Исследование фотолюминесценции легированных композитных пленок PbSe и твердых растворов Pb1-xCdxSe

Тропина, Наталья Эдуардовна

Исследование фотолюминесценции легированных композитных пленок PbSe и твердых растворов Pb1-xCdxSe тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

Тропина, Наталья Эдуардовна АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Санкт-Петербург МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.10 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Исследование фотолюминесценции легированных композитных пленок PbSe и твердых растворов Pb1-xCdxSe»

Автореферат диссертации на тему "Исследование фотолюминесценции легированных композитных пленок PbSe и твердых растворов Pb1-xCdxSe"

005058049

На правах рукописи

Тропина Наталья Эдуардовна

ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ ЛЕГИРОВАННЫХ КОМПОЗИТНЫХ ПЛЕНОК РЬБе И ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ РЬ1хС(/,£е

Специальность: 01.04.10 - Физика полупроводников

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

1В МАЙ 2013

Санкт-Петербург 2013

005058049

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор физико-математических наук, профессор Ильин Владимир Иванович.

Немов Сергей Александрович доктор физико-математических наук, профессор, профессор кафедры технологии и исследования материалов ФГБОУ ВПО «СПбГПУ»

Ишанин Геннадий Григорьевич, доктор технических наук, профессор, заместитель заведующего кафедрой экологического приборостроения и мониторинга ФГБОУ ВПО «СПбНИУ ИТМО»

Учреждение Российской академии наук Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе

Защита состоится «30» мая 2013 года в 14 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.229.01 при ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» по адресу: 195251, г. Санкт- Петербург, Политехническая ул., д. 29, корп. 4, ауд. 305.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет».

Автореферат разослан » апреля 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.229.01, профессор, доктор технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

В современной оптоэлектронике одним из приоритетных является направление, связанное с разработкой и созданием полупроводниковых источников инфракрасного (ИК) излучения для спектрально-аналитической аппаратуры различного назначения. Такие источники должны обладать высоким быстродействием, малым энергопотреблением, небольшими габаритно-весовыми параметрами и быть неприхотливыми к условиям эксплуатации.

Анализ существующих разработок по созданию ИК полупроводниковых источников показывает, что одним из наиболее перспективных приборов для работы в спектральном диапазоне 2.0-5.0 мкм являются фотолгоминесцентные излучатели на основе пленок РЬБе и Р1)/.хС^^е.

Основным недостатком широкополосных полупроводниковых источников ИК излучения является их низкая оптическая мощность. Несмотря на то, что известно достаточно большое количество способов увеличения мощности выходного излучения светодиодных структур, исследования, направленные на повышение эффективности излучения фотолюминесцентных излучателей на основе пленок РЬЯс и РЬ1_хСс1х8е до недавнего времени не проводились.

Отметим также, что для формирования фотолюминесцентных структур на основе пленок РЬйе и РЬ,.гСс1^е необходимо проведение таких технологических операций, как высокотемпературная обработка пленок в кислородсодержащей среде и обработка сформированных структур в парах йода. Изготовленные таким образом структуры представляют собой гетерогенные системы - РЬБе, окруженный «стекловидной» фазой. Это обстоятельство существенным образом осложняет исследование физических процессов, обуславливающих достаточно высокую эффективность подобных излучателей, и затрудняет поиски путей улучшения их характеристик.

Таким образом, актуальность работы определяется, с одной стороны, необходимостью дальнейшего развития представлений о физических процессах, имеющих место в пленках РЬБе и РЬ 1_хС\1хНс, а с другой - необходимостью повышения выходной мощности этих источников ИК излучения.

Целью диссертационной работы является исследование фотолюминесцентных структур на основе пленок РЬБе и РЬ/.^Сс/^е, направленное на улучшение их фотоэлектрических параметров, с целью создания полупроводниковых источников ИК излучения, отвечающих современным требованиям.

Для достижения поставленной в работе цели необходимо решить следующие задачи:

1. Методами растровой электронной микроскопии (РЭМ) и рентгенофазового анализа (РФА) изучить морфологию фотолюминесцентных пленок РЬБе на всех этапах их формирования.

2. Методами рентгеноструктурного анализа (РСА) и фотолюминесценции (ФЛ) исследовать влияние «стекловидной» диэлектрической фазы, как на кристаллиты РЬЗе, так и на фотолюминесцентные и оптические свойства структуры в целом.

3. Разработать комплекс спектрально-измерительной аппаратуры для исследования ФЛ композитных структур на основе пленок Ph.Se и РЬ,_хСс/х$е.

4. Исследовать возможность увеличения мощности фотолюминесцентного излучения в композитных пленках РЬБе за счет введения донорных (5/ и С Г) примесей.

5. Определить механизм увеличения мощности фотолюминесцентного излучения в композитных пленках РЬБе, обработанных в парах йода.

6. Исследовать возможность увеличения эффективности вывода излучения фотолюминесцентных композитных структур на основе пленок РЬБе.

Объектом исследования являются тонкопленочные структуры на основе РЬБе и его твердых растворов, сформированные вакуумным напылением на подложках из СаР2 и на стеклянных подложках, в том числе, подвергнутые последующей температурной обработке в кислородсодержащей среде.

Предметом исследования являются оптические и фотоэлектрические свойства пленок РЬБе и РЬ¡.хСс1хЗе.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Показано, что в состав «стекловидной» диэлектрической фазы фотолюминесцентных композитных структур входит аламозит РЬБЮ3, который может находиться, как в кристаллическом, так и в аморфном состоянии, в зависимости от способа формирования композита.

2. Установлено, что оптические переходы на пороге межзонного поглощения пленок Pb.Se и РЬ 1.хСс1хБе прямые, разрешенные, а наблюдаемое дополнительное поглощение может быть ассоциировано с "хвостами" плотности локализованных состояний, простирающимися вглубь запрещенной зоны полупроводникового материала.

3. Впервые экспериментально подтверждено, что легирование приграничных слоев кристаллитов РЬБе кислородом в процессе высокотемпературной обработки пленок в кислородсодержащей среде является объемным эффектом.

4. Впервые показано, что в процессе высокотемпературной обработки, в том числе и в парах йода, пленок РЬБе, сформированных на стеклянных подложках, происходит незначительное сжатие кристаллитов РЬ8е, которое не приводит к радикальным изменениям зонной структуры полупроводника.

5. Установлено, что увеличение мощности фотолюминесцентного излучения композитных пленок РЬБе достигается путем увеличения объема области пространственного заряда с пониженной концентрацией носителей заряда.

6. Показано, что коротковолновая граница спектра ФЛ в композитных пленках РЬБе при /¡v > Ег связана с межзонной рекомбинацией, а при /гу < Ех соответствует «хвостам» плотности состояний, обусловленными флуктуациям примесного потенциала.

7. Впервые показано, что при высокотемпературной обработке композитных пленок Pb.Se в парах йода, йод адсорбируется на поверхности кристаллитов Pb.Se.

8. Впервые в приближении теории эффективной среды определены дисперсионные зависимости эффективных показателей преломления и поглощения композитного излучающего слоя на основе РЬБе в спектральном диапазоне 2.0-7.0 мкм.

9. Впервые предложена методика расчета толщины дополнительного просветляющего слоя для увеличения эффективности вывода излучения фотолюминесцентных композитных структур на основе пленок Pb.Se.

Практическая значимость результатов, полученных в работе:

1. Разработан комплекс спектрально-измерительной аппаратуры для исследования ФЛ композитных структур на основе пленок Ph.Se и РЬ,_хСс1хЗе.

2. Получена информация о механизмах возникновения ФЛ и фотопроводимости (ФП) в композитных пленках Pb.Se, которая может быть использована для дальнейшего совершенствования оптоэлектронных приборов на их основе.

3. Показано, что применение в качестве подложек стекол с различным ТКЛР не приводит к заметным изменениям значений ширины запрещенной зоны в композитных пленках РЬБе, найденных из спектров ФЛ.

4. Разработана методика расчета дополнительного просветляющего покрытия для увеличения эффективности ИК источников излучения на основе композитных пленок РЬБе.

5. Показано, что нанесение пленки с оптимальной толщиной позволяет увеличить величину интегральной (по спектру) интенсивности ФЛ композитных пленок РЬ8е до 60 %.

6. Результаты работы использованы при выполнении ряда опытно - конструкторских работ, проводимых на предприятии ОАО «НИИ «Гириконд» по заказу ЗАО «Российские Электронные Компоненты и Системы» (ОКР «Факел», «Взрыв», «Резервуар») и Министерства Промышленности и Торговли РФ (ОКР «Матрица-ТК») в период с 2007 по 2009 год.

Достоверность результатов работы обеспечивается их воспроизводимостью и согласием с результатами теоретических и экспериментальных исследований, использованием аттестованных методик и аппаратных средств измерений.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Процесс создания композитной пленки сопровождается уменьшением концентрации свободных дырок вблизи поверхности кристаллитов РЬБе и межкристаллитных границ и появлением в ней ФЛ. Показано, что эффект легирования кислородом приграничных слоев кристаллитов является объемным.

2. Увеличение мощности фотолюминесцентного излучения композитных пленок РЬБе достигается путем увеличения объема области пространственного заряда с пониженной концентрацией носителей заряда в результате легирования донорными примесями.

3. Разработана методика расчета дополнительного просветляющего покрытия, позволяющего увеличить эффективность вывода излучения фотолюминесцентных структур на основе композитных пленок РЬБе.

4. Использование фотолюминесцентных композитных структур на основе пленок РЬБе и РЬ/.хСс1хЗе позволяет создавать высокоэффективные ИК полупроводниковые источники излучения для диапазона 2.0-5.0 мкм, удовлетворяющие требованиям современной оптоэлектроники.

Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

• III, XI, XII, XIII - всероссийские молодежные конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике. СПбГПУ, Санкт-Петербург, 2001, 2009 гг, 2010 г (Диплом за доклад) и 2011 г {Диплом за доклад).

• VI, VII — всероссийские межвузовские конференции молодых ученых. СПбГУ ИТМО, Санкт-Петербург, 2009 г. (Диплом за лучший доклад на секции «Элементная база оптико-электронных приборов»), 2010 г.

• VI-я Международная конференция молодых ученых и специалистов «Оптика— 2009». СПбГУ ИТМО, Санкт-Петербург, 19-21 октября, 2009 г.

• VII-я Международная конференция молодых ученых и специалистов «Оптика-2011». СПбГУ ИТМО, Санкт-Петербург, 17-21 октября, 2011 г.

Публикации. В диссертации обобщены результаты 14 работ автора, которые указаны в списке литературы. Пять работ опубликовано в журналах из перечня ведущих периодических изданий ВАК.

Личное участие автора. В материалах совместных работ личный вклад автора является определяющим. Основная часть теоретических и экспериментальных исследований выполнена автором самостоятельно. Формулировка направлений исследований, обсуждение и интерпретация результатов проводились совместно с научным руководителем.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, включающего 193 наименования. Основная часть работы изложена на 152 страницах машинописного текста. Работа содержит 67 рисунков и 9 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цели и задачи. Показана научная новизна полученных результатов и их практическая значимость. Перечислены основные положения, выносимые на защиту, приведены сведения об апробации работы, публикациях, структуре и объеме работы.

Глава 1 носит обзорный характер. Представлен анализ имеющихся на рынке полупроводниковых источников ИК излучения. Проведен обзор литературных данных, касающихся основных свойств халькогенидов свинца. Представлены имеющиеся в литературе модели, применяемые для описания фотоэлектрических свойств исследуемых структур. Отмечено, что тематика работы связана с дальнейшим развитием представлений о фотоэлектрических и оптических свойствах пленок РЬБе и РЬ 1_хСс1хБе, легированных различными примесями, а также с перспективами повышения выходных параметров источников ИК излучения.

В Главе 2 приведено описание методик и экспериментального измерительного оборудования, используемых в работе для исследования оптических и электрофизических

параметров образцов. В частности, приводится методика расчета оптических констант слоя по спектрам

пропускания и отражения с применением специально созданной компьютерной программы. Кроме того, приведено описание специально разработанного спектрально-измерительного оборудования для

исследования ФЛ пленок РЬ5е и РЪ1.хСс1х'8е и оригинального программного обеспечения, позволяющего исследовать спектральное распределение и мощности фотолюминесцентного излучения образцов [1].

В Главе 3 представлены результаты исследования пленок РЬБе и РЬ¡_хСс1хБе, сформированных на аморфных и кристаллических подложках. В частности, представлены результаты исследования коэффициента поглощения а(Иу) пленок РЬБе и РЬ]_хСс1х8е, спектров их ФЛ, морфологии и параметра решетки, а также некоторых электрофизических свойств. Исследования проводились на образцах, полученных термическим осаждением в открытом вакууме. В качестве подложек использовались подложки из Са¥2 со значением температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР) 18.38-10"6 К1, близким к ТКЛР РЬБе (19.4-10"6 К"1) и пластинки толщиной 150 мкм из стекол с различными значениями ТКЛР: 7.5-10"6 К"1, 8.5-10"6 К'1,

0.14 0.2 0.3 0.5

¡IV, эВ

Рис. 1 Спектры

оптического поглощения пленок РЬ,.хСс1^е/СаР2.

Точки - эксперимент(Т=300 К): • -х=0, о -х=0.04, А - х=0.1, х - х=0.2. Линии - расчет при: 4а =0.23 эй ,4а. =0.22 эВ

где /е(Ес) и уі,(£„) - фермиевские функции, - показатель преломления.

10 20.....130"""40 50 60 70""

20. град

1.5-10

8 но' &

с:

1 5-Ю3

10 20 30 40 20. [рад

а) б)

Рис. 5. Рентгенограммы композитной пленки Pb.Se

а) композитная пленка РЬве, без обработки в парах йода:

б) композитная пленка Ph.Sc, обработанная в парах йода

60 70

1,00

При расчете спектров ФЛ были существенно использованы результаты исследований спектров а(/гу) в РЬ ^х5п(Ое)х8е , х< 0.02 2, в которых было установлено, что незначительные (в пределах ± 20 мэВ) вариации Ен в РЬ 1_х8п(Се)х8 не приводят к заметным изменениям спектральных зависимостей коэффициента межзонного поглощения а(/1У-Е„).

Это позволило нам смещать кривую а (Иу), полученную в пленках РЬ5е/СаР2, вдоль оси энергии, добиваясь совпадения расчетных зависимостей и экспериментальных точек, и определить тем самым £„ в композитных пленках РЬБе. Достигнутое согласие расчетных и экспериментальных точек указывает на то, что локализованные состояния, образующие "хвосты", возникают на стадии роста пленок и не претерпевают заметных изменений в процессе формирования композита. Природа "хвостов" остается невыясненной. Близость полученных нами результатов к данным для монокристаллических образцов ', дает основания предполагать, что "хвосты" присущи материалу, и обусловлены особенностями процессов дефектообразования в РЬБе.

Полученные при помощи расчета спектров ФЛ значения £^,=0.284±0.003 эВ оказались ниже порога £¿,2=0.3 эВ, обнаруженного при анализе спектров а(ку) в пленках РЬ8е/СаР2, что указывает на сжатие пленок, происходящее в процессе рекристаллизации РЬБе, под действием нарастающей вокруг них диэлектрической фазы [6].

Помимо этого, исследования спектров ФЛ, дополненные измерениями коэффициента Холла, показали, что концентрация дырок в светоизлучающих областях

0,25

0,28 0,32 0,3в 0,40 Лу, эВ

Рис. 6. Спектры ФЛ композитных пленок /7)Л'е при Т= 300 К.

▲, • - исходные пленки + — пленка, обработанная в парах йода,

о - исходная пленка с удаленной

"стекловидной " фазой. х - пленка, обработанная в парах йода с удаленной "стекловидной " фазой

Вепс А. Н. Энергетический спектр вакансий халькогена в электронном ссленпдс свинца по данным оптического поглощения / ДАН СССР. 1986. -Т.289.Х» 6. - С. 1355-1359.

композитных пленок РЬБе снижается. Это указывает на то, что появление ФЛ в композитных пленках РЬ8е обусловлено наличием областей с пониженной концентрацией носителей. Энергетическая диаграмма композитных пленок РЬБе, отвечающая экспериментальным данным, представлена на рис. 7-1.

Отсутствие снижения интенсивности ФЛ, а так же отсутствие изменений в спектрах ФЛ (рис. 6) при удалении С1, МКМ диэлектрической фазы в трилоне Б означает, что легирование пленок кислородом представляет собою объемный эффект [б].

Возможной причиной, вызывающей понижение Ц концентрации дырок, как в приповерхностных областях

композитных пленок, так и в области межкристаллитных с! МКМ границ, может служить компенсация акцепторного действия кислорода, захватываемого пленкой РЬЗе в процессе формирования композита, собственными донорными дефектами.

Факт отсутствия изменения в величине Ех РЬБе, входящего в состав композитной пленки, после удаления диэлектрической фазы свидетельствует о том, что пленки по-прежнему сжаты. Однако параметр решетки возрастает в них до значений, характерных для исходных поликристаллических образцов, свидетельствуя о том, что удаление диэлектрической фазы сопровождается исчезновением сжимающих кристаллиты напряжений. Отмеченное несоответствие между характером изменения величин Е^ и а0 обусловлено особенностями измерения параметра решетки с использованием дифракционной линии (600), которые позволяют получать информацию, касающуюся приповерхностных слоев структуры. Морфологическое

СІ, МКМ

Рис. 7 Энергетические диаграммы РАЗе без Ві, входящего в состав:

1- композитной пленки: композитных пленок при обработке в парах йода: 2-І ~ 5 е., 3 ¡> 5с.,4-і ~ 50 с

Таблица. 1. Изменения характеристик рентгеновского отражения (600) на разных стадиях формирования композитных пленок и их обработки

строение композитных пленок РМе таково, что кристаллиты РЬБе плотно прижаты друг другу, а пленка обладает хорошей адгезией к стеклу. Именно это обстоятельство и не позволяет отдельным кристаллитам расширяться в направлениях, параллельных плоскости подложки. Однако, удаление диэлектрической фазы, позволяет пленке расширяться вверх, что и фиксируется методом РСА.

Обработка композитных пленок РЬБе в парах йода приводит к увеличению в них интенсивности ФЛ (рис. 6) и, что самое главное, в них появляется ФП, которая отсутствовала, как в поликристаллических, так и в композитных пленках РЬЯе. Это

Образцы а, А

Поликристаллпческий образец 6.12В

Композитный образец 6.125

Композитный образец, обработанный в парах йода 6.124

Композитный образец, обработанный в трилоне Б 6.129

Композитный образец, обработанный в парах йода и в трилоне Б 6.128

их поверхности возникает рекомбинационный барьер, благодаря легирующему действию кислорода (рис. 11-1).

Поэтому мощность ФЛ возрастает за счет увеличения объема обедненной области, а ФП появляется благодаря возникающему в них потенциальному барьеру, способствующего пространственному разделению фотовозбужденных носителей заряда.

Обработка композитных пленок РЬ8е:Вг (А^, = 0.0165 вес. %) в парах йода (продолжительностью примерно 5 с) приводила к резкому возрастанию ФЛ (рис. 8), что может свидетельствовать о возникновении второго барьера, расположенного в приповерхностных слоях кристаллитов (рис. 11-2). Травление композитных пленок РЬБе.Ы, обработанных йодом, в трилоне Б, как и в случае композитных пленок без примесей (Глава 3), приводило к уменьшению ФЛ до исходных значений (до их обработки йодом, рис. 8). Этот факт может рассматриваться в качестве подтверждения того, что влияние йода на свойства РЬБе обусловлено поверхностным эффектом.

На основании полученных результатов по кратковременной обработке композитных пленок в парах йода было признано целесообразным проведение дополнительных исследований, направленных на выяснение возможности повышения ФЛ композитных пленок РЬБе, как легированных донорными примесями, так и нелегированных, за счет длительной обработки в парах йода.

Для изучения динамики изменения свойств композитных пленок РЬБе после обработки в парах йода, обработка проводилась ступенчато, в течение ряда промежутков времени длительностью 5 с. При этом после каждого этапа изучались их ФЛ и ФП (рис. 9, 10). Видно, что динамика изменения свойств композитов, содержащих и не содержащих Вг в парах йода, качественно различна. Это позволило предполагать, что за изменение свойств композитных пленок Р/>Ле без В/, происходящих при обработке их в парах йода, ответственна физическая адсорбция, в результате чего на поверхности этих

пленок происходит индуцирование положительного заряда. Это в свою очередь приводит к инверсии типа проводимости р—>и в приповерхностных областях кристаллитов, и к образованию барьера, способствующего разделению фотовозбужденных носителей тока (рис. 7-2).

В экспериментах было установлено, что длительная обработка композитных пленок РЬБе без В/ в парах йода приводит к уменьшению их толщины.

и ¿и *»и ои

г, с

Рис. 9 Зависимость величины ФЛ композитных пленок РЬЪе от времени обработки в парах йода.

• - легированных висмутом N^=0.0165 вес. %, + - без примесей

0 10 20 30 40 50

Рис. 10 Зависимость величины ФП композитных пленок РЬЗе от времени обработки в парах йода.

• - легированных висмутом Ыв,=0.0165 вес.%,

+ - без примесей

М-

"с!, мкм Ц

с!, мкм Ц

______

---- ц

При этом, однако, не происходит изменения механизма адсорбции йода, поскольку обнажающиеся внутренние области кристаллитов РЬБе также обладают проводимостью р - типа (рис. 7-3,4). Кроме того, длительная обработка йодом композитных пленок РЬБе без Ш должна сопровождаться увеличением концентрации адсорбированного йода на их поверхности. Следствием чего является наблюдаемое улучшение их фотолюминесцентных и фотопроводящих свойств. В пользу этого предположения свидетельствуют, как изменение цвета композитной пленки от серого до огненно—рыжего в процессе обработки йодом, так и увеличение интенсивности рефлексов, соответствующих РЫ2.

Особенности зависимостей ФЛ и ФП композитных пленок РЬ5е:В/ (ЛГл- = 0.0165 вес. %) от времени обработки в парах йода могут указывать на то, что в процессе такой обработки может меняться тип адсорбции йода на поверхности кристаллитов РЬБе (рис. 9, 10). При кратковременной обработке происходит С1, МКМ образование второго барьера за счет физической адсорбции йода (рис. 1 1-2). Длительная обработка таких пленок в парах йода ирнво.ип к уменьшению толщины кристаллитов РЬБе, велели вис чего, млн существенно уменьшается толщина области с /;-тнпом ироводимосги, или эта область полностью исчезает (рис. 11-3,4).

В итоге обнажается внутренняя часть кристаллитов с проводимостью п - типа, что приводит к переходу от физической адсорбции йода к «прочной» форме хемосорбции (и-связь или акцепторную связь). На поверхности кристаллитов РЬБе накапливается отрицательный заряд, который компенсируется положительно заряженными донорами в объеме. Таким образом, вблизи поверхности возникает проводимость р-типа за счет изгиба зон вверх, и в результате опять же возникает п-р - барьер (рис. 1 1-4). Это весьма вероятно ввиду того, что при достаточно высокой энергии ионизации йода - 9.97 эВ, сродство к электрону у йода также велико х= 3.08-3.23 эВ а, следовательно, велика и вероятность захвата электрона из кристаллической решетки РЬБе. Образованный п-р- барьер, по-видимому, не столь совершенен, как в случае композитных пленок РЬБе:В'1, не обработанных йодом. Поэтому в них ФП существенно ниже, а ФЛ монотонно снижается к своему исходному значению, характерному для пленок, не обработанных в парах йода.

В Главе 5 исследована возможность увеличения эффективности вывода излучения фотолюминесцентных структур на основе РЬ8е путем нанесения дополнительного просветляющего слоя. При этом, для расчетов, связанных с определением показателя преломления и геометрической толщины дополнительного слоя было необходимо провести расчет спектральных характеристик отражения исходной полупроводниковой структуры.

Для учета интерференции и рассеяния в фотолюминесцентной структуре в работе предложена трехслойная модель с центральным слоем из композита на основе РЬБе и обрамляющими диэлектрическими слоями, основным компонентом которых является аламозит РЬ8Ю3 [8]. Предложенная модель по своим оптическим характеристикам эквивалентна объекту исследования - пленке РЬБе, подвергнутой температурной

С1, МКМ

Рис. 11. Энергетические диаграммы РЬ8е:Ш (/V«,=0.0165 вес. %), входящего в состав:

I-композитной пленки: композитных пленок при обработке в парах йода.

2-1-5 с, 3 1> 5с, 4-1 -50 с

обработке. Центральный (излучающий) слой трехслойной модели представлен композитной средой с эффективными значениями показателей преломления и поглощения. Расчет эффективных значений и и к в спектральном диапазоне 2.0 - 7.0 мкм для этого слоя проводился по значениям диэлектрической проницаемости еед- в соответствии с положениями теории эффективной среды. В приближении фон Бруггемана, которое является хорошим приближением для систем, образованных агрегированными частицами, были вычислены дисперсионные зависимости эффективных показателей преломления и поглощения композитного излучающего слоя на основе РЬЗе в спектральном диапазоне 2.0 — 7.0 мкм [9].

Эффективная величина еед- многокомпонентной системы была найдена по известным диэлектрическим функциям отдельных веществ, образующих гетерогенную систему, по формуле:

к +у =0 (2)

£« + 2 £,!Г £ь + 2%

где еа, еь и У/, — диэлектрические функции и объемные доли компонент а и Ь, соответственно. При этом за компоненту а принимается РЬЗе, а за компоненту Ь — РЪБЮз.

Формализация предложенной трехкомпонентной системы сводится к определению параметров (физических толщин, а также показателей преломления и поглощения) всех трех слоев, образующих тонкопленочную модель.

В работе расчет физических (геометрических) толщин пленок проводился по спектральным характеристикам зеркального отражения структуры в контексте вариационной постановки задачи с использованием концепции функции качества. При

этом в пространстве параметров где с1,, с!2 и с13 — физические толщины

слоев предложенной трехслойной модели, строилась последовательность £), —> £)2 —> ¿)3 —>..., доставляющая минимум функции качества Р(0!) > Р(Г)2) > Р(Г)1)>..., а сама функция качества, определенная на дискретном множестве, содержащем I точек, записывалась в виде:

=)|л(<М) - й„(Л)|" |" > (3)

где , X) — текущее спектральное значение коэффициента отражения,

ВД) —заданное значение коэффициента отражения, уу(Я,;) — весовая функция, ¡7 — целое положительное число. В работе параметр q был принят равным 2. В этом случае представление функции качества в виде (3) соответствовало среднеквадратичному приближению.

Задача отыскания вектора

обеспечивающего минимум функции качества (1), решалась наиболее употребительными для подобных задач градиентными методами многопараметрической оптимизации.

Расчетный спектр отражения, соответствующий найденному решению, достаточно точно совпадал с экспериментальными данными, что позволило применить предложенную модель для дальнейшего расчета просветляющего слоя.

представлены результаты разработки иммерсионного фотогальванического инфракрасного приемника с малоразмерным фоточувствительным элементом (250x250 мкм) для использования в аппаратуре бесконтактного обнаружения перегрева букс железнодорожных вагонов на ходу состава.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в работе.

Основные результаты работы

1. Выполнены исследования спектральных зависимостей коэффициента поглощения в блочно - эпитаксиальных пленках Pbi.xCdxSelCaF2, не содержащих легирующих примесей. Показано, что во всех твердых растворах на пороге межзонного поглощения реализуются прямые, разрешенные оптические переходы. Установлено, что исследуемые пленки испытывают деформацию растяжения в плоскости (111). Показано, что с возрастанием содержания кадмия в шихте ширина запрещенной зоны Eg Pbi.xCdxSe возрастает, причем при х<0.1, по закону, близкому к линейному. Установлено, что при hv<Eg во всех спектрах оптического поглощения присутствует дополнительное поглощение, которое может быть ассоциировано с "хвостами" плотности локализованных состояний в запрещенной зоне исследуемых материалов.

2. Методами РФА и РЭМ исследована морфология фотолюминесцентных композитных структур на всех этапах их формирования. Впервые установлено, что в состав «стекловидной» диэлектрической фазы, покрывающей полупроводниковый материал, входит аламозит PbSi03, который может находиться, как в кристаллическом, так и в аморфном состоянии, в зависимости от способа формирования композита. Показано, что в процессе высокотемпературной обработки происходит сжатие кристаллитов PbSe, обусловленное деформирующим воздействием со стороны диэлектрической «стекловидной» фазы.

3. Показано, что формирование композитных пленок PbSe. не содержащих легирующих примесей, сопровождается уменьшением концентрации свободных дырок вблизи поверхности кристаллитов PhSc н появлением в них ФЛ. Показано, что коротковолновая граница спектра ФЛ во всех комиозшных пленках PbSc при liv > связанна с межзонной рекомбинацией, а при hv < Ек сошвстствусг "xbockim" плотности состояний, обусловленным флуктуациями примесного потенциала. Установлено, что "хвосты" плотности локализованных состояний не изменяются заметным образом на всех стадиях формирования композитных пленок. Установлено, что травление диэлектрической «стекловидной» фазы в трилоне Б не приводит к изменению мощности фотолюминесцентного излучения. Полученный результат является первым прямым экспериментальным подтверждением того, что легирование приграничных слоев кристаллитов PbSe кислородом является объемным эффектом.

4. Установлено, что мощность фотолюминесцентного излучения в композитных пленках PbSe возрастает при введении Bi в полупроводниковый материал в процессе его синтеза. Предложена энергетическая диаграмма кристаллитов композитных пленок PbSe:Bi, предполагающая конверсию типа проводимости с р на п внутри кристаллитов на стадии синтеза материала при введении висмута NBi > 0.0165 вес. % и инверсию типа проводимости в поверхностных частях кристаллитов п—*р в процессе высокотемпературной обработки поликристаллических пленок в кислородсодержащей среде. Показано, что ФП в композитных пленках PbSe.Bi свидетельствует о появлении в них барьера, обуславливающего пространственное разделение фотовозбужденных носителей заряда, а рост ФЛ - увеличением объема области пространственного заряда с пониженной концентрацией носителей заряда.

5. Показано, что обработка композитных пленок PbSe, как содержащих, так и не содержащих легирующих примесей, в парах йода приводит к увеличению мощности фотолюминесцентного излучения. Установлено, что эффект легирования йодом является поверхностным. Показано, что экспериментальные данные могли быть непротиворечиво объяснены, если предположить, что при высокотемпературной обработке в парах йода, йод адсорбируется на поверхности кристаллитов PbSe. Причем адсорбция может переходить из физической в химическую, в зависимости от типа проводимости в приповерхностных слоях композитных пленок PbSe.

6. Показано, что нанесение дополнительного покрытия позволяет увеличить величину интегральной (в пределах всего измеряемого спектра) интенсивности фотолюминесценции композитных пленок PbSe. Разработана методика расчета оптимальной толщины дополнительного просветляющего слоя. Предложена трехкомпонентная тонкослойная модель, учитывающая интерференционные эффекты и рассеяние излучения на пространственных неоднородностях слоя PbSe, по своим оптическим свойствам эквивалентная реальному объекту исследования. Решением задачи многокритериальной оптимизации построенного соответствующим образом функционала качества определены параметры предложенной модели. Для корректного расчета оптических свойств тонкопленочной системы, в приближении фон Бруггемана впервые определены эффективные значения оптических констант композитного слоя PbSe в области длин волн 2-7 мкм. Использование результатов расчета тонкопленочного покрытия в производстве позволило увеличить величину интегральной мощности ФЛ излучения композитных пленок на 60 %.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах автора:

1. Тропина, Н. Э. Спектрально-измерительная установка для исследования фотолюминесценции поликристаллических слоев Pb/.xCdxSe / Н. Э. Тропина,

B. И. Ильин // Сборник трудов VII Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых. СПбГУ ИТМО. - 2010 г. - С. 73-74.

2. Тропина, Н. Э. Влияние диэлектрической фазы на спектр фотолюминесценции фрактально структурированных нанокомпозитных пленок селенида свинца / Н.Э. Тропина, З.Н.Петровская, И. О. Черноглазова // ФТП. - 2009. - Т.43, вып. 11. -

C. 1477-1480.

3. Мазина (Тропина), Н. Э. Тонкопленочные структуры на основе полупроводниковых материалов селенида свинца и твердых растворов селенида свинца и кадмия. Фотоэлектрические приборы на их основе / Н. Э. Мазина (Тропина), Л. К. Дийков // Сборник тезисов докладов. III всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике. СПбГТУ. — 2001. — С. 83.

4. Тропина, Н. Э. Особенности энергетического спектра пленок PbSe, сформированных на кристаллических и аморфных подложках / Н. Э. Тропина,

B. И. Ильин, А. Н. Вейс / Сборник тезисов докладов. XIII - я Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике. СПб ГПУ. -2011 г. - С. 11.

5. Тропина, Н. Э. Исследование оптических свойств поликристаллических пленок PbSe и Pbi.xCdxSe / Н. Э. Тропина, А. Н. Тропин // Сборник трудов VII-ой Международной конференции молодых ученых и специалистов «0птика-2011». СПбГУ ИТМО. - 2011 г.

C. 325.

6. Вейс, А. Н. Особенности энергетического спектра и свойств поликристаллических пленок РЬ1.хСс]хБе, сформированных на подложках из фтористого кальция и стекла / А. Н. Вейс, В. И. Ильин, Н. Э. Тропина // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки-2012 г. - Т.16. - № 2. - С. 7 - 17.

7. Тропина, Н. Э. Фотолюминесценция композитных пленок на основе РЬ1_хСс1х5е, легированных висмутом / Н. Э. Тропина, В. И. Ильин//Сборник тезисов докладов. ХП-я Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике. СПбГПУ. - 2010 г. - С. 14.

8. Тропина, Н. Э. Уменьшение потерь на отражение в светоизлучающих структурах на основе поликристаллических слоев / Н. Э. Тропина, Л. К. Дийков, А. Н. Тропин // Сборник тезисов докладов. Х1-я Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике. СПбГПУ. - 2009 г. - С. 33.

9. Анисимова, Н. П. Увеличение эффективности вывода излучения тонкопленочных фотолюминесцентных композитных структур на основе РЬБе / Н. П. Анисимова, Н. Э. Тропина, А. Н. Тропин // ФТП. - 2010. - Т.44, Вып. 12. - С. 1602-1606.

10. Тропина, Н. Э. Полупроводниковые источники излучения для инфракрасной области спектра / Н. Э. Тропина, А. Н. Тропин // Компоненты и технологии.- 2008. - № 11. -С. 152-153.

11. Тропина, Н. Э. Инфракрасные приемники на основе пленок селенида свинца для спектрально-аналитической аппаратуры / Н. Э. Тропина, Л. К. Дийков // Сборник трудов У1-ой Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых. СПбГУ ИТМО. -2009 г. - С. 7-11. Диплом за лучший доклад на секции «Элементная база оптико-электронных приборов».

12. Тропина, Н. Э. Многоэлементные приемники на основе селенида свинца для области спектра 2-5 мкм / Н. Э. Тропина // Научно технический вестник СПбГУ ИТМО. -2009,-№6 (64).-С. 47-53.

13. Тропина, Н. Э. Многоэлементные многоспектральные приемники на РЬ/.хСЛ^е для области спектра 1.5-5.0 мкм / И. Э. Тропина, А. Н. Тропин//Сборник трудов У1-ой Международной конференции молодых ученых и специалистов «0птика-2009». СПбГУ ИТМО. - 2009 г. С. 310-313.

14. Мазина (Тропина), Н. Э. Иммерсионный фотогальванический приемник ИК-излучения для датчика перегрева букс / С. П. Варфоломеев, Н. Э. Мазина (Тропина) // Датчики и системы. - 2006. - Т.6, № 85. - С. 22-25.

Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность за ценные советы, постоянное внимание и поддержку в процессе подготовки диссертационной работы, а так же за обсуждения результатов работы: проф., д.ф.-м.н. В. И. Ильину, проф., д.ф.-м.н.

A. Н. Вейсу, к.т.н., лауреату Государственной премии СССР, доценту |Л. К. Дийкову|, Н. П. Анисимовой, к.т.н., лауреату Государственной премии СССР, доценту

B. П. Горохову, к.т.н., доценту Б. А. Таллерчику, к.ф.-м.н. А. Н. Тропину, С. П. Тесленко,

C. В. Штельмах и В. А. Крупенникову. Автор также признателен всему коллективу НПО НПР, Ф и Д, предприятия ОАО «НИИ» Гириконд» (г. Санкт-Петербург).

Подписано в печать 11.04.2013. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 10553Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.:(812)550-40-14 Тел./факс: (812) 297-57-76

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Тропина, Наталья Эдуардовна, Санкт-Петербург

см 00

| ФГБОУ ВПО САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи^

Тропина Наталья Эдуардовна

і і

Исследование фотолюминесценции легированных

композитных пленок РЬЗе и твердых растворов

РЪ^Сй^е

Специальность 01.04.10 - Физика полупроводников

Диссертация на соискание ученой степени

О— I кандидата физико-математических наук | 1

_ СО

ю -

со а

со

О о I

_■ 1

СМ ®

^ НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ , •

^^ доктор физико-математических наук,

I профессор Ильин В.И. '

Санкт-Петербург 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

Введение......................................................................................................................................................4

ГЛАВА 1. Обзор литературы................................................................................................16

1.1. Оптоэлектронные компоненты для спектрально-аналитической аппаратуры..................................................................................................................................................................16

1.1.1. Источники излучения................................................................................................................16

1.1.2. Коэффициент вывода излучения..................................................................................19

1.2. Физико-химические свойства халькогенидов свинца....................................................22

1.2.1. Кристаллическая структура..................................................................................................................22

1.2.2. Термодинамические свойства............................................................................................................23

1.2.3. Зонная структура..............................................................................................................................................24

1.3. Примеси и дефекты в халькогенидах свинца........................................................................28

1.4. Фотоэлектрические свойства халькогенидов свинца......................................................31

1.4.1. Фотопроводимость тонких пленок халькогенидов свинца................32

1.4.2. Фотолюминесценция тонких пленок халькогенидов свинца..........33

Выводы к Главе................................................................................................................................................................36

ГЛАВА 2. Методики исследования...................................

2.1. Расчет оптических констант поликристаллических пленок РЬБе и

РЬ,.хСс1¿е....................................................................................................................................................................38

2.2. Рентгеновские методы исследования композитов на основе РЬЗв....................44

2.3. Спектрально-измерительная аппаратура для исследования фотолюминесценции композитных пленок РЬБе и РЬ1.хС(1х8е..............................45

2.4. Эффекта Холла........................................................................................................................................................50

2.5. Методика измерения фото- и темновой проводимости................................................51

Выводы к Главе 2............................................................................................................................................................52

ГЛАВА 3. Исследование структурных особенностей и их влияния на фотолюминесценцию композитных пленок РЬ8е И РЬ1.хС(1хЗе...........................................................................

3.1. Постановка задачи........................................................................ 54

3.2. Характеристики исходных материалов и выбор объекта исследования... 55

3.3. Структурные свойства и морфология пленок РЬБе на стеклянных подложках................................................................................... 67

3.4. Исследование спектров фотолюминесценции пленок РЬБе на стеклянных подложках.................................................................. 85

3.4.1. Композитные пленки РЬБе на стеклянных подложках.............. 86

3.4.2. Композитные пленки РЬБе, обработанные в парах йода........... 94

3.4.3. Фотолюминесцентные композитные пленки РЬБе, сформированные на стеклянных подложках с различными значениями ТКЛР............................................................. 96

Выводы к Главе 3.............................................................................. 98

Стр.

ГЛАВА 4. Влияние легирования донорными примесями на

фотолюминесценцию и свойства композитных пленок PbSe......

4.1. Постановка задачи................................................................................................................................................101

4.2. Пленки PbSe, легированные висмутом и хлором................................................................103

4.3. Свойства композитных пленок PbSe, легированных висмутом

Nb, = 0.0165 вес. % и обработанных в парах йода..................................................................106

Выводы к Главе 4............................................................................................................................................................118

ГЛАВА 5. Увеличение эффективности вывода излучения....................120

ч 5.1. Объект исследования и постановка задачи..............................................................................121

5.2. Модель композитной фотолюминесцентной структуры............................................127

5.3. Выбор материала и расчет толщины просветляющей пленки..............................134

5.4. Экспериментальная часть............................................................................................................................136

Выводы к Главе 5............................................................................................................................................................138

ГЛАВА 6. Инфракрасные фотолюминесцентные источники

излучения и октроны на основе PbSe и Pb\.xCdxSe..........................................140

6.1.Фотолюминесцентные источники ИК излучения (ФЛИ)............................................142

6.2. Октрон - оптопара с открытым оптическим каналом................................................144

Выводы к Главе 6............................................................................................................................................................148

Заключение............................................................................................................................................................................149

Благодарности....................................................................................................................................................................152

Список работ автора................................................................................................................................................153

Список литературы......................................................................................................................................................154

Введение

Актуальность работы. В современной оптоэлектронике одним из приоритетных является направление, связанное с разработкой и созданием полупроводниковых источников инфракрасного излучения для спектрально-аналитической аппаратуры различного назначения, работающих при Т=300К. Такие источники должны обладать высоким быстродействием, малым энергопотреблением, небольшими габаритно-весовыми параметрами и быть неприхотливыми к условиям эксплуатации.

Анализ существующих разработок по созданию инфракрасных (ИК) полупроводниковых источников показывает, что наиболее перспективными приборами для работы в спектральном диапазоне 2.0-5.0 мкм являются фотолюминесцентные излучатели на основе пленок РЬ8е и РЬ/.хСс1х8е. Для дальнейшего совершенствования их технических характеристик необходимо, как проведение дополнительных исследований в области физики полупроводников, так и поиск новых конструктивных решений.

Основным недостатком полупроводниковых источников ИК излучения является их низкая оптическая мощность. Несмотря на то, что известно достаточно большое количество способов увеличения доли излучения светодиодных (гомо- или гетеро-) структур, исследования, направленные на повышение эффективности излучения фотолюминесцентных излучателей на основе пленок РЬБе и до

недавнего времени не проводились.

Известно, что обработка в парах йода приводит к увеличению фотолюминесценции (ФЛ) в пленках селенида свинца и его твердых растворов с кадмием. При этом до сих пор нет окончательного представления о механизмах увеличения ФЛ. Кроме этого, в литературе имеются результаты исследований влияния висмута, хлора и индия на свойства неокисленных монокристаллических и эпитаксиальных пленок РЪБе. Однако сведения о поведении этих примесей в поликристаллических

пленках РЬБе и РЪ1_хС(1х8е и их влиянии на фотолюминесцентные свойства пленок отсутствуют.

Особенности формирования фотолюминесцентной структуры таковы, что по окончании технологического цикла она представляет собой гетерогенную систему — селенид свинца, окруженный «стекловидной» фазой, влияние которой на состояние кристаллической решетки селенида свинца до сих пор не изучено.

Таким образом, актуальность работы определяется, с одной стороны, необходимостью дальнейшего развития представлений о фотоэлектрических и оптических свойствах пленок РЬ8е и РЪ1.хСйх8е, легированных различными примесями, а с другой - перспективами повышения выходных параметров источников инфракрасного излучения.

Целью диссертационной работы является исследование фотолюминесцентных структур на основе пленок РЬ8е и РЬ¡.хСс1х8е, направленное на повышение уровня их фотоэлектрических параметров, с целью создания полупроводниковых источников ИК излучения, отвечающих современным требованиям.

Для достижения поставленной в работе цели необходимо решить следующие задачи:

1. Методами растровой электронной микроскопии и рентгенофазового анализа изучить морфологию фотолюминесцентных пленок селенида свинца на всех этапах их формирования.

2. Методами рентгеноструктурного анализа и ФЛ исследовать влияние «стекловидной» диэлектрической фазы, как на кристаллиты так и на фотолюминесцентные и оптические свойства структуры в целом.

3. Разработать комплекс спектрально-измерительной аппаратуры для исследования ФЛ композитных структур на основе пленок РЪ8е и РЬ ¡.хСс1х8е.

4. Исследовать возможность увеличения мощности фотолюминесцентного излучения в композитных пленках РЪ8е за счет введения донорных (В г и С Г) примесей.

5. Определить механизм увеличения мощности фотолюминесцентного излучения в композитных пленках РЬ8е, обработанных в парах йода.

6. Исследовать возможность увеличения эффективности вывода излучения фотолюминесцентных композитных структур на основе пленок РЬ8е.

Объектом исследования являются тонкопленочные структуры на основе селенида свинца и его твердых растворов, сформированные вакуумным напылением на подложках из СаР2 и на стеклянных подложках, в том числе подвергнутые последующей температурной обработке в кислородсодержащей среде.

Предметом исследования являются оптические и фотоэлектрические свойства пленок РЬБе и РЬ/..хСс1х8е.

В работе использованы следующие методы исследования:

- измерение интенсивности ФЛ, а так же измерение спектрального распределения ФЛ;

- измерение концентрации носителей заряда методом, основанном на эффекте Холла;

- измерение темновой проводимости и фотопроводимости;

- метод инфракрасной Фурье-спектроскопии;

- метод растровой электронной микроскопии;

- методы рентгеноструктурного и рентгенофазового анализа;

- математические методы многопараметрической оптимизации. Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Показано, что в состав «стекловидной» диэлектрической фазы фотолюминесцентных композитных структур входит аламозит РЪ8Юз, который может находиться, как в кристаллическом, так и в аморфном состоянии, в зависимости от способа формирования композита.

2. Установлено, что оптические переходы на пороге межзонного поглощения пленок РЬ8е и Pbi.xCd.xSe прямые, разрешенные, а наблюдаемое дополнительное поглощение может быть ассоциировано с "хвостами" плотности локализованных состояний, простирающимися вглубь запрещенной зоны полупроводникового материала.

3. Впервые экспериментально подтверждено, что легирование приграничных слоев кристаллитов РЪ8е кислородом, в процессе высокотемпературной обработки пленок в кислородсодержащей среде, является объемным эффектом.

4. Впервые показано, что в процессе высокотемпературной обработки, в том числе и в парах йода, пленок РЬБе, сформированных на стеклянных подложках, происходит незначительное сжатие кристаллитов селенида свинца, которое не приводит к радикальным изменениям зонной структуры полупроводника.

5. Установлено, что увеличение мощности фотолюминесцентного излучения композитных пленок РЬ8е достигается путем увеличения объема области пространственного заряда (ОПЗ) с пониженной концентрацией носителей заряда.

6. Показано, что коротковолновая граница спектра ФЛ в композитных пленках при /гу > связанна с межзонной рекомбинацией, а длинноволновая - с «хвостами» плотности состояний, обусловленными флуктуациям примесного потенциала.

7. Впервые показано, что при высокотемпературной обработке композитных пленок РЬ8е в парах йода, йод адсорбируется на поверхности кристаллитов РЬБе.

8. Впервые в приближении теории эффективной среды определены дисперсионные зависимости эффективных показателей преломления и поглощения композитного излучающего слоя на основе РЪ8е в спектральном диапазоне 2.0-7.0 мкм.

Практическая значимость результатов, полученных в работе:

1. Разработан комплекс спектрально-измерительной аппаратуры для исследования ФЛ композитных структур на основе пленок РЬ8е и РЬ /_лСб/л5е.

2. Получена информация о механизмах возникновения ФЛ и фотопроводимости (ФП) в композитных пленках РЪ8е, которая может быть использована для дальнейшего совершенствования оптоэлектронных приборов на их основе.

3. Показано, что применение в качестве подложек стекол с различным ТКЛР не приводит к заметным изменениям значений ширины запрещенной зоны Е§ селенида свинца, входящего в состав композитных пленок.

4. Разработана методика расчета дополнительного просветляющего покрытия для увеличения эффективности инфракрасных источников излучения на основе композитных пленок РЬве.

5. Показано, что нанесение пленки Аз84 с оптимальной толщиной позволяет увеличить величину интегральной (по спектру) интенсивности ФЛ композитных пленок РЬЭе до 60 %.

Достоверность результатов работы обеспечивается их воспроизводимостью, согласием с результатами теоретических и

экспериментальных исследований, использованием аттестованных

методик и аппаратных средств измерений.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Процесс создания композитной пленки PbSe сопровождается уменьшением концентрации свободных дырок вблизи поверхности кристаллитов селенида свинца и межкристаллитных границ и появлением в ней ФЛ. Показано, что эффект легирования кислородом приграничных слоев кристаллитов является объемным.

2. Увеличение мощности фотолюминесцентного излучения композитных пленок PbSe достигается путем увеличения объема ОПЗ с пониженной концентрацией носителей заряда, в результате легирования донорными примесями.

4. Использование фотолюминесцентных композитных структур на основе пленок PbSe и Pb¡.xCdxSe позволяет создавать высокоэффективные инфракрасные полупроводниковые источники излучения для диапазона 2.0-5.0 мкм, удовлетворяющие требованиям современной оптоэлектроники.

1. III Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике. СПб ГТУ, Санкт-Петербург, декабрь 2001 г.

2. VI Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых, (секция: «Элементная база оптико-электронных приборов»), СПбГУ ИТМО, Санкт-Петербург, 14-17 апреля, 2009 г. Диплом за лучший доклад на секции.

3. VI Международная конференция молодых ученых и специалистов «0птика-2009». СПбГУ ИТМО, Санкт-Петербург, 19 - 21 октября, 2009 г.

4. XI Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике. СПб ГПУ, Санкт-Петербург, 30 ноября - 4 декабря,

2009 г.

5. VII Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых (секция: «Оптотехника и оптическое приборостроение»). СПбГУ ИТМО, Санкт-Петербург, 19-23 апреля, 2010 г.

6. XII Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике. СПб ГПУ, Санкт-Петербург, 25 октября- 29 октября,

2010 г. Диплом за доклад.

7. VII Международная конференция молодых ученых и специалистов «0птика-2011». СПбГУ ИТМО, Санкт-Петербург, 17 - 21 октября, 2011 г.

8. XIII Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике. СПб ГПУ, Санкт-Петербург, 21 ноября - 25 ноября,

2011 г. Диплом за доклад.

Личное участие автора. В материалах совместных работ личный вклад автора является определяющим. Основная часть теоретических и экспериментальных исследований выполнена автором самостоятельно. Формулировка, направления исследований, обсуждение,

и�