Автореферат (Применение модели антипересекающихся зон в случае высокого легирования кислородом CdS)

2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темыНесмотрянатермодинамическоеобоснованиеприсутствияизоэлектронной примеси (ИЭП) кислорода в соединениях А2В6 и данные овлиянии его на оптику кристаллов, до настоящего времени проблема требуетподтверждения основных закономерностей. Это связано и с недоступностьюметодик анализов на кислород, низким содержанием этой примеси наповерхностисульфидовприустойчивостивобъеме,новизнойнеустоявшейся еще теории антипересекающихся зон, band anticrossing(BAC), впервые учитывающей роль ИЭП.Попытки управляемо ввести кислород в CdS извне в концентрациях,заведомопревышающихпредпринималисьранее.содержаниеТак,егокислородвреальныхвводилсякристаллах,методомионнойимплантации, однако эффект влияния ИЭП на оптические свойства иуменьшение ширины запрещенной зоны сульфида кадмия, определяемыетеорией ВАС, не был обнаружен.Ионная имплантация кислорода в CdS в предельно большихконцентрациях,проведеннаявданнойработе,ицеленаправленныеисследования на основе теории антипересекающихся зон позволилиполучить подтверждение возможности использования теории ВАС дляконтроля ИЭП кислорода в этом материале.Цель диссертации – выяснить возможную степень легированиякислородом монокристаллов CdS и ее зависимость от типа собственныхточечных дефектов.

Для достижения поставленной цели в работе былисформулированы и решены следующие задачи:1. Разработка методики измерения спектров микрокатодолюминесценциииз объема слоев сульфида кадмия, ионнолегированного кислородом –CdS(O), и анализ данных эксперимента с привлечением теорииантипересекающихся зон (ВАС), учитывая результаты предшествующихисследований систем ZnS(O)-ZnSe(O)-CdS(O).32. Изучение уменьшения ширины запрещенной зоны слоев CdS(O),полученных ионным легированием CdS кислородом в концентрации,превышающей присутствие этой примеси в чистых кристаллах сульфидакадмия на два порядка, с целью подтверждения выводов теории BAC.3. Оптимизация методики расчета дефектообразования в CdS длявыясненияролиитипасобственныхточечныхдефектов,взаимодействующих с кислородом и способствующих его растворениюв сульфиде кадмия.4. Выяснение природы эффектов, сопровождающих легирование CdSкислородом и не получивших интерпретации ранее, таких как –свечение, наведенное облучением, и реструктуризация поверхности.Объекты и методы исследованийОбъектами исследования являются слои CdS(O) с предельно большимсодержанием кислорода, полученные методом ионного легирования вмонокристаллические подложки CdS с разным составом собственныхточечных дефектов.

Основными методами исследования являются: растроваяэлектроннаямикроскопия,рентгеновскиймикроанализ,газохроматографический анализ. Оригинальныеметодикихимическийна основекомпьютерной обработки данных с использованием индивидуальныхпрограмм в случае спектров фотоотражения, катодо- и фотолюминесценциипри разных интенсивностях возбуждения.

Достоверность результатовосновывается на их соответствии расчетным данным согласно теорииантипересекающихся зон.Научная новизна работы1. Впервые при легировании кислородом обнаружен на CdS band gapbowing эффект–резкое уменьшение ширины запрещенной зоны, чтопозволяет отнести систему CdS(O) к материалам типа HMAs – highlymismatched alloys.42. Впервыеобоснованазависимостьрезультатовпоионномулегированию CdS кислородом от типа и концентрации собственныхточечныхдефектоввсоответствиисанализомдиаграммдефектообразования.3.

Впервые показано, что наблюдавшаяся ранее на кристаллах CdS-Cdсерия эквидистантных полосс головной линией 514 нм при 80 К и LOповторами является экситонным свечением оксида кадмия.4. Впервые обосновано, что краевое свечение отсутствует в условияхсъемки при высоких интенсивностях возбуждения и 100К в растровомэлектронном микроскопе РЭМ на подложках CdS c избытком Cd.5. Впервыепоказано,чтоинтенсивноеоранжевоесвечение,возникающее в спектрах катодолюминесценции после ионной имплантациикислорода, не связано с SA самоактивированным излучением CdS(O).6. Впервыерасшифрованывысокоэнергетическогорезультатысмещенияэкситонныхполоснаблюдающегосявотраженииионнолегированных слоев, которое зависит от концентрации кислорода вобъеме образцов.Практическая значимость работы заключается в следующем:В совершенствовании и развитии нового метода контроля кислорода вполупроводниках группы II-VI.Обосновании оптимальных условий получения кристаллов CdS изгазовой фазы на основе модели дефектообразования в CdS и влиянияопределенного типа точечных дефектов на растворимость кислорода.Результаты рекомендуются к использованию в области физики итехнологии II-VI, высокочистых веществ с управляемым составом.5Основные положения, выносимые на защиту:1.

СмещениеэкситонногоспектраМКЛсульфидакадмиясконцентрацией кислорода CdS(O) на сотни мэВ, предопределенное теориейантипересекающихся зон для материалов типа HMAs.2. Разработанная методика измерения спектров МКЛ из объема слоевCdS(O) в РЭМ с учетом присутствия в подложках различных типовсобственных точечных дефектов.3. Природа оранжевого свечения, возникающего под пучком РЭМ,после ионного легирования или термообработки.4. Изменениеформыэкситонныхполосотраженияиихкоротковолновый сдвиг с увеличением концентрации кислорода в CdS(O).5. СоответствиеопределяющейнаблюдаемыхизлучательныеспектровпереходыМКЛдлятеорииэкситонногоВАС,исамоактивированного свечения CdS.6. Обнаружение экситонных спектров оксида кадмия, и уточнениеширины прямой запрещенной зоны CdO как 2,45 эВ при 80К, и 2,37 эВ при300К.Проведенные исследования носят фундаментальный характер и могутбыть обобщены для объяснения аналогичных явлений по всей группесоединений А2В6.Обоснованность научных положений основывается на полнотеэкспериментальныхметодовикомплексноманализеполученныхрезультатов, показавших хорошее согласование с расчетами на основе теорииантипересекающихся зон.Достоверность полученных результатов основывается на хорошемсовпадении результатов повторных экспериментов на близких по свойствамобразцах и непротиворечивостью их с имеющимися в литературе данными.6Реализацияиспользованыдисциплинам:результатов.вучебномРезультатыпроцессе:“МатериаловедениевидиссертационнойлекционныхФизхимияработыматериалахпополупроводников“,“Оптоэлектроника“, “Приемники оптического излучения и фотоприемныеустройства”, читаемых в НИУ «МЭИ» студентам Института радиотехники иэлектроники МЭИ, обучающимся в магистратуре по направлению 210100(Электроника и наноэлектроника).

Полученные новые данные относятся кфундаментальным результатам и вносят вклад в развитие оптики,спектроскопии и кристаллофизики реального кристалла.Апробация работыОсновные результаты работы докладывались на Международном научно–методическом семинаре “Флуктационные и деградационные процессы вполупроводниковых приборах” (Москва. МЭИ. 2010 – 2014 гг.) – 4 доклада;Международной научно – технической конференции студентов и аспирантов“Радиоэлектроника, электротехника и энергетика” (Москва. МЭИ. 2010 –2015 гг.) – 6 докладов;Международной конференции “Опто- нано-электроника, нанотехнологии и микросистемы” (Ульяновск, 4-7 сентября2012 г. и 17-22 июня 2013 г. – 2 доклада; 14th International Conference on II-VICompounds.

(23-28 August 2009, St. Peterburg) – 1 доклад; МеждународномКонгрессеInternational Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects(EFRE-2014) (21-26 September 2014, Tomsk) – 1 доклад.ПубликацииОсновные результаты исследований по теме диссертации представленыв 16 печатных работах, в том числе одна работа в Physica Status Solidi С.(2010), индексируемом в базах данных Web of Science и Scopus и две – вФТП (2013) и ФИЗИКА Изв.

Вузов (2014) – изданиях, рекомендованныхВАК РФ для публикации основных результатов диссертаций на соисканиеученых степеней доктора и кандидата наук.7Личный вклад автора состоял в модернизации программы и расчетеравновесия дефектов для ряда соединений группы А2В6, участии вподготовке образцов для исследования, компьютерной обработке спектровкатодолюминесценция и анализе полученных результатов, написаниинаучных публикаций по результатам работы и выполнении докладов наконференциях.Объем и структура диссертацииДиссертациясостоитизвведения,четырехглав,заключения,библиографического списка из 202 наименований, содержит 149 страництекста, 65 иллюстраций и 6 таблиц.СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИВо введении обоснована актуальность работы, сформулированы еецель и задачи, научные положения, новизна, практическая значимость.Первая глава предлагает обзор работ, необходимых для дальнейшегоизложения материала.

Дано описание энергетических зон сульфида кадмия.Рассмотрены особенности экситонного спектра CdS, его зависимость отхарактера возбуждения и температуры.Даны основы представлений теории антипересекающихся зон – bandanticrossing BAC. Теория BAC впервые введена в 1999 году [1]. Теориярассматривает воздействие сильнолокализованных состояний на зоннуюструктуру кристалла с sp3 связями.

При образовании твердых растворовHMAs с изоэлектронной примесью акцепторного типа зона проводимостиизменениям подвергается, что приводит к реконструкции зоны проводимостисобразованием(локализованныедвухподзон:состояния).E– (протяженныеЭтообуславливаетсостояния)резкоеиE+уменьшениезапрещенной зоны – band gap bowing эффект.Представлены исследования оптических свойств СdS(O) на основетеории ВАС, появившиеся за последнее десятилетие. Это зависимостьEg ~[OS] как 90 мэВ на 1мол%, положение локализованного уровня кислорода8E0 = 0,25 эВ в зонной модели CdS(O). Доказано, что деформации, которыесоздает ОS в решетке сульфида, типичны для твердых растворов типа HMAs.В разд.