СПЕКТРЫ ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУРАХ TlGaSe2 Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 535.376

СПЕКТРЫ ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУРАХ ТЮа8е2

А. Н. Георгобиани1, А. М. Евлоев2

Представлены результаты исследования спектров фотолюминесценции и ее возбуждения в монокристаллах ТЮа8е2. Способность данных слоистых кристаллов скалываться пластинками с зеркальными гранями, являющаяся следствием резкой асимметрии химической связи, делает их перспективными материалами для фотоэлектрических преобразователей.

Ключевые слова: широкозонные полупроводники, электрон, дырка, донор, акцептор, рекомбинапионный процесс, люминесценция.

Непрерывно растущий интерес и нужды современной полупроводниковой техники не удовлетворяются известными материалами и требуют создания новых материалов. Поиск новых полупроводниковых материалов является одной из основных проблем сегодняшней физики твердого тела. Создание новых материалов открывает новые перспективы и позволяет решать новые технические задачи.

Интерес к фотоэлектрическим преобразователям солнечной энергии обусловлен экологическими соображениями, что делает их самыми перспективными среди возобновляемых источников энергии. Разработана технология выращивания совершенных цепочечных и слоистых монокристаллов типа А111!}111^1 (А-Т1, В-1п,Са, С-Б^е) которые образуют класс полупроводников с большим набором значений ширины запрещенной зоны (0.6-2.4 эВ).

'Е-таИ: [email protected]

2Е-таП: [email protected]

Известно, что составляющие Т1В3С| (В-1п, ва; С-Б, Бе) катионы Т1+1 и В+3 являются элементами третьей группы и обеспечивают различные координации атомов, валентные состояния и характер химических связей.

Эти особенности являются причиной резкой анизотропии физических свойств этой группы материалов. Способность данных слоистых кристаллов скалываться на пластинки с зеркальными гранями, являющаяся следствием резкой асимметрии химической связи, делает их перспективными материалами для фотоэлектрических п реобр азовате лей.

В настоящей работе приведены результаты исследования спектров фотолюминесценции (ФЛ) и возбуждения в кристаллах ТЮаЯег.

(а) (б)

Зц ЕНТ= 15.00 кУ 10 ц ЕНТ= 15.00 кУ

ьч Ь^Н

Рис. 1. Электронная микрофотография поверхности кристаллов ТЮаБе^: (а) вид сверху, (б) вид сбоку.

Экспериментальная часть. Выращивание монокристаллов осуществляли модифицированным методом Бриджмена-Стокбаргера. Выбор метода выращивания и его аппаратурного решения помимо физических и химических свойств выращиваемых кристаллов во многом обуславливался как особенностями структуры этих соединений, так и тем, что их некоторые компоненты имеют высокую упругость паров. Поэтому процесс кристаллизации необходимо вести в закрытых ампулах малого объема Эти условия легко достигаются в методе Бриджмена-Стокбаргера. Полученные кристаллы были р-типа и имели удельное сопротивление 108 — Ю10 Ом-см при 300 К. Ширина запрещенной зоны 2.18 эВ. Подвижность носителей заряда 65 см2/В-сек. Образцы для

Рис. 2. Спектр возбуждения ТЮаЯе? при Т = 300 К, Арег = 630 нм. Рис. 3. Спектр фотолюминесценции ТЮаБе^ при Лвозб = 520 нм и Т — 300 К.

исследований получали скалыванием монокристаллов на плоскопараллельные пластинки. С помощью электронного микроскопа получены электронные микрофотографии, на которых видны зеркальная поверхность и слоистая структура образцов, так что дополнительной полировки не требовалось (рис. 1). Исходными материалами являлись элементы особой чистоты: таллий Т1 - 000, медь ОСЧ-11-4, селен ОСЧ-17-4, галлий - 000. Синтез соединений ТЮаБег осуществляли непосредственным сплавлением исходных компонентов (основное содержание составляющих компонентов соединений не менее 99.999%) в откачанных до остаточного давления не более Ю-3 Па кварцевых ампулах двухтемпературным методом в печах с двумя независимыми обмотками при температурах на 40-50 К выше температуры плавления соответствующих соединений в течение двух часов при непрерывном перемешивании расплава. По окончании синтеза сплавы охлаждали со скоростью 100 К/час до температуры 400 К, а затем печи выключали. Полученные таким образом соединения Т1В3С2(В-1п, ва; С-Э, Бе) перегружались в графитизированные (5-ю слоями спектрально-чистого углерода) кварцевые ампулы заданного профиля и откачивались до остаточного давления 10~3 Па.

Спектры ФЛ ТЮа8е2 были получены при комнатной температуре. Источниками возбуждающего излучения являлись полупроводниковые светодиоды с длиной волны 520 нм. Излучение светодиода подводилось к поверхности образца с помощью кварцевого световода. Светолюминесценция собиралась с поверхности линзой и с помощью

световода подводилась к полихроматору FSD8 4. С полихроматора данные передавались на компьютер [1].

Измерение спектра возбуждения люминесценции (ВЛ) проводилось на спектроскопической установке, в которой для возбуждения люминесценции использовалась ксе-ноновая лампа ДКСШ-1000. Свет лампы фокусировался на дифракционно-решеточный монохроматор МДР-23, позволявший менять длину волны возбуждающего света в диапазоне длин волн Авозб = 190 — 500 нм. Регистрация спектров осуществлялась при помощи второго монохроматора МДР-23 и фотоумножителя ФЭУ-106 с областью спектральной чувствительности 170-850 нм. Исследования проводились при комнатной температуре.

Обсуждение и результаты. Спектр ВЛ TlGaSe2 при длине волны регистрации Арег = 630 нм, соответствующей наблюдаемым максимумам полосы ФЛ, представлен на рис. 2. Спектр имеет сложный характер, и область возбуждения простирается от ультрафиолетового диапазона (Авозб = 190 нм) до голубого (Авозб = 470 нм). В них наблюдаются максимумы при Авозб = 205, 268, 311, 372, 393 нм.

На рис. 3 представлен спектр фотолюминесценции (ФЛ) TlGaSe2 при 300 К. В спектре наблюдается ярко выраженная линия с максимумом при 630 нм. Его полуширина 36 нм.

Линия ФЛ обусловлена рекомбинационными излучениями глубоких акцепторно-донорных пар, наблюдающихся в тройных полупроводниковых соединениях [2-5]. При фотовозбуждении в донор но-акцепторных парах рекомбинация носителей заряда происходит излучательным образом. При низких интенсивностях возбуждения только малая часть донорных или акцепторных ловушечных центров захватывает носители заряда. Это приводит к рекомбинации только удаленных пар. Кулоновское взаимодействие между ионизованными примесями вносит большой вклад в энергию излучения фотонов в донорно-акцепторных парах. Этот вклад возрастает, в то время как разделение между парами уменьшается [5].

Спектр ВЛ имеет сложный характер, и область возбуждения простирается от ультрафиолетового диапазона (АВОЗб = 190 нм) до голубого (Авозб = 470 нм). Спектр ФЛ содержит линию с максимумом 630 нм.

Авторы благодарят проф. B.C. Горелика за обсуждение полученных результатов ФЛ.

ЛИТЕРАТУРА [1] А. П. Гончаров, В. С. Горелик, Краткие сообщения по физике, 36(9), 3 (2009).

[2] A. Aydinli, N. М. Gasanly, I. Yilmaz and A. Serpengiizel, Semicond. Sci. Technol. 14(7), 599 (1999).

[3] I. A. Damaskin, S. L. Pashkin, S. I. Radautsan, V. E. Tezlevan, Optoelectron. 5(5), 405 (1973).

[4] J. I. Pankove, Optical processes in Semiconductors (Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ, 1975).

[5] -P. Y. Yu, M. Cardona, Fundamentals of Semiconductors (Springer, Berlin, 1995).

Поступила в редакцию 20 августа 2009 г.