УДК 537.226;537.311.33
ЗАХВАТ И ДЕЛОКАЛИЗАЦИЯ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В КРИСТАЛЛАХ CdI2
С ПРИМЕСЬЮ PbI2 © 2012 г. А. В. Гальчинский*, Н. В. Глосковская**, Л. И. Ярицкая***
*Львовский медицинский институт, Украина **Институт теоретической физики им. Н.Н. Боголюбова Национальной академии наук Украины, Киев ***Львовский государственный университет безопасности жизнедеятельности МЧС Украины
e-mail: nglosk@gmail.com Поступила в редакцию 01.08.2011 г.
В температурном интервале 80—305 K комбинированным методом термо- и фотостимулированной деполяризации фотоэлектретного состояния кристаллов CdI2 с примесью PbI2 выделено две пары электронных и дырочных центров захвата. Электронные центры идентифицированы как РЬ+-цен-тры в 2Н- и 4Н-политипных модификациях нанокристаллических включений PbI2 в решетке CdI2; один из дырочных центров сопоставлен с вакансией Pb++. Показано, что все центры захвата бинарной кристаллической системы обусловлены наличием примеси PbI2 вследствие образования гетеропереходов между матрицей CdI2 и нанокристаллическими включениями PbI2. Рассчитана плотность распределения заполненных центров захвата по величине энергии активации.
ВВЕДЕНИЕ
В современной оптоэлектронике важное практическое значение имеет фотоэлектретный эффект, с использованием которого проводится запись оптических сигналов, их интегрирование и преобразование в электрические сигналы. Являясь хорошими поглотителями рентгеновских лучей, кристаллы иодидов кадмия и свинца, обладающие при этом люминесценцией, фотопроводимостью и фотоэлектретным эффектом, интересны для медицинских применений при записи и считывании информации [1, 2], а также в качестве детекторов для цифровой маммографии прямого преобразования [3].
Слоистые кристаллы иодидов кадмия и свинца обладают одинаковым типом кристаллической структуры с близкими параметрами решетки. Электронные конфигурации ионов кадмия (5р6) и свинца (б«2) определяют особенности их зонных спектров: кристаллы Сё12 характеризуются непрямой зонной структурой (АЕ = 3.5 эВ при 77 К), а кристаллы РЬ12 — прямозонные (АЕ = 2.5 эВ).
Цель данной работы — комплексное исследование термически и оптически стимулированной деполяризации фотоэлектретного состояния (ФЭС) кристаллов Сё12 с примесью РЬ12 (от 0.001 до 0.01%) для выяснения влияния нановключе-ний РЬ12 на энергетический спектр дефектов.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
Исследовали кристаллы, выращенные методом Бриджмена-Стокбаргера из соли иодида кадмия ("ч.д.а.", содержание свинца <0.002%) и из соли, очищенной комплексом физико-химических методов, включающим 40-кратную зонную плавку. Спектральный анализ очищенного сырья не фиксировал наличия в нем примеси свинца, но оптические и люминесцентные характеристики кристаллов позволяют оценить концентрацию последнего как <0.001%. Кроме того, были рассмотрены кристаллы с примесью иодида свинца (до 0.01%).
Для создания ФЭС образцы при низкой температуре в электрическом поле облучали светом из области длинноволнового спада собственного поглощения Сё12 (355 нм) либо в примесной полосе 384 нм, чтобы обеспечить объемную генерацию электронно-дырочных пар. После процедуры фотополяризации образец закорачивался и сохранялся в ФЭС.
Метод термостимулированной деполяризации (ТСД) обладает большей разрешающей способностью по сравнению с термостимулированными токами и люминесценцией, позволяя при этом исследовать локальные уровни в области ионной проводимости.
Кривые ТСД фотополяризованных кристаллов Сё12 с примесью РЬ12 были получены при регистрации тока разрядки электретного состояния
I, отн. ед. 7
1ТСД х1013, A 10
8
6
4
2
0
80 120 160 200 240 280 320 T, K
Рис. 1. Кривые ТСД фотоэлектретов С^2 с примесью РЬ12 (<0.001%) до (1) и после облучения светом с X = = 1400 нм (3); 2 — температурная зависимость изменения фоточувствительности кристаллов к световым импульсам с X = 1400 нм.
во время нагревания кристалла с постоянной скоростью.
Аналитическое выражение, описывающее ток ТСД, имеет вид:
I (T) = fg(E)exp
.El. kT
T
Iexp
To
.El )t '
kT
dE, (1)
где ю — частотный фактор, в — скорость нагрева, Еа — энергия активации дефекта, g(E) — функция распределения концентрации дефектов по энергии. Если экспериментальную температурную зависимость тока ТСД рассмотреть как левую часть такого равенства, получим интегральное уравнение, где сравниваются экспериментально определенные величины с теоретическим выражением. Численное решение этого уравнения дает возможность найти функцию распределения заполненных дефектов по энергии.
В данной работе также использовали комбинированный метод термо- и фотостимулирован-ной деполяризации, когда одновременно с записью тока ТСД при помощи фотозатвора на образец направляли малоинтенсивные импульсы света длительностью ~2 с из области индуцированной фотопроводимости, возникающей после предварительного облучения кристаллов УФ-све-том. Суммарная экспозиция таких световых импульсов была недостаточной для ощутимой оптической перезарядки уровней прилипания, однако она позволяла оценить корреляцию фоточувствительности кристаллов с заполнением соответствующих энергетических состояний.
Спектральную чувствительность ФЭС определяли в процессе фотодеполяризации сканирующим малоинтенсивным облучением с постоянным количеством квантов из области фоточувствительности образца, начиная с длинноволнового края. Во время таких опытов регистрировался ток фотодеполяризации, пропорциональный спектральной чувствительности (5^) при условии незначительного освобождения исходного фотоэлектретно-го заряда. Предложенная методика основывается на определении спектральной чувствительности ФЭС:
S =
dQ Qo Ldt9
(2)
где dQ — изменение заряда фотоэлектрета, Q0 — начальный заряд, L — количество квантов с длиной волны X за единицу времени, dt — время деполяризации.
Если аппаратными методами поддерживать изоквантовый световой поток (L = const), то
1 den - ~Q = SQL, dt
(3)
т.е. спектральная зависимость тока фотодеполяризации соответствует спектральной чувствительности ФЭС.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
На рис. 1 (кривая 1) представлен ток ТСД фотоэлектретов Сё12 с примесью РЬ12 (<0.001%). Максимумы находятся при 98, 112, 158, 202 (М1— М4) и 266 К (М6), при 230 К (М5) наблюдается перегиб, а вблизи 305 К (М7) имеется незначительный максимум (его интенсивность возрастает, если кристалл фотополяризовать при комнатной температуре, а затем охладить до 80 К). Кривые ТСД всех кристаллов содержат указанные максимумы. Отличие кристаллов, активированных РЬ12, состоит в значительном возрастании максимума при 230 К и его объединении с максимумом при 202 К в одну широкую полосу.
Амплитудные значения тока фотодеполяризации, который возникает при воздействии зондирующих световых импульсов с длиной волны 1400 нм, описывает кривая 2. На ней можно выделить три участка: первый — спад фоточувствительности в области 80—100 К, второй — незначительное ее изменение в интервале 100—150 К, третий — спад в пределах 150—190 К. Участки спада фоточувствительности совпадают с освобождением носителей заряда с уровней М1 (98 К) и М3 (158 К).
Для установления механизма влияния спектральной чувствительности уровней на заполнение центров захвата исследовали кривую ТСД образца, который перед проведением термодеполяризации
0
ЗАХВАТ И ДЕЛОКАЛИЗАЦИЯ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В КРИСТАЛЛАХ С<И2
497
был стандартно фотополяризован светом из области фундаментального поглощения при 80 К (рис. 1, кривая 1), а потом в электрическом поле облучался светом с X = 1400 нм (рис. 1, кривая 3).
В этом эксперименте свет из области 1400 нм освобождает носители заряда с фоточувствительных уровней прилипания, и они повторно захватываются на соответствующих (донорных либо акцепторных) уровнях, создавая таким образом фотоэлектретный заряд.
Так как электрическое поле образца состоит из внешнего электрического поля и внутреннего поля фотоэлектретного состояния и по величине приближается к нулю, носители заряда, освобождаемые с фоточувствительных уровней прилипания, практически не смещаются и после некоторого времени жизни в зонах захватываются на соответствующие уровни прилипания. Таким образом уровни, покидаемые носителями под действием ИК-облучения, и уровни, заселенность которых увеличивается, обмениваются носителями. На основании такой взаимосвязи можно выделить центры захвата, на которых локализуются носители одного знака.
Как видно из хода кривой 3, в этом эксперименте максимум М2 (112 К) возрастает вдвое, а максимумы Мх (98 К) и М3 (158 К) уменьшаются; максимум М4 (202 К) незначительно снижается. Полученные результаты можно объяснить так: свет из области 1400 нм освобождает носители заряда с уровня М3 [4], которые заселяют уровень М2, а также могут рекомбинировать с носителями, локализованными на уровнях Мх и М4. Эти результаты дают основание считать, что уровни М2 и М3 являются уровнями захвата носителей одного знака, а уровни Мх и М4 — противоположного.
Результаты численных расчетов плотности распределения заполненных уровней захвата кристаллов Сё12 с примесью РЬ12 по энергии активации приведены на рис. 2. Видно, что максимумы соответствуют значениям энергии 0.19, 0.30, 0.40 и 0.60 эВ. Из сравнения с рис. 1 следует, что расчетные значения достаточно хорошо совпадают с экспериментальными. Расхождения имеют место в области мелких уровней захвата с узкими и близко расположенными максимумами ТСД (Мь М2) и в области наиболее глубоких малоинтенсивных максимумов М6, М7. Существование перегиба на кривой ТСД в области 230 К проявляется в асимметрии расчетной кривой при 0.5 эВ.
На рис. 3 приведены кривые спектральной чувствительности ФЭС кристалла Сё12 с содержанием примеси РЬ12 < 0.002% в пределах 310—410 нм (слабый максимум в области 1400 нм не показан).
В интервале 80—305 К отмечаются следующие особенности:
8 7 6
Р
X 4
^ 3 2 1
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.
Е, эВ
Рис. 2. Функция распределения по энергиям заполненных уровней захвата кристаллов С^ с примесью РЬ12.
— при 80 К спектральная чувствительность ФЭС представлена доминирующим максимумом при 326 нм (прям
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.