Перечень сокращений и обозначений 4
Введение 5
1 Люминесценция 7
1.1 Определение люминесценции. Отличия от других видов излучения 7
1.2 Виды люминесценции 7
1.3 Определение краевой люминесценции 8
1.4 Особенности краевой люминесценции в непрямозонных и прямозонных
полупроводниках 9
2 Краевая фотолюминесценция алмаза 11
2.1 Источники возбуждения фотолюминесценции в жестком ультрафиолетовом
диапазоне излучения 11
2.2 Излучательная рекомбинация свободных экситонов в спектрах
фотолюминесценции 14
2.3 Излучательная рекомбинация электронно-дырочной жидкости в спектрах
фотолюминесценции 15
3 Катодолюминесценция алмазов 17
3.1 Излучательная рекомбинация свободных и связанных экситонов в спектрах
катодолюминесценции 17
3.2 Излучательная рекомбинация электронно-дырочной жидкости в спектрах
катодолюминесценции 18
4 Образцы и экспериментальная установка 20
4.1 Алмазные образцы 20
4.2 Экспериментальная установка для регистрации спектров
фотолюминесценции 20
4.3 Экспериментальная установка для регистрации спектров
катодолюминесценции 21
5 Результаты и анализ эксперимента 23
5.1 Анализ спектров фотолюминесценции 23
5.2 Анализ спектров катодолюминесценции 26
6 Сравнение полученных результатов для фото- и катодолюминесценции 28
Заключение 29
Список использованных источников литературы 30
Исследование краевой люминесценции полупроводникового материала позволяет изучать фундаментальные свойства электронных возбуждений, таких как электронно-дырочная плазма, экситоны Ванье-Мотта и Френкеля, биэкситоны, экситонные комплексы (ЭК) и электронно-дырочная жидкость (ЭДЖ).
Конденсация свободных экситонов (СЭ) в капли ЭДЖ приводит к усилению фототока. Этот эффект может найти применение в углеродной электронике и в оптических коммутаторах больших мощностей, характеризующихся, по сравнению с электрическими разрядниками, меньшей временной нестабильностью срабатывания и возможностью работы с индуктивными накопителями энергии [1]. Эксперименты по исследованию конденсации СЭ проводились для широко используемых полупроводников, таких как Si, Ge, GaAs. Данная работа актуальна с точки зрения исследования эффекта ЭДЖ в широкозонных полупроводниках, а именно, в алмазе.
Фундаментальная задача состоит в исследовании конденсации СЭ в капли ЭДЖ. Предполагается, что данный эффект может быть использован в сильноточных устройствах на основе беспримесного алмаза и p-i-n структурах для усиления проводимости. ЭДЖ наблюдается в спектрах фотолюминесценции (ФЛ) при плотном возбуждении и температуре ниже критической. Известны критические значения температуры и плотности возбуждения для конденсации СЭ в капли ЭДЖ. В спектрах катодолюминесценции (КЛ) не наблюдаются пики и полосы, связанные с излучательной рекомбинацией ЭДЖ. Однако, предполагается, что данный процесс, при облучении образца пучком электронов, протекает безызлучательно.
Цель данной работы заключается в идентификации наблюдаемых спектральных компонент фотолюминесценции и катодолюминесценции и анализе температурных зависимостей интенсивностей их свечения в диапазоне от 90 до 300 К для выявления наличия электронно-дырочной жидкости.
Для достижения поставленной цели, необходимо решить следующие задачи:
1) изучить литературу по теме «Оптические явления в полупроводниках» и «Краевая люминесценция в полупроводниках»;
2) изучить принципы работы экспериментальных установок и провести их юстировку;
3) зарегистрировать спектры краевой фотолюминесценции беспримесного алмазного образца;
4) зарегистрировать спектры катодолюминесценции беспримесного алмазного образца;
5) построить и проанализировать температурные зависимости интенсивности доминирующей полосы люминесценции свободных экситонов;
6) сравнить температурные зависимости интенсивности фотолюминесценции с аналогичными зависимостями для катодолюминесценции;
7) сделать выводы по результатам проделанной работы.
По данным изученной литературы, можно сделать вывод, что образование свободных экситонов происходит преимущественно в малопримесных кристаллах, а захваченных экситонов - в кристаллах с активной примесью (донор/акцептор). Для захваченных экситонов в спектрах люминесценции наблюдается в том числе бесфононная линия, так как происходит искажение зонной структуры в окрестностях примеси, в то время как для свободных экситонов обязательна генерация фонона. Таким образом, для проведения исследований необходимо использовать малопримесные алмазные образцы, чтобы в них была малая концентрация ловушек и центров рекомбинации, снижающих время жизни СЭ и капель ЭДЖ. Также, из литературы выявлено, что при облучении алмаза пучком электронов, ЭДЖ в спектрах не наблюдается и сделано предположение о безызлучательном протекании ее рекомбинации.
В результате проделанной работы проанализированы спектры краевой ФЛ и КЛ беспримесного алмазного образца, выращенного методом температурного градиента. Исследованы температурные зависимости интенсивности доминирующей полосы ФЛ и КЛ, вызванной рекомбинацией СЭ с генерацией ТО фононов. Проведено сравнение полученных результатов. В спектрах КЛ полосы ЭДЖ не наблюдались, что соответствует данным литературы и связано с нагревом, который происходит вследствие термализации горячих носителей заряда, генерируемых пучком электронов, малой интенсивностью возбуждения и высокой концентрацией ловушек с коротким временем жизни. Температура конденсации СЭ в капли ЭДЖ при возбуждении люминесценции пучком электронов ниже, чем при возбуждении люминесценции фотонами, что также связано с нагревом носителей заряда.
Предложен метод идентификации формирования ЭДЖ в алмазе без декомпозиции спектров ФЛ на фононные компоненты, а также без наблюдения полос излучательной рекомбинации в спектрах КЛ - из предположения о безызлучательном протекании процесса рекомбинации ЭДЖ.
Данная работа имеет перспективы для дальнейших исследований. Для подтверждения или опровержения гипотезы о наличии ЭДЖ в образце при облучении пучком электронов необходимо провести эксперимент по измерению фототока, а также получить данные для большего количества образцов с разным примесно-дефектным составом при большем диапазоне температур и плотностей возбуждения.
