Edge luminescence of diamonds at temperatures from 80 to 800 K.pdf Введение Алмаз - полупроводниковый материал с шириной запрещенной зоны ~ 5.5 эВ. Данный материал способен испускать интенсивное излучение в ультрафиолетовой области спектра за счет рекомбинации свободных экситонов (краевая люминесценция). Свободные экситоны в алмазе характеризуются энергией связи ~ 82 мэВ, поэтому их излучательная рекомбинация регистрируется при комнатной температуре [1]. Эти и многие другие свойства делают алмаз перспективным материалом для создания различных оптоэлектронных устройств, таких, например, как катодолюминесцентные (КЛ) излучатели, лазерные ультрафиолетовые диоды и др. В работе [2] была предложена концепция ультрафиолетового катодолюминесцентного излучателя. В ней было обнаружено, что при интенсивной работе такого прибора в течение 5 ч при комнатной температуре происходит снижение интенсивности экситонной люминесценции в несколько раз. Это связано с нагревом испытуемого образца электронным пучком. Кроме того, при создании приборов на основе алмаза необходимо учитывать то, что данные приборы могут работать в экстремальных условиях, например при пониженных давлениях и высокой температуре. Использование алмаза в качестве люминофора либо радиатора черенковского детектора [3] является перспективным для нужд космической техники или ядерной энергетики. Эксплуатация полупроводниковых приборов практически всегда связана с нагревом (нагрев люминофора в излучателях, нагрев материала радиатора черенковского детектора, нагрев диодов при пропускании через них тока). Однако литературных данных о характеристиках катодолюминесценции таких излучателей при воздействии на них пучков заряженных частиц недостаточно, в том числе и для краевой люминесценции. В связи с этим при создании подобных приборов - излучателей, датчиков, сенсоров - важно обладать достаточной информацией о тушении люминесценции в области повышенных температур. Цель данной работы - исследование катодолюминесценции свободных экситонов в алмазных образцах с содержанием примесей менее 10 ppm. Рассмотрены зависимости интенсивности пиков свободных экситонов на длине волны 235 нм от температуры образцов в интервале от 80 до 800 К. Методы и материалы В работе использовались алмазный образец № 1 с содержанием примеси (по азоту) N < 10 ppm и образец № 2 с N < 1 ppm, размерами 5 5 0.25 мм, синтезированные методом температурного градиента в условиях высокого давления и высокой температуры [4]. Эксперименты по исследованию краевой люминесценции проводились на ускорителе типа НОРА [5] с электронной трубкой ИМА3-150Э. Характерная осциллограмма тока пучка электронов, зарегистрированная с помощью коллектора тока, а также отпечаток пучка электронов представлены на рис. 1. Регистрация осциллограмм проводилась при помощи цифрового осциллографа Tektronix MDO3102 с полосой пропускания 1 ГГц и частотой дискретизации 5 Гвыб/с. Рис. 1. Характерная осциллограмма тока пучка электронов и его отпечаток Отпечаток пучка снимался на винипрозе на расстоянии, равном расстоянию от фольги электронной трубки ИМА3-150Э до образца. Диаметр пучка составил ~ 1.8 см. В экспериментах далее использовалась лишь центральная часть пучка диаметром, соответствующим размерам образцов. На рис. 2 представлен энергетический спектр пучка электронов, получаемых на ускорителе. Восстановление энергетического спектра электронов пучка производилось при помощи метода фильтров, в котором использовался набор алюминиевых фольг [6]. Рис. 2. Энергетический спектр пучка электронов, получаемых на ускорителе НОРА Распределение по энергии электронов пучка характеризуется двумя максимумами при ~ 50 и ~ 170 кэВ. Регистрация спектров катодолюминесценции проводилась с помощью спектрометров Ocean Optics HR2000 и HR4000, чувствительных в диапазоне длин волн 200-1100 и 200-300 нм соответственно. В работе были задействованы две экспериментальные установки - при работе с охлаждением образцов (экспериментальная установка 1 (ЭУ1)) и при работе с нагревом исследуемых образцов (ЭУ2). Подробное описание ЭУ1 дано в работах [2, 7]. На рис. 3 приведена схема ЭУ2. Рис. 3. Схема ЭУ2 для нагрева образцов: 1 - алмазный образец; 2 - медный держатель; 3 - ускоритель электронов; 4 - электронная трубка; 5 - оптический коллиматор; 6 - спектрометр; 7 - компьютер; 8 - термопара; 9 - измеритель-регулятор ТРМ; 10 - индукционный нагреватель; 11 - ввод Вильсона Алмазный образец 1 закреплялся на медном держателе 2, который находился в камере при непрерывной откачке форвакуумным насосом. Для формирования электронного пучка использовался ускоритель типа НОРА 3 с электронной трубкой ИМА3-150Э 4. Излучение, возбужденное в образце электронным пучком, собиралось оптическим коллиматором 5 и регистрировалось спектрометром 6. Полученные спектрограммы обрабатывались на компьютере 7. Регистрация и контроль температуры образца проводились с помощью хромель-алюмелевой термопары 8, закрепленной вблизи исследуемого образца, и измерителя-регулятора ТРМ-210 9. Нагрев образцов осуществлялся через медный держатель индукционным нагревателем 10. В камере также был предусмотрен ввод Вильсона 11, позволяющий поворачивать образцы вокруг оси держателя. Результаты и их обсуждение В результате проведенных исследований на ЭУ1 были получены спектры краевой люминесценции алмазов. Образцы, помещенные в камеру установки, охлаждались до температуры жидкого азота, затем по мере их нагрева регистрировались спектры катодолюминесценции. На рис. 4 представлены спектры катодолюминесценции алмазов, а также температурные зависимости основного экситонного пика на 235 нм. В спектрах КЛ образцов, помимо краевой люминесценции, наблюдалась и люминесценция в видимой области спектра, характерная для синтетических образцов, произведенных методом температурного градиента в присутствии металла-катализатора в процессе синтеза, однако ее рассмотрение выходит за рамки данной работы. Типичная температурная зависимость экситонного пика (рис. 4, б) имеет максимум. Спад интенсивности при температурах ниже 150 К происходит за счет захвата экситонов на мелких ловушках и их безызлучательной рекомбинации. В качестве таких ловушек в кристалле выступают, как правило, различные собственные дефекты - вакансии, дислокации и т.п. В работе [8] были измерены характерные времена жизни экситонов в алмазе. С ростом температуры скорость аннигиляции экситонов начинает быстро расти по сравнению с временем жизни экситонов. При этом происходит диссоциация экситонов в кристалле, что мы наблюдаем в виде снижения интенсивности излучательной рекомбинации свободных экситонов на температурной зависимости. Рис. 4. Спектры катодолюминесценции и температурные зависимости экситонного пика на 235 нм образца № 1 (а, б) и образца № 2 (в, г), полученные на ЭУ1 Температурная зависимость экситонного пика для образца № 2 (рис. 4, в, г) имеет нетипичный характер. В ней не наблюдается спад интенсивности при температурах ниже 150 К. В данном образце, по всей видимости, отсутствуют мелкие ловушки, на которые захватываются экситоны, либо их количество незначительно, как это отмечается в образце № 1. При работе на ЭУ2 были получены спектры краевой люминесценции алмазов при температурах от 300 до 800 К (рис. 5). Образцы сначала нагревались до температуры ~ 800 К, затем при охлаждении регистрировались спектры катодолюминесценции. Из полученных спектров и температурных зависимостей видно, что температурное тушение краевой люминесценции при температурах выше 300 К может быть аппроксимировано эмпирическим законом Мотта [9]. При этом удалось зарегистрировать экситонный пик образца № 1 (рис. 5, а, б) при температуре 653 К, что по приблизительной оценке соответствует энергии связи 84.41 мэВ. Считается, что крайний экситонный уровень соответствует энергии ~ 82 мэВ. Известно, что основное экситонное состояние испытывает тонкое расщепление за счет анизотропии массы, обменного и спин-орбитального взаимодействий. В результате образуются четыре ярких экситонных подуровня, каждый из которых имеет свою энергию связи. С ростом температуры происходит последовательное заселение этих уровней [10]. Предположительно в нашем случае с ростом температуры до 653 К происходит заселение экситонных подуровней, соответствующих большим энергиям связи, чем наблюдалось в [10]. В то время как в кристаллах с большой концентрацией дефектов структуры вблизи дна зоны проводимости в запрещенной зоне обычно расположены соответствующие ловушечные уровни, которые обеспечивают безызлучательную рекомбинацию свободных экситонов с высокоэнергетических подуровней тонкого расщепления. Рис. 5. Спектры катодолюминесценции (а, в) и температурные зависимости (в, г) экситонного пика на 235 нм образца № 1 (а, б) и образца № 2 (в, г), полученные на ЭУ2 Для образца № 2 тушение экситонной полосы происходит уже при температуре 633 К (рис. 5, в, г). Величина интенсивности спектров КЛ при более высоких температурах находится ниже уровня шума спектрометра, поэтому спектры КЛ неразличимы. Заключение Исследованы спектры краевой катодолюминесценции алмазных образцов в широком температурном диапазоне от 80 до 800 К. Полученные температурные зависимости показали, что наличие/отсутствие собственных дефектов в кристаллической решетке алмазов существенно влияет на характер зависимостей интенсивности экситонного пика от температуры. Полученные данные о температурном тушении краевой люминесценции алмазных образцов будут полезны при создании УФ-излучателей и детекторов, чувствительных в УФ-области спектра (например, черенковские детекторы), работающих в экстремальных условиях Кроме того, краевая КЛ (при малых временах воздействия) алмазных образцов может выступать в качестве метода неразрушающего контроля совершенства их кристаллической структуры.

Скачать электронную версию публикации