Исследование спектров фотолюминесценции образцов селенида цинка методом Рамановской спектроскопии

АННОТАЦИЯ

В настоящей работе представлены результаты исследования спектров фотолюминесценции образцов ZnSe селенида цинка, имплантированных индием с различной концентрацией. Спектры фотолюминесценции получены методом Рамановской спектроскопии и измерялись с использованием InViaRaman спектрометра производства компании «Renishaw», Великобритания. Возбуждение фотолюминесценции осуществлялось излучением Helium-Cadmium лазера с длиной волны излучения 325 нм и номинальной энергией 30 мВт. А также проводилось исследование спектров фотолюминесценции при температуре жидкого азота (T = 77,4 K) и комнатной температуре (295 К).

ABSTRACT

This paper presents the results of a study of the photoluminescence spectra of ZnSe samples of zinc selenide implanted with indium at different concentrations. Photoluminescence spectra were obtained by Raman spectroscopy and measured using an InViaRaman spectrometer manufactured by Renishaw, UK. Photoluminescence was excited by a Helium-Cadmium laser with a wavelength of 325 nm and a nominal energy of 30 mW. The photoluminescence spectra were also studied at the temperature of liquid nitrogen (T = 77.4 K) and at room temperature (295 K).

Ключевые слова: фотолюминесценция, спектроскопия, селенид цинка, имплантация, соединения A^IIB^VI.

Keyword: photoluminescence, spectroscopy, zinc selenide, implantation, A^IIB^VI compounds.

Введение

В последние два десятилетия для изучения структуры и динамики твердых тел [3] широко используется спектроскопия комбинационного рассеяния (КР) (Raman spectroscopy). Рамановская спектроскопия является одним из наиболее мощных аналитических методов для проведения химического анализа и фазового состояния различных объектов и их структур; для неразрушающего контроля разнообразных процессов в режиме (on-line) real time; для характеристики и проведения исследований сложных систем с пониженной (0D, 1D, 2D) размерностью и различных нанообъектов; finger-print «отпечаток пальцев»; при исследовании и разработке новых полупроводниковых материалов, композитов, сверхпроводников.

Исследование монокристаллического и поликристаллического селенида цинка ZnSe связано с тем фактом, что селенид цинка является перспективным материалом для использования в технологическом процессе изготовления широкого спектра светоизлучающих диодов и лазеров, работающих в области спектра с длиной волн в диапазоне 450–500 нм [3].

Кроме того, благодаря таким свойствам, как оптическая однородность, широкая область прозрачности, эрозионная и термическая стойкость, а также наличие высоких значений коэффициентов пропускания, прочности и твердости, селенид цинка используется также для изготовления различных оптических систем специального назначения, таких как окна, линзы, призмы, зеркала, работающих в видимом и ИК спектральном диапазоне.

К примеру, одна из ведущих мировых компаний в области аналитического приборостроения, компания Bruker (Германия), использует в производимом ею Фурье спектрометре (FTIR Spetrometer ALPHA) оптику ZnSe, обеспечивающую благодаря уникальным свойствам селенида цинка достижение высоких технических параметров прибора и, что очень важно, устойчивую к высокой влажности.

Как известно, поликристаллический селенид цинка CVD-ZnSe получают в реакторах – установках, использующих процессы химического осаждения вещества из газовой фазы [2]. Аббревиатура CVD означает Chemical Vapour Deposition.

В ходе технологического процесса осаждение CVD-ZnSe осуществляется на графитовую подложку. При этом в качестве исходных реагентов используются пары цинка и газ селеноводород H₂Se.

Использование Chemical Vapour Deposition метода обеспечивает получение поликристаллического селенида цинка с низким содержанием примесей и структурных дефектов. При этом в зависимости от используемых параметров технологического процесса, таких как температура, давление и концентрация реагентов, размер зерна поликристаллического селенида цинка может варьироваться от 20 мкм до 150 мкм.

Результаты и их обсуждение

В настоящей работе представлены результаты исследования спектров фотолюминесценции образцов селенида цинка, имплантированных индием с различной концентрацией. Особенностью твердых растворов на основе соединений A^IIB^VI являются низкие энергии ионизации стехиометрических вакансий и междоузельных атомов, и, следовательно, эти структурные дефекты электрически активны в широком интервале температур [2, 4]. В структурах типа A^IIB^VI осуществляется смещенная ковалентно-ионно-металлическая связь. Они обладают структурой сфалерита, в химической связи которой большая доля ионной составляющей. Селенид цинка является широкозонным, ширина его запрещенной зоны составляет порядка E_g= 2,8 эВ.

Спектры фотолюминесценции получены методом Рамановской спектроскопии, которые измерялись с использованием InViaRaman спектрометра производства компании «Renishaw», Великобритания.

Возбуждение фотолюминесценции осуществлялось излучением Helium-Cadmium лазера с длиной волны излучения 325 нм и номинальной энергией 30 мВт.

Исследование спектров фотолюминесценции проводилось при температуре жидкого азота (T = 77,4 K) и комнатной температуре (295 К).

Спектры фотолюминесценции селенида цинка в зависимости от наличия примесей и температуры представляются, как правило, широкими полосами, расположенными в области длин волн 480–700 нм.

Так, в спектрах люминесценции селенида цинка с низкой концентрацией индия порядка 2×10¹⁶ см^–3 присутствует широкая полоса с максимумом на длине волны 490 нм. На рис. 1 представлен соответствующий спектр люминесценции селенида цинка, полученный нами при температуре T = 77,4 K.

Рисунок 1. Спектр фотолюминесценции ZnSe, имплантированного In с концентрацией 2×10¹⁶ см^–3

Рисунок 2. Участок исследуемой поверхности образца селенида цинка

Как известно из [1], широкая полоса свечения нелегированных кристаллов на длине волны 490 нм может быть вызвана присутствием изолированных центров кислорода (OSe), что согласуется с данными, представленными в [5].

В связи с этим можно сделать вывод о том, что наличие полосы люминесценции на 490 нм свидетельствует о присутствии в кристаллах селенида цинка неконтролируемых примесей кислорода. При этом в процессе наших экспериментов было установлено, что в кристаллах селенида цинка, имплантированных индием с концентрациями, превышающими 10¹⁷ см^–3 люминесценция кислорода не наблюдалась.

Спектры люминесценции селенида цинка в диапазоне 500–700 нм видоизменяются в зависимости от температуры и концентрации имплантированного индия. При этом если при температуре T = 77,4 K и концентрации имплантированного индия, значительно меньшей 10¹⁷ см^–3, в спектре люминесценции преобладают полосы, расположенные в начале указанного диапазона, а именно 500–600 нм (рис. 3), то при увеличении температуры до T = 295 K и концентрации имплантированного индия более 6×10¹⁸ см^–3 значительно возрастает удельный вес полос, расположенных в конце указанного диапазона (600–700 нм).

Рисунок 3. Спектр фотолюминесценции ZnSe, имплантированного Inс концентрацией 2×10¹⁶ см^–3

Полученные нами результаты исследований спектров люминесценции селенида цинка, имплантированного индием, хорошо согласуются с данными работы [6], представляющей результаты исследований спектров люминесценции селенида цинка, имплантированного алюминием.

При этом с ростом концентрации имплантируемого индия и ростом температуры ширина запрещенной зоны уменьшается от характерного для селенида цинка 2,7 эВ до 1,77 эВ величины, характерной для трехкомпонентной структуры цинк-индий-селен (Zn-In-Se). Это подтверждается тем, что с ростом металлической составляющей связи величина E_g = 2,8 эВ уменьшается, а также растет доля ионной составляющей в химической связи. При этом антиструктурные дефекты могут перемещаться по кристаллу.

Выводы

Из результатов проведенных исследований можно сделать вывод о том, что спектры люминесценции образцов селенида цинка, имплантированного различными примесями, могут быть использованы в качестве инструмента для проведения оценки их структурного совершенства и содержания собственных и примесных дефектов, а также присутствия в кристаллах неконтролируемых примесей и кислорода. Ведутся исследования по созданию приборов на основе как кристаллических, так и стеклообразных соединений типа CuInSe₂ (E_g = 0,86 эВ) и ZnGeAs₂ (E_g = 0,6 эВ). Многие из них могут быть использованы для создания приборов опто- и микроэлектроники, а также нанотехнологии.

Список литературы:
1. Ваксман Ю.Ф. ФТП. – 1995. – № 29 (2). – С. 346.
2. Гаврищук Е.М. Поликристаллический селенид цинка для инфракрасной оптики // Неорганические материалы. – 2003. – Т. 39, № 9. – С. 1030–1050.
3. Георгобиани А.Н., Котляревский М.Б. Известия АН СССР. Сер. Физ. – 1985. – № 49. – С. 1916.
4. Горелик С.С., Дашевский М.Я. Материаловедение полупроводников и диэлектриков. – М. : МИСИС, 2003.
5. Уханов Ю.Ю. Оптические свойства полупроводников. – М. : Наука, 1977.
6. Serdyuk V.V., Korneva N.N., Vaksman Yu.F. Phys. St. Sol. (a). – 1985. – № 91. – С. 173.