Розроблення світловипромінювачів та фотодетекторів на основі гетерошарів II-VI сполук

Abstract

Дисертаційна робота присвячена проблемі розроблення високоефективних фотодетекторів та світловипромінювальних структур із розширеним діапазоном робочих температур 300-570 К і радіаційно стійких параметрів. Опановано методику отримання гетероструктур, визначено технологічні режими ізовалентного заміщення (ІВЗ) і отримано джерела випромінювання з високою квантовою ефективністю η = 7-20 % при 300 К у широкій спектральній області Δλ = 0,350-0,885мкм. Вперше виготовлено джерела високоефективного короткохвильового випромінювання з η ≈ 12-15 % на ГШ нетипових гексагональних модифікацій α-ZnSe, α-ZnS і твердих розчинів α-ZnSехS1-х, світловипромінювачі на основі яких генерують випромінювання у ближній УФ області. Встановлено стійкість люмінесцентних властивостей α-ZnSe до опромінення потоком електронів густиною D ≈ 7,5·1015 електрон/см2 з енергією Е ~ 2 МеВ. Запропоновано режими виготовлення гетероструктр α-ZnSe/α-CdSe зі спектрами люмінесценції у фіолетовому (Δλ = 0,41-0,47 мкм), синьому (Δλ = 0,46-0,49 мкм) і зеленому (Δλ = 0,49-0,55 мкм) діапазонах з повторюваними характеристиками, параметрами та високою спектральною чистотою кольору 92,3 %, 97,6 %, 98 % відповідно до максимумів при λm1 = 0,446 мкм, λm2 = 0,477 мкм, λm3 = 0,517 мкм. Вперше отримано поляризоване випромінювання на ГШ α-ZnSe. Розроблено конструкцію і виготовлено методом ІВЗ високоефективні джерела випромінювання з η ≈ 15% на гетероструктурах сульфоселенідів кадмію нетипової кубічної модифікації з стабільними параметрами і властивостями у короткохвильовому діапазоні. Виготовлені світловипромінювачі з наноструктурованою поверхнею відпалом на повітрі Cd1-xMnxTe при Ta ≈ 650 ± 20 °С та халькогенідів кадмію при Ta = 550-650 °С і хімічній обробці гетерошарів сульфоселенідів цинку у травнику H2SO4:H2O2 = 3:1. Отримано інтенсивне випромінювання в ближній УФ області з максимумом ћωm = 3,24 еВ і ефективністю η = 15-20 % на α-ZnSe внаслідок формування наноструктурованої поверхні. Отримано високоефективні фотоприймачі на основі твердих розчинів ZnSe-MgSe та гетеропереходів n-CdTe–p-ZnTe з широким діапазоном спектральної чутливості Δλ = 0,38-0,82 мкм, лінійності фотоструму при експлуатації в режимі короткого замикання і виявляючою здатністю не менше 10 13 В -1 см∙Гц ½ при 300 К. Визначено для гетеропереходів максимальну величину к.к.д. ≈5% при 300 К при освітленні АМ2. Виготовлено методом дифузії ізовалетної домішки Mg на отриманих гетерошарах α-ZnSe p-n-структури з областю фоточутливості при Δλ = 0,335-0,477 мкм. Диссертация посвящена проблеме разработки высокоэффективных фотодетекторов и светоизлучающих структур с расширенным диапазоном рабочих температур 300-570 К и радиационно стойких параметров. Освоено методику получения гетероструктур, определены технологические режимы изовалентного замещения (ИВЗ) и получено источника излучения с высокой квантовой эффективностью η = 7-20 % при 300 К в широкой спектральной области Δλ = 0,350-0,885 мкм. Впервые изготовлено источники высокоэффективного коротковолнового излучения с η ≈ 12-15 % в гетерослоях нетипичных гексагональных модификаций α-ZnSe, α-ZnS и твердых растворов α-ZnSехS1-х, светоизлучатели на основе которых генерируют излучение в ближней УФ области. Установлена стойкость люминесцентных свойств α-ZnSe к облучению потоком электронов плотностью D ≈ 7,5·1015 электрон/см2 с энергией Е ~ 2 МэВ. Предложено режимы изготовления гетеростуркутр α-ZnSe/α-CdSe со спектрами люминесценции в фиолетовом (Δλ = 0,41-0,47 мкм), синем (Δλ = 0,46-0,49 мкм) и зеленом (Δλ = 0,49-0,55 мкм) диапазонах с повторяющимися характеристиками, параметрами и высокой спектральной чистотой цвета 92,3%, 97,6%, 98% соответственно к максимумам при λm1 = 0,446 мкм, λm2 = 0,477 мкм, λm3 = 0,517 мкм. Впервые получено поляризованное излучение на ГС α-ZnSe. Разработана конструкция и изготовлены методом изовлентного замещения высокоэффективные источники излучения с η ≈ 15 % на гетероструктурах сульфоселенидов кадмия нетипичной кубической модификации со стабильными параметрами и свойствами в коротковолновом диапазоне. Изготовленны светоизлучатели с наноструктурированной поверхностью отжигом на воздухе Cd1-xMnxTe при Ta ≈ 650 ± 20 °С и халькогенидов кадмия при Ta = 550-650 °С и химической обработкой гетерослоев сульфоселенидов цинка в травителе H2SO4:H2O2 = 3:1. Получено интенсивное излучение в ближней УФ области с максимумом ћωm = 3,24 эВ и эффективностью η = 15-20 % на α-ZnSe в результате формирования наноструктурированной поверхности. Получены высокоэффективные фотоприемники на основе твердых растворов ZnSe- MgSe и гетеропереходов n-CdTe-p-ZnTe с широким диапазоном спектральной чувствительности Δλ = 0,38-0,82 мкм, линейности фототока при эксплуатации в режиме короткого замыкания и проявляющей способности не менее 10 13 В -1 см∙Гц ½ при 300 К. Определено для гетеропереходов максимальную величину к.п.д. ≈5% при 300 К при освещении АМ2. Изготовлено методом диффузии изовалетной примеси Mg на полученных гетерослоях α-ZnSe p-n-структуры с областью фоточувствительности при Δλ = 0,335-0,477 мкм. The dissertation is devoted to the development of highly effective photodetectors and light - emitting structures with the expanded range of operating temperatures and radiation hardness of parameters. The method for producing heterostructures was mastered, technological regimes of isovalent substitution (IVS) are determined, and heterostructures with high quantum efficiency η = 7-20% at 300 K in a wide spectral range Δλ = 0.350-0.885 μm are obtained. The design of devices was developed, photodiodes and light-emitters were produced by doping of isovalent impurities Mg, Ca and rare-earth element Yb, and radiation of these emitters is determined by interband recombination of free charge carriers and the dominant annihilation of bound excitons. For the first time, sources of highefficiency short-wavelength radiation with η ≈ 12-15% on the base of heterolayers of atypical hexagonal modifications α-ZnSe, α-ZnS, α-ZnSexS1-x were obtained by isothermal annealing in pairs of isovalent elements. The resistance of the luminescent properties of α-ZnSe to irradiation with electron flux of density D ≈ 7.5·10 15 electron/сm 2 or energy E ~ 2 MeV was defined. Modes of fabriactaion of α-ZnSe/α-CdSe heterostructures with luminescence spectra in violet (Δλ = 0.41-0.47 μm), blue (Δλ = 0.46-0.49 μm) and green (Δλ = 0.49-0.55 μm) ranges with repetitive characteristics, parameters and high spectral color purity 92.3%, 97.6%, 98% respectively to the maxima at λm1 = 0.446 μm, λm2 = 0.477 μm, λm3 = 0.517 μm has been patented. For the first time, the parameters of the band structure of α-ZnSe heterolayers Eg = 2.89 eV, ΔCR = 0.07 eV and ΔSO = 0.37 eV were determined and polarized radiation due to anisotropy of the hexagonal structure was obtained. A design has been developed and high-efficiency radiation sources with η ≈ 15% on heterolayers of cadmium sulfoselenides of atypical cubic modification with stable parameters and properties in the short-wave range were produced by isovalent substitution method. Short-wave optical radiation in the near-ultraviolet (UV) region with photon energy ћω = 3.05-3.30 eV with a maximum at ћωm = 3.18 eV and a quantum efficiency η = 5.8% at 300 K on ZnSexS1-x heterolayers was obtained. Solid solutions were obtained on α-CdS by consecutively diffusion of Zn and Se at T = 1100-1500 K. A design was developed, technological conditions were defined, and devices with a nanostructured surface were manufactured by annealing in air Cd1-xMnxTe at Ta ≈ 650 ± 20 °С and cadmium chalcogenides at Ta = 550-650 °С by chemical treatment of zinc sulfoselenide heterolayers in the etchant H2SO4 : H2O2 = 3 : 1. It have been defined the conditions of intense radiation obtaining in the near-ultraviolet region with a maximum at ћωm = 3.24 eV and an efficiency of η = 15-20% due to the formation of a nanostructured surface on α-ZnSe heterolayers, which leads to dimensional quantization of energy of charge carriers. For emitters with nanostructures, the spectrum significantly expands and is determined by two constituent at ћω ~ Eg and ћω >> Eg and an increase of η = 15-20%. Highly efficient photodetectors based on solid solutions of ZnSe-MgSe and n-CdTe-p-ZnTe heterojunctions with a wide range of spectral sensitivity Δλ = 0.38-0.82 μm, photocurrent linearity during operation in short-circuit mode and detection efficiency not less than 10 13 V-1 ∙ cm ∙ Hz½ at 300 K, were obtained. The maximum value of efficiency factor for heterojunction is ≈5% at 300 K under AM2 illumination. Photosensitive in the range Δλ = 0.335-0.477 μm of p-n-structures were fabricated by diffusion of isovalent impurity Mg into the obtained α-ZnSe heterolayers.