Способ оценки качества кристаллов оксида цинка Советский патент 1992 года по МПК G01N21/64 

Изобретение относится к способам оценки качества кристаллов оксида цинка и может быть использовано в оптоэлектро- нике при создании твердотельных лазеров, отражающих покрытий различного назначения, электрофотографических слоев и 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 возникает при оценкекачества лазер- ных 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, экс- итон-фононная люминесценция (ЭФЛ) с участием свободных экситонов очень чувствительна 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-4-77К) и довольно разрешенных спектров ЭФЛ, что не всегда выполнимо из-за наложения излучения связанных экситонов и перекрытия полос излучения.

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 термином качество в данном

(/ С

2 чэ

vj 00 v|

сяучае понимается совокупность факторов, определяющих совершенство кристаллической структуры и перестройку энергетических барьеров в приповерхностной области кристаллов, что существенным образом влияет на их оптические свойства.

Цель изобретения - оценка совершенства кристаллической структуры приповерхностных слоев кристаллов с удельным сопротивлением р 10 Ом см, а также повышение точности оценки.

Поставленная цель достигается тем, что в способе оценки качества кристаллов оксида цинка, включающем возбуждение и регистрацию спектров ЭФЛ кристаллов, по параметрам которых с привлечением калибровочных образцов оценивают качество кристаллов, регистрируют 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 200 К оценивают степень совершенства кристаллической структуры тестируемых кристаллов.

Кроме того, в способе оценки качества кристаллов оксида цинка дополнительно регистрируют зависимость энергетического положения максимума полосы однофонон- ной люминесценции свободных А-эксито- ноо от температуры и используют в качестве дополнительного параметра смещения полосы относительно теоретически рассчитан- ного для квазимаксвелловского распределения.

Способ осуществляют следующим образом.

По стандартной методике снимаются спектры экситонной фото- или катодолюми- несценции кристаллов ZnO при температуре жидкого азота (А- 365-410 нм). В случае, если спектр излучения достаточно хорошо разрешен, чтобы можно было оценить полуширину полос A-Lo и А-2Ц. сравнительный анализ совершенства кристаллической структуры достаточно прост. При заметном перекрытии полос в спектре излучения, что, например, может быть вызвано наличием мощного побочного канала люминесценции связанных зкситонов, упрощенный вариант анализа, основанный на сравнении полуширины полос многофононной аннигиляции свободных экситонов, не применим, и в этом случае предлагается провести съемку температурной зависимости спектров экс- итонного излучения (Т 77-300 К). На основе полученных данных строится температурная зависимость относительной интенсивности и энергетического положения полос A-U и A-2U.

В случае совершенных по кристаллической структуре образцов ZnO (степень совершенства оценивалась по данным экситонных спектров отражения, соответственно полуширина экситонных В- и С-полос в спектре отражения равна Нв 1,2 и Нс 1,4 нм, с ростом температуры происходит

монотонное затухание всех полос экситон- фононного излучения, вызванное термическим распадом свободных экситонов. При этом положение максимума полос A-L0 и A-2Lo согласно теории описывается соотношением

(hv)MaKCA NL° Eo(T)-NhVL +

+ (-|--N)kT.

где Ео(Т) - внутренняя энергия А-экситона; h VL -энергия продольного оптического фонона (0,072 эВ);

k - постоянная Больцмана;

N - для полосы А-Ц и 2 для полосы

A-2U.

При заметном нарушении структуры кристаллической решетки оксида цинка (Л Не 1,3 нм, Д Не 1,5 нм) после резкого

спада интенсивности полос экситон-фо- нонного излучения в области температур 77-110 К наблюдается максимум температурной зависимости интенсивности полос A-Lo и A-2L0 в области температур около

200 К. Этот максимум связан с уменьшением рассеяния электронов на дефектах кристаллической структуры и наблюдается только в дефектных кристаллах. Взяв за основу его интенсивность, можно сравнивать

в относительных единицах дефектность кристаллической структуры оксида цинка. Другой характерной особенностью этих образцов является то, что температурное положение максимума полосы А-Ц не

подчиняется указанной зависимости и становится по характеру смещения близким к полосе . Это указывает на то, что форма полосы A-Lo от квазимаксвелловского распределения переходит к максвелловскому, что характерно для дефектных кристаллов

Температурный интервал для исследований определяется условиями наблюдения температурных аномалий и обычно соответствует Т - 77-300 К, нижний предел соответствует температуре жидкого азота и удобен для проведения эксперимента, верхний со- ответствует комнатной температуре, к которой возвращается образец. Уровень фотоили катодовозбуждения подбирается эмпирически и зависит от квантового выхода экс- итонного излучения в кристаллах. В качестве опробированного источника возбуждения может быть использован азотный лазер ЛГИ-21 ( Я 337 нм). Спектральный интервал исследуемой люминесценции соответствует 365-410 нм и определяется положением полос экситон-фононного излучения в области температур 77-300 К. При регистрации спектрального распределения интенсивности полос A-L0 и A-2L0 температура должна быть стабилизирована, результаты не искажаются при поддержании температуры с точностью до 3 К.

П р и м е р 1. Исследуют температурную зависимость спектров экситон-фононной люминесценции совершенного по кристаллической структуре монокристалла оксида цинка (по данным экситонного спектра отражения А Нв 1.2 нм, А Нс 1,4 нм). Применяется катодовозбуждение: энергия электронов Е 7 кэВ, плотность тока А/см2.

В температурных зависимостях интенсивности и энергетического положения полос A-Lo и A-2Lo не обнаружено никаких температурных аномалий, что подтверждается высокое качество приповерхностных областей кристалла.

П 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 отражения Нв 1,3-1,4 нм, Нс 1,5-1,6 нм). Применяется катодовозбуждение в режимах примера 1. Существенно проявляются температурные аномалии (подъем интенсивности полос A-Lo и A-2U. в области температур около 200 К, аномальный характер температурного смещения максимума полосы A-Lo). Таким образом, подтверждается дефектность кристаллической структуры приповерхностных областей кристаллов ZnO.

П р и м е р 3. Исследована температурная зависимость спектров экситон-фононной люминесценции монокристалла оксида цинка, термообработанного в насыщенных 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 удельное сопротивление (р- 1 Ом см), Температурное поведение полос аномально, но отличается от примера 2 тем, что имеет место только подъем интенсивности полосы

(A-2Lo), которая резко уходит в длинноволновую сторону с повышением температуры по закону, характерному для полосы Н, вызванной экситон-электронным вэаимодей5 ствием. Таким образом, в низкоомных кристаллах (р 10 Ом см) предложенный способ анализа качества кристаллов не применим, хотя полезен для обнаружения смены механизма излучения с повышением

0 температуры.

Предложенный способ оценки качества кристаллов оксида цинка применим в случае невозможности использования нелюминесцентных методов анализа кристаллов, на5 пример, когда кристаллы находятся а контакте со связующим в покрытиях различного назначения, в лазерной технике при катодовозбуждеиии кристаллов ZnO, поме- . щенных в резонатор и т. д. При этом пред0 ложенный метод положительно отличается от известного люминесцентного способа анализа качества кристаллов возможностью применения более высоких температур (К), что удобнейв техническом

5 отношении и позволяет существенно избавиться от побочного вредного влияния излучения связанных экситонов Разработанный метод может найти применение в оптоэлектронике, в электрофотографии и в

0 полупроводниковом материаловедении

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

5 расширении применения кристаллов оксида цинка.

Формула изобретения

1.Способ оценки качества кристаллов 0 оксида цинка, включающий возбуждение и

регистрацию спектров экситон-фононной люминесценции кристаллов, по параметрам которых, с привлечением калибровочных образцов, оценивают качество кристаллов,

5 отличающийся тем, что, с целью оценки совершенства кристаллическом структуры приповерхностных слоев кристаллов с удельным сопротивлениемр 10 Ом-см, регистрируют температурную зависимость от0 носительной интенсивности полос первого

и второго фононного повторения излучения

свободных А-экситонов в диапазоне темпе ратур 77-300 К и по величине относительной

интенсивности максимума в области Т 200

5 К оценивают степень совершенства кристаллической структуры тестируемых кристаллов.

2.Способ по п. 1,отличающийся тем, что, с целью повышения точности оцен

км,.дополнительно регистрируют за виси-используют в качестве дополнительного па- мость энергетического положения максиму-раметра смещение полосы относительно тема полосы однофононной люминесценцииоретически рассчитанного для квазимакс- свободных А-экситонов от температуры ивеловского распределения.

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.