Способ определения концентрации активаторов люминисценции в кристаллах

(13) б 00425 Союз Советских Социалистических Республик(43) Опубликовано 3 00 3.78 Бюллетень М 12 (45) Дата опубликования описания 040478(71) Заявитель Ордена Ленина Физико-технический институт им. А, ф. Иоффе(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ АКТИВАТОРОВ ЛЮИИНЕСЦЕНЦИИ В КРИСТАЛЛАХ Изобретения о определения конц люминесценции в ти в полупроводн используемых для Известен споск техник активато ах, в час ристаллах я светоди еления ко ентным ме носитс нтраци ристал ковых создан б опре ов но дов, 5цен- отра дом и приме11,юминес 1 О 15 ы спектрыосфиде галпри Т:77 ф Недостатком этого способа является необходимость сравнения люминесценции исследуемого кристалла с эталонным образцом, обладающим заданной яркостью или эффективностью люминесценции. Кроме того, исследуемый кристалл должен иметь поверхность, такую же, как у эталонного образца.Наиболее близко к изобретению способ определения концентрации активаторов люминесценции в кристаллах 12) 2) заключающийся в пропускании через кристалл светового пучка, который содержит спектральную компоненту, поглощаемую кристаллом из-за наличия в нем активаторов, определении 25 степени ослабления интенсивности указанной компоненты и вычислении искомой концентрации известным методом по данным о степени ослабления и длине пути гучка в поглощающем слое.30 Данный способ не обеспечивает возможности определения концентрации непосредственно в готовых приборах, например, в светодиодах, а также в кристал,.ах неправильной формы и любого размера.Цель изобретения - возможность определения концентрации непосредственно в готовых приборах, например, в светодиодах, а также в кристаллах неправильной формы и любого размера,Это достигается благодаря тому, что упомянутый пропускаемый через крис талл пучок создают возбуждением внутри кристалла люминесценции активаторов, при этом в качестве поглощаемой компоненты используют компоненту спектра люминесценции активатора в центре бесфононной полосы, затем дополнительно выделяют из того же спектра непоглощаемую компоненту, которая расположена внутри стоксовского Фононного крыла данной бесфононной полоса, а упомянутую степень ослабления определяют путем измерения отношения интенсивностей непоглощаемой компоненты к поглощаемой.На фиг. 1 и 2 изображезеленой люминесценции в флия, легированном аэ мЕсли условия вывода люминесценциинэ кристалла таковы, что нет необходимости искать внутренние отражения отповерхности кристалла, то коэффициентабсорбции вычисляется по обращенномузакону Бугера-Ламберта4 -- Сп 1д /где д- однократная длина пути пуч" 10 ка в поглощающем слое (фиг. 3);1 - вычисленная степень ослабления интенсивности при прохождениисквозь толщины д.Если же плоский р-я -переход распо- )5 ложен между двумя гранями кристаллапараллельно им обеим (Фиг. 4), то длявычисления коэФфициента абсорбциинадо решить систему уравнений, составленную с учетом многократных внуо 0 тренних отражений от противоположныхграней кристалла Дополнительно к поглощаемой вырезают иэ этого же спектра компоненту, не поглощаемую толщей фосфида галлия и потому расположенную где-либо внутри стоксовского фононного кры. ла А -полосы ( фиг. 1 и 2 - заштрихованная полоска на длине волны Л ).Измеряют отношение интенсивностей непоглощаемой компоненты к поглощаемой ( Ье ) . Определяют степень ослабления интенсивности поглощаемОй коми ненты где бо - истин ное отношение интенсивностей неттоглощаемой компоненты к поглощаемой. Величина Зоэависит от температуры и от выбора длин волн Л д и Л для компонент.Вычисляют коэффициент абсорбции (А) для выбранной поглощаемой компоненты. оСМ)О фиг. 1) и ТК (фиг, 2) . На фиг. 3и 4 показаны различные способы регистрации люминесценции,Для примера рассмотрим применение данного онособа для определения концентрации азота в кристаллах фосфидагаллия, содержащих р"ц- -переход и поэтому дающих возможность возбудить люминесценцию путем пропускания црямого потока через р - я -переход.Способ имеет две модификации. Одна используется для измерения при низких температурах (от 77 до 120 К), другая - при комнатной температуре. "Отличаются модификации процедурой выбора поглощаемой и непоглощаемой компонент и числовыми значениями используемых при расчетах параметров 6 и О.Предлагаемый способ осуществляют следующим образом,Возбуждают внутри кристалла Фосфида галлия в окрестности- п -перехода люминесценцию азота, эамещающего фосфор, путем пропускания через Р -л-переход прямого тока, Регистрируют в каком-либо направлении спектр вышедших иэ кристаллалюминесцентных лучей, которые прошли сквозь поглощаю. щий слой, легированный азотом, Зарегистрированный спектр люминесценции отличается от истинного главным образом из-за поглощения в области бесфононной А - полосы, тогда как стоксовское Фононное крыло этой 1 полОсы почти не поглощается н потому не искажено (фнг. 1 и 2) . Штриховойлинией показан истинный спектр, пунктирной - регистрируемый.Вырезают из спектра люминесценцииИ р -центра компоненту, поглощаемуютолщей фосфида галлия и потому расположенную где-либо внутри бесфононнойА -полосы (фиг. 1 и 2 - заштрихованная полоска на длине волны Л А ). СоаАсиз. - Слт 5 1 т с тлт,-у сс, 1 Г,1 (С,)д)д 1где А - угол между направлениемрегистрации параллельных лучей и нормалью к грани;д, - толщина поглощающего слоя,прилегающего к р -п-переходу со сто 35роны фотоприемника;д- то же, но с противоположной стороны;- коэффициент пропусканияд -слоя;Йа - то же для д -слоя;уд - коэФФициент внутреннегоотражения от грани, обращенной к фотоприемнику;в - то же, но для противоположной грани 145 С - вычисленная степень ослаб.ления интенсивности поглощаемой компоненты.И, наконец, вычисляют, искомую концентрацию ), й 1 по формуле50 где б - стимулированное й Р -центром 55 сечение поглощения на длине волны ЛА.Вклад в это сечение дают два пропесса; поглощение света самим Мр в центром, приводящее к генерации экситона,локализованного на этом центре, и стимулированное М р -центром поглощениесвета собственно фосфидом галлия, приводящее к генерации свободного экситона и пары свободных электрона и дырки.ТаКИМ ОбраЭОМ, О 6 Н +беарбИзмерения, проведенные при комнатноитемпературе и при температуре 77120 ОК, дали одинаковую концентрациюазота, Наименьшая концентрация азота,которую удается измерить предложенньи)17 -3способом, равна 10 смТочность определения концентрациине хуже 30. Формула изобретения 40 от выбора длины и от температуры измерения.Предлагаемый способ имеет следующиемодификации.При низких температурах (77- 120 ОК)в качестве поглощаемой компоненты выбирают компоненту, расположенную точнов центре узкой симметричной А -полосы,а в качестве непоглощаемой - компоненту, находящуюся точно в центре другой )Оузкой симметричной полосы, являющейсястоксовским однофононным повторениемэтой А -полосы продольно-оптическимфононом ( А - (.О). Истинное соотношениеинтенсивностей при таком выборе не за- (5висит от температуры и равно константе связи НР -экситона с )0 -фононом ( 5 о - 0,36). Основной вклад всечение поглощения при таких низкихтемпературах дает поглощение светасамим НР -центром: бб Ч , причем( Кдягде д - ширина бесфононной А -линии, линейно растущая с температуройот 2,1 (при 80 К) до 4,5 МэВ (при120 К); К:1,310 по переработаннойшкале Лайтоулерса; К: 6,7 10 попервоначальной шкале Катберта,При комнатной температуре при боль- Ъших концентрациях азота удобно выбратдля поглощаемой компоненты длину волны ЛА =560 нм, а для непоглощаемойА: 575 нм, тогда истинное соотношение 5 о:2,37. ДлЯ длины волны Я = 35560 нм, б:3,7 10 см.При малых концентрациях азота рекомендуется выбрать Л =554 нм,=575 нм, тогда 5 о ж 3,33. Для длиныволны )1 =554 нм, 0 10 7 смОписанный способ опробован в лаборатории электронных полупроводниковФТИ им. а. Ф. Иоффе. Была определенаконцентрация азота в фосфидгаллиевыхсветодиодах зеленого сечения. Светодиодная Р-п -структура была плоская,45как на Фиг. 4, Плошадь структуры20,25 мм . Толщина д:дз = 20 мкм,кээффициенты отраженйя в направпенииперпендикулярном к граням 3 А -0,3;Я =0,3 (при комнатной температуре),Способ определения концентрации активаторов люминесценции в кристаллах, заключающийся в пропускании через кристалл светового пучка, который содержит спектральную компоненту, поглощаемую кристаллом из-эа наличия в нем активаторов, определении степени ослабления интенсивности укаэанной компоненты и вычислении искомой концен" трации известным методом, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью определения концентрации непосредственно в готовых приборах, например в светодиодах, а также в кристаллах неправильной Формы и любого размера, упомянутый пропускаемый через кристалл пучок создают путем возбужцения внутри кристалла люминесценции активаторов, при этом в качестве поглощаемой компоненты используют компоненту спетра люминесценции активатора в центре бесфононной полосы, затем дополнительно выделяют из того же спектра непоглощаемую компоненту, которая расположена внутри стоксовского Фононного крыла данной бесфононной полосы, а упомянутую степень ослабления определяют путем измерения .отношения интенсивностей непоглоь,аемой компоненты к поглощаемой.Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:1Константинова-Шлезингер М.А. Люминесцентный анализ.ГИФМЛ, 1961, с 59-75.2,(1 ЬСоччЬгв Е.С, йог 1 Ь т.С,1 ог 1 тго 06й 11 годсл Солсео 1 га 11 оп 1 п баР псаьцгсд пцсСсаг гсасС 1 опь Уоигпцй оХ Ссрр 11 сд РИз 1 сь 45, 9 5, 2191(1974).600425 оставитель В.Баевехред А.Богдан Корректор Н.Ковалев актор О.Пушк Тираж 1112 ПИ Государственного комитетпо делам изобретений и о 113035, Москва, Ж, Раушска аказ 1894/59 ЦНИИП