CC BY
46
УДК 541.128.7+538.958
ОСОБЕННОСТИ ФОТО- И ТЕРМОСТИМУЛИРОВАННЫХ ЯВЛЕНИЙ В КРИСТАЛЛАХ Сс15<К>
® 2011Хамидов М.М., Магомедбеков У.Г., Рабаданов М.Х., Хасанов И.И*.,
Солтамурадов Г.Д*., Хамидов М.М., Шахбанов Г.М.
Дагестанский государственный университет ^Чеченский государственный университет
Обнаружено, что в кристаллах сульфида кадмия, легированных калием, реализуются фотостимулированные преобразования в дефектно-примесной подсистеме. Показано, что наблюдаемые особенности спектров примесной фото- и термостимулированной проводимости связаны с образованием и разрушением ассоциатов типа донорно-акцепторных пар.
The authors of the article found that in the cadmium sulfide crystals of, alloyed with the potassium, the photo-stimulated transformations in the defective extrinsic subsystem are realized. They show that the observed spectra features of the extrinsic photo- and thermostimulated conductivity are connected with the formation and destruction of the associates of donor-acceptor pairs type.
Ключевые слова: сульфид кадмия, донорно-акцепторные пары.
Keywords: cadmium sulfide, donor-acceptor pairs.
Дефектной подсистеме
кристаллической решетки
полупроводников и диэлектриков свойственны преобразования при допороговых возбуждениях (светом, инжекцией носителей заряда и др.), которые проявляются в виде изменения спектров поглощения, излучения и электрофизических параметров
полупроводниковых приборов. Эти процессы, известные как
фотохимические реакции (ФХР), являются причиной деградации полупроводниковых приборов,
работающих в режимах излучения или поглощения.
В последние годы для интерпретации некоторых типов (ФХР) в Сс18 используют представления о
фотоассоциации и диссоциации
примесно-дефектных комплексов (см. обзор [4]). Однако, несмотря на значительные усилия, эти представления нуждаются в строгом экспериментальном обосновании.
В настоящем сообщении
представлены результаты исследования ФХР в кристаллах Сс18, легированных
калием, которые являются
экспериментальными подтверждениями низкотемпературных фотостимулированных преобразований примесно-дефектной подсистемы
кристалла, играющих роль центров прилипания и рекомбинации (ЦП и ЦР).
Материалы и методы
Кристаллы Сс18, выращенные из паровой фазы, имели темновую проводимость в = Ю'-Ю0 Ом'-см"1. Легирование кристаллов примесями К производилось в процессе
активирующего отжига (Т = 920К, X = 20-60 мин) в инертной среде азота образцов с предварительно нанесенным слоем металла. Отжиг приводил к переходу кристаллов в высокоомное (С, = 10"8-10"9 Ом '-См"1) И фоТОЧуВСТВИТеЛЬНОе (Сф, / От = 105-10б) состояние.
Параметры ЦП электронов в кристаллах Сс18<К> определялись методами примесной, индуцированной примесной фотопроводимости (ПФ, ИПФ) и термостимулированной
проводимости (ТСП). Охлаждение образцов до температур (Т = 90К) осуществлялось в темноте (режим - I). С целью изменения дефектной структуры кристалла в процессе охлаждения они непрерывно или при определенной температуре в течение фиксированного времени облучались собственным светом (режим - II). Во всех случаях перед охлаждением кристаллы Сс18<К> подвергались дезактивации - нагреву в темноте до 360К.
Как показали предварительные измерения, активированным таким путем кристаллам была свойственна сильная зависимость интенсивности ПФ и ИПФ (в спектральной области X = 0,6-6 мкм) и кривых (ТСП) от режима их охлаждения в темноте или на собственном свету. Последняя особенность, свидетельствующая о реализации в кристаллах Сс18<К> ФХР, и легла в основу предпринятых здесь усилий по экспериментальному обоснованию явления
фотостимулированного образования и разрушения донорно-акцепторных
комплексов.
Результаты и их обсуждение
Спектры ПФ, ИПФ и оптического гащения фотопроводимости (ОГФ).
Спектры ПФ, измеренные в кристаллах Сс18<К> при комнатной температуре, состоят из двух полос. Оценка оптической энергии ионизации ЦП электронов, ответственных за данные полосы по красной границе спектра ПФ, приводит к значению Е0 = 1,0 и 1,2 эВ. Согласно данным исследования кинетики ПФ, эти центры характеризуются сечением захвата электрона 8П = 10"15 см2 и относятся к нейтральным ЦП. В кристаллах, охлажденных до 90К в режиме 2, наблюдается дополнительная
низкоэнергетическая полоса ИПФ с максимумом Иу„, = 0,7 эВ и красной границей Иукр = 0,5 эВ (рис. 1). В зависимости от уровня дополнительной подсветки собственным светом максимум и красная граница этой полосы ИПФ испытывают
низкоэнергетический сдвиг. Сечение захвата этого центра, оцененное на
основе анализа кинетики ИПФ, имеет значение 8П = 10"14 см2. Такая величина характерна для притягивающих центров.
Примеси элементов I группы таблицы Менделеева в позициях замещения атомов катиона соединений А2В6 -глубокие акцепторы [4, 6] и
обусловливают ряд фотоэлектрических и люминесцентных свойств этих соединений. Естественно предположить, что эти электронные ЦП, наблюдаемые только в легированных примесями К кристаллах Сс18, связаны с ассоциатами, в состав которых входит междоузельный донор К,, который имеет неспаренный электрон в 4Э1 состоянии.
-|4 1ф/ Ь/. отн ед
12
0,3 0,5 0,7 0,9
1п . ЭВ
1,1
Рис. 1. Спектры ИПФ в кристаллах Сс№<К> (Т = 90К) в зависимости от уровня собственного фототока (подсветки); 1-Ю'8, 2-1 (Г 7, 3-НҐЛ
Фотовозбуждение кристаллов
Сс18<К> зонно-зонным светом в температурной области, где возможен только однократный захват электронов
на ЦП К" (Техр < 25 0К), не приводит к
изменению спектров ПФ. Смещение температурного диапазона
фотовозбуждения в область, в которой возможна многократная перезарядка этих ЦП (Техр > 25 0К), сопровождается
ту 0
уменьшением интенсивности А. -
полосы более чем на порядок и появлением в спектрах ИПФ новой полосы с максимумом Ъу„, = 0,95 эВ. Максимум полосы ИПФ
фотохимического происхождения в
Сс18<К>, снятой в зависимости от уровня фонового возбуждения зонно-зонным светом (рис. 2), испытывает высокоэнергетический сдвиг.
В исследованных кристаллах наблюдается и оптическое гашение собственной фотопроводимости (ОГФ). Как видно из рисунка 3 (кривая 1), спектр ОГФ в кристаллах, не подвергнутых ФХР, состоит из трех полос, за которые ответственны акцепторные уровни Еу + 0,6, 0,9 и 1,1 эВ
Рис. 2. Спектры ИПФ в Сс1Б<К> после протекания ФХР при Т = 90К в зависимости от уровня собственного фототока (подсветки); 1-1 (Г*, 2-ПТ А
После фотохимической активации образцов (режим 2) интенсивность двух низкоэнергетических полос уменьшается более чем на порядок, а полоса, связанная с глубоким центром, исчезает (рис. 3, кривая 2).
Рис. 3. Спектры ОГФ (Т=90К) в кристаллах Сс№<К>, 1 - после, 2 - до ФХР
Термостимулированные токи в кристаллах Сс18<К>.
Перед снятием спектров ТСТ, как и в случае ИПФ, производилось
фотовозбуждение образцов зоннозонным светом, после чего они выдерживались в темноте в течение 10 мин. Время низкотемпературного фотовозбуждения подбиралось таким образом, чтобы добиться полного заполнения электронных ЦП, обусловливающих ТСТ.
Типичные спектры ТСТ в дезактивированных и охлажденных в темноте кристаллах Сс18<К> имели одну полосу с максимумом Т = 250К.
Изменение режима охлаждения кристалла (после дезактивации они охлаждались до 80К при непрерывном фотовозбуждении зонно-зонным светом) приводит к значительному изменению структуры и росту интенсивности спектра ТСТ. Как и в случае ПФ и ИПФ, этот процесс носит обратимый характер, то есть дезактивация кристалла с последующим охлаждением в темноте способствует восстановлению спектров ТСТ до исходного состояния.
Форма спектров ТСТ существенным образом зависит от величины Е-энергетической глубины центра, ответственного за полосу ТСТ. Это позволяет решать обратную задачу -определения глубины залегания и сечения захвата ЦП по
характеристическим участкам
экспериментальных спектров [1, 2, 7] (табл.).
над валентной зоной.
Таблица
Характеристические параметры экспериментальных полос ТСТ
т,„к 124 263 312 330 357
Еь эв 0,08 0,50 0,60 0,72 0,80
см2 2,0-10'22 1,6 -10'23 2,3- 10'23 4 • 10'23 2,5 -10'23
Анализ экспериментальных данных, представленных выше, приводит к установлению следующих особенностей в фотохимически активных кристаллах Сс18<К>:
а) В результате протекания ФХР интенсивность и спектральное положение полос ПФ, ИПФ и ОГФ, а также интенсивность ТСТ испытывают существенные изменения.
б) С ростом уровня собственного фототока максимум и красная граница низкоэнергетической полосы ИПФ испытывают низкоэнергетический сдвиг, тогда как новая полоса, образованная вследствие ФХР, в тех же условиях сдвигается в сторону коротких длин волн.
в) Сечения захвата центров, ответственных за полосы ТСТ, аномально низкие.
Поскольку измерения собственного фототока до и после протекания ФХР не обнаруживают изменения времени жизни основных носителей заряда, то в качестве основной причины вариации интенсивности спектров ПФ, ИПФ, ОГФ, ТСТ и появления новой полосы ИПФ можно рассмотреть изменение
концентрации электронных и дырочных ЦП и их комплексов.
Основной причиной
низкоэнергетических спектральных сдвигов полос ИПФ является последовательное заполнение захватом неравновесных электронов донорных подуровней, распределенных по межатомным расстояниям донорно-
акцепторных пар, с ростом уровня
собственного фототока так же, как в [3].
Причиной изменения направления
спектрального сдвига новой полосы ИПФ с ростом уровня собственной фотопроводимости после протекания ФХР является переключение канала захвата дырок с глубокого акцепторного центра вследствие его разрушения на мелкие с
Примечания
последующей потерей кулоновского взаимодействия между компонентами донорно-акцепторных пар (ДАП).
Несмотря на то, что
фотостимулированное преобразование спектров ПФ, ИПФ, ОГФ и ТСТ наблюдается в одних и тех же кристаллах, они имеют различную природу или структуру. Об этом свидетельствуют несоответствие числа полос на спектрах ИПФ и ТСТ и их энергетическое положение в запрещенной зоне. Следует отметить, что сложные спектры ПФ, ИПФ и ОГФ наблюдаются как до, так и после протекания ФХР, тогда как сложные спектры ТСТ наблюдаются только после протекания ФХР.
Сечения 81 ЦП, ответственных за спектр ТСТ, измеренные в кристаллах после протекания в них ФХР, имеют
22 23 2
величину порядка 10"“-10“ с\Г. что более чем на восемь порядков меньше сечения 81 электронных ЦП, участвующих в фотоактивационных процессах. Этот результат объясняется, скорее всего, тем, что электронные ЦП, наблюдаемые в кристаллах после протекания ФХР, подвергаются отжигу после термической эмиссии электронов. Согласно [5] можно показать, что в случае ЦП сложной структуры термическая ионизация их происходит, несмотря на большие сечения 81, в условиях слабого повторного захвата электрона. Для этого достаточно, чтобы за время повторного захвата свободного носителя заряда новые центры распались настолько, чтобы обеспечилось соответствующее уменьшение
параметров Еь 81. Такая ситуация нестабильных ЦП может реализоваться, поскольку на начальном этапе число пустых ЦП мало (они генерируются только в заполненном состоянии), а в последующем происходит их
уменьшение вследствие разрушения.
1. Антонов-Романовский В. В. О рекомбинационной фосфоресценции // Изв. АН СССР. 1946. Т. 10. № 5-6. С. 477-487. 2. Вертопрахов В. Н„ Сальман Е. Г. Термостимулированные токи в неорганических веществах. Новосибирск : Изд-во «Наука», 1979. 333 с. 3. Ризаханов М. А., Хамидов
М. М. Экспериментальное доказательство существования двухэлекгронного центра захвата в ZnS // ФТП. 1979. Т. 13. № 8. С. 1517-1522. 4. Физика соединений А2 В6 // под ред. А. Н. Георгобиани, М. К. Шейнкмана. М. : Наука, 1986. 320 с. 5. Шейнкман М. К. Увеличение фоточувствительности и интенсивности люминесценции при фототермической диссоциации донорно-акцепторных пар в CdS // Письма ЖЭТФ. 1972. Т. 15. № 11. С. 673-676. 6. Aven М., Prener J.S. Physics and Chemestry of ll-VI Compounds. Amsterdam, 1967. (Перевод с англ. под ред. С. А. Медведева. Физика и химия соединений А2В6. М. : Мир, 1970). 7. Garlic G. F. Т., Gibson A. F. The electron traps mechanism of luminescence in sylphide and selenide phosphors // Proc. Phys. Soc. 1948. V. A60. № 342. P. 574-590.
Статья поступила в редакцию 29.08.2011 г.
