Московский Государственный Университет им. М.В. Ломоносова физический факультет Трушин Арсений Сергеевич Фотолюминесценция иттербия в полупроводниковых структурах и наноструктурах. Специальность – Лазерная физика Диссертация на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук Москва, 2004 г.

Содержание работы Введение Глава 1 Теоретическое описание системы полупроводник-ион редкоземельного элемента. Расчёт положения линий соответствующих экситонам локализованным в квантовых ямах структур на основе ZnSe/Zn (1-x) Cd x Se Глава 2 Методы изготовления и исследования полупроводниковых структур. Глава 3 Исследование методом фотолюминесценции структур ZnTe, ZnSe/ZnCdSe Глава 4 Интерпретация результатов Заключение

Введение Задачи диссертационной работы Изучение фотолюминесценции иттербия в полупроводниковых структурах и наноструктурах. Экспериментальное исследование характеристик фотолюминесценции в структурах на основе ZnTe и ZnSe/ZnCdSe. Оптимизация условий формирования люминесцентных центров на основе иттербия в полупроводниковых структурах на основе ZnTe и ZnSe/ZnCdSe. Экспериментальное исследование люминесценции как объёмных материалов так и наноструктур, содержащих люминесцентные центры на основе иттербия.

Введение Выносимые на защиту положения Получено устойчивое и воспроизводимое характеристическое излучение ионов Yb 3+ введённых в монокристаллические слои ZnTe как в процессе создания структур методом молекулярно лучевой эпитаксии, так и методом ионной имплантации. Определены оптимальные условия проведения имплантации кислорода и последующего отжига. Получено устойчивое и воспроизводимое характеристическое излучение ионов Yb 3+ введённых в монокристаллические слои ZnSe/ZnCdSe в процессе получения этих слоёв методом молекулярно лучевой эпитаксии. Определены оптимальные условия проведения имплантации кислорода и последующего отжига. На основании исследования зависимости спектра характеристического излучения от температуры образца построена энергетическая схема доминирующего в ZnTe люминесцентного центра. Показано что введение люминесцентных центров на основе иттербия в квантовую яму увеличивает квантовую эффективность люминесценции.

Глава 1 Теоретическое описание системы полупроводник-ион редкоземельного элемента. Расчёт положения линий соответствующих экситонам локализованным в квантовых ямах структур на основе ZnSe/Zn (1-x) Cd x Se

Глава 1. Особенности редкоземельных (РЗ) элементов Редкоземельные элементы: 4f оболочка экранирована. Состояния слабо гибридизованы с состояниями кристалла, имеющими непрерывный энергетический спектр. Наличие РЗ центров => узкие линии в спектрах поглощения и люминесценции. Ионные кристаллы: Учёт динамической части кристаллического поля => зависимость спектра люминесценции от температуры Полупроводниковые матрицы Наличие электронной подсистемы => добавляются механизмы возбуждения

Глава 1. Принципиальная схема расчёта энергетической схемы люминесцентного центра на основе иттербия.

Глава 1. Расчёт положения экситонной линии. Поперечное сечение структуры второго типа. Энергетическая диаграмма одной квантовой ямы.

Глава 1. Нахождение уровней носителей, локализованных в квантовых ямах. Графическое представление транцендентного уравнения Уровни различных носителей, локализованных в квантовой яме.

Глава 2. Методы изготовления и исследования полупроводниковых структур. Методы изготовления и модифицирования: Молекулярно лучевая эпитаксия Ионное легирование Фотостимулированный отжиг Методы исследования: Фотолюминесценция Масс-спектроскопия вторичных ионов Дифракция быстрых электронов

Глава 3 Исследование методом фотолюминесценции структур ZnTe, ZnSe/ZnCdSe

Глава 3.Полупроводниковые структуры на основе ZnTe Поперечный срез Внешний вид ростовой шайбы Характерные размеры образца Перед проведением имплантации половинка образца маскируется фольгой и называется контрольной.

Глава 3.Спектр характеристического излучения ионов иттербия в ZnTe. Z – фононное повторение полосы Z

Глава 3. Поперечное сечение структур ZnSe/ZnCdSe

Глава 3. Нахождение оптимальной температуры отжига. Для образцов структуры I типа был найден оптимальный режим отжига. T opt =450 o С

Глава 3. Экситонное излучение сразу после проведения имплантации кислорода.

Глава 3. Экситонное излучение после проведения отжига. Структура II типа.

Глава 3. Характеристическое излучение ионов иттербия. Структура II. Поиск оптимальной концентрации имплантированного кислорода. С opt =6*10 18 см -3

Глава 3. Экситонное излучение. Структура III типа.

Глава 4 Интерпретация результатов Получение энергетической схемы люминесцентного центра на основе иттербия в ZnTe Оценка состава материала квантовой ямы Zn (1-x) Cd x Se по результатам исследования фотолюминесценции структур ZnSe/ZnCdSe.

Глава 4. Зависимость вида спектров характеристического излучения ионов иттербия в системе ZnTe от температуры образца во время измерения спектра.

Глава 4. Распределение кислорода по глубине для структур II и III типов. Излучение центров расположенных в квантовой яме должно быть на полтора порядка слабее излучения центров помещённых в буферный слой. Интенсивность излучения имеет один порядок величины. Размещение люминесцентных центров в квантовой яме приводит к увеличению квантовой эффективности люминесценции.

Глава 4. Зависимости длины волны экситонного излучения от толщины ямы. Окончательный результат расчёта длины волны излучения, соответствующего экситонам, локализованным в квантовых ямах. «Расчёт уровней размерного квантования в напряженных ZnCdSe/ZnSe квантовых ямах», М.В. Максимов, И.Л. Крестников, С.В. Иванов, Н.Н. Леденцов, С.В. Сорокин, Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, 8. Звёздочками помечены точки, полученные из эксперимента.

Основные результаты (ZnTe) Выполнены экспериментальные исследования фотолюминесценции иттербия в полупроводниковых структурах и наноструктурах на основе ZnTe и ZnSe/ZnCdSe. Получено устойчивое и воспроизводимое характеристическое излучение ионов Yb3+, введённых в монокристаллические слои ZnTe двумя способами: как в процессе МЛЭ, так и методом ионной имплантации. Показано, что одним из необходимых условий получения характеристического излучения является наличие определённой концентрации атомов кислорода в слое. Для получения максимальной интенсивности характеристического излучения концентрация иттербия в слоях теллурида цинка должна составлять 5·10 19 см 3, оптимальное отношение между концентрациями иттербия и кислорода 1:10 при концентрации Yb от см 3 до 8·10 18 см 3 и 1:(5-6) при концентрациях иттербия порядка см 3. Постимплантационный отжиг следует проводить при температуре T °C. В структуре ZnTe:(Yb+O) получена люминесценция центров на основе иттербия, наблюдаемая от 4К до температур порядка 100°C и обусловленная электрон-фононным взаимодействием. Исследована зависимость спектров люминесценции системы ZnTe:(Yb+O) от температуры. В качестве обобщения полученных результатов предложена энергетическая схема люминесцентного центра на основе РЗ иона и некоторой фоновой примеси, предположительно – углерода.

Основные результаты (ZnSe/ZnCdSe) В квантоворазмерных структурах ZnSe/ZnCdSe характеристическое излучение РЗ ионов и излучение, связанное с экситонами, локализованными в квантовых ямах, имеет максимум интенсивности при следующих условиях: концентрация имплантированного кислорода составляет (3 6)·10 18 см 3, постимплантационный отжиг длительностью 5 минут проводится при температуре ºС. Таким образом продемонстрирована возможность восстановления интенсивности излучения, связанного с экситонами, без значительного уменьшения интенсивности характеристического излучения РЗ ионов. Наблюдалось увеличение не менее чем на порядок квантового выхода люминесценции центров на основе Yb при размещения их в квантовой яме наноструктуры на основе ZnSe/ZnCdSe. Проведены расчёты положения экситонной линии в спектре ФЛ, позволившие уточнить параметры ямы в квантоворазмерной структуре. Наилучшее соответствие между экспериментальными данными и результатами расчётов были получены в предположении состава тройного соединения Zn 0.73 Cd 0.27 Se.

Публикации Основные результаты опубликованы в следующих работах Physica status solidi(B), v.229, Issue 1, January 2002, p Photoluminescence of Yb doped ZnTe N.N. Loiko, V.M. Konnov, Yu.G. Sadofyev, E.I. Mahov, A.S. Trushin, A.A. Gippius Физика и техника полупроводников, 2002, том. 36, вып. 11 «Излучение редкоземельных центров в системе ZnTe:(Yb+O)/GaAs» В.М. Коннов, Н.Н. Лойко, Ю.Г. Садофьев, Е.И. Махов, А.С. Трушин Краткие сообщения по физике ФИАН, номер 8, 2003 г. «Люминесценция структур ZnSe/CdZnSe, включая структуры с пониженной размерностью, выращенные и легированные Yb в процессе молекулярно-лучевой эпитаксии»