Способ оценки качества кристаллов оксида цинка

 

Сущность изобретения заключается в том, что в способе оценки качества кристаллов оксида цинка, включающем исследование экситон-фононной люминесценции, проводится построение термической зависимости относительной интенсивности и энергетического положения полос первого и второго фононного повторения излучения свободных А-экситонов в диапазоне 77- 300 К. 1 з,п. ф-лы.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5!)5 6 01 N 21/64

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ КНТ СССР г > 0:

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4693479!25 (22) 19.05.89 (46) 23,07.92. Бюл, М 27 (71) Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова (72) В.А. Никитенко, И. П. Кузьмина, С.Г, Сто, юхин и А,И, Терещенко (56) Кузьмина И,П., Никитенко B,À, Окись цинка. Получение и оптические свойства, M.: Наука, 1984, с, 77.

Вербин С, Ю. и др. Изменение механизма экситон-фотонного взаимодействия вдефектных кристаллах ZnO. — Физика твердого тела. 1977, т. 19, N 11, с, 3468-3470.

Изобретение относится к способам оценки качества кристаллов оксида цинка и может быть использовано в оптоэлектронике при создании твердотельных лазеров, отражающих покрытий различного назначения, электрофотографических слоев л т. д.

Известна методика измерения спектров отражения покрытий в рабочем диапазоне длин волн, изучения экситонных спектров отражения ZnO или рентгеноструктурного анализа кристаллов.

Однако наличие связующего делает эту методику малоэффективной. Такая же проблема всзникает при оценкекачества лазерных монокристаллов, находящихся в резонаторе (покрытых полупрозрачным слоем металла) и деградирующих в процессе оптического разрушения собственным излучением.

В связи с этим решающее значение приобретает метод люминесцентного анализа качества кристаллов, Действительно, экситон-фононная люминесценция (ЭФЛ) с участием свободных экситонов очень чувст„„5U „„1749787 А1 (54) СПОСОБ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА КРИСТАЛЛОВ ОКСИДА ЦИНКА (57) Сущность изобретения заключается в том, что в способе оценки качества кристаллов оксида цинка, включающем исследование экситон-фононной люминесценции, проводится построение термической зависимости относительной интенсивности и энергетического положения полос первого и второго фононного повторения излучения свободных А-зкситонов в диапазоне 77300 К. 1 з.п. ф-лы. вительна к нарушениям кристаллической С структуры и может пользоваться для работ такого рода, Наиболее близким к изобретению является способ оценки качества кристаллов оксида цинка, включающий возбуждение и регистрацию спектров экситон-фононной люминесценции кристаллов, по параметрам р которых, с привлечением калибровочных образцов, оценивают качество кристаллов.

Однако этот способ требует слишком низкой температуры (Т-4-77К) и довольно 0© разрешенных спектров ЭФЛ, что не всегда 4 выполнимо из-за наложения излучения связанных экситонов и перекрытия полос излучения, caodl

Люминесцентный способ определения качества кристаллов ZnO при температурах

Т > 77К не описан. отсутствует описание и каких-либо иных методов оценки качества приповерхностных слоев кристаллов оксида цинка, погруженных в связующую компоненту или покрытых металлической пленкой. Под термлном "качество" в данном

1749787 сяучае понимается совокупность факторов, ности и энергетического положения полос определяющих совершенство кристалличе- А-Ео и А-2L,. о ской структуры и и т ры и перестройку энергетиче- В случае совершенных по кристаллических барьеров в приповерхностной области ской структуре образцов ZnO (степень сокристаллов, что существенным образом 5 вершенства оценивалась по данным влияет на их оптически ические свойства, экситонных спектров отражения, соответстЦель изо ретения—

Ц б ения — оценка совершен- венно полуширина экситонных В- и С-полос

=12иН ства кристаллической структуры приповер- в спектре отражения равна Н =, и хностных слоев кристаллов с удельным = 1,4 нм, с ростом температуры происходит сопротивлением р 10 OM см; а также по- 10 монотонное затухание всех полос экситонвышение точности оценки. фононного излучения, вызванное термичеПоставленная цельдостигается тем,что ским распадом свободных зкситонов, При вспособе оценки качества кристалловокси- этом положение максимума полос А-Lp u да цинка, включающем во щем возбуждение и реги- А-21 о согласно теории описывается соотнострацию спектров ЭФЛ кристаллов, по 15 шением параметрам которых с привлечением калиброаочных образцов оценивают качество (ь )MBKC о()

h 3/) = Ео(т) — Nh Р4 + кристаллов, регистрируют температурную

+ (— — ) Т, зависимость относительной интенсивности 2 полос первого и второго фононного повто- 20 рения излучения свободных А-экситонов в где Ео(Т) — внутренняя энергия А-экситона; диапазоне температур атур 77-300 К, и по вели- h м — энергия продольного оптического чине относительной интенсивности макси- фонона(0,072 эВ); мума в области Т -200 К оценивают степень k — постоянная Больцмана; совершенства кристаллической структуры 25 N — f для полосы А-Lo и 2 для полосы тестируемых кристаллов, А-2(о.

Кроме того. в способе оценки качества При заметном нарушении структуры кристаллов оксида цинка дополнительно кристаллической решетки оксида цинка регистрируют зависимость энергетического (Ь Нв > 1,3 нм; Л Нс > 1.5 нм) после резкого положения максимума полосы однофонон- 30 спада интенсивности полос экситон-фоной люминесценции свободных А-эксито- нонного излучения в области температур нов от температуры и используют в качестве 77-110 К наблюдается максимум темперадополнительного параметра смещения по- турной зависимости интенсивности полос лосыотносительнотеоретически рассчитан- А — Lo и А-2Lp в области температур около . ного для квазимаксвелловского 35 200 К. Этот максимум связан с уменьшенирасйределения. ем рассеяния электронов на дефектах криСпособ осуществляют следующим об- сталлической структуры и наблюдается разом. только в дефектных кристаллах. Взяв за осПо стандартной методике снимаются нову его интенсивность, можно сравнивать спектры экситонной фото- или катодолюми- 40 в относительных единицах дефектность несценции кристаллов ZnO при температу- кристаллической структуры оксида цинка. ре жидкого азот е жидкого азота (Л- 365 — 410 нм), В случае, . Другой характерной особенностью этих обесли спектр излучения достаточйо хорошо разцов является то, что температурное поразрешен, чтобы можно было оценить пол- ложение максимума полосы A-Lo не уширину полос А-Lo и А-2Ы, сравнитель- 45 подчиняется указанной зависимости и стань1й анализ совершенства кристаллической новится по характеру смещения близким к структуры достаточно прост, При заметном полосе А-2L<. Это указывает на то, что форперекрытии полос в спектре излучения, что, ма полосы А-Lc, от квазимаксвелловского например, может быть вызвано наличием распределения переходиткмаксвелловскомощного побочного канала люминесценции 50 му, что характерно для дефектных кристалсвязанных экситонов, упрощенный вариант лов.. анализа, основанный на сравнении полуши- Температурный интервал для исследорины полос многофононной аннигиляции ваний определяется условиями наблюдения свободных экситонов,- не применим, и в температурныханомалийиобычносоответзтом случае предлагается провести съемку 55 ствует Т-77-300 К, нижний предел соответтемпературной зависимости спектров экс- ствует температуре жидкого азота и удобен итонного излучения(Т 77-300 К). На основе для проведения эксперимента, верхний сополученных данных строится температур- ответствует комнатной температуре, к котонэя зависимость относительной интенсив- рой возвращается образец. Уровень фото1749787 или катодовозбуждения подбирается эмпирически и зависит от квантового выхода экситонного излучения в кристаллах. В . качестве апробированного источника возбуждения может быть использован азотный 5 лазер ЛГИ-21 (л, = 337 нм), Спектральный интервал исследуемой люминесценции соответствует 365-410 нм и определяется положением полос экситон-фононного излучения в области температур 77 — 300 К. 10

При регистрации спектрального распределения интенсивности полос А-Lp и А-2Ь температура должна быть стабилизирована, результаты не искажаются при поддержании температуры с точностью до 3 К, 15

Пример 1. Исследуют температурную зависимость спектров зкситон-фонон ной люминесценции совершенного по кристаллической структуре монокристаллэ оксида цинка (no данным экситонного спектра от- 20 ражения Л Н = 1,2 нм, Л Н, = 1,4 нм), Применяется катодовозбуждение: энергия электронов Е = 7 кэВ, плотность тока

3 10 6 A/ñì2, В температурных зависимостях интен- 25 сивности и энергетического положения полос А † и А — 2Lo не обнаружено никаких температурных аномалий, что подтверждается высокое качество приповерхностных областей кристалла. 30

Пример 2. Исследуется температурная зависимость спектров экситон-фононной люминесценции порошка оксида цинка марки "особо чистый" завода "Красный химик" (по данным экситонных спектров отра- 35 жения Н = 1,3 — 1,4 нм, Н = 1,5-1,6 нм).

Применяется кэтодовозбуждение в режимах примера 1. Существенно проявляются температурные аномалии (подъем интенсивности полос А-Е, и А-24, в области тем- 40 ператур около 200 К, аномальный характер температурного смещения максимума полосы А-LD). Таким образом, подтверждается дефектность кристаллической структуры приповерхностных областей кристаллов 45

ZnO.

Пример 3, Исследована температурная зависимость спектров экситон-фононной люминесценции монокристалла оксида цинка, термообработанного в насыщенных 50 парах кадмия при Т = 1150 С..Применяется катодовозбуждение по режиму примера 1.

В отличие от предыдущих вариантов (удельное сопротивление р > 10 Ом см) кристалл в результате легирования имеет низкое 55 удельное сопротивление (p- 1 Ом см), Температурное поведение полос аномально, но отличается от примера 2 тем, что имеет место только подъем интенсивности полосы (А — 2L>), которая резко уходит в длинноволновую сторону с повышением температуры по закону, характерному для полосы Н, вызванной экситон-электронным взаимодействием, Таким образом, в низкоомных кристаллах (p < 10 Ом см) предложенный способ анализа качества кристаллов не применим, хотя полезен для обнаружения смены механизма излучения с повышением температуры.

Предложенный способ оценки качества кристаллов оксида цинка применим в случае невозможности использования нелюминесцентных методов анализа кристаллов, например, когда кристаллы находятся в контакте со связующим в покрытиях различного назначения, в лазерной технике при катодовозбуждении кристаллов ZnO, поме-. щенных в резонатор и т. д. При этом предложенный метод положительно отличается от известного люминесцентного способа анализа качества кристаллов возможностью применения более высоких температур {К), что удобней в техническом отношении и позволяет существенно избавиться от побо-ного вредного влияния излучения связанных зкситонов. Разработанный метод может найти применение в оптоэлектронике, в электрофотографии и в полупроводниковом материаловедении.

Эффект изобретения заключается в разработке способа оценки качества кристаллов оксида цинка, а следовательно, в улучшении технических характеристик и в расширении применения кристаллов оксида цинка, Формула изобретения

1, Способ оценки качества кристаллов оксида цинка, включающий возбуждение и регистрацию спектров экситон-фононной люминесценции кристаллов, по параметрам которых, с привлечением калибровочных образцов, оценивают качество кристаллов, отличающийся тем, что, с целью оценки совершенства кристаллической структуры приповерхностных слоев кристаллов с удельным сопротивлением р > 10 Ом см, регистри руют температурную зависимость относительной интенсивности полос первого и второго фононного повторения излучения свободных А-экситонов в диапазоне температур 77-300 K v«no величине относительной интенсивности максимума в области Т 200

К оценивают степень совершенства кристаллической структуры тестируемых кристаллов.

2, Способ по п. 1, отл и ча ю щи йс я тем, что, с целью повышения точности оцен1749787

Составитель С.Рыжих

Техред M.Mîðãåíòàë Корректор M.Шароши

Редактор В.Данко

Заказ 2591 Тираж Подписное

ВНИИХИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35,Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101 ки, дойолнительно регистрируют зависимость энергетического положения максимума полосы однофононной люминесценции свободных А-экситонов от температуры и используют в качестве дополнительного параметра смещение полосы относительно те, оретически рассчитанного для квазимаксвеловского распределения.