Способ оценки качества кристаллов оксида цинка

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 9) 21/6 ЗОБРЕТЛЬСТВУ АНИ СКОМУ СВИДЕТ. Шуб,А, Ок свойст е механи ствия вд атвердо начение приого анализа тельно, эксия (ЭФЛ) с очень чувстрешающее з юминесцент лов, Действ амин есценц ых экситонов В связис эти обретает метод качества криста итон-фононная участием свободГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИКНТ СССР(56) Кузьмина И,П., Никитенко Вцинка, Получение и оптическиеМ.: Наука, 1984, с, 77,Вербин С,Ю, и др, Измененима экситон-фотонного взаимодейфектных кристаллах 2 пО. - Физиктела. 1977,т. 19, М 11, с, 3468-347 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 2 пО 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.(54) СПОСОБ ОЦЕНКИСТДЛЛОВ ОКСИДА ЦИНКА(57) Сущность изобретения заключается в том, что в способе оценки качества кристал лов оксида цинка, включающем исследова ние экситон-фононной люминесценции проводится построение термической эави симости 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,вительна к нарушениям кристаллической 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 которых, с привлечением калибровочных образцов, оценивают качество кристаллов.Однако этот способ требует слишком низкой температуры (Т-77 К) и довольно разрешенных спектров ЭФЛ, что не всегда выполнимо из-за наложения излучения связанных экситонов и перекрытия полос излучения,Люминесцентный способ определения качества кристаллов 2 пО при температурах Т77 К 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 данномсяучае понимается совокупность факторов, ности и энергетического положения полос определяющих совершенство кристалличе- А-Ео и АЬ.оской структуры и ит ры и перестройку энергетиче- В случае совершенных по кристаллических барьеров в приповерхностной области ской структуре образцов УпО степень сокристаллов, что существенным образом 5 вершенства оценивалась по данным влияет на их оптическиические свойства, экситонных спектров отражения, соответстЦель изо ретения -Ц б ения - оценка совершен- венно полуширина экситонных В- и С-полос=12 иН ства кристаллической структуры приповер- в спектре отражения равна На =, и хностных слоев кристаллов с удельным =1,4 нм, с ростомтемпературы происходит сопротивлением р10 Ом см; а также по монотонное затухание всех полос зкситонвышение точности оценки, фононного излучения, вызванное термичеПоставленная цель достигается тем, что ским распадом свободных зкситонов, При вспособе оценки качества кристалловокси- этом положение максимума полос А-о и да цинка, включающем вощем возбуждение и реги- АО согласно теории описывается соотнострацию спектров ЭФЛ кристаллов, по 15 шениемпараметрам которых с привлечением калибА-ЮОровочных образцов оценивают качество (Ь )макс = о( )Ь Р) = Ео(Т) - ИЬ Р.+кристаллов, регистрируют температурную + ( -- й) сТ,зависимость относительной интенсивности 2полос первого и второго фононного повторения излучениясвободных А-экситонов в где Ео(Т) - внутренняя энергия А-экситона; диапазоне температуратур 77-300 К, и по вели- и т 1 - энергия продольного оптического чине относительной интенсивности макси- фонона(0,072 эВ);мума в области Т -200 К оценивают степень К - постоянная Больцмана;совершенства кристаллической структуры 25 й - 1 для полосы А- О и 2 для полосы тестируемых кристаллов, АЬО.Кроме того. в способе оценки качества При заметном нарушении структуры кристаллов оксида цинка дополнительно кристаллической решетки оксида цинка регистрируют зависимость энергетического (ЬНа1,3 нм; Ь Нс1.5 нм) после резкого положения максимума полосы однофонон 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 темпера- дополнительного параметра смещения по- турной зависимости интенсивности полос лосыотносительнотеоретически рассчитан- А - Ь и АЬ в области температур около . ногодля 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 в относительных единицах дефектность несценции кристаллов ЕпО при температу- кристаллической структуры оксида цинка.ре жидкого азота Л - 410 нм), В случае, . Другой характерной особенностью этих обесли спектр излучения достаточйо хорошо разцов является то, что температурное по- разрешен, чтобы можно было оценить пол- ложение максимума полосы А-Ьо не уширину полос А- О и АЫ, сравнитель подчиняется указанной зависимости и стань 1 й анализ совершенства кристаллическойновится по характеру смещения близким к структуры достаточно прост, При заметном полосе АЬ. Это указывает на то, что форперекрытии полос в спектре излучения, что, ма полосы А-Ьо 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 исследо- рины полос многофононной аннигиляции ваний определяется условиями наблюдения свободных экситонов,- не применим, и в температурныханомалийиобычносоответзтом случае предлагается провести съемку 55 ствует Т-300 К, нижний предел соответ температурной 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 котоная зависимость относительной интенсив- рой возвращается образец. Уровень фото.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( л, = 337 нм), Спектральнцй 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-Ь и А(с температура должна быть стабилизирована, результаты не искажаются при поддержании температуры с точностью до 3 К, 15П р и м е р 1, Исследуют температурную зависимость спектров зкситон-фононной люминесценции совершенного по кристаллической структуре монокристаллэ оксида цинка (по данным экситонного спектра от ражения Л Н = 1,2 нм, Л Нс = 1,4 нм), Применяется катодовозбуждение: энергия электронов Е = 7 кэВ, плотность тока 310 А/см,В температурных зависимостях интен сивности и энергетического положения полос А в (с и А - 2(с не обнаружено никаких температурных аномалий, что подтверждается высокое качество приповерхностных областей кристалла. 30П р и м е р 2. Исследуется температурная зависимость спектров экситон.фононной люминесценции порошка оксида цинка марки "особо чистый" завода "Красный химик" (по данным экситонных спектров отра жения Нв = 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-(, и А( 0 в области тем ператур около 200 К, аномальный характер температурного смещения максимума полосы А-( О). Таким образом, подтверждается дефектность кристаллической структуры приповерхностных областей кристаллов 45 2 пО.П р и м е р 3, Исследована температурная зависимость спектров экситон-фононной люминесценции монокристалла оксида цинка, термообработанного в насыщенных 50 парах кадмияпри Т = 1150 С. Применяется кэтодовозбуждение по режиму примера 1. В отличие от предыдущих вариантов (удельное сопротивление р10 Ом см) кристалл в результате легирования имеет низкое 55 удельное сопротивление (р Ом см), Температурное поведение полос аномально, но отличается от примера 2 тем, что имеет место только подъем интенсивности полосы(А( ), которая резко уходит в длинноволновую сторону с повышением температуры по закону, характерному для полосы Н, вызванной экситон-электронным взаимодействием, Таким образом, в низкоомных кристаллах ( р10 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 2 пО, 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 побоного вредного влияния излучения связанных экситонов. 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, отл ичэ ю щи йс я тем, что, сцельюоценки совершенства кристаллической структуры приповерхностных слоев кристаллов с удельным сопротивлением р10 Ом см, регистри руют температурную зависимость относительной интенсивности полос первого и второго фононного повторения излучения свободных А-экситонов в диапазоне температур 77-300 К и по величине относительной интенсивности максимума в области Т 2 ОО К оценивают степень совершенства кристаллической структуры тестируемых кристаллов.2, Способпоп.1,отличающийся тем, что, с целью повышения точности оцен1749707 Составитель С.РыжихТехред М.Моргентал Корректор М,Шароши Редактор В.Данко Заказ 2591 Тираж Подписное ВНИИХИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 101 ки, дойолнительно регистрируют зависимость знергетического 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.5