основним механізмом ОГФ, який реалізується в напівпровідниках групи АІІ ВVI [1]. Слід відмітити, що енергетичне положення комплексу дефектів у зоні, якими є центри повільної рекомбінації в СdS:In, визначається природою атомів або дефектів, які належать до його складу, кулонівською взаємодією між ними і релаксацією решітки навколо комплексу. Остання в напівпровідниках АІІ ВVІ може досягти значень до ~1 еВ і бути домінуючою в порівнянні із кулонівською [13]. Розрахунок доводить, що енергетичне положення центрів повільної рекомбінації в СdS:In відрізняється від енергетичного положення таких у СdS на величину ~0,35 еВ. Очевидно, енергія 0,35 еВ може бути зумовлена, в основному, релаксацією решітки навколо VCd при приєднанні Ini, який понижує симетрію дефекту.

Після опромінення домінуючою в легованих зразках при кімнатній температурі стає смуга люмінесценції з 710 нм, яка відсутня в неопромінених кристалах (рис. 3, крива 3). Це свідчить про утворення в СdS:In комплексів дефектів ()0, які, згідно [2, 14], відповідальні за смугу люмінесценції з 710-720нм, і підтверджує факт високої рухливості вакансій кадмію в процесі опромінення, які взаємодіють не тільки з Ini, але також із радіаційно введеними вакансіями сірки (VS ). У нелегованих, спеціально очищених СdS-монокристалах опромінення практично не змінює інтенсивності люмінесценції 720 нм [8], що свідчить про малу концентрацію радіаційно утворених VCd, які інтенсивно “анігілюють” з Cdi. Як зазначалося, в легованих зразках Cdi додатково взаємодіють з донорними центрами InCd, що призводить до зростання (в порівнянні з нелегованими) концентрації радіаційно утворених VCd .

При азотній температурі в опромінених зразках СdS:In розгоряються оранжева люмінесценція з 604 нм (яка відсутня в неопромінених зразках), зелена люмінесценція з 514 нм з розділеними фононними повтореннями, екситонна люмінесценція з 480 нм (рис. 4, крива 4) і нова інфрачервона смуга з 1,2 мкм, відсутня в неопромінених легованих зразках (в нелегованих CdS вона не проявляється як до, так і після опромінення [8]). Поява при 77 К о-, з- і екситонної люмінесценції (які гасились при кімнатній температурі) призводить до перерозподілу через ці центри основної частки рекомбінаційного потоку електронно-діркових пар, що, очевидно, зумовлює зменшення інтенсивності люмінесценції в інших областях спектра. Природа центрів о-люмінесценції в CdS до кінця не вияснена. Одні автори [5, 15] вважають, що до складу центрів о-люмінесценції входять мілкі донори (якими є, наприклад, Cdi ) i VCd, інші [16, 17] основну роль в утворенні центрів о-люмінесценції відводять атомам кисню, які завжди присутні як неконтрольовані домішки в CdS. Можна припустити, що за о-люмінесценцію з 604 нм в опромінених СdS:In відповідальні Ini, витіснені з вузлів решітки міжвузловими (радіаційно утвореними) атомами кадмію і неконтрольвано присутні в кристалах CdS:In атомами кисню. За смуги люмінесценції з 1,2 мкм, очевидно, відповідальні випромінювальні рекомбінаційні переходи вільних електронів із дірками, захопленими повільними центрами рекомбінації в опромінених CdS:In-монокристалах.

Таким чином, нами вперше було досліджено вплив опромінення швидкими електронами з енергією Е=1,2 МеВ на електричні і фотоелектричні властивості монокристалів CdS, легованих In. Присутність атомів індію збільшує швидкість введення дефектів у кадмієвій підрешітці CdS в порівнянні з чистими зразками. На основі аналізу експериментальних результатів було зроблено припущення, що в легованих індієм монокристалах CdS має місце механізм дефектоутворення, який спостерігається в елементарних напівпровідниках, легованих деякими домішками. Радіаційно утворені міжвузлові атоми кадмію в СdS:In виштовхують із вузлів катіонної підрешітки атоми індію. Міжвузлові атоми індію, які виникають при цьому, частково дифундують у процесі опромінення на різні стоки, покращуючи структуру кристалу, і взаємодіють із вакансіями кадмію, утворюючи акцепторні комплекси, відповідальні за нові центри повільної рекомбінації.

Література

1. Бьюб Р. Фотопроводимость твердых тел. – М.: Иностр. лит. – 1962. – 558 с.

2. Лашкарев В.Е., Любченко А.В., Шейнкман М.К. Неравновесные процессы в фотопроводниках. – К.: Наук . думка. – 1981. – 264 с.

3. Физика и химия соединений AII BVI / Под ред . С.А. Медведева. – М.: Мир. – 1970. – 624 с.

4. Kulp B.A., Kelley R.H. Displacement of the Silfur Atom in CdS by Electron Bombardement // J. Appl. Phys. – 1960. – V.31, – №6. – С . 1057-1061.

5. Ермолович И.Б., Любченко А.В., Шейкман М.К. Механизм зеленой краевой люминесценции в CdS -монокристаллах и параметры центров свечения // ФТП.– 1968.– Т. 2, в. 11.– С. 1639-1643.

6. Гурвич А.М., Ильина М.А. Интеркристаллические реакции и центры свечения в сульфидах цинка и кадмия. В сб: Проблемы физики соединений AII BVI . – Вильнюс. – 1972. – Т. 2. – С. 325-329.

7. Гурвич А.М. Введение в физическую химию кристаллофосфоров. – М.: Высш. шк.,1982. – 376 с.

8. Давидюк Г.Є., Богданюк М.С., Шаварова А.П. Дозовая зависимость интенсивности зеленой люминесценции монокристаллов сульфида кадмия при облучении электронами с Е=1,2 МэВ // ФТП. – 1994. – Т. 28, в. 11. – С. 2056-2061.

9. Емцов В.В., Машовец Т.В. Примеси и точечные дефекты в полупроводниках. – М.: Радио , 1981. – 248 с.

10. Свойства неорганических соединений. Справочник. / Под ред. А.И. Ефимова и др. – Л.: Химия , 1983. – 392 с.

11. Птащенко А.А., Сердюк В.В., Кузьменко И.А. Инфракрасное гашение примесной фотопроводи - мости в сульфиде кадмия // ФТТ. – 1966. – №5.– С. 1623-1625.

12. Давидюк Г.Е., Богданюк Н.С., Мак В.Т., Божко В.В. Фотопроводимость облученных электрона - ми нелегированных и легированных медью монокристаллов CdS // Фотоэлектроника. – 1990.– В. З.– С. 7-12.

13. Уоткинс Дж. Дефекты решетки в соединениях А II BVI . В кн. : Точечные дефекты в твердых телах. / Под. ред. Б.И. Болтакса и др. – М.: Мир , 1979. – 380 с.

14. Ермолович И.Б., Матвиевская Г.И., Пекарь Г.С., Шейнкман М.К. Люминесценция монокриста - ллов CdS , легированных различными донорами и акцепторами // Укр. ФЖ. – 1973. – Т. 18. – №5. – С. 733-741.

15. Ермолович И.Б., Матвиевская Г.И., Шейнкман М.К. О природе центров оранжевой люми - несценции в сульфиде кадмия // ФТТ. – 1975. – Т. 9.– В. 8.– С. 1620-1623.

16. Давидюк Г.Е., Манжара В.С., Богданюк Н.С., Шаварова А.П., Булатецкий В.В. Влияние элек - тронной и нейтронной радиации на спектры оранжевой люминесценции специально нелегированных и легированных медью монокристаллов сульфида кадмия // ФТП. – 1997. – Т. 31.– В. 4.– С. 390-392.

17. Морозова Н.К., Морозов А.В., Каретников И.А., Назарова Л.Д., Данилевич Н.Д. Влияние контролируемого изменения собственных точечных дефектов и кислорода на оптические свойства сульфида кадмия // ФТП. – 1994. – Т. 28. – В . 10. – С. 1699-1713.