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
АІІВІV. 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(1018см-3, NIn(1019см-3 і NIn(1020см-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(1017см-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
490 нм (Т=80 К) добре узгоджується із зростанням ширини забороненої
зони (Еg) монокристала CdS при його охолодженні.
>550 нм, що особливо добре спостерігається при низьких температурах
(рис. 1, криві 3 і 4).
1,4 мкм (останній виморожується при зниженні температури), за яке
відповідальні вакансії кадмію (VCd) [1, 2] (рис. 2а, крива 1).
зміщується в довгохвильову область до 0,82 мкм (рис. 2а, крива 3).
=365 нм) ртутної лампи ДРШ-250 на свіжо сколотих поверхнях кристала.
0,95 мкм (рис. 3, крива 2).
(525 нм (рис. 4, крива 3).
480 нм (рис. 4, крива 4).
1,2 мкм, яка не ідентифікується в неопромінених кристалах.
Обговорення результатів експерименту
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 АІІВVІ [3]. При зниженні температури
внаслідок заповнення донорних центрів електронами і зменшення
ймовірності їх термоіонізації в зону провідності, відбувається
виморожування піків домішкового поглинання і фотопровідності.
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)
CdS CdS:In
До опромінення CdS:In
4,1351
(4,1369) 6,7130
(6,7157) 4,1320 6,7100 4,1340 6,7125
У дужках подано табличні дані для найбільш чистих і структурно
досконалих монокристалів CdS [3].
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.).
L
N
th
nrtx®°b
d
!
!
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 АІІВVI [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.
. 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.
(550 нм (рис. 1), що свідчить про зменшення концентрації VCd, очевидно,
за рахунок їхньої взаємодії з атомами індію.
1,03 мкм.
Подана вище схема гашення добре узгоджується з основним механізмом ОГФ,
який реалізується в напівпровідниках групи АІІВVI [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
АІІВVІ 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.
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.
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
Бьюб Р. Фотопроводимость твердых тел. – М.:Иностр. лит. – 1962. – 558 с.
Лашкарев В.Е., Любченко А.В., Шейнкман М.К. Неравновесные процессы в
фотопроводниках. – К.:Наук. думка. – 1981. – 264 с.
Физика и химия соединений AIIBVI / Под ред. С.А. Медведева. – М.: Мир. –
1970. – 624 с.
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.
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.
Гурвич А.М., Ильина М.А. Интеркристаллические реакции и центры свечения
в сульфидах цинка и кадмия. В сб: Проблемы физики соединений AIIBVI. –
Вильнюс. – 1972. – Т. 2. – С. 325-329.
Гурвич А.М. Введение в физическую химию кристаллофосфоров. – М.: Высш.
шк.,1982. – 376 с.
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.
Емцов В.В., Машовец Т.В. Примеси и точечные дефекты в полупроводниках. –
М.: Радио, 1981. – 248 с.
Свойства неорганических соединений. Справочник. / Под ред. А.И. Ефимова
и др. – Л.: Химия, 1983.– 392 с.
Птащенко А.А., Сердюк В.В., Кузьменко И.А. Инфракрасное гашение
примесной фотопроводи-мости в сульфиде кадмия // ФТТ.– 1966.– №5.– С.
1623-1625.
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.
Уоткинс Дж. Дефекты решетки в соединениях АIIBVI. В кн.: Точечные
дефекты в твердых телах. / Под. ред. Б.И. Болтакса и др.– М.: Мир,
1979.– 380 с.
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.
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.
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.
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.
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
