Радиационно-стимулированные процессы в полупроводниках А2В6 с дефектами различной размерности тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

Г О О Д _ ^ На правах рукописи

- 1 ДПР ШЗ $0"

©КОНЕЧ1ШКОВ Алексии? Петрович

РЛДПЛЩ10ННС^СГИ\ГУЛИР0ВЛ1ШЫЕ ПРОЦЕССЫ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ А3Вб С ДЕФЕКТАМИ РАЗЛИЧНОЙ РАЗМЕРНОСТИ ~

Спгита^.посп» 01.04.10 - Физика полупрогодапаов я дяэлектряхоз

Азторзферат диссертации на .соискание ученой сгепсни * доктора фкзихо-математ.гееаотихаук

Екатеринбург-1996

Работа выполнена в Уральском государственной техническом университете на кафедре экспериментальной физики. .

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор.Никитенко В.А.; доктор физико-математических наук Соколов в.и.;

доктор физико-математических наук, профессор Звч>ев Л.П.

Бедушая организация-Московский энергетический институт " (технический университет).

Зашита диссертации состоится " 26" апреля 1996г. в 1часов в зуд.Н на заседании диссертационного совета Д 063Л 4.06 при Уральском государственном техническом университете -УПИ, физико-технический факультет.

Ваш отзыв в двух экземплярах, заверенный гербовой печатью, просим присылать по адресу: 620002, Екатеринбург, К-2, УГГУ-УПИ, • ученому секретарю совета Д063.14.06..

С диссертацией можно ознакомиться а бибашпош университета.' ■Адторефератраютлян • марта 1996г.

Ученый секретарь специализированного совета, доцент, к.ф.-м.н.

Г.И.Пшпттко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Диссертационкхт работа посзяшеиа экспериментальному исследованию рздиационно-стимулирозапных процессов в широкозонкых полупроводниках А25^, характеризующихся высокой эффективностью излучательнои рекомбинации, фоточувспз.тгсльносгъю и оптической прозрачностью в с:щиыо.;1 п средней ИК-облгсти спектра. Благодаря этому соединения нашли широкое применение э качестве люминофоров, детекторов ионизирующих излучении, приборов для визуализации длинноволнового излучения, ахтизных элементов полупроводниковых лазеров с электронной накачкой и т.д.

Приборы и устройства, изготовленные на основе полупроводников А*Вб, во многих случаях пока ::е имаот олащаемых предельных параметров. Это является следствием недостаточной изученности влияния точечных и протяженных дефектов на оптоэлеюронные свойства материа-лоГ), а га<о:се нессзершенсгьа гс^гс.юши ид пол^енкя

Широкое использование соединений А-В6 в ядерной и космической технике, знеяренне новых технологий ионно-лучевего лепфования стимулируют работы по изучению свойств РД и механизмов их образования под поздейсгвием излучений.

Многочисленные результаты, полученные отеч^хтзеиными и зар\г-бежными азторамн при изучении сзонстз полупроводников с собственными примесями и РД позволили устапоггггь природу и свойстаа элементарных дефектов, определяющих многие практические ва:я:?ые сЕойлиа материалов. ' . •

При изучении радиационного дефсгсгообразовгпкл з соединениях получ-лш фундаментальные результаты, подтверждаемы'.; установлением энергетических порогов смещения атомов обеих подрешеток и доказательством проявления доминирующего ударного механизма смещений. Однако вторичные процессы радиационного дефмегообразовзния, определяемые условиям,- облучения и своПгтб»2к»: кс-ходных материалов, до начала данной работы были изучены недостаточно. Так, з частности, было не изучено влияние температуры облучения на сзойства материалов с РД, практически совсем не рассматривались вопросы, связанные с влиянием исходио.^ дефектности на механизмы радиационного дефектсобраэс-зания в полупроводниках А2Вб. Одним из важнейших аспектов этой проблемы является установление особенностей образования РД з поликристаллах и монокристаллах с дислокациями.

Полупроводники А2Вб и в особенности сульфид и селения цинка по мере увеличения требований к лучевой, механической, радиационной и

химической стойкости оптических материалов находят все большее применение для изготовления оптических элементов силовой оптики в среднем ИК-диапазоне. Несовершенство и дефектность используемых полупроводников обусловливают то, что для них реально достигнутый коэффициент ОП на длине волны COj лазера (10,6 шсм) в несколько раз превышает теоретический.

Наличие собственных и примесных дефектов и их ассоциатоа приводит к появлению локальных колебаний и росту концентрации свободных носителей, увеличивающих ИК-поглошение. Отдельную проблему представляют объемные макроскопические дефекты в виде пор или включений инородных фаз, образующиеся в процессе синтеза и приводящие к локальному поглощению энергии излучения. В связи с этим представляется актуальным изучение природы точечных дефектов и оптических неоднородностей в полупроводниках, полученных по различным технологиям.

В качестве объектов исследования использовались моно- и поликристаллы сульфида, селен ида и оксида цинка, получаемые в лабораториях СНГ по наиболее совершенным технологиям. Кроме того, использовалась керамика ZnO с плотностью состав; • ощей 0,97 от плотности монокристаллов.

В качестве основных методов исследования использовались методы фотоэлектрической, оптической и люминесцентной спектроскопии, НЕСГУ и др. Комплексный подход к решению поставленных задач позволил обеспечить достоверность результатов и получить выводы, имеющие важное значение для радиационной физики полупроводников и их практического использования.

Цель работы состояла в изучении радиационно-ешмулированныя процессов в широкозонных полупроводниках облученных электронами, быстрыми нейтронами спектра деления, тяжелыми заряженными частицами и гамма-квантами.

Конкретизация этой проблемы определила следующие основные задачи, поставленные в работе:

- изучение свойств точечных дефектов и установление их влияния на оптические, люминесцентные и фотоэлектрические свойства полупроводников и параметры полупроводниковые структур;

- ¡пучение влияния дислокаций, вводимых пластической деформацией, на оптические, люминесцентные и фотоэле:дрические свойства полупроводниковых соединений, установление роли дислокаций в процессах дефекгообразования при облучении высокоэнсргстическнми электронами;

- исследование влияния ыякзеренных границ в поликристаллах, температуры облучения и примесного состава на образование и термическую стабильность РД;

- изучение особенностей образования РД в Полупроводниках при различных видах облучения;

- разработка на основе ыоно- и поликристаллов сульфида и оксида цинка датчиков давления и дозиметров карпускулярного излучения;

- исследование дефектов структуры и природы оптических неоднород-ностей материалов силовой ИК оптики на основе сульфида и селенида цинка;

- установление влияния технологических факторов на оптические свойства и параметры оптических неодиородностей этих материалов.

Научная новизна. В диссертации впервые проведено систематическое комплексное исследование процессов радиационного дефекгообразо-зания в широкозонных полупроводниках А2В6 при облучении электронами, нейтронами, протонами, а-частицами и у-кв антами. Получены данные э влияния дефектов различной размерности, примесного состава и температуры облучения на образование и термическую стабильность радиационных нарушений. Проанализированы и сделаны выводы с механизме »здания РД при малых дозах облучения.

Получены новые данные об оптических, электрических и лтошшес-центаых характеристиках полупроводников с РД, обоснован »механизм зекомбинационного взаимодействия центров, созданных облучением.

Установлена природа оптических неоднородностей в соединениях, получаемых по СУО и МОСУО-технологиям и используемых в качестве материалов силовой оптики в среднем ИК-диапазоне.

Практическая значимость работы состоит:

- а установлении елиянкД дефетггов различной размерности на образование РД св.тзапное с зт:г! г.змснсгтяс оптических, лтоминескспгшых и фотозлеглричесгсях сзонсгз ш;:роко?о!ПГъ:х полупроводтппсоз А2Вб;

- п установления завясямостей изменения сзойстя полупроводников от энергии и ф.тюенса частиц, а также температуры облучения, позволшо-щк прогнозировать стсйкос-п» материалов к прибороз на их основе к радиационному воздействию;

- з разработке на основе оксида и сульфида цинка ецпнткллжторов, фото-яюмипес: кштыг дозиметров яротояоз я быстрых электронов абсорбционного дозиметра быстрых нейтронов, а также в установлении возможности "управления параметрами дозиметров при изменении исходной дефекгаости кристаллов; .

- в разработке датчиков статического давления на основе гав;

- в установлении связи с технологическими параметрами характеристик оптических неоднородностей, ограничивающих лучевую прочность материалов силовой огпики;

- в получении экспериментальных данных, являющихся базой для направленного управления электрофизическими и оптическими свойствами полупроводников с целью создания на их основе оптозл«стройных устройств.

На защиту выносятся следующие экспериментально установленные положения:

1. Влияние дефектов различной размерности на накопление и термическую стабильность радиационных нарушений в полупроводниках.

2. Механизм радиационного дефекгообразованкя при малых дозах облучения.

3. Факторы, определяющие образование центров Р-типа в полупроводниках.

4. Механизм переноса заряда и рекомбинационного взаимодействия центров излучательной рекомбинации в полупроводниках с РД.

5. Влияние облучения а-частяцами иа радиационное упрочнение сульфида и селенида цинка.

6. Природа оптических неоднородностей в поликристаллах сульфида и сслешвд цкнкг, полученных осуждением из газовой фазы. Влияние внешних факторов (высо!же давления:: температура, облучение) иа оптические свойства полупроводников.

7. Особенности излучательной рекомбинации в оксиде г. сульфлдс шппса при внешних воздействиях-и возможность использования этих соединений в качестве детекторов и дозиметров ионизирующих излучений, а таккс чувствительных элементов датчиков высокого давления.

Личный вклад автора

Изложенные в диссертации результаты получены автором совместно с работающей под его руководством группой сотрудников УГТУ-УПИ. Основная часть научных исследований была проведена по инициативе «: под руководством автора. «Личное участие автора состояло в постановке задачи и цели исследований, разработке экспериментальных методик, в обсуждении полученных результатов. Значителы ► а часть экспериментальных результатов получена лично автором. Часть статей по теме диссертации написаны автором на основании ко.^жгавного анализа и обсуждения результатов. Обобщенные; выводы и основные положения, выносимые на защипу, принадлежат автору диссертации.

Научные исследования, положенные в основу данной работы, вы-

полнены в рамках плановых госбюджетных тем УГТУ-УПИ: "Разработка новых оптических н полупроводниковых материалов электронной и вычислительной техники" на 1976-1980гг., выполняемой по Постановлению Совмина РСФСР N611 от 12.11.76г.; "Исследование электронно-оптических свойств полупроводников и диэлектриков, предназначенных для использования в качестве люминофоров, сцинтиллдторов и рабочих веществ для термолюминесиентной дозиметрии на 1981 -1985гг. (N г.р. 81000310), включенной в координационный план АН СССР; "Исследование радиа-ционно-сшмулированных процессов в полупроводниковых соединениях Л-Еб на 1988-1990гг. (N г.р. 01830032759), выполнявшейся по межведомственной программе "Высокочистые вещества"; "Исследование радиа-ционно-стамулированных процессов в материалах ото- и квантовой электроники на 1991-1995гг.; НИР "Высокочистый сслеиид цинка", выполненная по программе ГКНТ "Перспективные материалы" » 19891991гг. (N г.р. 01.9.00.001259).

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на II Всесоюзном совещании по физике и химии соединений типа А"Вб (Ужгород, 1970), на XIX Всесоюзном совещании по люминесценции (Рига, 1970), на VIII Межвузовской физической научной конференции (Хабаровск, 1971), на IV Всесоюзном совещании "Физика, химия и технические применения полупроводников А2В6 (Одесса, 1976), на V Всесоюзном совещании по физике и техническому применению полупроводников А"Вб (Вилыпос, 1983), ка III и IV Всесоюзных совещаниях по химии твердого тела (Свердловск, 1981, 1985), на V Всесоюзном симпозиуме по люминесцентным приемникам и преобразователям ионизирующего излучения (Таллин, 1985), на Всесоюзном совещании "Воздействие ионизирующего излучения на гетерогенные системы" (Москва, 1976), на Всесоюзном совещании "Технология, процессы, аппараты и качество промышленных люминофоров" (Ставрополь, 1977), VII Уральской конференции по спектроскопии (Свердловск, 1971), на XXI совещании, по люминесценции (Ставрополь, 1973), на II Всесоюзном совещании по глубоким уровням в полупроводниках (Ташкент, 1980), на V Всесоюзном совещании "Синтез, свойства, исследование, технология и применение люминофоров" (Ставрополь, 1985), на III Всесоюзном совещании "Физика и технология широкозонных полупроводников" (Махачкала, 1986), на научно-технической конференции "Синтез и исследование халькогенидных пленок (Свердловск, 1986), на Всесоюзной конференции по радиационной физике и химии неорганических материалов (Рига, 1989), па ÏI Республиканской конференции Киргиз.ССР по физике диэлектриков и полупроводников (Ош, 1989), на II Республиканской конференции "Физика твердого тела и

новые области ее применения" (Караганда, 1990), на II Всесоюзной конф< регции "Модификация свойств конструкционных материалов пучкам заряженных частиц" (Свердловск, 1991), на Всесоюзной конференци "Получение, свойства, анализ и применение соединений с молекулярно кристаллической решеткой для новой техники" (Нижний Новгород, 1991 ¡¡а XIII межнациональном совещании по физике взаимодействия заряжи ных частиц с кристаллами (Москва, 1993).

Публикации. Материал диссертации опубликован в 37 статьях и 2 тезисах Всесоюзных и республиканских конференций, получено 6 атзто[ скиа свидетельств на изобретения. Перечень основных публикаций нахс дится и конце автореферата.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, глав, заключения,' списка литературы и приложения. Она содержит 42 страниц машинописного текста, 120 рисунков, 14 таблиц, 448 наимснс ваний лшч>атуры.

у

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы исследования, фор-тируготся цели и задачи работы, дается краткое содержание глав дис-тации. Сформулированы основные научные положения, которые вы-:ятся на защиту. >

Первая глава является методической. В ней приведена харгкгерис-<а объектов исследования, описаны методики изучения оптоэлеетрон-:х, люминесцентных и друтох свойств полупроводников.

В качестве основных методов исследования использовались методы тоэлектрической, оптической и люминесцентной спектроскопии, позво-ющие получать в интервале температур 80-400 К спектры оптического глощения, фото-, катодо- и термолюминесценции, а также спектры фо-проводимости, индуцированной фотопроводимости и термосгамулиро-нной проводимости.

Спектры нестационарной ФЛ снимались на установке с временным ^решением Ю*7-10*3 с. Возбуждение образцов при этом осуществлялось тульсньшазотяым лазером ЛГИ-21 (Х=337,1 нм).

Для исследования глубоких уровнен дополнительно использовались лоды НЕС ГУ и ОНТСГУ, для чего изготавливались диоды Шоттки ти-1 Ад-2п5е-1п или образцы с омическими контактами из индий-галлиевой ¿альгамы. При изготовлении диодов использовались монокрисгалли-хкке пластинки предварите.п>но отожженныз в парах цшгка при ¡мпературах 600-1000°С в течение 30-170 ч. В результате отясига были о лучены низкооыные образцы ZпSs с удельным сопротивлением порядка ,1 Оисм.

Для измерений были отобраны ДШ, имеющие коэффициент ндеаль-осп1 В АХ, равный 1,14-1,2 при 293 К. Электрофизические свойства таких (Ш достаточно близки к свойствам идеального контакта ысталл-полу-роводник.

Изучение оптических неоднородностей з образцах осуществлялось ;а люминесцентное ;:;кроскопс "ЛЮМАМ-Г1, а также на рентгеновском [ккроанализаторе фирмы "САМЕВАХ", позволяющих получать нзобра-сения и спектры л;оми.чссциру:о»:и;х к:д:очеш;й, устаназллзатъ химический состав мккронсоднородшостец по спектрам ХРИ, Еозбуясдаемого лектронныы пучком диаметром до 0,1 мкн.

Введение дислокаций в кристаллы осуществлялось» истодом пласга-1еской деформации двумя способами. Первый из них заключается в деформации кристаллов с большой скоростью (¿=500 мкм/мнн) при 300 К в

условиях гидростатически сжатой среды с давлением в рабочей камер« 0,8 ГПа. *

Деформация образцов вторым способом (£ - мало) осуществлялась на деформационной машине "Инстрон" с параметрами деформации; ¿=5 ыкы/мин, Тдеф=300фС или на машине типа "1231У-10" при е= 6,6 ыкм/мин и Тдеф=190°С. Для проведения деформации образцы после кристаллографической ориентировки вырезали» алмазной пилой в форме прямоугольных призм. При деформации базисная плоскость (111) располагалась под углом 45° к одноосному деформирующему усилию и являлась плоскостью скольжения дислокадай, а направление <1 П> - направлением наилегчайшего скольжения.

Для устранения влияния точечных дефектов, вводимых при пластической деформации вместе с дислокациями, деформированные образцы отжигались в вакууме при температуре 450°С.

Плотность ростовых дислокаций (И0) в кристаллах определялась методом химического травления и составляла в нелегированном 2л8 ~ 105см*2 . Плотность дислокаций в деформированных образцах при малых величинах деформации (е) оценивалась с точностью до половины порядка из соотношения N4 = б(108 + 107л/Ыо). Предполагается, что с увеличением

е пропорционально возрастает Кд.

При изучении процессов радиационного дефекгообразования облу-ченне образцов проводилось высокоэнергетачныму электронами с энергией Е=15 МэВ (мшфотрои М-20) и 5 МэВ (линейный ускоритель), ускоренными протонами с энергией до 10 МэВ, а-частицами быстрыми нейтронами спектра деления, а также гамма-квантами При облучении контролировались интеисивносп.аол>'ч«шя и температура образца.

При высокотемпературном электронном облучении (Т=373-523 К) использовалось специальное устройство, позволяющее задавать температуру облучения и автоматачески поддерживать её с точностью ±5°.

Во второй главе рассмотрены с учетом литературных данных общие вопросы образования РД в цшрокозонных полупроводниках А2В6 (преимущественно в. сульфиде, сслсш1дс, а также в оксиде цинка) при облучении заряженными частицами, нейтронами и гамма-квантами, анализируются данные по влиянию облучения на люминесцентные, оптоэдект-ронные и другие свойства кристаллов.

Для всех соединений А2Вб в'зависимостях скоростей радиационного дефекгообразования от энергии электронов экспериментально обнаружены резкие пороги. Из этих данных следует! что доминирующим механизмом, приводящим к смещению атойов,является упругое резерфордовское

рассеяние электронов на атомных ядрах. Установлена корреляция между величиной пороговой энергии Е<) и энергией связи атомов. Идентификация элементарных дефектов, создаваемых электронами в пороговых экспериментах, как правило, затруднена, поскольку при облучении с большей вероятностью идет образование комплексных дефектов с участием неконтролируемых примесей. Наряду с этим в полупроводниках, например, в 2пО и СсЭЭ, дефекты образуются цри подпорог овых энергиях. Эффекты обусловлены проявлением ионизационных механизмов и преобразованием различных локальных центров в кристаллах, вызванных их перезарядкой светом, рентгеновским или гамма-излучением.

Важнейшим результатом изучения радиационшу-сгимулированных процессов и природы РД является идентификация анионных й катионных вакансий на основе данных, улученных методом ЭПР, ОП и ФП.

Данные по влиянию облучения на оптические, люминесцентные и фотоэлектрические свойства полупроводников зачастую противоречивы, в особенности при малых дозах облучения. Это связано с тем, что радиационные эффекш определяются многими факторами, в том числе примесным составом кристаллов, температурой. облучения, характеристиками излучения. Влияние неконтролируемых дефектов различной размерности, содержащихся в исходных материалах, на процессы накопления и отжига РД не выявлено. Является дискуссионным механизм рехомбинациониого взаимодействия це1пров люминесценции и захвата с РД, определяющий оптические и фотоэлектрические свойства облученных кристаллов.

В данной работе рассчитаны сечения смещения атомов и концентрации пар Френкеля'з полупроводниках при облучении з'аряжещшми частицами, нейтронами и гамма-квантами с учетом известных величин Е^.

Сечения взаимодействия электронов с атомами, приводящие к смещениям, вычислены по соотиошетюм Маккинли-Фешбаха. В табл.1 приведены сечения смещений о, каскадные коэффициенты V и концентрации смещенных атомов п для и 2пО при единичном флюенсе электронов.

Методом Монте-Карло по схеме "укрупненных соударений" рассчитаны потери энергии элеэтронов с Е-5 МэВ. а также профиль смещений. Концентрация смещенных атомов превышает в 4 раза величины, приведенные в табл.1, а неравномерность их распределения по толщине используемых образцов (~1 мм) непревышает 6%.

Таблица 1

Параметры радиационного дефектообразования в и 2лО при электронном облучении

Вещество МэВ барн ^Б.О. барн У2п у5.0 Па/п> см-3 см*3

5 195 75 2.02 2,11 4.92 1,98

15 195 75 3,07 3,12 7,48 2,93

7мО 15 33.12 9.77 1,07 1.38 2.57 1.58

Проанализированы процессы генерации пар Френкеля в ¡£п5 при облучении гамма-квантами с Е=1,25 МэВ. Образование РД обусловлено в основном комптоновскими электронами. Сечения смещения атомов цинка и серы составляют соответственно 4,7-10"*6 и 4,9-10'-6 см2. Найдено распределение атомов обеих подрешгток по энергии, передаваемой им при рассеянии электронов.

Процессы преобразования энергии протонов с энергией от 0,03 до 10 МэВ рассмотрены на примере 2пО. Для данного диапазона энергий приемлема резерфордовская модель рассеяния. Поскольку изучение люминесцентных свойств 2лО производилось в слое, составляющем 0,10,2 ыкм, рассчитана (табл.2) концентрация РД в приповерхностном слое кристаллов для всех используемых энергий протонов.

Таблица 2

Концентрация РД в приповерхностном слое 2лО, облученного протонами флюенсом Ф=1 см"2

Энергия протонов,МэВ Концентрация дефектов, см'3

п<1ул - »До

0,03 3,82-104 2,16-Ю4

0,07 1,94104 1,2Ы04

0,6 З,10103 2,24-103

10,0 2-,53-Ю2 2,01-Ю2

В третьей главе описаны результаты исследований радиационно-стнмулированных процессов в с различной исходной дефектностью. Предварительно изучено влияние дислокаций, вводимых пластической де-

формацией, на оптоэяегпронные свойства Обнаружена анизотропия ФП при направлениях тока, параллельном гг перпендшсулярном линиям краевых частичных дислокаций. Эффект обусловлен влиянием электрических к упругих полей дислокаций на рассеяние носителей заряда и их подвижность. Для деформированных монокристаллов характерна ОПр, вызванная искажением краев энергетических зон заряженными дислокациями.

ОПр в "дислокационных" кристаллах объяснена с привлечением модели "случайного потенциального рельефа" и введением рекомбинацион-ных (Еря;) и дрейфрвых (Едр) барьеров. Соотношение их при £=0; 4,3 и 10% составляет соответственно 1,19±0,13; 1,46±0,19 и 2,18±0,12 и обусловлено возрастанием рекомбинационных барьеров при пластической деформации.

Установлено влияние дислокаций на экситонную (326,7 им) и краевую (336,5; 340,9 и 343,6 ни) КЛ Введение частичных дислокаций приводит к разгоранию КЛ в УФ области, вызванному известным фактом улучшения структуры кристаллов при пластической деформации и подтвержденным в данной работе методом протонограмм.

Изучено влияние пластической деформации на примесные центры свечения в кристаллах, легированных медью, бором к кислородом. При скольжении анионных и катонных слоев происходит необратимое разрушение ассоциативных синих {Сиха-^ха) » 0г'2а"-2В2а')-иентров свечения, приводящее к ослг.блешно или исчезновению связанных с ними полос (450 к 480 нм) з спектрах ФЛ.

Низкотемпературная (80 К) деформация не изменяет характеристик зкеитонного свечения монокристаллов ZnS, однако интенсивность краевой КЛ уменьшается с ростом нагрузки. В кристаллах с предварительно запасенной свстосуммой при 80 К поелл деформации пронеходэт умснь-шеике пиков ТСЛ, обусловленное свойствами движущихся'отслокаций.

При облучении в зависимости от гида излучения и условий облучения создастся несколько групп це-проз захвата (табл.3).

Максимумы ТСЛ при 110 К (Ес-0,1 эВ) и 127 К (Ес-0,25 эВ) связаны с Лл;, а пик ТСП при 195 К (Еу+0,46 эВ) обусловлен уходом дырок с аетпроз. ТСП и ТСЛ з юггервзле температур 195-235 К обусловлены электронами, зыспобс .чдасмымн с ловушек, образованных с участием неконтролируемой примеси кислорода.

Таблица 3

Параметры центров захвата в облученных электронами кристаллах .

Т„,к 127 153 183 195 235 265 291 323 367

Е^.эВ 0.27 0.35 0.39 0,46 0,54 0,63 0,71 0,83 0,94

v, с"1 2,8х 1,8х 2,1 х ЗАх 9,7х 2,2х 4,8х 1,9х 1,5х

Ю^ 10» 10« юю 10» юю 10» 10»

аи см2 1,9х 9,3х 8,3х 1,2х 2,7х 5,2х 9,6х 3,2х 2,1*

Ю-" Ю-" Ю-19 Ю-" Ю-« Ю-18 Ю-18 Ю-" 10-17

Из данных, полученных при анализе спектров КЛ, ТСЛ и ТСП облученных кристаллов а также кинетики отжига РД следует, что создаваемые быстрыми нейтронами и электронами в подрешэтхе цинка пары Френкеля проявляются как ДАП с разли чной степенью ассоциации, зависящей от температуры облучгниг. При низких температурах (< 300 К) в кристаллах доминируют близкие пары с большей степенью ассоциации, а при высоких - дальние пары (рис. 1,2).

Рис. 2. Влияние темпфзтуры оёлу^ййй йа Ш&ЯрЫ ФЛ с различной плотностью ДйсЛо&ацйй:

1 - до, 2-4 - после облучбнйя электронами (Е=15 МэВ, Ф=6-101? юг2). Тйам=80 К.

2 - Т=313 К, е=0%; 3 - Т=423 К, в=0%; 4 - Т=423 К, е=5%. . На вставке а: ФЛ в максимуме ТСЛ прй 124 К. Навставкеб:ТСЛв^йосе444«м

Рис.2. Влияние температуры облучения на ТСЛ (Е=15МЭВ,Ф=6-1017см-2):

1 - необл.образец; 2 - обл. при 313 К (часть кривой);

- 3 - обл. при 423 К; 4 - ТЗЛ полосы 444 им. На пстазке: к определению энергии актазации центроа захвата з максимумах 107 (I) и 124 К(2)

Скорость создания пар Фрипселя в ."бездислокационных" кристаллах возрастает при повышении температуры облучения из-за уменьшения Е,\. Теоретические оценку. показывают, что с ростом температуры кристалла с 300 до 423 К Еа уменьшается на 0,66 эВ. В "дислокационных" кристаллах при повышении температуры облучения наблюдается уменьшение концентрации 7.щ вследствие стока на их дислокации.

Об ассош!атазном характере создаваемых облучением центров захвата и излучатслЬной рекомбинации (Уха) свидетельствуют спектры ТСЛ,.снятые п разных полосах (рис.3), смешение максимумов ТСЛ при изменении степени заполнеш>.я ловушек, а также отсутствие перезахззта термически дслокализованных электронов на более глубокие центры захвата (рис.6). .

Дислокации в кристаллах изменяют кинетику тсрмостимулирован-ных процессов, что подтверждается данными по влиянию их засветки на ТСП предварительно возбужденных кристаллов (рнс.4). Псрезахпат электронов, высвобождаемых ИК езстом на глубокие ловушки, и проявляющийся в исходных кристаллах, в "дислокационных" кристаллах отсутствует. Это обусловлено наличием в кристаллах незаполненных "сбор-Банных" дислокационных связей, на которых могут локализоваться электроны.

100 220 Й0 160 200 I, К

Рис.3. Спектры ТСЛ моиокризталлоа гпЗ, облученных элезлро-иаын:

в - в синей, б - в зеленой полосе: 1 - до, 2- после облучения электронами (Е=5 МэВ; Ф=2,9-!С17 см'2)

"В спектрах ЭПР облученного электронами и иеёзронами ХаВ ре-гнстрнруегся фоточувствительный изотропный сигнал с £=20027±0,С005. СТС состоит из шести линий и вызвана изотопом 612лг (3=5/2, 4,1%). Пай-денные из спектра ЭПР Л±=(1.8,9±0,005)-1<И<лг1, А;|=(21,1±0.5>1(И си-1

близки к константам СТВ для Р+-центров.

Б спектрах ОП облученных кристаллов (рис.5) обнаруживаются фо-точувстаитсльныс полосы Г (3,4 эВ) я Р+.центров (2,3 и 2,9 зВ). • * Методами ЭПР, ОП, ПОП и ИФПизупены свойства центров Р-тапа в /лБ, облученном электронами и быстрыми нейтронами. Необходимым условней формирования Р+-г;е:;тров и связанных с ним полос ОП является оптическая ионизация Р-центров и локализация электронов на центрах захвата, определяющих скорость формирования, обесцвечивания, а тшже термическую стабильность полбе. В "дислокационных" кристаллах при возбуждении УФ светом повышается скорость формирования полос ОП 1т+-це!;троа вследствие возрастания вероятности локализации.' на дислокациях электронов, и ы ее о 6 озд аеных с Р-центров.

Рис.4. Влияние ИК-засв сгпс! на спаггры ТСП оолучештого элеюронами га5 (Е=!3 МэВ; Ф=7-1017см--): а - с=б%; б - с=10%: 1 - до, 2 - после ИК-засвепсн (?.=! 150 ни). На вставке: часть кривой ТСП, снятой по методу термооп-тачесгсого зондирования при ПК освещении (?.=! 250 ия)

и.

н

3

2

• i

300 400 , - 500 . 600 А, нм

Рис.5. Спектр ОП 2^5 облученного нейтронами:

1 - до; 2 - после облучения Ф=1018 см'2; 3 - после облу-.чения и фотовозбуждяп¡я; 4 - разностный спегяр для кривых 3 к 2; 5 - зависимость П-соп^-?.'2

Методом цеизотср1шчсской рсла>:садин заряда в прсдЕар;гге.тьно возбуаденноы. ¿ркстаяле определен знак 'процессов и механизм рекем-бинациоййого взанцбдеЯствш: прнмгснЫх к РД, п том числе Р+-центрот\ в тфисталлах, обл>гченньк элеироиагля и быстрыми нейтронами (рис.6). .В качестве репера использовался парамагнитный центр с 5= 1,999+0,0005 и константой сверхтонкого взаимодействия А=13,3-1 О*4, обусловленный ¿5-ионами СГ2а+, являющимися электронными ловушками с уровнем Ес -0,6эВ.

0,5

100 130 220 7, К

Рис.6. Изменение концентрации цгнтро-, ответственных за ЭПР, СП и ТСЛ облученного нейтронами (Ф=Ю17 си"-) ПОИ термическом дезозбуждении: 1 - концентрация Сг+-«аггроп с 6=1,0997±0,С«005; 2-ОП Р^-ципрса а максимуме полосы 2,3 эЗЗ; 3 - ТСЛ

Скорость накопления- Уз при электронном облучении определяется наличием з кристаллах дефектов различней размерности. В "дислокационных" кристаллах она выше, чем в исходных. Эффект зызваи прооран-сленны» разделением У8 к под влиянием дислокаций. 3 поликристаллах границы зерен являются стоками как ддглУ5, та:: и для Б;, а такзее местом сегрегации неконтролируемых примесей: Этим обусловлены мень-хзяе конаеятрашй! центров захвата, а тзкзее иеитроз Р-типа в облученных электронами поликристаллах по сравнению с монокристаллами.

Интенсивность ФЛ облученного 2^5 згэисит от флюетса быстрых электронов и определяется-как непосредственным злившем дислокаций из термическую' стабильность РД. так и распределением иекотрояируе-уых примесей в объеме и з области дислокаций.

В "дислокационных" легированных медью, а тахзее в непегирозап-ных, но содержащих неконтролируемые примеси,кристаллах, наблюдается обусловленное влиянием упругих и электрических полей дислокаций уыеяызав« энергии ахг/.зации отжига' и зосспшоаяеяив люминесцентных свойств при более низких температурах по сравнению с "бездислока-

К £ '

хшэкяымк образцами, -

При облучении ¿о5 быстрыми нейтронами проявляется обусловленное каскадными процессами и термическими клиньями сублинейное накопление центровТ-тапа с ростром флюекса в интервале 1012-1019 см"2. Локальный разогрев кристалла сопровождается диссоциацией соединения и образованием коллоидов цинка. Формирующиеся при облучении области раэупорядочения обусловливают модуляцию энергетических зон и сдвиг края ОП в длинноволновую сторону. При этом коэффициент ослабления оказываете« пропорциональным ?."2 (рис.5) и линейно возрастающим с увеличением флюенса. Данные по отжигу РД показывают (рис.7), что сдвиг края ОП в облученных кристаллах обусловлен преимущественно разупорядочением в подрешетке серы. Оценка концентрации РД в облученных кристаллах, сделанная по данным измерения запасенной энергии также подтверждает, что большая часть образующихся пар Френкеля отжигается в процессе облучения.

Рис.7. Изменение свойств облученного быстрыми нейтронами (Ф=1017 см*2), при изохронном от2скге. 7^=80 К: I - ОП в полосе 2,3 эВ; 2 - интенсивность ФЛ; 3 - смещение края ОП; 4 - фоточувствительность

■ Изучены радиационные эффезяы в кско- и поликрасталличееком ZnS при облучении гамма-квантами дозой до 10е Р. Свойства облученных фисталлов определяются преимущественно эффектами малых доз, при которых доминирующими процессами являются термоупругое смещение помов и распад мгтастабштышх образований. Эти процессы, сопровождаются упорядочением кристаллов, повышением их оптической прозрачности, а также образованием радиационно-примескых комплексов.

Процессы образования РД а полупроводниках А2Вб При малых до-jax облучения описаны на примерз ZnS уравнениями квазихимических резкций, позволяющих прогнозировать изменение оптических, люминесцентных и фотоэлектрических свойств полупроводников с учетом их исходной дефектности и примесного состава.

Облучение ZnS высокоэнергетичным излучением сопровождается появлением двух новых каналов рекомбинации: медленного а быстрого через VK и F-центры соответственно. С перзын связано повышение яркости свечения в синей области спектра, со вторым - появление полос И IC-излучения (850 и 1170 нк) и гашение видимой О Л. Восстановление яркости ФЛ и светозапасания облученных кристаллов наблюдается при отжиге Vs (рис.7,8).

Облучение кристаллов с акионзамещающкми примесями (С1, О) ыозеет сопрово2<даться возрастанием выхода ФЛ вследствие'образования Vza при подавлении образования F-центров.

В четвертой главе рассмотрены свойства ZnSe с термическими н радиационными дефяггашг. Методами- емкостной к оптической спектроскопии;' определены параметры электронных и дырочных центров захвата, формируемых в ZnSs при отжиге а насыщенных парах цинка. После отжига в спектрах ГЦЗ домкнирухот электронные ловушки с уровнями 0,130,16; 0,27 к 0,3 зВ, концентрация которых растет с увеличением температуры отжига кристаллов. Предполагается, что ловушками являются преимущественно ассоаиаты собственных дефектов Vs- и Zn[ с неконтролируемыми примесями. С ростом температуры отжига наблюдается тагегге увеличение концентрации'.:*■ числа дырочных центров с энергиями 0,1-0,8 зВ. Дырочные ловушки и мелкие электронные центры захвата' образуют ДАЛ, ответственные за полосу излучения 462 нк.

В ИК-диапазоне после отаига\ обнаруживается. икгскскгжое поглощение на свободных носителях заряда, пропорциональное Величина показателя степени указывает на то, что рассеяние носителей происходит преимущественно на заряжеяиых дефектах. Найденная т:з спектров ОП концентрация свободных носителей равна 1,3-1013 см'-*. Это превышает измеренную емкостными истодами концентрацию иеяккх допоров

22 . .

• , - . о - - ' . .

(1,3-10*® см'3). Несоответствие обусловлено наличие» в низкоомных 2о& значительного количества глубоких доноров и заряженных дефектов ак цепторного тнпа. Это подгверадает вывода по изучению центров захват: в отожженных кристаллах.

Рис.3. Влия1ше изохронного отжига на TCJl ZnS-Ag, Ai, С1, облученного быстрыми нейтронами (Ф=1017 сы'-): 1 - до, (2+5) - после отжига при температурах 120,210, 250 и 360°С соответственно

. . Изучено влия:гле о-пгшга в вакууме на энергетический спсктр ГЦЗ i нелегированном бысокоомпом moho- и поликристаллическом Zr.Se. С повышением Тот- от 100 до 200°С обнаружено необратимое уменьшение примерно на 0,1 эБ, термической энергии ионизации ГЦЗ с глубинами залегания 0,13-0,45 эВ. Предполагается, что цггпрами захвата являются точечные дефекты донорного типа, образующие мета стабильные ассоциа-ты с акцепторам:;. Уменьшение энергии ионизации доноров при отжиг« происходит при структурной перестройке ассоцнатоз с уменьшением

феднего расстояния мезкду донорами и акцепторами.

В моно- и поликристаллах ZnSc при облучении электронами с Е=5 МэВ образуются в основном однотипные РД (табл.4), различающиеся однако своей термической стабильностью. '

Таблица 4

Параметры центров захвата в облученных электронами моно- н поликристаллах ZnSc

Образцы Уровни центров захвата Энергия ионизации, эВ Сечение захвата, см2

До облучения

ZnSe-I 0,13-0.40

ZnSe-II 0,22±0,02 1.М0"14

ZnSe-II 0,25-0,48. • ■

ZnSe-II 1,0-1,6 ■

После облучения

ZaSe-I, ZnSe-II Л! 0,30+0,03 З.б-Ю'14

ZnSe-I, ZnSe-II Л2 0,35±0,04 1.1-1Q-14

ZnSe-I, ZnSe-II ЛЗ 0,43±0,05 6,0-10"14

ZnSe-I Л4 0,48±0,0б 3,010-15

ZnSe-I, Л5 0,54+0,07 7,0-Ю"14

ZnSe-II Лб 0,14±0,02 1,1-ю-14

После от?з!га при 350°C

ZnSe-II Л 7 0,18±0,02 6,0-10'14

ZaSe-II Л8 0,20+0,02 6,0-10'ls

ZaSe-II Л9 0,78+0.09 1,5-Ю-11

В ыонокрасталлах РД полностью отжигаются э области температур до ¿50"С (рнс.9). В поликристаллах при этих температурах доминируют процессы перестройки и сбразоззлия 1:Эбых тсрмостабклыплх комплексов (рис.10), а также сто,к подвижных дефекгоз на межзеренные границы. Этим обусловлена необратимость изменения спектров ГЦЗ поликристаллов при облучении.

{5~

2 , *

I

и

и Ю

< <

и

Рис.9. Спсзпры 0Н7СГУ нелегированных монокристаллов 2о$е: 1 -до; 2-после облучения электронами (Б~15 МэВ, ; Ф=10п см"2); 3+2 -после облучения и изохронного отжига при 100,150,200,250,300 и 350°С соответственно. Окно скорости 86,2 о*1

Одной из наиболее радиационно-чувствительных характеристик по лупроводников является диффузионная длина неосновных носителей за р.!да (ННЗ). ДШ на основе п^пБе использованы для изучения темпе ратурной зависимости диффузионной длины 11113 - дырок Ц,, а таю;! времени их жизни - Тр. Величина Ьр определялась по зависимости фотото ка короткого замыкания ДШ Ag-ZnSe от ширины слоя объемного заряд: при освещении через полупрозрачный серебряный электрод граьмц. раздела светом из области фундаментального поглощения.

При 77 К величина Ьр равна 25 нм и монотонно возрастает до 80 ни при 293 К. При 293 К тр=5-10-1» с. ■ ■ "

Изучено влияние облучения а-частнцами на величину Ц,. Исполь-зозались кристаллы 2пБе, отожженные в насыщенных парах цинка последовательно при температуре 800°С в течение 30 ч и при 600°С в течение 145 ч. Установлено,что с ростом 4»поснса до 1,1-Ю13 см'- Ьр уменьшается с 75 до 12 нм, при этом концентрация некомпенсированных мелких доноров снижается с 2,9 ■10" до 1,1- 10" см"3. Дозовая зависимость Ьр описывается выражением

Ц-2(Ф)-Ьф(0)=кь-Ф,

где Ф - флюенс а-чаетиц. К^, - коэффициент радиационного изменения Ьр, рзвнмй 6,3-10*2.

Основной причиной уменьшения Ц> при облучении является повышение скорости рекомбинации неравновесных дырок вследствие увеличения концентрации дгорочных ловушек с энергиями Еу+(0,1-0,7) эВ. -

И-.учен процесс радиационного упрочнения моно- и поликристаллов сульфида и селенида цинка при облучении а-частицамн флюенсом до 8-Ю14 см"". С ростом флюенса возрастает микротвердость всех образцов (inic.ll). Однако если для монокристаллов дозовая зависимость характеризуется кривой с насыщением при Ф=6-1014 см"2, то для поликристаллов она близка к линейной со всем рассматриваемом диапазоне флюенсов. Относительное изменение микротвердости составляет для поликристаллов и 2п8е соответственно 0,35 и 0,2, а для монокристаллов 0,18. и 0,14 при максимальном флюенсе. Различие в кинетике упрочнения моно- и поликристаллов обусловлено особенностями накопления и отжига РД, закрепляющих дислокации. Мегоеренные границы в поликристаллах способствуют пространственному разделению компонент френкелевских пар и уменьшению их отжига в тепловых клиньях, возникающих при торможении а-частиц.

Рис. 11.'Изменение кикротвердости халькогекидов цтгка при облучении а-частацамн. ■ « • Зависимости для поликристаллов: 21п5(1) и ^8е(2); для монокристаллов: 2пБ(3) и 2я$е(4)

П пятой главе описаны результаты исследований свойств ^О с соб-га синими, примесными к радиационными дефектами. Проведено сравне-несзойстз монокристаллов и керамики 7лО.

Спектр УФ ФЛ керамики содержит полосы излучательной аншгш-яции свободного (367,8 нм) и связанного (369,4 нм) эзсситонов, эквидис-ыгщую серию многофопонной аннигиляции свободного экентопа (374,5; 33,2; 391,8; 401,0 нм), головную линию краезой люминесценции в ДАП >87 нм) и. ее. одиофонелное повторение (396 нм). Интенсивность УФ ФЛ грамнки в 3-5, а сцинтилляционная эффективность более чем на порядок ревышают соответствующие значения для монокристаллов, выращенных гдротермальным методом.

С учетом повышенной эффективности эксигонных процессов в кера-ике сделай вывод о том, что кристаллиты, образующие керамику, имеют

более совершенную структуру по сравнению с монокристаллами.

В спектрах ФЛ керамики 2пО впервые при 80 К зарегистрирована колебательная структура коротковолнового крыла полосы излучения с максимумом 525 им. Форма полосы описана в рамках модели сильного электрон-фононного взаимодействия с энергией бесфононной линии Асву=2,84 эВ и фактором Хуанга-Риса 8=8,1 ±0,1. Предполагается, что за образование полосы излучения 525 нм в /£пО ответственен дефект Си^ (ион Си+3а10).

Облучение монокристаллов и керамики 5£пО протонами приводит к радиационному тушению полос ФЛ в УФ и видимой областях спектра. Уменьшение энергии протонов от 10 до 0,03 МэВ при равных флюенсах сопровождается увеличением радиационного тушения УФ ФЛ монокристаллов. При уменьшении энергии протонов эффект обусловлен ростом концентрации РД (табл 2) в приповерхностном слое, определяющем люминесцентные свойства 2лО при фотовозбуждении в полосе фундаментального поглощения.

Полосы экситонной люминесценции керамики по сравнению с монокристаллами более чувствительны к протонному и нейтронному облучению. Это связано с меньшей концентрацией в керамике собственных и примесных дефектов. Однако основной причиной повышенной радиационной чувствительности полос ФЛ керамики 2я.О является наличие мезк-зеренных границ, проявляющихся в. качестве эффективных стоков для междуузельных атомов. Этот процесс замедляет рекомбинацию френке-левских пар и способствует накоплению вакансий.

При облучении монокристаллов протонами, электронами и быстрыми нейтронами в спектрах ОП появляется широкая полоса 390600 нм с максимумом около 410 нм, примыкающая к краю фундаментального поглощения. В табл.5 сопоставлены расчетные и экспериментальные значения коэффициентов поглощения б облученных монокристаллах. .. .••.

Накопление и престранственнос распределение РД в кристаллах определяется высокой скоростью диффузии собственных междоузельных атомов. Это подтверждается энергетическими спектрами обратио-рассслн-ных протонов, из Которых видно, что при Ер=0,03 МэВ постоянная концентрация РД, определяющих рассеяние, наблюдается на глубинах - 0,35 мкм. Это более чем в 2 раза превышает средний пробег протонов данной энергии в 2&Ю.

Таблица 5

Соотношение расчетных и экспериментальных коэффициентов ОП РД в облученных монокристаллах 2пО

Коэфф. поглощения Протоны, Ф=10-16 СМ"2 Электроны Е=15 МэВ Ф=10,бсм"2 Быстрые нейтроны реактора Ф=1015см"2

Е, МэВ

10 1 0.6 0.07 0,03

Огеоп, отн.ед 1,0 12,0 43,4 63т2 0,31 8-10"3

"зкеп отн.ед 1,0 13,6 90,7 334 0,24 0,29

см"1 57.5 780 5220 19200 13.8 17.0

В спектрах ОП 2пО, облученного протонами, после после оптического возбуждения при 80 К впервые обнаружено образование четырех полос ИОП с максимумами 410, 495, 560 и 670 нм. Все полосы связаны с введенными РД. Полоса 410 им обусловлена Р^-центрами. Обсуждается природа других полос. .Изучено влияние РД на ПК поглощение монокристаллов 2пО. Установлено, что облучение кристаллов электронами флюенсом 10!8 см"2 и быстрыми нейтронами флюенсом 1015 см"2 не вызывает изменений в спектрах многофононного ИК поглощения.

Монокристаллы 2пО, выращенные гидротермальным методом и вырезанные из пирамиды роста (000Т), обладают при Я, > 1,6 мкм заметным ИК поглощением на свободных носителях заряда. Облучение таких образцов электронами и протонами сопровождается уменьшением ИК поглощения на свободных носителях вследствие снижения концентрации последних из-за захвата их на глубокие уровни образующихся РД акцепторного типа.

При облучении 2лО электронами с Е=15 МэВ с ростом флюенса до 2-1018 см'-иабяюдаегся уменьшение показателя степени в степенной зависимости коэффициента поглощения от длины волны с 3,15 до 3,03. Это указывает па относительное уменьшение рассеяния носителей на заряженных дефектах. Отмеченные изменения в ИК поглощении обусловлены преимущественно присутствующей в исходных кристаллах примесью меж-доузельного литая, являющегося мелким донором. При облучении атомы лития занимают генерируемые У^я,образуя дефекты акцепторного типа.

Относительно высокая сциитилляционная эффективность керамики 7аО позволила разработать на ее основе неорганический сци1гтиллятор. Удобный спектральный диапазон излучения, малое время высвечивания,

не превышающее 0,6 не,-делают его весьма перспективным при работе уг'эдкях больших загрузок.

Эффект радиационного тушения УФ ФЛ керамики ZnO испольэоэг при разработке фото люминесцентного дозиметра протонов. Флюенс ча тиц в дозиметре определяется по степени деградации зкеитонной люш несценции керамики ZnO.

Монокристаллы ZnO предложено применять в качестве твердотел! ных абсорбционных дозиметров быстрых нейтронов. Флюенс нейтроне определяется по приращению коэффициента ОП монокристалла, вызва* ному облучением. Важным преимуществом разработанных дозиметров я] ляется их нечувствительность к гамма-излучению, как правило, сопровоя дающему потоки корпускулярного излучения.

Разработанные в процессе исследований неорганический сцинтилл* тор, фото люминесцентный дозиметр протонов и твердотельный абсорб ционный дозиметр быстрых нейтронов признаны изобретениями.

Шестая глава посвящена изучению дефектов и оптических неодне родностей в халькогенидах цинка, используемых в качестве материало силовой оптики. Проанализирована природа ОП в среднем ИК-диапазон (450-1050 см'1) поликристаллов сульфида цинка, полученных осаждение! из газовой фазы. На коротковолновом спаде полосы поглощения остаточ ных лучей ZnS выявлены полосы, обусловленные многофононными эф фектами, a также лримссьдо кислорода.

Сопоставлены оптические и фотоэлектрические свойства моно- и по пикристаллов ZnSe, полученных по различной технологии. Наибольщук концентрацию электрически и . оптически активных дефектов содержа монокристаллы, выращенные из расплава. Для них по сравнению с дру гимн образцами более характерно фотоиндуцированное ИК-поглошент на свободных носителях.

В ZnS и ZnSe наиболее распространенной примесью является кисло род, образующий центры свечения, ответственные за излучение в видимое области спектра. Изучено распределение кислорода по глубине обрадш при термическом окислении ZnSe в интервале температур 285-500°С Коэффициент, диффузии кислорода в CVD-ZnSe при 395°С равен (3,5±0,7) 10"12 см2с. Интенсивное взаимодействие кристаллов CVD-ZnSe, а такж< плёнок, получаемых методом магнетронного распыления, с кислородом воздуха наблюдается при температурах.превышающих 400°С. Основным» продуктами окисления ZpSc являются ZrO и ZnSeOj, определяющие люминесцентные свойства материалов в видимом и ОП в среднем ИК-диапа ■зоне. • ■ . • * ■ ■■■■..'■■■■■

С целью установления влияния водорода на свойства халькогенидон

цинка проведено контролируемое легирование кристаллов отжигом в атмосфере водорода при повышенных температурах. После насыщения водородом кристаллов до концентраций (1-3)-10"3% не обнаружено изменения оптических свойств образцов в среднем ИК-диапазоне, в частости, возрастания полосы ОП 1700 см"1, приписываемой гидридным ббразова-ниям 2п-Н в кристаллах, полученных осаждением из газовой 'фазы. Это обусловлено локализацией внедренного водорода на границах зерен и в порах кристаллов в молекулярной форме.

В 2^п8 и ^Бе, полученных химическим осаждением из газовой фазы, выявлены оптические неоднородности в виде пор и включений размером до 100 мкм. Изучены оптические и люминесцентные свойства неоднород-носгей, а также их элементный состав. Установлено, что в состав иеод-нородностейвходятБЮг, АЬОз, ¡£пО, атакжеБ!, А1, Мд.ИаиСг.

Изучено влияние всестороннего сжатия при давлении до 500 МПа и температуре 800"С на свойства поликристаллов гпБе. С ростом давления вследствие процесса кристаллизации количество пор уменьшается, а при давлении 500 МПа они практически исчезают. Наблюдаемый после обработки кристаллов сдвиг края ОП связан'с ликвидацией макродефектов, искажающих кристаллическую решетку и обусловливающих локальные переходы с энергией меньшей ширины запрещенной зоны. В процессе рекристаллизации происходит перераспределение примесей в поликристаллах, в частности, атомы кислорода переходят с границ зерен в объем кристаллитов, способствуя образованию новых центров свечения.

Изучено влияние давлений Р=10+100. кГ/мм2 на спектры ФЛ и ТСЛ люминофоров на основе ZnS-As. С ростом давления интенсивность ФЛ уменьшается по зависимости, близкой к линейной. При 80 К она спадает более резко, чем при 300 К. Под влиянием давления также снижается све-тозапасание люминофоров. Эта эффекты обусловлены сегрегацией попов А§ па образующихся при деформации дислокациях, т.е. разрушением' центров свечения. Кроме того,под давлением создаются точечные дефстсты (\т5), ¿.которыми связывается появление нового канала рекомбинации и тутлсипз видимой ФЛ. Зависимость интенсивности ФЛ от давления позволяет использовать люминофоры в качестве чувствительного элемента датчиков высокого давления. :

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Совокупность описанных экспериментальных результатов позволяет сделать вывод о том, что в работе заложены основы нового научного направления по исследованию радиационно-стииулированных процессов в широкозонных полупроводниках с дефектами различной размерности. При этом проведены комплексные исследования процессов образования и отжига РД в полупроводниках А2Вб, а также механизмов рекомбина-ционного взаимодействия центров в кристаллах, облученных заряженными частицами, быстрыми нейтронами и гамма-квантами. Получены следующие основные результата и выводы:

1. Процессы образования РД в полупроводниках А2Вб обусловлены преимущественно упругим смещением атомов при наличии выраженных пороговых энергий. Кинетика накопления РД и их термическая стабильность определяются степенью разупорядоченноста, примесным составом кристаллов и условиями облучения.

При малых дозах облучения проявляется термоупругий механизм генерации дефектов, при котором энергия, передаваемая смещаемому атому, ниже пороговой. При относительно низких энергиях частиц или гамма-квантов процесс облучения полупроводников рассматривается как бескаскадное радиационное перемешивание, сопровождающееся упорядочением решетки, возрастанием оптической прозрачности кристаллов, перераспределением локализованных примесей по объему кристаллов к, как правило, повышением Выхода ФЛ.

2. В халькоГенидах пинка влияние облучения на оптические свойства, перенос заряда, рекомбкнационное излучение обусловлено образованием пар Френкеля в йатнокнок и анионной подрешепсах. На примере ХвБ показало, что (У2д-2!лч) пары проявляются как ДАП с различной степенью ассоциаций, зависящей б*1 температуры облучСй!я. С ростом температуры в облученных кристаллах Преобладают дальние пары.

Анионные к катеонные вакансии проявляются соответственно как центры быстрой и Медленной излучательнон рекомбинации в ИК и видимой области спсгсгра. Из-за резкого различия в сечениях захвата носителей этими центрами рекоибинационный канал через анионные вакансии с ростом дозы облучения становится доминирующим. Это сопровождается подавлением ФЛ в бзцшмой области спектра, уменьшением фото-чувствптельности кристаллов и времени жизни носителей.

3. Создаваемые облучением в полупроводниках П-ТИНа анионные вакансии электрически нейтральны (г-центры). Необходимым условием создания и обнаружения Р^-центров является оптическая ионизация Р-цент-

роз с последующей локализацией электронен на ловушках. Концентрация последних определяет скорость формирования полос ОП и коэффициенты ОН а максимумах полос Р+-центров.

3 г.оликристаллических нелегированных полупроводниках неконт-ролирусмые примеси сегрегируются на границах зёрен, поэтому объем кристаллитов обеднён ловушками примесного происхождения, а концентрация Р+-центров п облученных псшгкристалла.х оказывается значительно меньшей, чем в монокристаллах.

4. Дислокации, введенные в 2!лЯ пластической деформацией, проявляются как лопушки электронов и стога! преимущественно для создаоае-мых облучением более подвижных междоузельных атомов. Следствием этого является превышение концентрации центров Р-типа в облученных дислокационных кристаллах, а также скорости формирования полос ОП Р+-центров под действием УФ света по сравнению с "безднелокацион-ными" кристаллами.

5. Накопление РД п гпБ и Zn.Se при облучении а-часгицами сопровождается их упрочнением, зависящим от наличия в кристаллах протяженных дефектов, в частности, дислокаций. РД закрепляют дислокации и уменьшают их подвижность.

С ростом флюенса а-частиц кикротзгрдоетъ тлонокристаллов возрастает до насыщения при Ф»б !014 см"2. Насыщение обусловлено наступлением равновесия процессов генерации и отжига РД. Для поликристаллов насыщение отсутствует из-за разделение компонент френкелевских пар под влиянием межзёренных границ и замедлсипя процесса их отжига в возникающих при облучении тепловых клиньях.

6. Изучены накопление и отжиг РД в полупрезодниках, облученных нейтронами, электронами и протонами Доминирующими процессами при облучении являются образование ралиацибюго-примесиых комплексов, сток дефектов на границы зёрен и .дислокации, а при высоких энергиях первично выбитых атомов - формирование областей раэупорядочення и металлических включений цинка.

Наличие примесей в кристаллах едзкгаег температуру отжига РД в сторону низких, а протяженных - в сторону высоких температур.

Накопление собственных дефектов и радиационно-примесных комплексов в халькогенидах цинка- описано уравнениями кыазихжических реакций, позволяющих прогнозировать изменение оптических, люминесцентных и фотоэлектрических свойств полупроводников при облучении.

7. Оптическое поглощение в среднем ПК-диапазоне (450-1050 см"') полученных по МОС- и СУО-техиолопш халькогекидоя цинка обусловлено многофононными эффектами, а также примссью хислорода. Послед-

нин, являясь наиболее распространенной неконтролируемой примесы сегрегируется на границах зерен, содержится в оптических неодноро, ностях типа SiCb, AI2O3, ZnO. При облучении и высокотемпературно сжатии образцов кисгород переходит в объем кристаллитов как анио] замещающая примесь, участвует в образовании новых центров захвата излучательной рекомбинации. -

8. IIa базе полученных экспериментальных данных по влияни внешних воздействий на оптические и люминесцентные свойства пол; проводников Л*Б6 разработаны и защищены авторскими свидетель^ вами датчики высокого давления, неорганический сцинталлятор и дез; метры протонов и быстрых нейтронов.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Фотопроводимость и релаксация тока в облученном электронам ZnS(B) с дислокациями / Оконечников А.П., Кассандров И.Н., Глвр! лов Ф.Ф., Бирюков А.Г. // Физ. и техн. полупров. 1936. Т.20, иьш. С.538-540.

2. Оконечников А.П., Пилипеико Г.И., Гаврилов Ф.Ф. Взаимодейстш между центрами люминесценции и захвата в облученных нейтрона;.! монокристаллах ZnS // Материалы XIX Совещания по люмипесценци кристаллофосфоров. Рига, 1970. T.II. С.161-163.

3. Мельник H.H., Оконе-шиков А.П. Корреляционный измеритель зкегк ненциальных периодических импульсов // Приборы и техн. экспер! мента. 1986. N5. С.71-74.

4. Оконечннкол А.П., Ченец B.II.. Гаврилов Ф.Ф. Образование дефекте в сульфиде цинка при электронном облучении // Радиационно-стим; лировзниые явления в твердых телах: Межвуз.сб. Свердловск: УП1 1979. Вып. 1.С.40-45.

5. Оптическое поглощение сульфида цинка, обусловленное центрами I типа / Оконечников А.П., Лифенко В.М., Кассандров И.Н., Tappi

- лов Ф.Ф. II Жури.прикл.спектр. 1994. Т.60, вьш.3-4. С.349-352. '

6. Излучат-льная рекомбинация в сульфиде цинка при высокотемпер; турном облучении электронами / Оконечников А.П., Кассаш ров И.Н., Гаврилов Ф.Ф., Полетаев A.B. //-Журн. приют, спестр. 198 T.47.N 1.С.54-57.

7. Исследование дефастной структуры оксида цинка / Андреев B.C., Ж; ковский М.В., Оконечников А.П., Пузанов A.A., Якушев М.В. И Тез1 сы доет. V Вс1союзного совещания по физике и техническому npiiMi

•

нению полупроводников Л'В6. Вильнюс, 1983. С.8. Оконечников А.П., Мельник H.H. Влияние отжига на спектр глубоких центров захвата в ZnSe // Ф«13. и техн. полупров. 1992. Т.9, вып.9. С. 1659-1662. . '

Оконечников А.П., Мельник H.H. Диффузионная длина дырок в ссле-ниде цинка // Физ. и техн. полупров. 1989. Т.23, вып.5. С.894-896. ). Оконечников А.П., Мельник H.H., Гаврилов Ф.Ф. Влияние облучения ионами 2+Не на диффузионную длину неосновных носителей заряда п ZnSe II Физ. и техн. полупров. 1990. Т.24, вып.4. С.747-749. I. Влияние дислокаций на излучательную рекомбинацию сульфида цинка /Оконечников А.П., Кассанлров H.H., Гаврилов Ф.Ф., Кулик В.Н. II Изв. вузов. Физика. 1984. N 11. С. 109-110. I. Оптические свойства высокочистого селенида цинка / Белянко А.Е., Гавришук Е.М., Даданов А.Ю., Жуковский М.В., Липатов Н.И., Моисеев А.Н., Оконечников А.П. и др. // Высокочистые вещества. 1989. Вып.5. С.43-48.

1. Кассандров И.Н., Оконечников А.П., Гаврилов Ф.Ф. Особенности низкотемпературной деформации сульфида цинка // Изо. вузов. Физика. 1986. Вып.4. €.108-110. 5. A.c. 1360355. Чувствительный элемент для датчика высокого даг.'ения /Кассандрой И.Н., Оконечннков А.П., Гаврилов Ф.Ф. к др. N3914452; Заявлено 24.06.85.

>. A.c. 1088501. Неорганический сцинтиллятор / Жуковский М.В.,

Ококечтткоя А.П., Викторов Л.В. и лр. Зарегистрировано 22.12,83. 1. A.c. 1204049. Твердотелышй абсорбционный дозиметр быстрых нейтронов / Жуковский М.В., Гаврилов Ф.Ф., Оконечников А.П., Емельченко Г.А. Зарегистрировано 08.09.85.

A.c. 1267907. Фоголюмннесцентный дозиметр протонного излучения / Жуковский М.В., Андреев B.C., Гаврилов Ф.Ф., Оконечников А.П. Зарегистрировано 01.07.86. 1, Анализ водорода в ZnSe с использованием пучков заряженных частиц /Нешов Ф.Г., Григорьев В.Н., Белых Т.А., Оконечников А.П. //Тезисы докл. XX1I1 межиацион.совещания по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами. М.: МГУ, 1993. С.124. Ченец ВН., Оконечников А.П. Исследование некоторых свойств монокристаллов ZnS, облученных электронами // Радиационно-стимули-рованные явления в твердых телах: Межвуз.сб. Свердловск: УПИ, 1980. Вып.2. С.91-96. . Оконечников А.П., Кассандров И.Н., Гаврилов Ф.Ф. О стабильности френкеяевских пар в сульфиде цинка при высокотемпературном облу-

чении электронами //Тезисы докл. III Всесоюзн. совещания "Физика и технология широкозонных полупроводников". Махачкала, 1988.

■ С. 134-135.

21. Оконечников А.П., Гаврилов Ф.Ф., Кассандров И.Н. ИК-люминес-ценция Р+-центров в облученном электронами ¿лБ с дислокациями II Тезисы докл. VI Всесоюзн.конф. по радиационной физике и химии ионных кристаллов. Рига, 1986. С.227.

22. Оконечников А.П., Кассандров И.Н., Гаврилов Ф.Ф. Влияние исходной дефекшости на форму линии ЭПР Р+-центров в сульфиде цинка // Тезисы докл. VII Всесоюзн.конф. по радиационной физике и химии неорг. материалов, Рига, 1989.4.1. С. 169.

23. Оконечников А.П., Кассандров И.Н., Гаврилов Ф.Ф. Фото- и термо-стимулированная проводимость сульфида цинка с радиационными дефектами // Тезисы докл. II Республ.конф; Киргиз.ССР по физике диэлектриков и полупроводников. Ош, 1989. С.44-45.

24. Кассандров И.Н., Оконечников А.П., Гаврилов Ф.Ф. ИК-люминесцен-ция облученного электронами сульфида цинка II Радиационно-стиму-лированные явления в твердых телах: Межвуз.сб. Свердловск: УПИ, 1988. Вып.8. С.131-134.

25. Анализ формы линии ЭПР Р+-центров в "дислокационном" сульфиде цинка / Кассандров И*Н., Оконечников А.П., Гаврилов Ф.Ф., Золотухина Л.В. И Радиационно-стимулированные явления в твердых телах: Межвуз.сб. Свердловск: УПИ, 1989. Вып.9. С.100-104.

26. Кассандров И.Н., Оконечников А.П., Гаврилов Ф.Ф. Некоторые свойства Р-центров в "дислокационном" сульфиде цинка Н Химия твердого тела: Межвуз.сб. Свердловск: УПИ, 1988. С.48-52.

27. Оконечников А.П., Кассандров И.Н., Гаврилов Ф.Ф. ИК-гашение фото- и термостамулированной проводимости в сблучекном электронами сульфиде щщка // Радигадоши-стамулировапные явления в твердых телах: Межвуз.сб;. Свердловск: УПК, 1989. Бып.9. С. 104-110.

28. Измерение запасенной энергии б сульфиде цикка колориметрическим методом / Оконечников А.П., Гаврилов Ф.Ф., Зырянов А.П., Путк-ев И .Т. // Теплофизика. Свердловск: УКЦ АН СССР, 1971. Вып.1.

. С.71-75.

29. Оконечников А.П., Гаврилов Ф.Ф., Пишшенко Г.И. Взаимодействие между центрами люминесценции и захвата в облученных нейтронами крксталлофосфорах //Изв. вузов. Физика. 1971. Вып.4. С.133-134.

30. Центры окраски в облученных нейтронами монокристаллах / Оконечников АЛ., Гаврилов Ф.Ф., Пилипешсо Г.И., Казанцев Д.П. II Материалы VIII Межвузовской физической научной конференции.

Хабаровск, 1971.0.288-294. -

1. Гаврилов Ф.Ф., Оконечников А.П., Пилипенко Г.И. Неизотермическая релаксация парамагнитных центров и термолюминесценция в

' монокристаллах ZnS // Тр. VII Уральской конф. по спектроскопии. Свердловск. 1971. Вып.З. С.97-99.

2. ЭПР и оптическое поглощение на ueirrpax окраски в монокристаллах сульфида цинка / Андронов М.П., Гаврилов Ф.Ф., Пилипенко Г.И., Оконечников А.П., Двинянинов Б.Л. // Тезисы докл. IV Всесоючн. совещания "Физика, химия и техн. применения полупр. Одесса, 1976. С. 127.

3. Оконечников А.П., Гаврилов Ф.Ф., Долгирев М.Е. Оптические и электрические свойства кристаллов сульфида цинка, облученных у-кйантам и б0Со //Химия твердого тела: Межвуз.сб. Свердловск: УГШ, 1977. Вып.1. С.116-119.

4. Оконечников А.П., Мельник H.H., Гаврилов Ф.Ф., Глубокие центры захвата в монокристаллах ZnSe-Ga // Радиационно-стимулированные явления в твердых телах: Межвуз.сб. Свердловск: УПИ, 1988. Вып.8. С.53-55.

5. Оконечников А.П., Мельник H.H., Гаврилов Ф.Ф. Донорно-акиеп-торные пары в ZnSe, отожженном в парах цинка // Химия твердого тела: Межвуз.сб. Свердловск: УПИ, 1989. С.57-61.

6. Оконечников А.П., Мельник H.H. Гаврилов Ф.Ф. Емкостная спектроскопия глубоких уровней я n-ZnSe, облученном ионами ~+Не // Тезисы докл. II Республ. конф. "Физика твердого тела и новые области её применения". Караганда, 1990. С.109.

7. Оконечников А.П., Мельник H.H., Гаврилов Ф.Ф. Влияние структуры ZnSe на образование и термическую стабильность дефектов при электронном облучении //Тезисы докл. II Всесоюзн. конф. "Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц". Свердловск. 1991. Т. 2. С. 135-136. •

8. Оконечников А.П., Кассандров H.H. Закономерности накопления и отжига радиационных дефектов в облученном электронами сульфиде цинка, содержащем дислокации // Там же. С. 13/-139.

9. Оконгчникоз А.П., Мельник H.H. Глубокие уровни з моно- и поликристаллическом ZnSe, облученном электронами // Фиэ. и техн. полупр. 1994. Т.29, вып.8. С. 1472-1477.

0. Оконечников А.П., Мельник H.H. Дсфекгообразованис в ZnSe при облучении а-частицами // Фиэ. и техн. полупр. 1994. Т.28, вып.2. С.221-227.

1. Жуковский М.В., Гаврилов Ф.Ф., Оконечников А.П. Сопоставление

процессов радиационного дефектообргцювания в. керамике и мои кристаллах оксида цинка // Там.же. С. 101.

42. Многофононное ИК-поглощеиие монокристаллов оксида цинка / Ж ковский М.В., Гаврнлоп Ф.Ф., Оконечников А.П., Емельченко Г.А. Радизционно-стимулнрованные явления в твердых телах: Межвузовс сб. Свердловск: УПИ. 1934. Вып.7. С.66-69.

43. Жуковский М.В., Оконечников А.П., Гаврилой Ф.Ф. Природа и пар метры центра зеленой люминесценции керамики оксида цинка Журн.прикл.спестр. 1988. Т.49, N 6. С.1007-1010.

44. Исследование оптических свойств монокристаллов оксида цинка, о' лученного протонами с энергией 30 и 70 кэВ / Жуковский М.В., Га; рилов Ф.Ф., Оконечников А.П.. Якушев М.В. // Радиационно-стим; лированпые явления в твердых телах: Межвузовск.сб. Свердлове; УПИ. 1984. Вып.6. С.10-13.

45. Жуковский М.В.. Гаврилов Ф.Ф., Оконечников А.П. Фотоиндуцнр» ванное оптическое поглощение радиационных дефектов в монокрш таллах оксида цинка / Урал.политех.ин-т. СЕердловск, Л985. 14с. Деп. ВИНИТИ, N1119-85.

46. Скорняков Л.Г., Оконечников А.П. Инфракрасное поглощение и ко.* бинационное рассеяние П0ликр:!сталлических образцов сульфида цш ка в области края решеточного поглощения // Тезисы докл. Всесою: ион конференции "Получение, свойства, анализ и применение соедшь ний с молекулярном кристаллической решеткой для новой техники Нижний Новгород, 1991. С.65.

47. Жуковский М.В., Кассандров И.Н., Оконечников А.Г1. Оптически свойства сульфида цинка, выращенного методом металлооргаииче« кого синтеза // Там же. С. 114.

48. Природа точечных, дефекте:! и макроскопических включений в пс некристаллическом .\10CVD 2п5 / Девятых Г.Г., Гавршцук Е.М Оконечников .А.П., Яшина Э.В. // Высокочистые вещества. 199; Вып.2. С.63-67.

49. Точечные и макроскопические дефекты в селеииде цинка, получение; по реакции Н25ег+2ЬГ—>2п5е1в+1Ь(1у Девятых Г.Г. Гавршцук Е.М Даданов НЛО., Жуковский М.В., Кассандров И.Н., Оконечников А.Г // Высокочистые вещества. 1991. Вып.4. С.65-69.

50. Радиационное упрочнение халъкогешщов цинка различной струкгур1 / Оконечннгсв А.П., Кассандров И.Н., Ивченко М.В., Нуртдинс ва О.ГО. // Физика и химия обработки материалов. 1993. N 4. С.5-8.

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Л - донорно акцепторные пары? .

И -диодШоттки; • .

- пороговая энергия смещения атомов;

>П - индуцированное оптическое поглощение;

)П - индуцированная фотопроводимость;

Г - катодолюминесценция;

СГУ - нестационарная емкостная спектроскопия Йзубоких уровней;

13 - неосновные носители заряда;

ГГСГУ - оптическая нестационарная токовая спектроскопия

глубоких уровней;

I -оптическое поглощение;

[р - остаточная проводимость;

• - радиационные дефекты;

13 - слой объёмного заряда;

Л -температурная зависимость люминесценция;

Л - терыостимуллрованная люминесценция;

ГТ - тфмоепшулированная проводимость;

I - фотоцюмгаесценция;

I -фотопроводимость.

дагсанс в печать 13.03.96 Фермат 60x84 I/I6

мага типографская Плеская печать Усл.п.л. 2,32 ' i.-изд.л. 2,17 Tupas 100 Заказ 124 . Бесплатно

Редакдашо-издательскиЗ отдел ЛГУ 620002, Екатеринбург, 19

¡тапркнт УТТУ. 62С002, Екатеринбург, Кара, 19