УДК 535.37+546.23'48
КВАНТОВЫЙ ВЫХОД КАТОДОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СЛОЕВ CdSe, ВЫРАЩЕННЫХ В КВАЗИЗАМКНУТОМ ОБЪЕМЕ © 2015 г. Э. А. Сенокосов*, В. И. Чукита*, И. Н. Один**, М. В. Чукичев**
*Приднестровский государственный университет им. Т.Г. Шевченко, Тирасполь **Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова e-mail: i.n.odin@mail.ru Поступила в редакцию 17.07.2014 г.
Установлена связь внешнего квантового выхода катодолюминесценции с технологическими условиями выращивания в квазизамкнутом объеме эпитаксиальных слоев n-CdSe и уровнем электронного возбуждения слоев. Наибольшее значение внешнего квантового выхода (2.2% при температуре 78 К) имели эпитаксиальные слои n-CdSe, выращенные в высокотемпературных условиях осаждения, близких к равновесным.
DOI: 10.7868/S0002337X15010170
ВВЕДЕНИЕ
Важнейшим требованием, предъявляемым к полупроводниковым излучающим элементам, является высокий внешний квантовый выход (next) люминесценции, обеспечивающий получение с единицы излучающей поверхности максимально возможной мощности светового потока. Величину next можно представить в виде произведения внутреннего квантового выхода света nint и коэффициента nopt, связанного с выводом света из полупроводника [1, 2]:
next = П intn opt.
(1)
Согласно уравнению (1), для получения высокоэффективного излучающего элемента необходимо достичь высоких значений коэффициентов nint и nopt.
В связи с важностью проблемы определения внешнего квантового выхода ниже рассматриваются основные определения при расчете next для случая плоской поверхности полупроводника (эпитаксиальные слои).
Особенности определения внешнего квантового выхода. Внутреннюю квантовую эффективность определяет конкуренция излучательной и безыз-лучательной рекомбинации неравновесных носителей заряда в активной области образца. Полная скорость их рекомбинации пропорциональна величине 1/т, которая определяется суммой вероятностей излучательной (1/тизл) и безызлучательной (1/тбез) рекомбинаций [3]:
- = -1- + -1-,
- -изл — без
где т, тизл, тбез — средние времена жизни неравновесных носителей заряда, определяющие соответствующие скорости рекомбинации.
Внутренний квантовый выход света Пы может быть представлен как отношение вероятности из-лучательных переходов к полной вероятности рекомбинации [4]:
■Hint = —
-изл
без
1
без
*из- + 1
-без
(3)
(2)
Из выражения (3) следует, что для достижения высокого значения п^ необходимо использовать прямозонные полупроводники, у которых тизл достаточно мало (10-8—10-9 с) [5]. Значение тбез должно при этом иметь величину значительно бьльшую, чем тизл. Этого можно достичь путем формирования активной области излучателя из высококачественных полупроводниковых материалов при условии минимизации в них концентрации дефектов как примесных, так и собственных, а также дислокаций, играющих роль центров безызлучательной рекомбинации.
Выход света из плоского полупроводникового источника в окружающую среду (воздух) будет происходить из конуса с вертикальным углом, определяемым углом полного внутреннего отражения фс. Из-за этого снижается доля фотонов, выходящих за пределы светоизлучающего элемента. Значению показателя преломления кри-
Технологические, ростовые параметры и электропроводность слоев я-Сё$е
Номер образца t о С t °С У = ^ ? и V, мкм/мин Б, мкм Ь, мкм а, См/см
1 650 480 0.26 4 40 30 1.6 х 10-7
2 650 500 0.23 3 30 120 2.5 х 10-8
3 680 550 0.19 2.5 25 400 1.4 х 10-9
4 680 600 0.12 1.5 15 600 5.0 х 10-10
Примечание. tи — температура испарения исходного материала; tп — температура подложки; V — скорость роста слоев; Б — толщина слоя; Ь — размер кристаллитов; ст — темновая электропроводность слоев при 298 К.
сталлов Сё8е пс = 2.6448 [6] соответствует угол полного внутреннего отражения, равный
фс = агс8Ш — = 24.7°,
Пс
(4)
где п0 — показатель преломления воздуха (п0 = 1). Следовательно, только часть света, генерируемого внутри слоя п-Сё8е, попадает в телесный угол фс и выходит за пределы полупроводника.
В случае если весь проходящий внутри конуса свет выходит в воздух, а внутри источника он распространяется изотропно, то в таком приближении для оценки величины коэффициента вывода света через плоскую поверхность границы раздела полупроводник—воздух использовали соотношение [3]:
Лор! =
( 1 - С°8 фс)
х 100 % = 3.7 %.
(5)
При более точном определении пор необходимо учитывать, что часть падающего перпендикулярно на плоскую поверхность полупроводника света отражается от нее обратно внутрь источника, и доля пропущенного света определяется выражением [3]:
Т =
4П0 Пс = 0.796.
(6)
(П0 + Пс)
С учетом этого пор определяется соотношением
Пор! = Т
(1 - СОБ фс)
X 100 =
= 22 П0 Пс ( 1 - С°5 ср с) х 100 = 2.95%.
(П0 + Пс) 2
(7)
Следовательно, доля света, выходящего из эпи-таксиального слоя через поверхность, не подвергнутую специальному структурированию, не может превышать 3% от всего изотропного излучения, генерируемого в активной области. Остальные 97%
фотонов поглощаются в эпитаксиальном слое и подложке.
Согласно уравнению (1), значение Пюй эпитак-сиальных слоев Сё8е может быть увеличено преимущественно за счет повышения их внутреннего квантового выхода. В соответствии с результатами работ [7, 8], это можно осуществить за счет резкого увеличения качества эпитаксиальных слоев Сё8е — их чистоты и кристаллического совершенства.
Целью данной работы является установление связи внешнего квантового выхода катодолюми-несценции с технологическим режимом выращивания в квазизамкнутом объеме эпитаксиальных слоев Сё8е и уровнем электронного возбуждения.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Технология выращивания эпитаксиальных слоев и-CdSe/слюда. Специально нелегированные слои Сё8е выращивали на подложках слюды (мусковита) методом термического испарения в квазизамкнутом объеме в вакууме = 1.3 х 10-2 Па. Исходным материалом для их получения служил порошок Сё8е "ос. ч.", который предварительно очищали сублимацией в вакууме. С помощью системы подогрева в камере создавали условия конденсации, близкие к равновесным.
Слои Сё8е осаждали на свежесколотые в вакууме поверхности слюды при температурах испарения исходного материала ^ = 650, 680°С и температурах подложек ^ = (480—600)°С. Параметр
М ( К - ¿и )
у = — =-, характеризующий степень при-
¿и ¿и
ближения к равновесию в зоне реакционной камеры, находился в пределах 0.12—0.26. Рентгенографические исследования показали, что слои Сё8е, выращенные в условиях, близких к равновесным (^ = 680°С, ^ = 600°С, у = 0.12), имели структуру типа вюртцита и были ориентированы плоскостью (0001) параллельно плоскости подложки. Поверхность таких слоев была зеркально
гладкой. Все слои были я-типа проводимости. Основные параметры исследованных слоев я-Сё8е приведены в таблице. Толщина слоев находилась в пределах 15—40 мкм. Линейные размеры кристаллитов составляли величину 30—600 мкм.
Методики катодолюминесценции и измерений мощности светового потока слоев CdSe. Возбуждение слоев Сё8е осуществляли импульсным электронным пучком, формируемым с помощью электронно-лучевой пушки. Энергию электронов при измерениях спектров катодолюминесценции (КЛ) поддерживали равной Ее = 40 кэВ, при которой глубина проникновения первичных электронов в слои составляла d — 5 мкм.
Длительность импульсов возбуждения была равной 0.2 мкс, а частота их следования — 200 Гц, что соответствовало скважности импульсов q = = 2.5 х 104. Диаметр пучка электронов на облучаемой поверхности слоев составлял -1 мм. Плотность тока возбуждения слоев изменяли в пределах Уе = (0.02—2.55) А/см2, что при Ее = 40 кэВ соответствовало скорости генерации электронно-дырочных пар в пределах (2.0 х 1024—2.3 х 1026) см-3 с-1.
Для измерения спектров КЛ использовали двухрешетчатый спектрометр ДФС-12 с линейным разрешением 5 А/мм. Спектры измеряли при температуре 78 и 298 К.
Блок-схема установки для измерения мощности светового потока Жсв приведена на рис. 1. Излучение из возбуждаемой области образца выводили через кварцевое окно криостата и направляли на катод вакуумного фотоэлемента, напряжение на котором поддерживали стабилизированным источником тока.
В качестве приемника света использовали фотоэлемент ФЭК-29КПУ с коаксиальным выводом, предназначенный для регистрации коротких световых импульсов и для преобразования их в аналоговый электрический сигнал. Абсолютная спектральная чувствительность цабс фотоэлемента на длине волны 0.694 мкм составляла 1.1 х 10-3 А/Вт, а погрешность ее определения — не более 15%. Со сопротивления нагрузки фотоэлемента (ЯН = 75 Ом) импульс напряжения А^т.фэк поступал на первый вход двухканального цифрового стробоскопического осциллографа марки TMR 8105. Для запуска осциллографа и сравнения формы импульсов электронного пучка и светового потока на второй вход осциллографа подавали импульс напряжения, генерируемый электронным пучком на диафрагме, ограничивающей диаметр пучка.
Мощность потока света Жсв, излучаемого образцом, рассчитывали по данным измерений амплитуды импульса напряжения А^т.фэк. Расчет производили с предположением, что интенсивность света, излучаемого плоской поверхностью образца в окружающую среду, распределяется со-
3 4
Рис. 1. Блок-схема экспериментальной установки для измерения мощности светового потока: 1 — излучение из возбуждаемой области образца; 2 — кварцевое окно криостата; 3 — катод вакуумного фотоэлемента; 4 — стабилизированный источник тока; 5 — стробоскопический осциллограф; 6 — диафрагма.
гласно закону Ламберта [3]; в принятом предположении для расчета Жсв получено выражение:
Ж =
А^т . фэк П
1 2 1 Г П
^и П отн П абс ^
(8)
где Жсв — мощность излучаемого образцом потока света, Вт; прт — относительная спектральная чувствительность ФЭК в реперной точке (при X = = 0.694 мкм); потн — относительная чувствительность ФЭК при Хмах спектральной полосы излучаемого образцом света; цабс — абсолютная спектральная чувствительность ФЭК в реперной точке; S = 12.6 см2 — освещаемая площадь фотокатода; г= = 7 см — расстояние от возбуждаемой точки на поверхности слоя я-Сё8е до фотокатода.
Мощность
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.