Вплив активних зовнішніх факторів на особливості випромінювальної рекомбінації кристалів Cd1-xZnxTe

Размещено на http://www.allbest.ru/

Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова

Національної академії наук України

Вплив активних зовнішніх факторів на особливості випромінювальної рекомбінації кристалів Cd1-xZnxTe

01.04.10 - фізика напівпровідників і діелектриків

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

Насєка Юрій Миколайович

Київ - 2010

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова Національної академії наук України.

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор, Глинчук Костянтин Давидович, Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України, головний науковий співробітник.

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор, Корбутяк Дмитро Васильович, Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України, завідувач відділу;

доктор фізико-математичних наук, професор, Тартачник Володимир Петрович, Інститут ядерних досліджень НАН України, провідний науковий співробітник.

Захист відбудеться « ___ » _________ 2010 р. о ___ на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.199.02 при Інституті фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України за адресою: проспект Науки, 45, Київ, 03028.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України за адресою: проспект Науки, 45, Київ, 03028.

Автореферат розісланий “ ___ ” ________ 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради доктор фізико-математичних наук В.Я. Братусь

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми.

Кристали CdZnTe мають низку фізичних властивостей, які необхідні для виготовлення на їх основі різноманітних електронних приладів. Вони є перспективними в якості основного матеріалу для датчиків реєстрації інфрачервоного випромінювання, джерел випромінювання терагерцового діапазону, фотовольтаїчних приладів. Проте, основним застосуванням згаданих кристалів у даний час є виготовлення на їх основі високочутливих детекторів іонізуючого випромінювання, які здатні працювати при кімнатній температурі. Такі сенсори працюють за принципом зміни електропровідності під дією різного роду ядерних випромінювань. Вони вигідно відрізняються від сцинтиляційних датчиків відсутністю багатоступеневого механізму перетворення енергії частинки в електричний сигнал та мають ряд переваг перед газовими іонізаційними камерами. Завдяки великій густині речовини, напівпровідникові детектори на основі CdZnTe дозволяють різко зменшити об'єм функціонального матеріалу (в якому під дією поглинутого випромінювання виникають носії струму) [1*]. Все це і зумовлює постійно зростаючий інтерес до вивчення фізичних властивостей напівпровідникових кристалів CdZnTe. На даний час відомо багато методів, які дозволяють змінювати фізичні (оптичні, електричні) властивості напівпровідникових матеріалів з метою виробництва на їх основі приладів: дозоване легування, термообробка, лазерна обробка, обробка іонізуючим випромінюванням тощо. Для більшості напівпровідників, які мають практичне застосування (таких як кремній, германій, арсенід галію), їх вплив досліджено достатньо детально. Але для кристалів CdZnTe вплив різного роду обробок на фізичні властивості досліджено недостатньо, а робіт по деяких важливих видах обробок, зокрема лазерної та із застосуванням іонізуючого опромінення, взагалі мало. У той же час, специфічні умови вирощування вказаних кристалів із трикомпонентного розплаву під високим тиском інертного газу приводять до формування у їх структурі різноманітних дефектів та неоднорідностей, які погіршують характеристики детекторів та знижують вихід якісного кристалічного матеріалу [1*]. Це, у свою чергу, стимулює також вивчення властивостей вихідних, спеціально необроблених матеріалів. Як відомо, інформативним, безконтактним та неруйнівним методом дослідження структурних властивостей напівпровідників є фотолюмінесцентний. За допомогою фотолюмінесцентних досліджень кристалів CdZnTe можна отримати нову інформацію про їх ростові дефекти та про дефекти, індуковані різними активними зовнішніми факторами, про процеси їх взаємодії і, отже, про причини змін тих чи інших фізичних властивостей досліджуваного матеріалу. Таким чином, поставлена дослідницька робота надасть можливість отримати нові фізичні результати по важливому трикомпонентному матеріалу А2В6 та оптимізувати процес вирощування як самого матеріалу CdZnTe (підбором необхідних режимів), так і процес виготовлення приладів на його основі з покращеними показниками коефіцієнту корисної дії.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана у лабораторії № 27 відділення «Технологій та матеріалів сенсорної техніки» Інституту фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України в рамках наступних наукових держбюджетних тем:

1) ІІІ-41-07 “Фізичні та фізико-технологічні аспекти створення і характеризації напівпровідникових матеріалів і функціональних структур сучасної електроніки”. Державний реєстраційний номер теми 0107U002258. Виконується за рішенням Бюро ВФА НАНУ від 19.12.06 №10.

2) ІІІ-8-06 ”Розробка нових підходів для створення перспективних наноструктурованих матеріалів, технологічних та аналітичних багатофункціональних систем на основі напівпровідникових та органічних сполук”. Державний реєстраційний номер теми 0106U000878. Виконується за Постановою Бюро ВФА НАНУ від 20.12.2005р. № 10.

3) 2.1.10 Державна цільова науково-технічна програма розроблення і створення сенсорних наукоємних продуктів на 2008-2012 роки. Державний реєстраційний номер теми 0108U004561.

Мета роботи - з'ясувати зміни характеристик (положення максимуму випромінювання, півширина, середнє число оптичних фононів) смуг в люмінесцентних спектрах напівпровідникових кристалів CdZnTe, які індуковані активними зовнішніми факторами, що є важливими складовими процесів виробництва та експлуатації приладів на основі вказаного матеріалу.

Робота по досягненню поставленої мети передбачає вирішення наступних наукових задач:

1. На основі впливу низькотемпературного термічного відпалу при Т = 155 та 205?C на характеристики люмінесцентних спектрів кристалів Cd1-хZnхTe:In (х = 0.1) встановити зміни структури вказаних кристалів та зміни функціональної якості детекторів на їх основі. З'ясувати фізичні причини змін структурних та функціональних властивостей Cd1-хZnхTe:In (х = 0.1), які індуковані термічними відпалами.

2. За допомогою люмінесцентного методу з'ясувати вплив високопотужного наносекундного лазерного (Nd+3:YAG, ? = 532 нм) випромінювання на структуру кристалів Cd1-хZnхTe (х = 0.1), визначити його фізичні причини та на їх основі побудувати схематичну модель протікання фізичних процесів у кристалі в умовах потужного лазерного випромінювання.

3. Ідентифікувати природу змін у спектрах низькотемпературної фотолюмінесценції кристалів Cd1-хZnхTe (х = 0.05), які індуковані опроміненням ?-квантами, зокрема, з'ясувати закономірності вказаних змін при варіації дози ?-опромінення.

4. На основі змін низькотемпературних люмінесцентних спектрів кристалів

Cd1-хZnхTe (х = 0.05), які викликані почерговим опроміненням за допомогою неодимового лазера та потоком ?-квантів, визначити особливості структурних змін у вказаному матеріалі.

Об'єкт досліджень - низькотемпературна (Т = 5 К) фотолюмінесценція кристалів потрійної напівпровідникової сполуки Cd1-хZnхTe (х = 0.05 та 0.1).

Предмет досліджень - зміни характеристик низькотемпературної (Т = 5 К) фотолюмінесценції кристалів потрійної напівпровідникової сполуки Cd1-хZnхTe (х = 0.05 та 0.1), які викликані впливом активних зовнішніх факторів.

Методи досліджень. Основний метод дослідження, який використовувався при виконанні роботи - люмінесцентний (дослідження низькотемпературної фотолюмінесценції), допоміжний - атомно-силова мікроскопія. Обробка отриманих результатів проводилась за допомогою прикладних комп'ютерних програм.

Наукова новизна. В даній роботі отримано ряд результатів, які мають наукову новизну:

1. Вперше на основі люмінесцентного методу досліджено вплив відпалів кристалічних детекторів Cd1-хZnхTe:In (х = 0.1) при температурах Т = 155 та 205?C протягом однієї години на повітрі на їх структурні властивості. Зокрема, встановлено, що зміни люмінесценції, які індуковані термічним відпалом у приконтактній області кристалу і в області віддаленій від контакту відрізняються. Це пояснено сильною дифузією атомів золота з контакту в приконтактну область при вказаних температурах та особливостями взаємодії вакансій кадмію, які утворюються в усьому об'ємі досліджуваних зразків у процесі відпалу, з атомами золота.

2. Виявлено причини погіршення структурної якості детекторних кристалів

Cd1-хZnхTe:In (х = 0.1) після термообробок при Т = 205?C. Визначено, що основна причина деградації структурної, а відтак і функціональної якості вказаного матеріалу полягає у сильній генерації глибоких дефектів (А-центрів) у процесі відпалу при вказаній температурі.

3. Вперше з'ясовано вплив ?-опромінення на параметри (інтенсивність, положення максимуму випромінювання та півширина) всіх смуг характерних для спектрів фотолюмінесценції об'ємних спеціально нелегованих кристалів Cd1-хZnхTe (х = 0.05), зокрема, вперше виявлено виникнення в люмінесцентних спектрах нових радіаційно-індукованих смуг, які пов'язані із процесами випромінювальної рекомбінації за участю більш глибоких центрів (вакансій кадмію), не характерних для неопроміненого матеріалу.

4. Визначено, що вказані радіаційно-індуковані смуги визначаються центрами люмінесценції, подібними за типом до вихідних люмінесцентних центрів. Вони також пов'язані з рекомбінацією за участю донорно-акцепторних пар, із переходами вільних електронів на мілкі нейтральні акцептори, а також із анігіляцією екситонів, зв'язаних на мілких нейтральних акцепторах, де роль нейтральних акцепторів, швидше за все, відіграють радіаційно-індуковані вакансії кадмію.

5. Вперше визначено закономірності змін параметрів (інтенсивність, положення максимуму випромінювання та півширина) радіаційно-індукованих люмінесцентних смуг в кристалах Cd1-хZnхTe (х = 0.05) в залежності від дози радіації. Виявлено підвищену стабільність вказаних параметрів під дією радіації, у порівняні з відповідними вихідними.

6. Вперше проведено дослідження модифікації фотолюмінесцентних спектрів кристалів Cd1-хZnхTe (х = 0.1) внаслідок сканування їх поверхні потужним лазерним випромінюванням (Nd+3:YAG, ? = 532 нм) наносекундної тривалості з інтенсивностями випромінювання (0.48, 1.2, 1.8, 4, 7.9, 12 МВт/см2).

7. На основі аналізу даних люмінесцентної спектроскопії та атомно-силової спектроскопії встановлено факт формування наноструктурованого рельєфу на поверхні кристалів Cd1-хZnхTe внаслідок їх сканування імпульсним лазерним випромінюванням Nd+3:YAG (? = 532 нм) із інтенсивностями опромінення 7.9 та 12 МВт/см2. Створено модель протікання фізичних процесів в гратці

Cd1-хZnхTe (х = 0.1) в умовах потужного лазерного опромінення.

8. Вперше з'ясовано, що лазерна обробка за допомогою Nd+3:YAG (? = 532 нм) з інтенсивністю опромінення 0.48, 1.2, 1.8 МВт/см2 не приводить до створення на поверхні кристалів Cd1-хZnхTe наноострівців, але підвищує радіаційну стійкість вказаного матеріалу у приповерхневій області.

Практичне значення отриманих результатів. Серед основних результатів, що мають важливе практичне значення для напівпровідникового матеріалознавства і приладобудування слід зазначити такі:

1. Визначено причину погіршення спектрометричної якості сенсорів іонізуючих випромінювань на основі кристалів Cd1-хZnхTe після процесу технологічного відпалу при температурах Т ? 1550С.

2. З'ясовано люмінесцентні властивості наноострівців, створених на поверхні Cd0.9Zn0.1Te лазерним опроміненням, що важливо з точки зору оптимізації та вдосконалення режимів лазерного відпалу, який використовуються для створення варізонних та квантових структур на основі Cd0.9Zn0.1Te з метою подальшого виробництва різноманітних оптоелектронних приладів.

3. Виявлено закономірності впливу ?-опромінення на люмінесцентні спектри кристалів Cd0.95Zn0.05Te, а відтак і на структуру вказаних кристалів, що важливо як з точки зору виробництва датчиків іонізуючих випромінювань, з врахуванням деградації їх функціональних властивостей в процесі експлуатації, так і з точки зору виробництва інфрачервоних перетворювачів, які мають працювати в умовах підвищеного радіаційного фону.

Особистий внесок автора. Всі люмінесцентні вимірювання та підготовку зразків проведено автором самостійно, а постановку задачі, для розв'язання якої проводились експериментальні вимірювання, інтерпретацію даних та написання відповідних робіт автор виконував із науковим керівником та співробітниками лабораторії.

Апробація результатів дисертації. Відомості, що викладено в дисертації, доповідалися та обговорювались на таких конференціях:

1. Конференція молодих вчених з фізики напівпровідників «Лашкарьовські читання - 2008», Київ, (Україна), 2008.

2. ІІ - я Международная школа-семинар молодых учених «РОСТ КРИСТАЛЛОВ», Харьков, (Украина), 2008.

3. 8th International Conference on Excitonic Processes in Condensed Matter, Kyoto, (Japan), 2008.

4. 10th International Workshop on Radiation Imaging Detectors, Helsinki, (Finland), 2008.

5. VI Міжнародна Школа-конференція «Актуальні проблеми фізики напівпровідників», Дрогобич, (Україна), 2008.

6. Фізика і технологія тонких плівок та наностистем. XII Міжнародна конференція, Івано-Франківськ, (Україна), 2009.

7. Конференція молодих вчених з фізики напівпровідників «Лашкарьовські читання - 2009», Київ, (Україна), 2009.

8. 2-а Всеукраїнська наукова конференція молодих вчених «ФІЗИКА НИЗЬКИХ ТЕМПЕРАТУР» (КМВ-ФНТ_2009), Харків, (Україна), 2009.

9. IV Українська наукова конференція з фізики напівпровідників, Запоріжжя (Україна), 2009.

10. Четверта міжнародна науково-практична конференція «МАТЕРІАЛИ ЕЛЕКТРОННОЇ ТЕХНІКИ ТА СУЧАСНІ ІНФОРМАЦІЙНІ ТЕХНОЛОГІЇ» (МЕТІТ - 4), Кременчук, (Україна), 2010.

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи надруковані в 7 статтях у фахових журналах та у 10 тезах та матеріалах українських і міжнародних конференцій.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, літературного огляду та 5 оригінальних розділів, висновків та списку використаних літературних джерел. Загальний обсяг дисертації складає 105 сторінок, з яких 97 сторінок основного тексту; 33 рисунки, які вмонтовано в текст, та список використаної літератури у кількості 64 найменування на 8 сторінках.

Основний зміст роботи

кристалічний лазерний доза опромінення

У вступі зазначено актуальність теми дослідження, мотивацію дослідження та сформульовано мету і окреслено задачі, які вирішено в ході роботи.

Перший розділ містить огляд літератури, в якому наведено відомі на даний час дані про дослідження фотолюмінесценції кристалів CdZnTe, які стосуються як власне фотолюмінесценції вказаних кристалів, так і її змін під впливом на матеріал активних зовнішніх факторів (термічний відпал, радіаційне та лазерне опромінення).

Другий розділ присвячено опису загальної експериментальної методики, зокрема, фотолюмінесцентному методу. В даному розділі також описано особливості установки, яку було застосовано для всіх експериментальних фотолюмінесцентних досліджень.

У третьому розділі представлено аналіз впливу на спектри низькотемпературної фотолюмінесценції кристалів Cd0.9Zn0.1Te:In із золотими контактами, які використовуються для виготовлення детекторів іонізуючого випромінювання, термообробки при досить низьких температурах (Т ? 1550С та 2050С) на повітрі протягом 1 години. Показано, що навіть при таких низьких температурах відпалу зміни, що відбуваються в спектрах низькотемпературної фотолюмінесценції, викликані в основному особливостями взаємодії атомів золота, які дифундували з контакту в приконтактну область кристалу, з ростовими дефектами гратки та дефектами, що утворюються під час термообробки завдяки дифузії атомів кадмію в область контакту, а також процесом генерації вакансій кадмію в об'ємі. Зокрема, в даному розділі встановлено, що в залежності від того, в якій області - приконтактній чи віддаленій від контактів проводити фотолюмінесцентне дослідження, викликані відпалом зміни люмінесцентних спектрів можуть суттєво відрізнятись. А саме, відпал при Т ? 1550С суттєво не впливає на характер низькотемпературних фотолюмінесцентних спектрів кристалів Сd0,9Zn0,1Te:In в області віддаленій від контактів, окрім незначного збільшення інтенсивності смуги, що пов'зана з глибокими дефектами, а в приконтактній області - приводить до значного зменшення інтенсивностей спостережуваних смуг. Відпал при Т ? 2050С, незалежно від вибраної області кристалу, приводить до більш суттєвих змін у спектрах фотолюмінесценції. Для віддаленої від контактів області спостерігається значне збільшення інтенсивності дефектної смуги Д, а для приконтактної області спостерігається зменшення інтенсивності вказаної смуги та зростання інтенсивності смуг зв'язаних екситонів (рис. 1, 2). В даному розділі також показано, що в приконтактній області крім зазначених змін інтенсивностей смуг спостерігається суттєвий зсув максимумів дефектної смуги в бік більших енергій, що вказує не тільки на введення в об'єм детектора дефектів під час процесу відпалу, але й на зміну типу домінуючих дефектів (рис. 1, 2). Таким чином, у даному розділі дисертаційної роботи встановлено, що відпал при T = 155 та 2050С приводить до зміни співвідношення інтенсивностей смуги зв'язаних екситонів та дефектної смуги на користь останньої, тобто погіршує структурну якість кристалів Сd0,9Zn0,1Te завдяки збільшенню концентрації дефектів, таким чином, погіршуючи якість детекторів на їх основі. Наведені дані мають і прикладне значення, так як даний режим термообробки використовується при виготовленні детекторів радіаційного випромінювання з метою покращення якості нанесених при кімнатній температурі золотих контактів та очищення поверхні детектора від вільного Те шляхом утворення пасивуючої плівки TeО2.



Рис. 1. Спектри низькотемпературної фотолюмінесценції, зареєстровані при температурі 5 К у віддаленій від контакту області: 1 - вихідний зразок; 2 зразок, відпалений при температурі 1550С; 3 - зразок, відпалений при температурі 2050С.

Представлені у третьому розділі результати, показують, що у технологічному процесі важливо правильно вибрати температурний та часовий діапазон термообробки, оскільки при певних температурах відпалу структурні і, отже, спектрометричні властивості кристалів можуть не покращуватись, а, навпаки, погіршуватись.

У четвертому розділі наведено результати дослідження змін у низькотемпературних фотолюмінесцентних спектрах кристалів Cd0.9Zn0.1Te індукованих лазерним скануванням їх поверхні з метою створення наноструктурованого рельєфу.



Рис. 2. Спектри люмінесценції, зареєстровані при температурі 5 К у приконтактній області: 1 - вихідний зразок; 2 - зразок відпалений при температурі 1550С; 3 - зразок, відпалений при температурі 2050С.

Проведено аналіз отриманих даних (атомно-силова мікроскопія та низькотемпературна фотолюмінесцентна спектроскопія) та створено загальну модель протікання термоміграційних процесів, на основі якої зроблено висновки про причини та природу змін індукованих даним видом обробки. Показано, що опромінення (сканування поверхні) вказаних кристалів імпульсним наносекундним лазером Nd+3:YAG (? = 532 нм) із інтенсивністями опромінення 7.9 та 12 МВт/см2 приводить до появи на поверхні кристалів наноострівців. Вплив опромінення супроводжується високоенергетичним зсувом положення максимуму спектрів низькотемпературної фотолюмінесценції, які характерні об'ємному кристалу, та появою в спектрах нової широкої закрайової смуги Q з h?m = 1.8718 еВ, яка не притаманна для стандартних люмінесцентних спектрів об'ємних кристалів Cd0.9Zn0.1Te саме через її надто високе енергетичне положення максимуму (рис. 3). В розділі показано, що вказана нетипова смуга пов'язана з люмінесценцією наноструктур на поверхні Cd0.9Zn0.1Te, а інші зазначені зміни в спектрах пояснюються процесами перерозподілу концентрації атомів цинку (цинк дрейфує в об'єм кристалу) в приповерхневій області кристалу в умовах сильного термоградієнту та термічного напруження. Продемонстровано, що виявлені за допомогою атомно-силової мікроскопії наноострівці, є неоднорідними за розміром та неоднорідно розподілені по поверхні досліджуваного кристалу.

Рис. 3. Спектри низькотемпературної (Т = 5К) фотолюмінесценції кристалів CdZnTe: екситонна смуга спектру об'ємного кристалу та смуга фотолюмінесценції, пов'язана з наноострівцями. 1 - вихідний зразок, 2 - зразок після формування на його поверхні наноструктурованого рельєфу.

П'ятий розділ присвячено вивченню впливу ?-опромінення на низькотемпературні спектри фотолюмінесценції кристалів Cd1-хZnхTe (х = 0.05). У даному розділі показано, що їх опромінення різними дозами ?-квантів (10 - 100 кГр) приводить до наступних змін у низькотемпературних (Т = 5 К) спектрах фотолюмінесценції: а) суттєвого зменшення інтенсивностей вихідних (ростових) смуг люмінесценції - дефектної (h?m = 1.409 еВ), зумовленої донорно-акцепторними парами (h?m = 1.547 еВ), мілкими акцепторами (h?m = 1.556 еВ) та зумовленої зв'язаними на мілких нейтральних акцепторах та донорах екситонами (h?m = 1.592 еВ та h?m = 1.599 еВ відповідно) внаслідок зменшення концентрації відповідних центрів люмінесценції завдяки їх взаємодії з радіаційними дефектами; б) появи нових смуг люмінесценції, зумовлених радіаційно-стимульованими вакансіями кадмію VCd, зв'язаними з іншими дефектами (донорно-акцепторними парами, h?m = 1.548 еВ) та ізольованими вакансіями кадмію (h?m = 1.557 еВ), а також смуги індукованої екситонами, зв'язаними на вказаних вакансіях кадмію (h?m = 1.590 еВ), рис. 4.

Рис. 4. Спектри фотолюмінесценції при Т = 5 К вихідного (1) та опромінених потоками ?-квантів ?? = 10 (2), 50 (3), 100 кГр (4) кристалів Cd1-xZnxTe (х = 0.05). Спектри показують істинні співвідношення інтенсивностей смуг у різних кристалах

У даному розділі встановлено, що інтенсивності радіаційно-стимульованих смуг немонотонно змінюються з ростом дози ?-опромінення: спочатку зростають при низьких ??, завдяки збільшенню концентрації вакансій кадмію, а потім, при високих ??, значно зменшуються завдяки генерації значної кількості ефективних центрів безвипромінювальної рекомбінації надлишкових носіїв струму.

У шостому розділі представлено результати вивчення впливу малих доз ?-радіації на люмінесцентні властивості кристалів Cd1-xZnxTe попередньо сканованих наносекундним імпульсним лазерним випромінюванням. Встановлено, що потік ?-квантів по різному впливає на люмінесцентні властивості спеціально не оброблених лазерним опроміненням кристалів Cd0.9Zn0.1Te та тих, які пройшли попередню лазерну обробку методом лазерного сканування. Показано, що при збільшенні інтенсивності лазерної обробки вплив радіації на люмінесценцію, і, відповідно, на кристалічну структуру вказаних кристалів зменшується, що проявляється у зменшенні величини відносного росту інтенсивності низькотемпературних люмінесцентних смуг, індукованого ?-опроміненням (рис. 5).



Рис. 5. Залежності інтенсивностей смуг, що спостерігаються при Т = 5 К у спектрах люмінесценції вихідних (чорні точки) та ?-опромінених (білі точки) кристалів Cd1-xZnxTe (х = 0.1) від інтенсивності лазерного опромінення: 1, 2 - D0A0; 3, 4 - eА0; 5, 6 - А0Х, 7,8 - D0Х

Зазначені зміни в люмінесцентних спектрах кристалів Cd0.9Zn0.1Te, які піддавались впливу лазерного і радіаційного опромінення, пояснюються особливостями взаємодії радіаційних та лазерно-стимульованих дефектів, найбільш ймовірно, процесом заповнення радіаційно-утворених вакансій кадмію міжвузловими атоми кадмію, індукованими лазерним скануванням.

У висновках узагальнено та систематизовано всі результати роботи.

1. З'ясовано вплив термообробки при температурах Т = 155 та 205С? на люмінесцентні спектри кристалів Cd1-xZnxTe (х = 0.1), на основі яких виготовляють детектори іонізуючого випромінювання. Установлено, що відпал при Т = 155 С? практично не впливає на характер спектрів низькотемпературної фотолюмінесценції, а відпал при Т = 205С? приводить до значних змін у спектрах, зокрема, до суттєвого зростання інтенсивності смуги глибоких дефектів. Таким чином, виявлено причину погіршення спектрометричної якості вказаних детекторів після їх відпалу при температурах Т ? 155С?.

2. Установлено, що обробка поверхні кристалів Сd0.9Zn0.1Te методом лазерного сканування приводить до суттєвих змін люмінесценції вказаних кристалів:

а) при інтенсивностях опромінення ? 7.9 - 8 МВт/см2 відбуваються значні зміни в люмінесцентних спектрах об'ємного кристалу, які головним чином проявляються у високоенергетичному зміщенні екситонних смуг та збільшенні експериментально визначеного відповідного показника електрон-фононної взаємодії (фактора Хуанга-Ріса), який характеризує об'ємний матеріал, за рахунок наростання механічного напруження в приповерхневій області гратки досліджуваного матеріалу.

б) при інтенсивностях опромінення ? 7.9 - 8 МВт/см2 величина високоенергетичного зсуву в люмінесцентних спектрах зменшується у напрямку до вихідного та зменшується експериментальний фактор Хуанга-Ріса за рахунок релаксації термічно-індукованих механічних напружень.

3. Виявлено, що при інтенсивностях сканування ? 7.9 - 8 МВт/см2 в закрайовій області спектру кристалів Сd0.9Zn0.1Te з'являється смуга екситонної люмінесценції, пов'язаної зі сформованими на поверхні нанопагорбами, яка характеризується високим показником електрон-фононної взаємодії, що є характерним для люмінесцентних смуг такої природи.

4. Показано, що зміни люмінесцентних властивостей кристалів Сd0.9Zn0.1Te, які стимульовані лазерним опроміненням, зумовлені термоміграційними процесами атомів гратки потрійної сполуки Сd0.9Zn0.1Te у приповерхневій області (цинк дрейфує в об'єм кристалу, а кадмій та телур до поверхні) в умовах сильних термічних напружень та термоградієнту, а також ефектом формування наноструктурованого рельєфу.

5. Визначено вплив ?-опромінення різними дозами (10 - 100 кГр) на люмінесценцію кристалів Cd1-xZnxTe (х = 0.05). Встановлено, що дія потоку радіації на кристали Cd1-xZnxTe проявляється у наступних змінах в їх спектрах низькотемпературної фотолюмінесценції:

а) суттєво зменшується інтенсивність вихідних (ростових) смуг, внаслідок зменшення концентрації відповідних центрів люмінесценції завдяки їх взаємодії з радіаційними дефектами;

б) з'являються нові (радіаційно-індуковані) інтенсивні смуги люмінесценції, зумовлені рекомбінацією в донорно-акцепторних парах, переходами вільних електронів на мілкі нейтральні акцептори та анігіляцією екситонів, зв'язаних з мілкими нейтральними акцепторами, зі зміщеними положеннями максимумів випромінювання, відносно вихідних ліній, в область менших енергій.

в) встановлено, що положення максимуму випромінювання, півширина та фактор Хуанга-Ріса нових радіаційно-індукованих смуг не змінюються при подальшому збільшенні дози ?-опромінення, тобто вказані параметри є більш стабільними під впливом радіації у порівнянні з відповідними вихідними.

г) інтенсивність радіаційно-індукованих люмінесцентних смуг немонотонно змінюється з ростом дози радіації: спочатку зростає при низьких ?? завдяки збільшенню концентрації вакансій кадмію, які виникають в процесі радіаційної взаємодії, а потім зменшується при високих ?? завдяки значної кількості центрів безвипромінювальної рекомбінації надлишкових носіїв струму.

6. Виявлено, що вплив радіації на фотолюмінесцентні і, відповідно, на структурні властивості кристалів Cd1-xZnxTe з різними початковим дефектно-домішковим складом та вмістом цинку дещо відрізняються. Показано, що вказані відмінності полягають у різній величині порогової дози радіації, при якій вже діють процеси генерації ефективних центрів безвипромінювальної рекомбінації надлишкових носіїв струму

7. Установлено, що потік ?-квантів по різному впливає на люмінесцентні властивості спеціально не оброблених кристалів Cd0.9Zn0.1Te та тих, які пройшли попередню лазерну обробку методом лазерного сканування (інтенсивності обробки 0.48, 1.2, 1.8 МВт/см2). Показано, що при збільшенні інтенсивності лазерної обробки вплив радіації на люмінесценцію, і відповідно, на кристалічну структуру вказаних кристалів зменшується, що проявляється у зменшенні величини відносного росту низькотемпературних люмінесцентних смуг, індукованих ?-опроміненням.

8. Показано, що зміни в люмінесцентних спектрах кристалів Cd0.9Zn0.1Te, які піддавались впливу почергового лазерного та радіаційного опромінення, пояснюються особливостями взаємодії радіаційних та лазерно-стимульованих дефектів, найбільш ймовірно, процесом заповнення радіаційно-стимульованих вакансій кадмію міжвузловими атоми кадмію, індукованими лазерним скануванням.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Коваленко Н.О. Вплив термообробки на низькотемпературну фотолюмінесценцію кристалів Cd1-xZnxTe / Н.О. Коваленко, В.К. Комар, Ю.М. Насєка, А.В. Прохорович, О.М. Стрільчук, А.С. Герасименко // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника. - 2008. - 43. С. 103-106.

2. Medvid A. Exciton quantum confinement effect in nanostructure formed by laser radiation on the surface of CdZnTe ternary compound / A. Medvid, A. Mychko, O. Strilchyk, N. Litovchenko, Yu. Naseka, P. Onufrijevs, A. Pludonis // Physica Status Solidi (с). - 2009. - V. l. 6, №1. - P. 209-212.

3. Medvid A. Optical properties of nanostructure formed on a surface of CdZnTe crystal by laser radiation / A. Medvid, A. Mychko, O. Strilchyk, N. Litovchenko, Yu. Naseka, P. Onufrijevs, A. Pludons // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, 2009. - A 607. - P. 110-111.

4. Medvid A. Mechanism of nanostructure formation on a surface of CdZnTe crystal by laser radiation / A. Medvid, A. Mychko, N. Litovchenko, Yu. Naseka,V. Gnatyuk, S. Levytskyi // Journal of automation, mobile robotics and intelligent systems, 2009. - V. l. 3, №4. - P. 127-129.

5. Литвин П.М. Вплив наноструктур, сформованих на поверхні кристалів СdZnTe методом лазерного сканування, на спектри їх низькотемпературної фотолюмінесценції / П.М. Литвин, Н.М. Литовченко, А.П. Медвідь, А.М. Мичко, Ю.М. Насєка, О.М. Стрільчук // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника. - 2009. - 44. - С. 109-113.

6. Medvid A. Laser induced nanostructure formation on a surface of CdZnTe crystal / A. Medvid, A. Mychko, A. Pludons and Yu. Naseka // Journal of Nano Research, 2010. - V. 11. - P. 107-112.

7. Глинчук К.Д. Вплив ?-опромінення на фотолюмінесценцію кристалів

Cd1-xZnxTe / К.Д. Глинчук, Н.М. Литовченко, Ю.М. Насєка, А.В. Прохорович, Л.В. Рашковецький, О.М. Стрільчук, Ф.Ф. Сизов, О.О. Войціховська, Б.О. Данильченко // Український фізичний журнал. - 2010. - 55. №7. - С. 777-783.

8. Насєка Ю.М. Вплив термообробки на низькотемпературну фотолюмінесценцію кристалів Cd1-xZnxTe / Ю.М. Насєка, О.М. Стрільчук, Н.О. Коваленко, В.К. Комар // Конференція молодих вчених з фізики напівпровідників «Лашкарьовські читання - 2008». Збірник тез, Київ. - 2008. С. 135.

9. Насєка Ю.М. Вплив термообробки на дефектний склад кристалів

Cd1-xZnxTe / Ю.М. Насєка, О.М. Стрільчук, В.К. Комар, Н.О. Коваленко // ІІ я Международная школа-семинар молодых учених «РОСТ КРИСТАЛЛОВ». Тезисы докладов, Харьков. - 2008. - С. 5.

10. Medvid A. Exciton Quantum confinement effect in nanohills formed on a surface of CdZnTe crystal by Nd:YAG laser radiation / A. Medvid, A. Mychko, O. Strilchyk, N. Litovchenko, Yu. Naseka, P. Onufrijevs, and A. Pludons // 8th International Conference on Excitonic Processes in Condensed Matter. June 22-27, Kyoto, Japan. - 2008. - P. 106.

11. Medvid A. Optical Properties of Nanostructure Formed on a Surface of CdZnTe Crystal by Laser Radiation / A. Medvid, A. Mychko, N. Litovchenko, O. Strilchuk, Yu. Naseka, P. Onufrijevs and A. Pludons // Abstracts of the 10th International Workshop on Radiation Imaging Detectors, June 29 - July 3, Helsinki, Finland. - 2008. - P. 88.

12. Насєка Ю.М. Вплив термообробки на низькотемпературну фотолюмінесценцію кристалів Cd1-xZnxTe / Ю.М. Насєка, Н.О. Коваленко, В.К. Комар, А.В. Прохорович, О.М. Стрільчук, А.С. Герасименко // VI Міжнародна Школа-конференція «Актуальні проблеми фізики напівпровідників», Дрогобич, Україна. Тези доповідей. - 2008. - C. 85 - 86.

13. Насєка Ю.М. Вплив наноструктур, сформованих на поверхні кристалів CdZnTe методом лазерного сканування, на спектри їх низькотемпературної фотолюмінесценції / Ю.М. Насєка, Н.М. Литовченко, П.М. Литвин, А.П. Медвідь, А.М. Мичко, О.М. Стрільчук // Фізика і технологія тонких плівок та наностистем. XII Міжнародна конференція, Івано-Франківськ, Україна. Збірник матеріалів конференції. - 2009. - С. 326 - 328.

14. Naseka Yu.M. Change of photoluminescence properties of CdZnTe crystals at T = 5K by ?-irradiation / Yu.M. Naseka, К.D. Glinchuk, N.M. Litovchenko, A.V. Prohorovich, L.V. Rashkovetskyi, O.M. Strilchuk, B.O. Danilchenko // Конференція молодих вчених з фізики напівпровідників «Лашкарьовські читання - 2009». Збірник тез. Київ. - 2009. - С. 49 - 50.

15. Насєка Ю.М. Особливості низькотемпературної фотолюмінесценції кристалів CdZnTe після створення на їх поверхні квантово-розмірних структур / Ю.М. Насєка, Н.М. Литовченко, П.М. Литвин, А.П. Медвідь, А.М. Мичко, О.М. Стрільчук // Конференція молодих вчених з фізики напівпровідників «Лашкарьовські читання - 2009», Збірник тез. Київ. - 2009. С. 24 - 26.

16. Насєка Ю.М. Зміна фотолюмінесцентних властивостей кристалів CdZnTe при Т = 5К під впливом ?-опромінення джерелом 60Co / Ю.М. Насєка, А.В. Прохорович, О.М. Стрільчук, Н.М. Литовченко, К.Д. Глинчук, Л.В. Рашковецький, Б.О. Данильченко // 2-а Всеукраїнська наукова конференція молодих вчених ФІЗИКА НИЗЬКИХ ТЕМПЕРАТУР (КМВ-ФНТ_2009). Тези конференції, Харків, Україна. - 2009. - С. 67.

17. Насєка Ю.М. Зміна фотолюмінесцентних властивостей кристалів CdZnTe при Т = 5К під впливом ?-опромінення джерелом 60Co / Ю.М. Насєка, А.В. Прохорович, О.М. Стрільчук, Н.М. Литовченко, К.Д. Глинчук, Л.В. Рашковецький, Б.О. Данильченко // IV Українська наукова конференція з фізики напівпровідників. Тези доповідей. Том 2, Україна, Запоріжжя. - 2009. - С. 126.

Анотація

Насєка Ю.М. Вплив активних зовнішніх факторів на особливості випромінювальної рекомбінації кристалів Cd1-xZnxTe. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.10 - фізика напівпровідників і діелектриків. - Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України, Київ, 2010.

Дисертація присвячена дослідженню змін в спектрах низькотемпературної

(Т = 5 К) фотолюмінесценції кристалів потрійної інтерметалічної сполуки Cd1-xZnxTe (x = 0.05, 0.1), викликаних впливом активних зовнішніх факторів: термообробка, лазерне опромінення та опромінення різними дозами ?-квантів. Зокрема, у дисертації представлено дані з вивчення фотолюмінесценції кристалічних детекторів іонізуючого випромінювання на основі Cd1-xZnxTe (x = 0.1), відпалених на повітрі при температурах Т = 155 та 205С?. Установлено, що відпали при Т = 155С? суттєво не впливають на характер люмінесцентних спектрів як в приконтактній області, так і у віддаленій від контактів області окрім незначного зростання інтенсивності смуги глибоких дефектів. Показано, що відпали при Т = 205С? приводять до більш помітних змін в спектрах, серед яких слід відмітити значне зростання інтенсивності смуги глибоких дефектів, пов'язаної з А-центрами та її короткохвильовий зсув. В роботі також представлено дані про зміни люмінесцентних властивостей кристалів Cd1-xZnxTe (x = 0.1), індуковані потужним лазерним випромінюванням. Показано, що такого роду вплив приводить до короткохвильвого зміщення у спектрах об'ємного кристалу та появи широкої закрайової смуги, пов'язаної з люмінесценцією наноострівців, які виникають на поверхні вказаного кристалу в умовах потужного лазерного опромінення. Крім того, дисертаційна робота містить дані про вивчення впливу ?-радіації на низькотемпературну фотолюмінесценцію кристалів Cd1-xZnxTe (x = 0.05). Встановлено, що ?-опромінення приводить до наступних змін у люмінесцентних спектрах: а) різкого зменшення інтенсивностей вихідних смуг люмінесценції внаслідок радіаційної взаємодії; б) появи нових інтенсивних радіаційно-індукованих смуг. Також показано, що інтенсивність останніх немонотонно залежить від дози ?-опромінення: спочатку росте при низьких дозах внаслідок генерації вакансій кадмію, а далі плавно зменшується завдяки утворенню значної кількості центрів безвипромінювальної рекомбінації надлишкових носіїв струму. Дисертаційна робота також включає аналіз впливу малих доз радіації на кристали Cd1-xZnxTe (x = 0.1), які пройшли попередню лазерну обробку.

Ключові слова: кристали Cd1-xZnxTe, низькотемпературна фотолюмінесценція, термообробка, наноострівці, ?-опромінення, радіаційні дефекти.

Abstract

Naseka Yu.M. Іnfluence of active external factors on radiative recombination features of CdZnTe crystals. - Manuscript.

Thesis for a candidate of physics-mathematical sciences degree by speciality 01.04.10 - physics of semiconductors and dielectrics. - V.E. Lashkaryov Institute of semiconductor physics of National Academy of Science of Ukraine, Kyiv, 2010.

This thesis is devoted to investigation of low-temperature (Т = 5 К) photoluminescence spectra changes of the ternary intermetallic compaund Cd1-xZnxTe (x = 0.05, 0.1) crystals induced by influence of different external factors, such as thermal annealing, laser irradiation and irradiation by different doses of ?-quanta. In this thesis data about investigation of photoluminescence of crystal detectors of ionising radiation based on Cd1-xZnxTe (x = 0.1) annealed in the air at Т = 155 and 205С? is presented. It is determined that, annealings at Т = 155С?don't lead substantially on the luminescence spectra character in near contact region and in far contact region except small increasing of the intensity of deep level defects line. Annealings at Т = 205?С leads to more substantial changes in the spectra: increasing of the intensity of deep level defects line which is related with A-centers and redshift of its peak position. This thesis include information about luminescence properties changes of Cd1-xZnxTe (x = 0.1) crystals induced by the powerfull laser irradiation. It is displayed that such influence leads to blueshift in the spectrum of volume crystal, and to the appearance of wide and out band-edge line which is related with luminescence of nanoislands which appear under influence of the laser radiation.

Also work contains information about investigation of ?-irradiation influence on the low-temperature photoluminescence of Cd1-xZnxTe (x = 0.05) crystals. It is determined that ?-irradiation leads to the following spectral changes: a) sharp decrease of the intensity of as-grown luminescence lines as a result of radiation interaction; b) appearance of new intensive radiation induced luminescent lines with red shifted peak position. It is discovered that its intensities depend non-monotonically on ?-radiation dose. At first it increases at low doses due to cadmium vacancies generation, than fluently decreases due to formation of a considerable number of effective radiationless centers of excess charge carriers. This thesis also include analysis of low-dose ?-radiation on the Cd1-xZnxTe (x = 0.1) crystals, which was premilinary irradiated by powerfull laser.

Key words: Cd1-xZnxTe crystals, low-temperature photoluminescence, thermal annealing, nanoislands, ?-irradiation, radiation defects.

Аннотация

Насека Ю.М. Влияние активных внешних факторов на особенности излучательной рекобинации кристаллов CdZnTe. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.10 - физика полупроводников и диелектриков. - Институт физики полупроводников им. В.Е. Лашкарева НАН Украины, Киев, 2010.

Диссертация посвящена исследованию изменений в спектрах низкотемпературной (Т = 5 К) фотолюминесценции кристаллов тройного интерметалиеского соединения Cd1-xZnxTe (x = 0.05, 0.1), вызванных влиянием различных внешних факторов: термообработка, лазерное облучение и облучение разными дозами ?-квантов. В диссертации представлены данные по изучению фотолюминесценции кристаллических детекторов ионизирующего излучения на основе Cd1-xZnxTe (x = 0.1), отожженных на воздухе при температурах Т = 155 и 205?С. Установлено, что отжиги при Т = 155?С существенно не влияют на характер люминесцентных спектров как в приконтактний области, так и в области удаленной от контактов, кроме незначительного роста интенсивности полосы глубоких дефектов. В свою очередь, отжиги при Т = 205?С приводят к более заметным изменениям в спектрах, среди которых следует отметить значительный рост интенсивности полосы, связанной с глубокими дефектами (А-центрами) и ее коротковолновое смещение. В работе также представлены данные об изменениях люминесцентных свойств кристаллов Cd1-xZnxTe (x = 0.1), индуцированных мощным лазерным излучением. Показано, что такого рода влияние приводит к коротковолновому смещению в спектрах объемного кристалла и появлению широкой закраевой полосы, связанной с люминесценцией наноостровков, которые возникают в условиях лазерного излучения. Кроме того, диссертационная работа содержит данные об изучении влияния ?-радиации на низкотемпературную фотолюминесценцию кристаллов Cd1-xZnxTe (x = 0.05). Показано, что ?-облучение приводит к следующим изменениям в спектрах: а) к резкому уменьшению интенсивностей исходных полос люминесценции в результате уменьшения количества соответствующих центров люминесценции по причине их взаимодействия с радиацией; б) к появлению новых интенсивных полос люминесценции со смещенным положением максимума излучения в область меньших энергий. В работе показано, что их интенсивность немонотонно зависит от дозы гамма-облучения. Также дисертационная работа содержит анализ влияния малих доз радиации на кристаллы Cd1-xZnxTe, которые прошли предварительную лазерную обработку.

Ключевые слова: кристаллы Cd1-xZnxTe, низкотемпературная фотолюминесценция, термический отжиг, наноостровки, гамма-облучение, радиационные дефекты.

Размещено на Allbest.ur

...