Роль макродефектів в електронних та іонних процесах в кристалах і епітаксійних шарах сполук А2В6

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКPАЇНИ

ІНСТИТУТ ФІЗИКИ НАПІВПPОВІДНИКІВ

Автоpефеpат дисеpтації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Роль макродефектів в електронних та іонних процесах в кристалах і епітаксійних шарах сполук А₂В₆

Борковська Людмила Володимирівна

Київ - 1999

Дисеpтацією є pукопис

Pобота виконана в Інституті фізики напівпpовідників Національної Академії наук України

Науковий кеpівник:

доктоp фізико-математичних наук, професор

Коpсунська Надія Овсіївна

Інститут фізики напівпpовідників НАН України,

провідний науковий співробітник

Офіційні опоненти:

доктоp фізико-математичних наук, пpофесоp Любченко Олексій Вікторович

Інститут фізики напівпpовідників НАН України, завідувач відділом;

кандидат фізико-математичних наук, Комаров Альберт Васильович

Інститут фізики НАН України, старший науковий співробітник.

Пpовідна установа: Київський університет ім. Тараса Шевченка, радіофізичний факультет, кафедра напівпровідникової електроніки, м. Київ

Захист відбудеться " 14 " вересня 1999p. о 12¹⁵ годині на засіданні спеціалізованої вченої pади К 26.199.01 в Інституті фізики напівпpовідників НАН Укpаїни, 252028, Київ, пpоспект Науки, 45.

З дисеpтацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту фізики напівпpовідників НАН Укpаїни, 252028, Київ, пpоспект Науки, 45.

Автоpефеpат pозісланий "13" серпня 1999 p.

Вчений секpетаp

спеціалізованої вченої pади

К 26.199.01 Pудько Г.Ю.

1. Загальна хаpактеpистика pоботи

Актуальність теми. Широкозонні напівпровідникові сполуки А₂В₆ широко застосовуються для виготовлення фоторезисторів, фотодетекторів, сонячних елементів, потужних лазерів з електронним збудженням, тощо. Розробка методів молекулярно-променевої епітаксії та метал-органічного газофазного осадження, яка дозволила одержати епітаксійні шари сполук А₂В₆ з концентрацію залишкових домішок <10¹⁴ см^-3, відкрила нові перспективи використання цих матеріалів у сучасних синьо-зелених інжекційних лазерах та світлодіодах. Проте, суттєвим недоліком світловипромінюючих приладів на основі напівпровідників А₂В₆, як монокристалів, так і епітаксійних шарів, є недостатній строк служби. Отже, для забезпечення конкурентноздатності цих приладів необхідно підвищити їх надійність.

Як показали дослідження характеристик світловипромінюючих приладів на основі сполук А₂В₆, однією з причин їх деградації є зростання густини дислокацій в активній області приладу.

При цьому важливим фактором деградації є присутність рухливих точкових дефектів, які можуть як безпосередньо приймати участь у процесах розмноження дислокацій, так і визначати характер впливу останніх на характеристики приладів. Зокрема, саме реакції точкових дефектів, джерело яких залишається нез'ясованим, передують появі дислокацій в процесах поступової деградації інжекційних лазерів та світлодіодів на основі сполук А₂В₆.

Сказане визначає актуальність дослідження процесів взаємодії дислокацій з точковими дефектами як з точки зору з'ясування фізичних механізмів деградаційних процесів, так і для розробки практичних рекомендацій щодо покращання характеристик приладів.

Одним із наслідків такої взаємодії є процеси декорування.

Скупчення точкових дефектів поблизу дислокацій можуть погіршувати оптичні та рекомбінаційні характеристики матеріалу і, зокрема, приводити до підвищення вкладу безвипромінювальної рекомбінації нерівноважних носіїв. В цьому випадку процеси декорування дислокацій, які виникли при роботі приладу, можуть давати суттєвий внесок в їх деградацію, а тип рухливих дефектів та ступінь декорування будуть визначати характер змін характеристик приладів при деградації. Можна очікувати, що особливо суттєвими ці процеси будуть для приладів на основі монокристалів А₂В₆, які містять велику кількість рухливих точкових дефектів.

З присутністю декорованих дислокацій можуть бути пов'язані також процеси перебудови та перерозподілу точкових дефектів під впливом різних факторів, які діють під час роботи приладів (інжектованих носіїв, власного випромінювання, нагрівання, ультразвукових хвиль, наприклад, у випадку імпульсних лазерів, тощо). Це також може впливати на характеристики матеріалів і приладів.

Проте, вивченню саме цих двох аспектів приділялося недостатньо уваги, що і визначає мету та завдання роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дана дисертаційна робота виконувалась в рамках теми №1.4.4.24 "Дослідження управління рекомбінаційними процесами і явищами переносу в напівпровідниках /А₂В₆, А₃В₅, Si/ з метою оптимізації параметрів напівпровідникових приладів /світловипромінюючих, фотоприймачів, сонячних елементів, тензодатчиків/", теми №2.3/390 "Дослідження елементарних механізмів термічної та стимульованої різними факторами дифузії дефектів, їх локальної трансформації та реакцій" та теми №2.4/362 за Договором № Ф4-313/97 від 26.09.97 "Дослідження фізичних процесів взаємодії генерованого випромінювання з дефектами в напівпровідниках А₂В₆ та світловипромінюючих структурах на їх основі" при фінансовій підтримці Міністерства у справах науки і технологій України.

Мета і задачі дослідження. Мета даної дисертаційної роботи полягала у встановленні фізичних механізмів процесів, які протікають в напівпровідникових сполуках А₂В₆ під дією ряду зовнішніх факторів і пов'язані з присутністю та взаємодією макродефектів та рухомих точкових дефектів, а також у з'ясуванні ролі цих процесів у деградації оптичних характеристик світловипромінюючих приладів на основі цих сполук. У відповідності з цією метою в роботі вирішувались такі задачі:

- з'ясувати роль дислокацій у процесах перерозподілу та перебудови комплексів точкових дефектів, що протікають в кристалах СdS під дією світла, температури та ультразвукових хвиль та впливають на їх оптичні, фотоелектричні та люмінесцентні характеристики;

- з'ясувати вплив декорованих дислокацій на люмінесцентні та оптичні характеристики кристалів CdS та встановити їх роль в процесах деградації активних елементів лазерів з електронним збудженням на основі монокристалів CdS;

- визначити вплив лінійних дефектів на спектри фотолюмінесценції епітаксійних шарів ZnTe/GaAs, ZnSe/GaAs та з'ясувати розподіл точкових та лінійних дефектів по товщині шарів.

Для визначення особливостей впливу дислокацій на характеристики матеріалів і приладів використовувався комплекс методів: оптичні (спектроскопія поглинання та відбивання), люмінесцентні, фотоелектричні (фотопровідність, термостимульована провідність), методи струмів, індукованих електронним зондом, електронного парамагнітного резонансу тощо. Ці методи дозволяють досліджувати як інтегральні характеристики матеріалів, так і їх просторовий розподіл, а також забезпечують можливість взаємної перевірки одержаних результатів.

Наукова новизна одержаних результатів. При виконанні роботи було одержано ряд нових результатів. Основні з них такі:

- Показано, що фотохімічна реакція, що призводить до збільшення концентрації атомів міжвузельного кадмію в кристалах CdS, протікає як в придислокаційних областях, так і в об'ємі кристалу, і відбувається внаслідок розпаду кластерів атомів кадмію, концентрація яких поблизу дислокацій є підвищеною.

- В кристалах CdS виявлено новий ефект безактиваційного збирання мілких донорів на дислокаціях під дією імпульсів ультразвуку, який обумовлює зменшення фотопровідності та трансформацію форми спектра крайової люмінесценції в цих кристалах.

- Встановлено, що причиною відхилення співвідношень інтенсивностей безфононної смуги крайової люмінесценції кристалів CdS та її фононних повторень від характерного для досконалих кристалів є перепоглинання світла люмінесценції в придислокаційних областях.

- Показано, що однією з причин погіршення люмінесцентних характеристик лазерних екранів на основі монокристалів CdS в процесі їх експлуатації є розмиття краю оптичного поглинання в довгохвильову область спектра, обумовлене розмноженням дислокацій та їх наступним декоруванням воднеподібними донорами і акцепторами.

- В спектрах низькотемпературної екситонної фотолюмінесценції шарів ZnTe/GaAs та структур з надгратками ZnCdTe-ZnTe/GaAs, одержаних методом молекулярно-променевої епітаксії, ідентифіковано смуги випромінювання, пов'язані з лінійними дефектами;

Виявлено, що в епітаксійних шарах ZnTe/GaAs та ZnSe/GaAs, товщиною > 1 мкм, приповерхневий шар (<0.1 мкм) збагачений точковими та лінійними дефектами.

Практичне значення одержаних результатів.

1. Встановлено взаємозв'язок між присутністю декорованих дислокацій та формою спектра крайової фотолюмінесценції в кристалах CdS. На прикладі дослідження процесу поступової деградації потужних лазерів з електронним збудженням показано, що вимірювання спектрів люмінесценції може бути використане для тестування монокpисталів СdS, пpизначених для викоpистання у пpиладах квантової електpоніки.

2. Вивлено, що поріг руйнування поверхні лазерних екранів на основі CdS визначається поглинанням власного лазерного випромінювання міжкристалітними границями у випадку кристалів, вирощених з надлишком сірки (P_S/P_CdS<1.6), та включеннями фази кадмію в кристалах, вирощених при надлишковому тиску пари кадмію (P_S/P_CdS>1.6).

3.Показано, що використання тонкого рекристалізованого прошарку ZnTe між епітаксійним шаром ZnTe та GaAs підкладинкою дозволяє зменшити концентрацію центрів безвипромінювальної рекомбінації і підвищити інтенсивність екситонної фотолюмінесценції. В той же час використання цього прошарку є неефективним для попередження процесів інтердифузії Zn/Ga на межі поділу епітаксійний шар/підкладинка.

Особистий внесок здобувача. Автор дисертації виконала експериментальні дослідження, результати яких наведені в роботі, а також в творчій співдружності із співавторами відповідних наукових робіт провела фізичну інтерпретацію виявлених ефектів та закономірностей.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідались на 18-й Міжнародній конференції з дефектів в напівпровідниках (Японія, 1995 р.), на 23-й Міжнародній конференції з фізики напівпровідників (Німеччина, 1996 р.), на Міжнародній школі-конференції для молодих вчених SSPFA'97 (Україна, Кацивелі, 1997 р.), на 2-й Міжнародній школі-конференції фізичних проблем фізики матеріалознавства напівпровідників (Україна, м. Чернівці, 1997), на 27-й Міжнародній школі фізики напівпровідникових сполук (Польща, Яшовець, 1998 р.), на Всеросійському симпозіумі "Аморфні і полікристалічні напівпровідники" (Росія, м.Санкт-Петербург, 1998 р.), на 12-й Міжнародній конференції по вирощуванню кристалів (Ізраїль, м. Єрусалим, 1998 р.), на 4-й Міжнародній конференції SPIE "Матеріалознавство та властивості матеріалів для інфрачервоної оптоелектроніки" (Україна, Київ, 1998 р.) на Міжнародній конференції ICSSC'98 (Польща, Закопане, 1998 р.).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані в 3 статтях у фахових наукових журналах та в 4 доповідях на конференціях, які надруковано у матеріалах конференцій.

Дисертація складається з вступу, 5 розділів, висновків і списку використаних джерел. Дисертація викладена на 149 сторінках і містить 36 рисунків та 2 таблиці.

2. Основний зміст pоботи

люмінесцентний оптичний кристал епітаксійний

У вступі обгpунтовано актуальність теми дисеpтації, викладено її мету, наведено основні результати, що зумовлюють новизну і пpактичну цінність роботи, а також дані, що стосуються її апpобації і опублікування основних матеpіалів.

В першому розділі наведено основні результати робіт, присвячених дослідженню впливу дислокацій на електричні, люмінесцентні та оптичні характеристики монокристалів та епітаксійних шарів сполук А₂В₆. Аналіз літературних даних показав, що основний вплив дислокацій на спектри люмінесценції та оптичного пропускання кристалів та епітаксійних шарів сполук А₂В₆, на відміну від їх впливу на електричні характеристики, звичайно пов'язуєтья з дією недекорованих дислокацій. Останні можуть захоплювати носії заряду і діяти як центри безвипромінювальної чи випромінювальної рекомбінації. Існування навколо дислокацій електричних та деформаційних полів може приводити до формування хвостів густини станів і, як наслідок, до розмиття краю фундаментального поглинання. Проте можна думати, що процеси декорування дислокацій рухомими точковими дефектами будуть суттєво впливати не лише на електричні, але і на інтегральні оптичні та люмінесцентні характеристики матеріалів А₂В₆. Ці ефекти можуть виявитися важливими для монокристалів, в яких присутня велика кількість рухливих точкових дефектів, а, отже, відігравати суттєву роль в деградації оптичних характеристик світловипромінюючих приладів на основі сполук А₂В₆. Аналіз літературних даних показав, в процесах деградації лазерів з електронним збудженням на основі кристалів CdS дислокаціям відводилася лише роль центрів безвипромінювальної рекомбінації. На цій підставі зроблено висновок про доцільність дослідження впливу процесів взаємодії ансамблю рухомих точкових дефектів і розвиненої мережі ростових дислокацій на оптичні та люмінесцентні характеристики кристалів CdS та приладів на їх основі. Показано, що важливою є також задача вивчення впливу дислокацій на люмінесцентні спектри епітаксійних шарів сполук А₂В₆, в яких концентрація рухомих точкових дефектів є значно меншою.

В першому розділі також послідовно розглянуто питання про природу та механізми деградаційних явищ в сучасних інжекційних синьо-зелених лазерних діодах на основі сполук А₂В₆. Показано, що причина швидкої деградації інжекційних лазерів полягає в розмноженні дислокацій в активній області приладів (електронно-стимульоване ковзання те переповзання). У випадку повільної деградації суттєвими стають електронно-стимульовані реакції точкових дефектів, при цьому можливі джерела деградаційних дефектів не ідентифіковано. З наведеного зроблено висновок про важливість дослідження структурної досконалості окремих епітаксійних шарів для виявлення можливих джерел деградаційних дефектів.

Другий розділ присвячено дослідженню оборотних процесів взаємодії дислокацій та рухомих точкових дефектів в кристалах CdS під дією різних обробок (відпалів, опромінення ультразвуковими хвилями), а також з'ясуванню природи стоків та механізмів фотостимульованого утворення мілких донорів.

Досліджувана фотохімічна реакція, ФХР, протікає в спеціально не легованих об'ємних кристалах СdS і полягає в суттєвому зростанні фотопровідності внаслідок опромінення зразків в інтервалі температур 350ё400 К видимим світлом, що обумовлене фотостимульованим відходом воднеподібних донорів, імовірно міжвузельного кадмію, в об'єм зразка від електрично неактивних стоків, природа яких залишалась нез'ясованою. Цими стоками можуть бути придислокаційні області, насичені мілкими донорами, чи кластери атомів кадмію, що завжди присутні в кристалах CdS. Проведені дослідження дозволили зробити вибір між цими двома можливостями. Аналіз спектрів ЕПР показав, що кристали, в яких спостерігається ця ФХР, є неоднорідними за опором. Зокрема, в спектрах ЕПР багатьох зразків при Т<30 К спостерігався темновий сигнал від воднеподібних донорів, величина якого зростала при освітлюванні. Оскільки зразки при вимірах на постійному струмі були високоомними, то існування темнового сигналу ЕПР свідчить про присутність низькоомних областей у високоомному об'ємі. Для виявлення їх просторового розподілу було використано метод струмів, індукованих електронним зондом, оскільки в компенсованих кристалах CdS області з підвищеною концентрацією донорів характеризуються більшим часом життя нерівноважних носіїв t. Показано, що області підвищеного t мають вигляд вузьких (діаметром 2ё3мкм) ліній на однорідному фоні кристалу. Такі лінії відповідають дислокаціям або дислокаційним стінкам (межам субблоків). Це дозволило зробити висновок, що низькоомні області, що проявляються в спектрах ЕПР, розташовані уздовж дислокацій. Виявилося, що після протікання ФХР зростає не лише фото-, а й темновий сигнал ЕПР. Це свідчить про те, що дана ФХР не є наслідком відходу мілких донорів від дислокацій в об'єм зразка і протікає як в об'ємі кристалу, так і в придислокаційних областях. Проведені дослідження спектра реакції показали, що для протікання цієї ФХР необхідні вільні електрони, а присутність вільних дірок гальмує цей процес. Визначені енергії активації протікання та відновлення початкового стану ФХР становлять 0,75±0,05 еВ та 0.4±0.05 еВ, відповідно. Остання збігається з енергією активації дифузії Сd_i. Запропонований механізм цієї ФХР, який полягає в тому, що при освітлюванні відбувається розпад електрично неактивних невеликих кластерів кадмію внаслідок їх перезарядки при захопленні нерівноважного електрону. Одночасне дослідження спектрів оптичного пропускання, розсіювання (l=510ё590 нм) і спектрів термостимульованої- та фотопровідності показало, що кількість цих кластерів може бути збільшена короткочасним (декілька хвилин) відпалом кристалу при температурі 500ё550К.

У другому розділі наведено також результати впливу імпульсного ультразвуку на фотоелектричні та люмінесцентні характеристики кристалів CdS. Відомо, що опромінення матеріалів ультразвуковими хвилями є ефективним методом дослідження процесів перерозподілу точкових дефектів та перебудови їх комплексів у придислокаційних областях, оскільки збудження коливань дислокацій чи їх сегментів є одним з основних механізмів поглинання енергії ультразвукових хвиль. Імпульсний ультразвук генерувався в зразку імпульсом випромінювання рубінового лазера наносекундної тривалості потужністю Р=10⁹ Вт/см² і являв собою цуг затухаючих імпульсів з постійною часу затухання t_УЗ~10^-5с. Для попередження можливого впливу світла опромінювання здійснювалось через мідну фольгу, що наклеювалась на поверхню зразка. Виявилося, що в результаті ультразвукової обробки, що проводилась як при 300 К, так і при 77 К, в ряді кристалів спостерігається зменшення стаціонарної фотопровідності та зміна співвідношення інтенсивностей безфононної смуги та фононних повторень крайової люмінесценції. При обох температурах ефект реєструвався вже через 10^-5с після опромінювання, тобто час протікання процесу був меншим за t_УЗ, що дозволяє вважати цей процес атермічним. Аналіз люкс-амперних характеристик фотоструму та спектрів ТСП показав, що досліджуваний ефект обумовлений зменшенням концентрації воднеподібних донорів в об'ємі зразка. Оскільки відомо, що ультразвукові хвилі збуджують коливання дислокацій, ефект можна пояснити гетеруванням рухомих донорів дислокаціями. Проведена на основі аналізу люкс-амперних характеристик фотоструму, спектрів термостимульованої провідності та об'єму придислокаційних областей, визначеного методом струмів, індукованих електронним зондом, оцінка концентрації донорів у придислокаційних областях після ультразвукової обробки дала величину >2Ч10¹⁷ см^-3. При кімнатній температурі з часом (протягом доби) вихідні характеристики кристалу відновлювалися. На кривих відновлення величини стаціонарної фотопровідності спостерігались дві ділянки з різними нахилами, які відповідають поверненню в об'єм кристалу двох типів донорів з енергіями активації ~0.3 та ~0.4 еВ, що співпадають з енергіями активації дифузії донорів Cd_i та Li_i. Дійсно, спостерігалась пряма кореляція між густиною дислокацій g та величиною ефекту, а при g<10⁴ см^-2 ефект не реєструвався. Можлива причина безактиваційного характеру процесу гетерування донорів дислокаціями полягає в дії ударної хвилі. Стиснута нею гратка знаходиться поблизу межі стійкості, тому порогові енергії збирання точкових дефектів на дислокації можуть виявитися набагато меншими за відповідні енергії активації термічної дифузії донорів.

В третьому розділі наведено результати досліджень впливу декорованих дислокацій на спектри фотолюмінесценції та оптичного пропускання кристалів CdS. Показано, що присутність в кристалі дислокацій густиною gі10⁴ см^-2, декорованих рухомими мілкими донорами та акцепторами, приводить до помітної зміни форми спектра крайової "зеленої" фотолюмінесценції, ЗЛ, яка спостерігається при 77 К і обумовлена рекомбінацією вільного електрону на мілкий акцептор в донорно-акцепторній парі, а саме: перевищення інтенсивності першого фононного повторення над інтенсивністю безфононної смуги. Величина цього перевищення буде служити мірою деформації спектра.

Одночасне дослідження спектрів оптичного пропускання та фотолюмінесценції в області 510ё550 нм при 77 К спеціально нелегованих кристалів CdS показало, що така деформація спектра "зеленої" люмінесценції залежить від довжини оптичного шляху, який проходить світло люмінесценції в зразку і відбувається внаслідок перепоглинання світла люмінесценції кристалом, яке є результатом розмиття краю фундаментального поглинання в довгохвильовий бік спектра до довжин хвиль ~520 нм.

Експоненційний характер залежності коефіцієнту поглинання в області 500ё520 нм, збільшення величини розмиття краю фундаментального поглинання з ростом концентрації донорів та акцепторів, температурна залежність краю оптичного поглинання свідчать на користь того, що поглинання світла в цій спектральній області є результатом оптичних переходів в хвостах густини станів, обумовлених присутністю значної концентрації точкових дефектів. Як показали порівняння з літературними даними, концентрації домішок, які призводять до такого розмиття краю поглинання, яке спостерігалось в наших зразках, повинні викликати значне розширення смуг, які складають спектр "зеленої" люмінесценції, і навіть перетворення його у безструктурний, що не спостерігається в наших зразках. Це дозволило зробити висновок, що випромінювальна рекомбінація та поглинання світла "зеленої" люмінесценції відбуваються в просторово розділених областях кристалу: люмінесценція - в слабо легованому об'ємі, а поглинання в хвостах густини станів - в областях з підвищеною концентрацією домішок.

Дослідження спектрів "зеленої" люмінесценції в кристалах з різною густиною дислокацій показало, що істотна деформація форми спектра спостерігається в зразках, в яких присутні рухомі мілкі донори та акцептори, а концентрація дислокацій перевищує 10⁴ см^-2. Виявилося, що в тих кристалах, в яких обробка імпульсним ультразвуком викликає збирання мілких рухомих донорів на дислокаціях (див. попередній розділ), поряд із зміною фотоелектричних характеристик спостерігається помітна деформація форми спектра "зеленої" люмінесценції. Ці результати, а також аналіз численних літературних даних свідчать на користь того, що утворення хвостів густини станів відбувається в забороненій зоні в придислокаційних областях внаслідок ефективного гетерування дислокацією рухомих точкових дефектів (донорів та акцепторів).

Таким чином, деформація форми спектра "зеленої" люмінесценції високоомних кристалів CdS свідчить про присутність декорованих дислокацій і її величина може бути використана як міра придатності монокpисталів СdS для викоpистання у пpиладах квантової електpоніки.

Четвертий розділ присвячено дослідженню процесів поступової деградації та руйнування активних елементів лазерів з електронним збудженням (лазерних екранів, ЛЕ) на основі CdS при потужності імпульсного випромінювання близько 4 МВт та тривалості імпульсів 20 нс та з'ясуванню ролі декорованих дислокацій в цих процесах.

Досліджувалися лазерні екрани двох типів: ЛЕ1, виготовлені з високоомних (r~10⁷ё10¹² ОмЧсм) монокристалів CdS з густиною дислокацій g~10⁵ см^-2, вирощених за допомогою зонної сублімації методом "вільного росту" з надлишком сірки (P_S/P_CdS=0.5ё2.5), та ЛЕ2, виготовлені з монокристалів CdS, вирощених за допомогою модифікованого методу зонної сублімації. Останні характеризувались низьким вмістом кадмієвих включень (10ё100 см^-2) та дислокацій (gЈ10³ см^-2). Показано, що зменшення інтенсивності випромінювання лазерного екрану, І, з ростом кількості N емітованих імпульсів відбувається внаслідок збільшення густини дислокацій, а хід залежності І(N) визначається їх вихідною густиною g. В ЛЕ1 залежність І(N) містить дві ділянки: ділянку постійної величини І (NЈ10⁴ імпульсів) та ділянку спаду (10⁴<N<2Ч10⁵ імпульсів), а в ЛЕ2 - лише ділянку спаду. Виявилося, що падіння інтенсивності генерації супроводжується зсувом спектра генерації у довгохвильовий бік. Вимірювання спектрів "зеленої" люмінесценції в робочих елементах до та після деградації показало, що наприкінці роботи лазерних екранів спостерігається значна деформація форми спектра "зеленої" люмінесценції, що свідчить про значне розмиття краю оптичного поглинання. Перепоглинання світла люмінесценції, очевидно, і є причиною зсуву спектра лазерної генерації у довгохвильовий бік.

Виявилося, що при N>2Ч10⁵ імпульсів відбувається руйнування екранів типу 1. Як показали дослідження зруйнованої поверхні ЛЕ, механізм руйнування визначається технологією вирощування кристалів і при P_S/P_CdS<1.6 воно обумовлене поглинанням власного лазерного випромінювання включеннями кадмію, а при P_S/P_CdS>1.6 - межами субблоків. Руйнування ЛЕ2 навіть при N>2Ч10⁵ імпульсів не спостерігалось.

З метою вивчення механізму поступової деградації лазерних екранів, та з'ясування, який з факторів, що присутні в процесі роботи лазерів, приводить до розмноження дислокацій, досліджувався вплив таких обробок на характеристики кристалів CdS, з яких виготовлялися екрани: 1) опромінення скануючим електронним пучком (Е=75 кеВ, І=70 А/см²) в телевізійному режимі сканування; 2) опромінення лазерним пучком при енергіях квантів, менших за ширину забороненої зони сульфіду кадмію (h<E_g); 3) короткочасні (1ё10 хвилин) відпали кристалів при Т=150ё200°С. При цьому для контролю за густиною дислокацій та ступенем їх декорованості одночасно використовувались метод селективного травлення та спостереження за формою спектра "зеленої" люмінесценції. Встановлено, що електронний пучок стимулює лише процеси радіолізу на відкритій поверхні лазерного екрану. Показано, що зростання густини дислокацій пов'язано з поглинанням власного лазерного випромінювання на макродефектах (дислокаціях, міжкристалітних границях, кластерах кадмію) і відбувається, очевидно, внаслідок виникнення термопружних полів. При цьому відбувається не лише розмноження дислокацій, але і їх наступне декорування центрами крайової люмінесценції.

Таким чином, показано, що однією з суттєвих причин поступової деградації потужних лазерних екранів на основі CdS є зростання густини дислокацій та їх наступне декорування центрами крайової люмінесценції, що призводить до розмиття краю оптичного поглинання в низькоенергетичний бік. При цьому падіння інтенсивності генерації може бути також наслідком збільшення швидкості безвипромінювальної рекомбінації в області дислокацій.

П'ятий розділ присвячено дослідженню впливу макродефектів на спектри екситонної фотолюмінесценції товстих епітаксійних шарів (товщиною 1.5ё5.7 мкм) ZnSe та ZnTe, одержаних за допомогою методу молекулярно-променевої епітаксії на підкладинках GaAs, а також структур із надгратками та квантовими ямами (ZnCdTe/ZnTe/GaAs). Неузгодженість в постійних граток епітаксійних шарів та GaAs підкладинки (~0.27% для ZnSe/GaAs та ~7.6 % для ZnTe/GaAs), а також різниця в коефіцієнтах термічного розширення, яка виникає при охолодженні зразків від температури росту, приводять до появи двохосьових напруг розтягу e в епітаксійних шарах, які звичайно частково релаксують шляхом утворення дислокацій невідповідності в ZnSe та мозаїчної структури в ZnTe. Оцінки залишкових напруг по зсуву положень ліній вільного екситону в порівнянні з об'ємним матеріалом для всіх епітаксійних шарів ZnSe/GaAs дали eЈ2Ч10^-3. Для епітаксійних шарів та структур на основі ZnTe/GaAs e зростало із зменшенням товщини плівки, а також при нанеcенні надграток, від 5.4x10^-4 до 7.9x10^-4. Аналіз спектрів екситонної фотолюмінесценції (4.2 К) епітаксійних шарів та структур на основі ZnTe/GaAs виявив, що ряд характеристик смуг випромінювання I₁^C і I_x (2. 356 еВ та 2. 359 еВ, відповідно) суттєво відрізняється від аналогічних характеристик смуг випромінювання вільних та зв'язаних екситонів, а саме: для них спостерігається більш слабка залежність положення максимумів від напруг і від температури, а також більш швидке згасання з підвищенням температури (Т>15 K). Проте ці характеристики є типовими для смуг так званого дислокаційного випромінювання, що спостерігались іншими дослідниками в матеріалах сполук А₂В₆. Це дозволило пов'язати виявлені смуги з лінійними дефектами структури. Припускається що центри, які відповідають за смугу I₁^C, пов'язані з межами субблоків у мозаїчній структурі.

Встановлено, що використання тонкого рекристалізованого прошарку ZnTe в епітаксійних шарів ZnTe/GaAs між епітаксійним шаром та підкладинкою приводить до покращання оптичних характеристик шарів, а саме до зменшення концентрації центрів безвипромінювальної рекомбінації, хоча і виявляється неефективним для попередження процесів інтердифузії Zn/Ga.

З використання результатів ідентифікації природи ліній I₁^C і I_x проведено дослідження розподілу лінійних та точкових дефектів по глибині епітаксійних шарів. Для цього використовувалось пошарове травлення, а також (для випадку шарів ZnTe) реєстрація спектрів фотолюмінесценції при збудженні світлом різних довжин хвиль (476ё514 нм, Ar⁺-лазер) з області зона-зонного поглинання. Використані довжини хвиль збудження відповідають коефіцієнтам поглинання, які змінюються у досить широких межах: 10⁴ё10⁵ см^-1. Показано, що товсті (>1 мкм) епітаксійні шари як ZnSe, так і ZnTe містять 2 області з підвищеною концентрацією точкових та макродефектів: область поблизу межі поділу А₂В₆/підкладинка і тонкий (< 0.1 мкм) приповерхневий шар. Зроблено висновок, що останній може виступати джерелом дефектів, які призводять до поступової деградації приладів на основі цих сполук.

У висновках стисло проаналізований стан питання, розкриті методи вирішення поставленої в дисертації проблеми, викладені найбільш важливі наукові та практичні результати.

Висновки

1. Показано, що фотохімічна реакція, яка приводить до появи воднеподібних донорів в об'ємі кристалів CdS, протікає як в об'ємі кристалу, так і в придислокаційних областях, і є внаслідком розпаду дрібних кластерів кадмію.

2. В нелегованих кристалах CdS виявлено безактиваційний процес гетерування рухомих точкових дефектів дислокаціями під дією імпульсного ультразвуку, який призводить до зменшення величини фотопровідності та трансформації форми спектра крайової люмінесценції.

3. Показано, що відхилення співвідношення інтенсивностей безфононної смуги та першого фононного повторення крайової люмінесценції кристалів CdS від величини, що є характерною для досконалих кристалів, відбувається внаслідок поглинання світла люмінесценції кристалом. Встановлено, що поглинання світла в спектральній області крайової зеленої люмінесценції кристалів CdS відбувається в придислокаційних областях, які містять підвищену концентрацію точкових дефектів, і обумовлене утворенням хвостів густини станів в забороненій зоні. Показано, що аналіз форми спектра крайової люмінесценції може бути використаний для контролю присутності декорованих дислокацій в монокристалах CdS.

4. Встановлено, що суттєвий внесок у зміну люмінесцентних характеристик активних елементів лазерів з електронним збудженням на основі CdS при поступовій деградації вносить розмиття краю фундаментального поглинання внаслідок розмноження дислокацій під дією власного лазерного випромінювання та їх наступного декорування центрами крайової люмінесценції.

5. Виявлено, що поріг руйнування поверхні лазерних екранів на основі CdS залежить від технології їх виготовлення і визначається типом макродефектів: міжкристалітних границь у випадку кристалів, вирощених з надлишком сірки, та включень фази кадмію в кристалах, вирощених при надлишковому тиску пари кадмію.

6. Показано, що використання в епітаксійних шарах ZnTe, одержаних методом молекулярно-променевої епітаксії, тонкого рекристалізованого прошарку ZnTe між шаром ZnTe та GaAs підкладинкою приводить до покращання їх люмінесцентних характеристик, що проявляється в зменшенні концентрації центрів безвипромінювальної рекомбінації.

7. Ідентифіковано смуги люмінесценції, пов'язані з макродефектами, в епітаксійних шарах ZnTe/GaAs і ZnSe/GaAs. Встановлено, що товсті (>1 мкм) епітаксійні шари крім області поблизу межі поділу А₂В₆/підкладинка, містять ще одну область з підвищеною концентрацією точкових та макродефектів - приповерхневу область товщиною < 0.1 мкм. Припускається, що ця область може виступати джерелом дефектів, що призводять до деградації світловипромінюючих приладів на основі цих сполук.

Список публікацій за темою дисертаційної роботи

1. Борковская Л.В., Джумаев Б.Р., Корсунская Н.Е., Маркевич И.В., Сингаевский А.Ф. Влияние формы края фундаментального поглощения на форму спектра зеленой люминесценции кристаллов CdS. // ФТП. - 1996. - т.30, № 4. - С. 745-750

2. Борковская Л.В., Джумаев Б.Р., Дроздова И.А., Корсунская Н.Е., Маркевич И.В., Сингаевский А.Ф., Шейнкман М.К. Безактивационное движение доноров под действием ультразвука в кристаллах CdS. // ФТТ. - 1995. - т.37, №9. - С.2745-2748.

3. Борковская Л.В., Джумаев Б.Р., Ембергенов Б., Корсунская Н.Е., Маркевич И.В. Механизм процесса фотостимулированного образования мелких доноров в кристаллах СdS // УФЖ. - 1998. - т.43, №10. - С.1295-1299.

4. Sheinkman M.K., Korsynskaya N.E., Markevich I.V., Dzhumaev B.R., Singaevsky A.F., Borkovskaya L.V. Macrodefects in wide-gap II-VI semiconductors and the role of these defects in electronic and ionic processes//Proc. of 23rd ICPS. - Berlin (Germany).-1996.-v.4.-P.2985-2988.

5. Borkovskaya L.V., Dzhumaev B.R., Korsunskaya N.E., Papusha V.P., Pekar G.S., Singaevsky A.F. Degradation processes in II-VI compounds-based electron-beam-pumped lasers and creation of a material with unique high optical strength // Proc. Int. Conf. Sol. St. Cryst.'98. -Zakopane (Poland). -Opto-Electr. Rev. - 1999. - v.7, No2. - P.139-144.

6. Borkovskaya L.V., Dzhumaev B.R., Korsunskaya N.E., Markevich I.V., Singaevskii A.F. Decorated dislocation effect on light absorbtion and photoluminescence of II-VI compounds // Proc. of Int. School-Conference for Young Scientists SSPFA. - Katsyveli (Ukraine). - 1997. - P.R9-R10.

7. Borkovskaya L.V., Dzhumaev B.R., Korsunskaya N.E., Markevich I.V., Singaevskii A.F., Sheinkman M.K. Role of the ionic processes in degradation of wide-gap II-VI semiconductor materials // Proc. XXVII Int. School on Phys. Semicond. Comp.- Jaszowiec (Poland).- 1998. - Acta Phys. Polonica. - 1998. - v.94, No2. - P.255-259.

Анотація

Борковська Л.В. Роль макродефектів в електронних та іонних процесах в кристалах і епітаксійних шарах сполук А₂В₆. - Рукопис.

Дисеpтація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твеpдого тіла. - Інститут фізики напівпровідників НАН України, Київ, 1999.

Показано, що декорування дислокацій точковими дефектами в кристалах CdS приводить до розмиття краю фундаментального поглинання внаслідок формування хвостів густини станів у придислокаційних областях. Встановлено, що цей ефект проявляється в зміні форми спектра крайової люмінесценції і процесах деградації лазерів з електронним збудженням. Виявлено ефект безактиваційного збирання донорів на дислокації під дією імпульсного ультразвуку. Встановлено, що фотостимульоване утворення мілких донорів в об'ємі кристалів CdS обумовлене розпадом кластерів атомів кадмію. Ідентифіковано смуги люмінесценції, пов'язані з макродефектами, в епітаксійних шарах ZnTe/GaAs і ZnSe/GaAs. Встановлено, що приповерхнева область цих шарів містить підвищену концентрацію лінійних і точкових дефектів.

Ключові слова: дислокація, декорування, лазер.

Аннотация

Борковская Л.В. Роль макродефектов в электронных и ионных процессах в кристаллах и эпитаксиальных слоях соединений А₂В₆. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика твердого тела. -Институт физики полупроводников НАН Украины, Киев, 1999.

Диссертация посвящена исследованию механизмов ряда обратимых и необратимых процессов, связанных с присутствием и взаимодействием макродефектов и подвижных точечных дефектов в кристаллах и эпитаксиальных слоях соединений А₂В₆ (CdS, ZnSe, ZnTe), влиянию этих процессов на оптические и люминесцентные характеристики этих соединений, а также выяснению их роли в процессах деградации светоизлучающих приборов.

Показано, что процесс фотостимулированного образования мелких доноров в кристаллах CdS происходит в результате распада кластеров кадмия и протекает как в придислокационных областях, так и в объеме кристалла. Обнаружен безактивационный процесс геттерирования подвижных точечных дефектов дислокациями под действием импульсного ультразвука.

Показано, что отклонение соотношения интенсивностей бесфононной линии и первого фононного повторения краевой люминесценции кристаллов CdS от величины, характерной для совершенных кристаллов, является результатом поглощения света люминесценции в придислокационных областях, которые содержат повышенную концентрацию точечных дефектов, и обусловлено образованием хвостов плотности состояний. Показано, что анализ формы спектра краевой люминесценции можно использовать для контроля присутствия декорированных дислокаций в монокристаллах CdS, что было использовано при исследовании деградации активных элементов лазеров с электронным возбуждением.

Установлено, что порог разрушения поверхности лазерных экранов на основе кристаллов CdS зависит от технологии выращивания кристаллов и определяется типом макродефектов: межкристаллитными границами в случае кристаллов, выращенных с избытком серы, и включениями кадмия в случае кристаллов, выращенных при избыточном давлении паров кадмия.

В слоях ZnTe/GaAs и ZnSe/GaAs, полученных методом молекулярно-лучевой эпитаксии, идентифицированы линии люминесценции, связанные с протяженными дефектами. Показано, что поверхностная область толстых (>1 мкм) слоев содержит повышенную концентрацию протяженных и точечных дефектов.

Abstract

Borkovskaya L.V. Role of macrodefects in electronic and ionic processes in crystals and epitaxial layers of II-VI compound.-Manuscript.

Thesis for a candidate degree in physics and mathematics by speciality 01.04.07 - solid state physics. - Institute of Semiconductor Physics of National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 1999.

It is shown that dislocation decoration by points defects in CdS crystals leads to extension of fundamental band edge in long wavelength region due to state density tail formation in near dislocation regions. These effect is established to manifest itself in transformation of edge photoluminescence spectrum shape and degradation processes in electron beam pumped lasers. Effect of athermal gathering of donors on dislocations under pulse ultrasound is revealed. It is shown that photostimulated formation of shallow donors in CdS crystal volume is caused by dissociation of clusters which consist of cadmium atoms. Photoluminescence lines connected with macrodefects are identified in ZnTe/GaAs and ZnSe/GaAs epitaxial layers. It is shown that near surface region of these layers contain increased concentration of linear and point defects.

Key words: dislocation, decoration, laser.

Размещено на Allbest.ru