Кристаллографическая ориентация и спектры излучения стримерных разрядов в полупроводниковых кристаллах типа АIIBVI и AIIBV кубической и тетрагональной симметрии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

. "Г г ,

институт физики твердого тела и полупроводников академии наук беларуси

ОД

1 ] ГЕН 1ЭП5

УДК 621.315.592+537.529

ЛУЦЕЖО Евгений Викторович

кристаллографическая ориентация и спектры излучения стринерных разрядов в полупроводниковых кристаллах типа апвл и апву кубической и тетрагональной симметрии

01.04.10. - физика полупроводников и диэлектриков

автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Минск 1995

Работа выполнена в лаборатории оптики полупроводников Института физики им. Б.И. Степанова АНБ.

Научные руководители: доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник Яблонский Г.П.; кандидат физико-матемагических наук Гурский А. Л.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических доктор физико-математических

наук, профессор Шелег А.У.; наук, профессор Белый В.И.

Оппонирущая организация: Белорусская государственная политехническая академия.

Защита диссертации состоится оеА'/Жуб'Я 1995 года

Д^^Засов на заседании специализированного Совета Д 01.06.01 Института физики твердого тела и полупроводников АНБ (220072, г.Минск, ул.П.Бровки, 17)

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Института Физики твердого тела и полупроводников АНБ.

Автореферат разослан " £{" 1995 года

Ученый секретарь специализированного Совета доктор физ.-мат. наук

Федосюк В.М.

, т г

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации- Обнаружение Ф. Николлом и сотрудниками ФИАН СССР в 1973-1974 г. лазерного эффекта в каналах электрических разрядов в полупроводниках, условия возбуждения генерации в которых электрическим полем были определены в работе Н.Г. Басова, Б.М. Вула и Ю.М. Попова в 1959 г., дало новый импульс для исследования этого явления. Распространение стримерных разрядов в широкозонных полупроводниках сопровождается высокоинтенсивным рекомбинационным свечением. Большая скорость распространения разрядов (у~109см/с) и малые времена действия (1~1СГ12+1СГ13с) сильного поля (Е-107В/см) приводят к генерации высокой концентрации неравновесных носителей заряда (ННЗ), достигающей величины п~1019см"3, без заметных повреждений кристалла. Стримерный разряд является эффективным способом возбуждения люминесценции и генерации субнаносекундных импульсов света. Экстремальные условия, в которых находится кристалл при возбуждении и распространении электрических разрядов, создают существенные трудности для теоретического описания данного явления. Ни одна из существующих гипотез не дает однозначного понимания причин кристаллографической ориентации разрядов, механизмов генерации ННЗ, формирования и движения фронта сильного поля. При объяснении свойств разрядов ни одна из гипотез не учитывает возможность возникновения нелинейной поляризации и анизотропии пространственного распределения внутренних полей.

Несмотря на обширные экспериментальные исследования распространения электрических разрядов в диэлектриках и полупроводниках, не была определена однозначно ориентация разрядов в кристаллах со структурой сфалерита, а также влияние дефектов упаковки и примесей на ориентацию и спектры излучения электрических разрядов в этих веществах. Оставался также открытым вопрос о возможности возбуждения ориентированных разрядов и их свойствах в непрямозонных полупроводниках. Поэтому в качестве объектов исследований были выбраны прямозонные полупроводники со структурой сфалерита гпБ, гпБе, СсЗТе и непрямозонные полупроводники СдРг, 2пРг с элементарной ячейкой тетрагональной симметрии.

Связь работы с крупными научными программами. Исследования проводились в рамках тем, входящих в планы важнейших научно-исследовательских работ в области естественных наук по республиканским комплексным программам: "Создание элементов нелинейной оптики и оптоэлектроники, изучение их рабочих характеристик" -Оптика 2.01 и "Разработка, создание и исследование полупроводниковых лазеров, изучение процессов взаимодействия лазерного излучения и электрических полей с полупроводниками" - Лазер 3.03.

Целью работы являлось определение причин, влияющих на кристаллографическую ориентацию электрических разрядов в прямозон-ных полупроводниках кубической (гпБ, гпБе, СсИе) и непрямозон-ных полупроводниках (СбРг, 2лРг) тетрагональной симметрии, установление механизмов излучательной рекомбинации и генерации света в каналах стримерных разрядов.

Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи исследования:

- возбудить ориентированные разряды в непрямозоннш полупроводниках 2пРг и С(1Р2, установить влияние температуры, длительности, полярности и амплитуды импульсов электрического поля на кристаллографическую ориентацию разрядов, определить скорости развития разрядов и сопоставить направления разрядов с анизотропией акустических свойств кристаллов;

- изучить влияние дефектов упаковки и примесей на ориентацию стримерных разрядов в полупроводниках с кубической симметрией кристаллической решетки (гпЭ, гпЗе) и определить ориентацию объемных стримерных разрядов в кристаллах (Сс1Те), не содержащих политипных модификаций;

- исследовать процессы излучагельной рекомбинации в прямозонных полупроводниках при высоких уровнях стримерного и оптического возбуждения;

- рассчитать нормальные компоненты тензора нелинейной диэлектрической проницаемости в кристаллах гпЭ, гпЗе, Сс1Те и баАз на основе теории химической связи Харрисона и аппроксимации межатомного взаимодействия потенциалом Борна-Майера.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

- Впервые возбуждены ориентированные электрические разряды и определена их кристаллографическая ориентация в непрямозонных

полупроводниках гпРг и СёРг. Обнаружена ее зависимость от полярности и амплитуды возбуждающих электрических импульсов." Установлено, что основные свойства разрядов в непрямозонных полупроводниках СбРг и 2пРг аналогичны свойствам разрядов в диэлектриках: наличие каналов пробоя, малая скорость распространения, зависимость ориентации от крутизны фронта и амплитуды электрического импульса.

- Показано, что в кубических кристаллах со структурой сфалерита 2пЗ и гпБе ориентированные объемные разряды возбуждаются только при наличии дефектов упаковки гексагональной фазы и картина разрядов имеет гексагональную симметрию, а в кристаллах Сс1Те той же структуры возбуждаются объемные стримерные разряды, совокупность направлений которых соответствует кубической системе симметрии.

- Разработан метод расчета нормальных компонент тензора нелинейной диэлектрической проницаемости полупроводников и показано, что в процессе формирования поля в приэлектродной области кристалла возникает его пространственная анизотропия, способная определить кристаллографическую ориентацию разрядов.

- Впервые получена генерация излучения вдоль канала стри-мерного разряда в монокристаллах Сс1Те.

Практическая значимость полученных результатов. Результаты изучения кристаллографической ориентации стримерных разрядов в прямозонных и непрямозонных полупроводниках могут быть использованы для ориентации кристаллов, определения типа полярных поверхностей и направлений кристаллографических осей. Влияние гексагональной фазы в кубических кристаллах гпЗ и гпБе на ориентацию разряда позволяет определять наличие вюрцитной фазы более 5%. На основе исследований ориентации электрических разрядов в СйРг разработан и защищен способ определения направления оси С.

Создан стримерный лазер в ближней инфракрасной области спектра на кристаллах Сс1Те.

Методика получения микрорельефа на поверхности -СИ1> полупроводниковых соединений гпБ, гпЗе, ВаАБ, СсЗТе, разработанная для кристаллографической ориентации образцов по световым фигурам, использована в способах создания мощных лазеров с электронной накачкой типа "излучающее зеркало", что позволило значительно (более чем в два раза) поднять их КПД.

Экономическая значимость полученных результатов заключается в том, что применение стримерных методов ориентации кристаллов приводит к сокращению трудовых и энергетических затрат, уменьшению времени измерения и позволяет использовать более дешевое оборудование.

Применение способов ориентации кристаллов и методов создания микрорельефа при изготовлении полупроводниковых лазеров с электронной накачкой приводит к снижению материальных затрат вследствие упрощения технологии и увеличения срока службы.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

1. Симметрия совокупности направлений распространения электрических разрядов в непрямозонных полупроводниках ZnP2 и CdP2 относится к той же кристаллографической системе, что и точечная группа симметрии кристаллов, а основные свойства разрядов вследствие отсутствия излучатель ной рекомбинации аналогичны свойствам разрядов в диэлектриках.

2. Кристаллографическая ориентация электрических разрядов в полупроводниковых кристаллах кубической симметрии определяется анизотропией и величиной нелинейной части нормальной компоненты тензора диэлектрической проницаемости кристалла или политипных гексагональных прослоек.

3. Стримерная и фотолюминесценция в кристаллах сульфида цинка, легированных кислородом, обусловлены рекомбинацией электронов и дырок в донорно-акцепторных парах.

Личный вклад соискателя. Содержание диссертации отражает личный вклад автора. Он заключается в непосредственном участии в выполнении экспериментальных и теоретический исследований, в обсуждении и анализе результатов работ, в постановке совместно с научными руководителями Г.П. Яблонским и А.Л. Гурским (в ряде случаев совместно с В.Б. Грибковским и A.A. Гладыщуком) задач исследований. Другие соавторы работ выращивали кристаллы или участвовали в проведении измерений.

Работа выполнена в лаборатории оптики полупроводников Института физики им. Б.И.Степанова AHB.

Апробация результатов диссертации. Результаты диссертации докладывались на Всесоюзном семинаре по стримерным разрядам (Минск, 1989); на V и VI Всесоюзных школах-семинарах "Физика шпульных разрядов в конденсированных средах" (Николаев, 1991, 1993); на научно-технических конференциях БрПМ (Брест, 1991,

1993, 1994); на международном семинаре "Открытые системы -избранные вопросы теории и эксперимента" (Брест, 1992); на международных конференциях "European Workshop on 11-VI Semiconductors" (Аахен, Германия, 1992) и "Wide-Band-Sap Semiconductors" (Триест, Италия, 1992); на республиканской конференции молодых ученых по квантовой электронике (Минск, 1994).

Опубликованность результатов. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 7 статях, 2 препринтах, 2 патентах на изобретения и 7 тезисах докладов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и списка литературы, включающего 282 наименования. Она содержит 92 страницы основного машинописного текста, 39 рисунков и 5 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко охарактеризована история развития работ по электрическому пробою кристаллов, отмечены основные достижения и нерешенные вопросы, обоснована необходимость проведения новых исследований.

В общей характеристике работы обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются цели и задачи работы, научная новизна и практическая значимость исследований, основные защищаемые положения, приводятся сведения об апробации, опублико-ванности результатов, структуре и объеме работы, а также о личном вкладе автора и соответствии важнейшим темам НИР.

ГЛАВА I. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РАЗРЯДИ В КРИСТАЛЛАХ содержит обзор литературы по исследованию неполного пробоя щелочно-галоидных кристаллов и полупроводников. В ней описаны результаты экспериментов по изучению ориентации неполного пробоя, начиная с первых опытов К.Марангони в 1887г. по настоящее время.• Система-тезированы основные свойства электрических разрядов-в полупроводниках и диэлектриках. Значительное внимание уделено обзору теоретических представлений о механизме формирования разрядов и попыткам объяснения кристаллографической направленности электрических разрядов в твердых телах. На основании анализа литературных данных сформулирована цель работы и поставлены задачи исследований.

ГЛАВА II. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА. В ней изложены основные и вспомогательные экспериментальные методики, применяемые в работе. Идентификация кристаллографической ориентации монокристаллов осуществлялась методом световых фигур и на рентгеновских гониометрах-дифрактометрах. Разработаны методики получения микрорельефа на полярных поверхностях Ш1> CdTe, GaAs, ZnSe и ZnS для ориентации образцов по формируемым им световым фигурам, выявления дефектов упаковки. Такой микрорельеф использовался также в качестве глухого зеркала для лазеров с электронной накачкой на кристаллах CdTe, GaAs и ZnSe, что позволило значительно снизить порог и повысить эффективность излучателей.

Стримерные разряды возбуждались колоколообразными электрическими импульсами длительностью на полувысоте 100*200 не, амплитудой от 3 до 160 кВ; прямоугольными импульсами с регулируемыми длительностью (Зг70 не) и амплитудой (7f30 кВ); а также импульсами амплитудой 830 кВ, длительностью ~2 не.

Картины ближнего и дальнего поля свечения разрядов изучались с помощью электронно-оптического преобразователя или микроскопа. Спектры разрядов регистрировались фотографическим и фотоэлектрическим способами. В качестве диспергирующих приборов применялись монохромагор ОДР-23 и спектрограф ИСП-51. Энергия излучения измерялась прибором RJ-7200, временная развертка свечения стриыерннх разрядов осуществлялась фотохронографом Агат-СФ.

Для оптического возбуждения использовались импульсные лазеры ЛГИ-21, ЛГИ-504 и непрерывные гелий-кадмиевые лазеры ЛПМ-11, ЛГН-517, ЛГН-409. Спектры фотолюминесценции (ФЛ) изучались при помощи КСВУ-23 и спектрально-вычислительного комплекса собственной конструкции, позволяющего измерять разрешенные во времени ФЛ и кинетики свечения.

Детально описаны схемы использованных в работе установок и методы статистической обработки экспериментальных данных.

ГЛАВА III. НЕПОЛНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРОБОЙ CdPp И ZnP?.. В главе описываются результаты исследования кристаллографической ориентации электрических разрядов в нелрямозонных полупроводниковых монокристаллах ZnP2 и CdP2 точечной группы симметрии 422. Кристаллографически ориентированные разряды в непрямовонных полупроводниках были возбуждены впервые. Исследована зависимость ориентации разрядов от полярности, амплитуды, крутизны

фронта и длительности возбуждающих импульсов, а также от температуры образцов.

В монокристаллах 1пРг и С<ЗРе рекомбинационное излучение из каналов разряда в видимой области спектра обнаружено не было, электрические разряды оставляли за собой прямолинейные, нитеобразные, кристаллографически ориентированные каналы неполного пробоя, что характерно для диэлектриков. Диаметр каналов пробоя составлял 0,5+2 мкм, длина - от 20 до 500 мкм.

Симметрия картины ориентированных разрядов принадлежит к той же (тетрагональной) системе симметрии, что и точечная группа симметрии (422) элементарной ячейки этих кристаллов. Звезда разрядов состоит из 4-х каналов неполного пробоя <110> при отрицательной полярности электрода и <100> при положительной, а также каналов вдоль [ООН и [001] при обеих полярностях. Обнаружено, что при положительной полярности возбуждающих импульсов объемные разряды в монокристаллах СсЗРг в направлении [001] длиннее, чем в [001].

При положительной полярности возбуждающих импульсов и малых амплитудах наряду с направлениями <100> наблюдались изогнутые пути пробоя, которые первоначально имели направления, близкие к <110>, но по мере распространения приближались к направлениям <100>. С увеличением амплитуды импульсов количество таких путей пробоя уменьшалось и направления путей вдоль <100> становились преимущественными. Повышение амплитуды импульсов выше 15 кВ приводило к тому, что на концах путей пробоя, лежащих в базисной плоскости вдоль направлений <100>, начинали прорастать неориентированные пути пробоя, локализованные в базисной плоскости.

В интервале температур 300-500 К направления разрядов не меняются, при Т=77 К разряды, локализованные в плоскости (001), становятся волнистыми, сохраняя направления распространения. Возбуждение разрядов положительными прямоугольными импульсами с крутым фронтом приводит к возникновению только неориентированных разрядов. При отрицательной полярности импульсов длительностью 3 не возникают неориентированные пути пробоя, однако с увеличением длительности до 7 не с концов неориентированных каналов прорастают ориентированные. Таким образом, время формирования ориентированных путей пробоя составляет -5 не.

Основные свойства разрядов в непрямозонных полупроводниках Сс1Р2 и гпРг аналогичны свойствам разрядов в диэлектриках: нали-

чие каналов пробоя, малая скорость распространения (V ~ 5-105 см/с), зависимость ориентации путей пробоя от крутизны, полярности и амплитуды электрического импульса.

Методом дифракции Шефера-Бергмана изучена картина поверхности обратных скоростей продольных и поперечных акустических колебаний в 2пРг и СёРг- Сечения поверхностей обратных скоростей базисными плоскостями (001) представляют собой окружности, т.е. нет заметной анизотропии скорости звука. В то же время направления распространения разрядов в этой плоскости имеют кристаллографическую ориентацию; зависят от полярности, крутизны фронта и амплитуды возбуждающих импульсов. Известно, что кристаллы Сс1Рг и 2п?г в области температур 300*500 К претерпевают фазовые изменения, сопровождающиеся изменением упругих констант, что должно приводить к изменениям направлений фокусировки фононов, в то же время ориентация путей неполного пробоя не изменяется. Все эти факты, а также то, что при малых напряжениях каналы пробоя в базисной плоскости плавно изменяют направления на 45°, свидетельствуют о том, что поведение разрядов в этих полупроводниках не может быть объяснено акусто-электронным механизмом формирования разрядов.

Показано, что существование анизотропии длины разряда вдоль оси четвертого порядка в кристаллах СёРг (422) не может быть объяснено ни анизотропией поляризации вдоль этой оси, ни дьезо-эффектом или электрострикцией. Поэтому предполагается, что анизотропия пробоя вдоль оси четвертого порядка может быть обусловлена дефектами упаковки, приводящими к появлению полярности этой оси и, как следствие, к анизотропии нелинейной поляризации и напряженности поля вдоль оси. Такими дефектами в этих полупроводниках могут быть структуры типа соизмеримая-несоизмеримая фаза.

ГЛАВА IV. КРИСТАЛЛОГРАФИЧЕСКАЯ ОРИЕНТАЦИЯ (ПРИМЕРНЫХ РАЗРЯДОВ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ СО СТРУКТУРОЙ СФАЛЕРИТА посвящена изучению кристаллографической ориентации стримерных разрядов в полупроводниках с постоянными решетки, находящимися вблизи области неустойчивости структуры (гпЭ, гпБе), а также в полупроводнике с устойчивой структурой сфалерита - Сс1Те.

Структура и политипный состав селенвда и сульфида цинка сильно зависят от метода выращивания и наличия примесей, поэтому исследовались нелегированные кристаллы, выращенные различными методами, а также кристаллы гпБ, легированные 0, Си, А1, Со.

Гексагональная фаза распределялась по объему кристаллов в виде прослоек вдоль одной из плоскостей illl>. При этом одно из направлений <111> становилось выделенным, а кристалл одноосным.

В большинстве кристаллов свечение было сосредоточено в нитевидных областях каналов разрядов, имеющих четкую кристаллографическую ориентацию. Изучаемые образцы по характеру ориентации в них стримерных разрядов можно разбить на три группы.

В кристаллах первой группы совокупность разрядов в объеме образцов соответствует гексагональной симметрии и наблюдается 36 направлений, как и в кристаллах CdS. Роль оси С в этом случае играет одна из выделенных осей <111>, а разряды локализованы в трех эквивалентных плоскостях {121} (соответствующих плоскостям (1010) гексагональной симметрии), содержащих эту ось. Направления разрядов зависят от полярности импульсов. Была измерена зависимость параметров решетки от концентрации примесей и дефектов упаковки и показано, что малые изменения параметров решетки (третий знак после запятой в ангстремах) приводят к значительным (до 2 градусов) изменениям направлений разрядов. Данная группа образцов содержала 7,5+10% дефектов упаковки.

Ко второй группе относятся кристаллы, также имеющие гексагонально-симметричную картину ориентированных разрядов, в них наблюдалось б объемных разрядов <110> в одной из плоскостей {111}. Концентрация дефектов упаковки в кристаллах ZnS второй группы составляла 5+7%. Кристаллы ZnSe первой и второй группы содержали существенное количество гексагональных прослоек.

В третьей группе образцов объемные ориентированные разряды возбудить не удалось. К ней относятся кристаллы ZnS и ZnSe, гексагональные прослойки в которых либо не обнаружены, либо их концентрация мала. В этой группе образцов удалось возбуждать только приповерхностные разряды, направления которых зависят от полярности возбуждающих импульсов и близки к проекциям направлений <110>, но не совпадают с ними точно.

В то же время в монокристаллах CdTe, той же симметрии, что ZnS и ZnSe, объемные разряды возбуждаются, имеют кубическую симметрию и ориентированы вдоль направлений <110>. Направления распространения стримерных разрядов не зависят от полярности возбуждающих импульсов, а звезда разрядов аналогична наблюдаемой в сфалеритных монокристаллах А^5 - GaAs и InP.

Таким образом, в исследованных полупроводниках точечных групп симметрии 43т и 422, симметрия совокупности направлений распространения электрических разрядов соответствует кристаллографической системе кристалла или дефектов упаковки.

Наличие в картине разрядов элементов симметрии только данной кристаллографической системы указывает на то, что симметрия кристалла не изменяется под воздействием по крайней мере коротких импульсов поля. Поскольку в соответствии с теоремой Германа анизотропия относительно некоторой оси возможна лишь когда явление описывается тензором ранга не ниже, чем порядок оси, то при объяснении закономерностей кристаллографической ориентации электрических разрядов необходимо учитывать эффекты, описываемые тензорами высоких рангов. Показано, что таким свойством может быть нелинейная поляризация кристаллов в сильных электрических полях.

Компоненты векторов индукции и напряженности электрического поля связаны соотношениями:

В" - г0вЕ ; В -еоЕ+Р;

Их - ео(еи+2а^пЕп+4х1зК1ЕкЕх+...)Ез-, или в более общем виде: _

где £*ц - эффективная диэлектрическая проницаемость, Де^ - ее нелинейная часть. При этом плотность свободных зарядов на поверхности электрода (или на фронте разряда) зависит от нормальной компоненты диэлектрической проницаемости:

б - 0П - £о[£1эе1ед+й£^(Е)е1е;(ЗЕ.

При релаксации поля у поверхности электрода после генерации электронно-дырочной плазмы произойдет изменение плотности свободных зарядов, поставляемых источником. В направлениях, имеющих абсолютный минимум в пространственном распределении Лемехе;), увеличение плотности зарядов, а следовательно, и напряженности поля за фронтом плазмы будет максимальным. При

формировании электрических разрядов достаточно небольших добавок к среднему полю, чтобы в этих направлениях резко возросла концентрация ННЗ, так как она экспоненциально зависит от напряженности поля. Продвижение поля в объем кристалла в таких направлениях будет происходить быстрее, чем в других, поскольку время релаксации поля обратно пропорционально концентрации ННЗ.

При наличии сильной нелинейности поле в кристалле может стать анизотропным, а условия возбуждения ориентированных разрядов будут зависеть от анизотропии и величины йеijeiej. Эта величина определялась в результате расчета нормальной компоненты вектора поляризации Рп без ограничения на величину поля. При этом учитывались три вида поляризации под воздействием внешнего поля: диполи на связях, смещение ионов из положения равновесия и дополнительная электронная поляризация, вызванная изменением длин связей. Величины дипольных моментов на связях находились на основе теории химической связи Харрисона. Смещение ионов из положения равновесия под воздействием поля получались из решения дифференциального уравнения движения иона с приведенной массой, потенциал межатомного взаимодействия был выбран в форме потенциала Борна-Майера. Поле поляризации расчитывалось методом двойных плоскостей и учитывались дипольные моменты ближайших 50-100 ячеек кристалла. Таким образом, по задаваемой величине Е находилась нормальная компонента индукции Dn, величина Eijejej в направлении поля определялась как отношение Dn/E.

Из расчетов следует, что величина нелинейной поляризации кристаллов со структурой вюрцита значительно выше, чем кристаллов со структурой сфалерита. Поэтому в кубических кристаллах ZnS и ZnSe наличие небольшой доли гексагональной фазы приводит к возникновению звезды разрядов, характерной.для гексагональных кристаллов. Однако величина нелинейной поляризации существенно разная и среди кристаллов, имеющих структуру сфалерита. Она почти на порядок больше в CdTe и GaAs, чем в ZnS и ZnSe. Вследствие этого объемные ориентированные разряды "Т^бическбй симметрии возбуждаются только в GaAs и CdTe.

Направления, соответствующие минимальной величине Де^е^е^ в плоскости (0001) гексагональных прослоек ([11203, [11203, [1210], [12103, [21103, [21103) совпадают с направлениями разрядов в кристаллах ZnS и ZnSe с гексагональными прослойками при плотности дефектов упаковки 5-7%.

ГЛАВА V. ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ И ГЕНЕРАЦИЯ ПРИ СТРИМЕРНОЙ ПАШКЕ

посвящена изучению фото- и стримерной люминесценции кристаллов гпБ.-О, гпБ.-Си, а также генерации излучения вдоль каналов стри-мерных разрядов в кристаллах Сс1Т е.

Исследованы спектры стримерной люминесценции кристаллов 2пБ:0 Отах^БО нм) и гпЗ:Си (1^x^527 нм) в зависимости от температуры и амплитуды импульсов возбуадандцего напряжения. Обнаружено усиление света в синей полосе излучения кристаллов 2пЗ:0, проявляющееся в сужении полосы свечения с 40 до 8 нм при увеличении амплитуды импульсов накачки более 90 кВ. Измерены также спектры фотолюминесценции в широком интервале температур, уровней возбуждения и показано, что стримерный способ возбуждения люминесценции позволяет создать в каналах разрядов концентрацию неравновесных носителей заряда, соответствующую уровню оптического возбуждения (1в) не менее 5 МВт/см2.

Особое внимание уделено интерпретации механизма рекомбинации кристаллов гпБгО. С этой целью были измерены кинетика свечения, интегральные и разрешенные во времени спектры фотолюминесценции в широком диапазоне уровней импульсного возбуждения и температур. Все наблюдаемые закономерности: логарифмическая зависимость спектрального положения максимума спектра от 1в» сдвиг максимума излучения в длинноволновую сторону в процессе затухания люминесценции, рост вклада коротковолнового крыла при увеличении уровня возбуждения и понижении температуры, неэлементарная кинетика затухания спектров фотолюминесценции, характеризующаяся наличием нескольких участков с различными временами затухания, - свидетельствуют о том, что люминесценция возникает при излучательной рекомбинации в донорно-акцепторных парах. Предполагается, что кислородные центры в йгё образуют акцепторные состояния, а донором, по-видимому, является междоузельный цинк, присутствие которого в больших концентрациях характерно для кристаллов гпБ.-О.

Впервые получено лазерное излучение на длине волны 837 нм вдоль канала стримерного разряда в монокристаллах Сс1Те. Порог генерации (70+80 кВ) определялся по увеличению интенсивности излучения более чем на 3 порядка, сужению спектра излучения до 4+5 нм и появлению направленности излучения. Дальнее поле излу-

чения из каналов приповерхностных разрядов имеет вид бесструктурного пятна в центре световой картины и внешнего полукольца. Оценки концентрации неравновесных носителей заряда, полученные из измерений энергии и длительности импульсов генерации, показывают, что излучение обусловлено рекомбинацией неравновесных носителей заряда в плотной электронно-дырочной плазме. Определены спектральные, временные и энергетические характеристики генерации: длительность импульсов составляет 0,1+1 не, энергия - 1+2,5 нДж, мощность - 2,5+10 Вт.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ Н ВЫВОДЫ

1. Впервые возбуждены кристаллографически ориентированные разряды в непрямозонных полупроводниковых монокристаллах 2пР2, С(ЗРг и определены направления их распространения. Установлено, что при положительной полярности возбуждающих импульсов объемные разряды в СбРг в направлении [001] имеют большую длину, чем в [0013. На основании этого разработан и запатентован способ определения направления полярной оси. Симметрия совокупности направлений распространения разрядов содержит только элементы симметрии тетрагональной кристаллографической системы.

2. Показано, что основные свойства разрядов в непрямозонных полупроводниках Сс1Р2 и 2пРя аналогичны свойствам разрядов в диэлектриках: наличие каналов пробоя, малая скорость распространения (У~5-105см/с), зависимость ориентации от крутизны фронта и амплитуды электрического импульса.

3. Методом дифракции Шефера-Бергмана определены сечения поверхностей обратных скоростей распространения продольных и поперечных акустических колебаний в гпРг и Сс1Р2. Показано, что ориентация разрядов не связана с анизотропией акустических свойств этих кристаллов.

4. Установлено, что в монокристаллах 1пБ и 21пЗе со структурой сфалерита ориентированные объемные разряды не возбуждаются. Они возникают только при наличии дефектов упаковки с гексагональной структурой, и картина разрядов имеет гексагональную симметрию. В кристаллах Сс1Те с такой же структурой решетки объемные стримерные разряды возбуждаются, а направления их распространения близки к <110>.

5. Показано, что в условиях сильной нелинейной поляризации возникает анизотропия электрического поля в приэлектродной области кристалла или на фронте разряда за счет перераспределения плотности свободных зарядов. Направления максимальных значений напряженности поля в гексагональных кристаллах совпадают с направлениями электрических разрядов на плоскостях (0001) и (0001) и с направлениями разрядов в кубических кристаллах с гексагональными дефектами упаковки.

6. Величины нелинейных частей нормальных компонент тензора диэлектрической проницаемости в гексагональных кристаллах значительно больше, чем в кубических, а среди кубических в CdTe и GaAs на порядок выше, чем в ZnS и ZnSe. Вследствие этого объемные ориентированные разряды наблюдаются на эксперименте только в кристаллах CdTe и GaAs, а в кристаллах ZnS и ZnSe разряды возникают только при наличии гексагональных дефектов упаковки.

7. Рекомбинационные процессы при стримерном и оптическом возбуждении в монокристаллах ZnS:О и ZnS:Си имеют одинаковую природу. Методами разрешенной во времени спектроскопии, измерениями кинетик свечения и влияния уровня возбувдения на спектры излучения установлено, что основным механизмом рекомбинации в кристаллах сульфида цинка с большой концентрацией атомов кислорода является рекомбинация в донорно-акцепторных парах.

8. Впервые получена генерация излучения вдоль канала стри-мерного разряда в монокристаллах CdTe. Длительность импульсов генерации составляла - 0,1+1 не, энергия - 1+2,5 нДж и мопдаость - 2,5+10 Вт. Показано, что генерация в CdTe обусловлена рекомбинацией в плотной электронно-дырочной плазме.

Список основных работ автора

1. Гурский А.Л., Луценко Е.В., Яблонский Г.П. Кристаллографическая ориентация путей электрического пробоя в диэлектриках и полупроводниках: Препринт N607 / Ин-т Физики AHB.- Минск, 1990,- 47 с.

2. Gurskii A.L., Lutsenko Е.Y., Pashkevich 6.A., Yablonskii G.P., Trukhan V.M., Yakimovich V.N. Crystallographiс Orientation of ZnP2 and CdPz Monocrystals // Phys. Stat. Sol. (A).- 1991,- V.123.- P. K75-K78.

3. Грибковский В.П., Гладыщук A.A., Гурский А.Л., Луценко Е.В., Морозова Н.К., ШульгаТ.С., Яблонский Г.П. Кристаллографическая ориентация и примесное свечение стримерных разрядов в монокристаллах ZnS и ZnSe // Физика и техника полупроводников.- 1992.- Т.26, N П.- С. 1920-1926.

4. Гурский А.Л., Луценко Е.В., Морозова Н.К., Яблонский Г.П. Примесная люминесценция монокристаллов ZnS:0 при высоких уровнях фото- и стримерного возбуждения // Физика твердого тела. 1992.- Т.34, N11.- С.3530-3536.

5. Гладыщук A.A., Гурский А.Л., Луценко Е.В., Шульга Т.е., Яблонский Г.П. Электрические разряды в монокристаллах сульфида и селенида цинка // Сб. Лазерная и оптико-электронная техника. Вып.2.- Минск: Университетское, 1992.- С.58-61.

6. Gurskii A.L., Lutsenko E.V., Mitcovets АЛ., Yablonskii 6.P. High-effeciency electron-beam-pumped semiconductor laser emitters // Physica В.- 1993.- V.185.- P.505-507.

7. Луценко E.B., Гладыщук A.A., Гурский А.Л., Чехлов О.В., Яб-лонкий Г.П. Люминесценция и генерация света в монокристаллах теллурида кадмия в каналах стримерных разрядов // Журнал прикладной спектроскопии.- 1994.- Т.60, N1-2.- С.120-123.

8. Gribkovskii V.P., Gurskii A.L., Lutsenko Е.V., Yablonskii G.P. Crystallographic Orientation and Light Emisión of Streamer Discharges in II-VI Semiconductors // Advanced Materials for Optics and Electronics.- 1994.- V.4.- P.373-380.

9. Яблонский Г.П., Луценко E.B. Анизотропия нелинейной поляризуемости в сильных электрических полях и кристаллографическая ориентация разрядов: Препринт N693 / Ин-т Физики АНБ.-Минск, 1994.- 18 с.

10.Патент РФ N 2013837, МКИ5 H 01 S 3/18. Способ изготовления полупроводникового лазера с электронной накачкой / В.П. Грибковский, В.В. Грузинский, А.Л. Гурский, C.B. Давыдов, Е.В. Луценко, И.И. Кулак, А.И. Митьковец, A.A. Ставров, А.П. Шкадаревич, Г.П. Яблонский (РБ).- N 5009655/25; заявл. 17.09.91; опубл. 30.05.94, Бюл. N10,- 5 с.

11.Патент РФ N 2022403, МКИ5 H Ol L 21/66, 6 01 N 27/62. Способ определения направления полярной оси в монокристаллах / А.Л. Гурский, Е.В. Луценко, В.М. Трухан, Г.П. Яблонский, В.Н. Якимович (РБ).- N 4884238/25; заявл. 21.11.90; опубл. 30.10.94, Бюл. N20.- 5 с.

РЕЗЮМЕ

Луценко Евгений Викторович "Кристаллографическая ориентация и спектры излучения стримерных разрядов в полупроводниковых кристаллах типа АПВ^'1 и АПВУ кубической и тетрагональной симметрии"

Ключевые слова: широкозонные полупроводники, электрические разряды, излучателъная рекомбинация, полупроводниковые лазеры.

Целью работы являлось определение причин, влияющих на кристаллографическую ориентацию электрических разрядов в прямозон-ных полупроводниках кубической (гпБ, гпБе, СсЗТе) и непрямозон-ных тетрагональной (CdP2, гпРг) симметрии, установление механизмов излучательной рекомбинации и генерации света в каналах стримерных рай рядов.

Впервые возбуждены ориентированные разряды в непрямозонных полупроводниках 1пР% и CdP2 и показано, что свойства разрядов в них аналогичны разрядам в диэлектриках. Установлено, что в гпБ и гпБе ориентированные объемные разряды возбуждаются только при наличии дефектов упаковки гексагональной фазы и имеют гексагональную симметрию, а в СёТе направления разрядов близки к <110>. Показано, что в условиях сильной нелинейной поляризации кристаллов возникает пространственная анизотропии электрического поля в приэлектродной области, определяющая ориентацию разрядов в полупроводниках. Установлено, что фото- и стримерная люминесценция в кристаллах сульфида цинка, легированных кислородом, обусловлены рекомбинацией электронов и дырок в донорно-акцепторных парах. Впервые получена генерация излучения вдоль канала стримерного разряда в монокристаллах теллурида кадмия.

По материалам работы получен^ патенты на способ определения направления полярной оси в монокристаллах и способ изготовления полупроводникового лазера с электронной накачкой. Результаты исследований могут быть использованы для определения концентрации дефектов упаковки.

Р Э 3 Ю М Э

Луценка Яуген В1ктарав1ч "Крышталяграф1чная арыентацыя 1 спектры выпрамянання стрымерных разрадау у пауправаднжовых крышталях тыпа АПВУ1 1 АПВ7 куб1чнай 1 тэтраганальнай с1метрьп"

Ключавыя словы: шыракавонныя пауправаднйю, электрычныя разрады, выпрамяналъная рэкшбшащя, пауправадншовыя лазеры.

Мэтай працы з'яулялася вызначэнне прычын, ягая робяць уллыу на крышталяграф1чную арыентацыю элекгрычных разрадау у прама-зонных пауправадн1ках куб1чнай (гп5, гпБе, Сс1Те) 1 непрамазон-ных тэтраганальнай (СбРя, гпРг) с1метрьц, устанауленне мехатз-мау выпрамянальнай рэкамб^нацьц 1 генерацы! света у каналах стрымерных разрадау.

Упершыню узбуджаны арыентаваныя разрады у непрамазонавых пауправадн1ках 1пРг 1 СсЗРг 1 паказана, што уласцгвасць разрадау у 1х аналаг!чна разрадам у дыэлектрыках. Выяулена, што у кубичных крышталях гпЗ 1 2пБе арыентаваныя аб'емныя разрады узбуджа-юцца тольк! пры прысутшчанш дэфектау упакоук1 гексаганальнай фазы 1 маюць гексаганальную с1метрыю, а у Сс1Те напрамт разрадау бл1зк1 да <110>. Паказана, што ва умовах моцнай нел1нейнай палярызацьц крышталяу узткае прасторавая ан!затратя электрыч-нага поля у прадэсе яго фарм!равання у прыэлектроднай вобласц1, што абумоул!вае арыентаванне разрадау у пауправадн1ках. Выяулена, што фота- 3 стрымерная люм1несцэнцыя у крышталях сульф1да цынка, ляг1раванага к1слародам, абумсулены рэкамб1нацыяй элек-тронау 1 дз1рак у донарна-акцэптарных парах. Упэршыню адтрымана генерация выпрамянання уздоузк канала стрымернага разрада у монакрышталях тэлурыда кадмхя.

Па матэрыялах працы адтрыманы пагэнты на спосаб вызначэння напрамкау палярной вос1 у монакрышталях 1 спосаб выраба паупра-вадн1ковага лазера з электронным напампоуваннем. Результаты даследовашй могуць выкарыстоувацца дзеля вызначэння канцэнтра-цьа дэфектау упакоук!.

SUMMARY

Lutsenko Evg-enii Viktorovich "Crystallographic orientation and radiation spectra of streamer discharges in semiconductor AnBVI and AnBv crystals with cubic and tetragonal symmetry".

Wide-band-gap semiconductors, electric discharges, radiative recombination, semiconductor lasers.

The thesis has sought to find what factors have influence on the crystallographic orientation of electric discharges in direct and indirect gap band semiconductors with cubic (ZnS, ZnSe, CdTe) and tetragonal (CdP2, ZnPg) symmetry and to understand mechanisms of the radiation recombination and the light generation in streamer discharge channels.

The oriented discharges have been exited for the first time in indirect gap band ZnPz and CdP2 semiconductors and it has been shown the discharge properties in these crystals are analogous to that in dielectric. It has been found that in ZnS and ZnSe crystals the oriented spatial discharges may be excited only in case of stacking faults in hexagonal phase and has hexagonal symmetry, and also the discharge orientation in CdTe coincide closely with <110>. It has been shown that under conditions of strong non-linear polarization of crystals the electric field spatial anisotropy appears near electrode and it defines the discharge orientation in semiconductors. It has been established that the photo- and streamer luminescence in ZnS crystals, doped with oxygen, are caused by the electron-hole recombination in donor-acceptor couples. For the first time the radiation generation has been obtained along streamer discharge channel in CdTe monocrystals. .

On the thesis materials the patents were taken out for method of finding the polar axe direction in monocrystals and for method of producing of a semiconductor electron-beam-pumped laser. The results of investigation may be used for the determination of stacking faults concentration.