Способ определения концентрации активаторов люминисценции в кристаллах

Способ определения концентрации активаторов люминисценции в кристаллах

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

о -К,И Е

ИЗОБРЕТЕНИЯ (1l) б00425

Союз Советских

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 280475 (21) 2128 57/18-25 с присоединением заявки И (23) Приоритет (43) Опубликовано 300 3.78 Бюллетень М 12 (45) Дата опубликования описания О4О478

2 (51) М. Кл.

501 И 2) /52

Гооцоротоооом% оомотот

Соввто Моооотроо СССР оо долом озобротооой о оторытой (5З) УДК 535, 37 (078.8) (72) вторы овзобретения

В. В. Евтропов, Б. H. Калинин и Б. В. Царенков (71) Заявитель

Ордена Ленина физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ АКТИВАТОРОВ

ЛЮИИНЕСЦЕНЦИИ В КРИСТАЛЛАХ дом (11

1О

25

Изобретения относится к технике определения концентрации активаторов люминесценции в кристаллах, в частности в полупроводниковых кристаллах, используемых для создания светодиодов. 5

Известен способ определения концентрации примеси люминесцентным метоНедостатком этого способа является необходимость сравнения люминесценции исследуемого кристалла с эталонным образцом, обладающим заданной яркостью или эффективностью люминесценции. Кроме того, исследуемый кристалл должен иметь поверхность, такую же, как у эталонного образца.

Наиболее близко к изобретению способ определения концентрации активаторов люминесценции в кристаллах (2) заключающийся в пропускании через кристалл светового пучка, который содержит спектральную компоненту, поглощаемую кристаллом из-за наличия в нем активаторов, определении степени ослабления интенсивности указанной компоненты и вычислении искомой концентрации известным методом по данным о степени ослабления и длине пути гучка в поглощающем слое.

Данный способ не обеспечивает возможности определения концентрации непосредственно в готовых приборах, например, в светодиодах, а также в кристал. .ах неправильной формы и любого размера.

Цель изобретения — возможность определения концентрации непосредственно в готовых приборах, например, в светодиодах, а также в кристаллах неправильной формы и любого размера.

Это достигается благодаря тому, что упомянутый пропускаемый через крис талл пучок создают возбуждением внутри кристалла люминесценции активаторов, при этом в качестве поглощаемой компоненты используют компоненту спектра люминесценции активатора в центре бесфононной полосы, затем дополнительно выделяют из того же спектра непоглощаемую компоненту, которая расположена внутри стоксовского фононного крыла данной бесфононной полосов, а упомянутую степень ослабления определяют путем измерения отношения интенсивностей непоглощаемой компоненты к поглощаемой.

На фиг. 1 и 2 изображены спектры зеленой люминесценции в Фосфиде галлия, легированном азотом при Т=77

600425

Если условия вывода люминесценции нэ кристалла таковы, что нет необходи мости искать внутренние отражения от поверхности кристалла, то коэффициент абсорбции вычисляется по обращенному закону Бугера-Ламберта

4 = — п1

Д где d однократная длина пути пуч10 ка в поглощающем слое (фиг. 3);

1 — вычисленная степень ослабления интенсивности при прохождении

c o3 То« Н а.

Если же плоский р-и -переход распо)5 ложен между двумя гранями кристалла параллельно им обеим (фиг. 4), то для вычисления коэффициента абсорбции надо решить систему уравнений, составленную с учетом многократных внуо0 тренних отражений от противоположных граней кристалла

Дополнительно к поглощаемой вырезают иэ этого же спектра компоненту, не поглощаемую толщей фосфида галлия и потому расположенную где-либо внутри стоксовского фононнож крыла А -полосы (фиг. 1 и 2 — эаштрихованная полоска на длине волны ilz ) .

Измеряют отношение интенсивностей непоглощаемой компоненты к поглощаемой ($о ) . Определяют степень ослабления интенсивности поглощаемОй комС * э где 6о — истинное отношение интенсивностей непоглощаемой компоненты к поглощаемой.

Величина Зоэависит от температуры и от выбора длин волн Л д и Л для компонент.

Вычисляют коэффициент абсорбции (д) для выбранной поглощаемой компоненты.

oL

C М ) °вЂ”

0 фиг. 1) и Т-120 К (фиг. 2) . На фиг. 3 и 4 показаны различные способы регистрации люминесценции.

Для примера рассмотрим применение данного онособа для определения концентрации азота s кристаллах фосфида ° галлия, содержащих р-ц- -переход и поэтому дающих возможность возбудить люминесценцию путем пропускания прямого потока через p - n -переход.

Сцособ имеет две модификации. Одна используется для измерения при низких температурах (от 77 до 120 К), другая - при комнатной температуре.

"Отличаются модификации процедурой выбора поглощаемой и непоглощаемой компонент и числовыми значениями используемых при расчетах параметров

6 и О .

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

Возбуждают внутри кристалла Фосфида галлия в окрестности . p - n -перехода люминесценцию азота, эамещающего фосфор, путем пропускания через

p -n-переход прямого тока. Регистрируют в каком-либо направлении спектр вышедших иэ кристалла люминесцентных лучей, которые прошли сквозь поглощаю щий слой, легированный азотом. 3арегистрированный спектр люминесценции отличается от истинного главным образом из-за поглощения в области бесфононной А — полосы, тогда как стоксовское фононное крыло этой полОсы почти не поглощается н потому не искажено (фнг. 1 и 2). Штриховой линией показан истинный спектр, пунктирной — регистрируемый.

Вырезают из спектра люминесценции

N p -центра компоненту, поглощаемую толщей фосфида галлия и потому расположенную где-либо внутри бесфононной

А -полосы (фиг. 1 и 2 — заштрихованная полоска на длине волны Л д ).

Собак

ñ *- — tnt

d1 1

th tz лТ

" -ó„t,t*, ° T

t,-(t,)d la, где aL — угол между направлением регистрации параллельных лучей и нормалью к грани;

8 — толщина поглощающего слоя, прилегающего к р -n-переходу со сто35 роны фотоприемника;

dz- то же, но с противоположной стороны; — коэффициент пропускания

dq -слоя; йа — то же для д -слоя; — коэффициент внутреннего отражения от грани, обращенной к фотоприемнику; 1 в — то же, но для противоположной грани;

45 — вычисленная степень ослабления интенсивности поглощаемой компоненты.

И, наконец, вычисляют, искомую концентрацию 1 и 1 по формуле

50 где б — стимулированное йр -центром

55 сечение поглощения на длине волны Л .

Вклад в это сечение дают два пропесса; поглощение света самим hip †центром, приводящее к генерации экситона, локализованного на этом центре, и стимулированное Ì р -центром поглощение света собственно фосфидом галлия, приводящее к генерации свободного экситона и пары свободных электрона и дырки.

Таким обраэом, о *6„+Op p > б

-физический параметр пары. М р ценгр 5 — фосфид галлия. Величина 6 зависит

600425

Измерения, пров еде нные при комн атнои температуре и при температуре 77120оК дали одинаковую концентрацию азота. Наименьшая концентрация азота, которую удается измерить предложенньм

17 3 способом, рав на 10 см

Точность определения концентрации не хуже 304.

Формула изобретения

40 от выбора длины и от температуры измерения.

Предлагаемый способ имеет следующие модификации.

При низких температурах (77- 120ОК) в качестве поглощаемой компоненты выбирают компоненту, расположенную точно в центре узкой симметричной А -полосы, а в качестве непоглощаемой — компоненту, находящуюся точно в центре другой. )0 узкой симметричной полосы, являющейся стоксовским однофононным повторением этой А -полосы продольно-оптическим фононом (А — LO). Истинное соотношение интенсивностей при таком выборе не за- ), висит от температуры и равно константе связи )4> -экситона с )0 -фононом (Sо — 0 36). Основной вклад в сечение поглощения при таких низких температурах дает поглощение света 20 самим Й -центром: 6 N причем

G Кд я где d — ширина бесфононной А -линии, линейно растущая с температурой от 2,1 (при 80 К) до 4,5 МэВ (при

120 К); К=1,3 10 по переработанной шкале Лайтоулерса; K= 6,7 10 по первоначальной шкале Катберта.

При комнатной -.åìïåðàòóðå при боль- 30 ших концентрациях азота удобно выбрат» для поглощаемой компоненты длину волны ЛА =560 нм, а для непоглощаемой

575 нм, тогда истинное соотношение Sa -2,37. ДлЯ длины волны Л = 35

560 нм, б =3 7 10 см .

При малых концентрациях азота рекомендуется выбрать Л =554 нм, Л вЂ”

=575 нм, тогда 5О =3,33. Для длины волны Л =554 нм, O 10 7 см

Описанный способ опробован в лаборатории электронных полупроводников

ФТИ им. а. Ф. Иоффе. Была определена концентрация азота в фосфидгаллиевых светодиодах зеленого сечения. Светодиодная p-n -структура была плоская, 45 как на фиг. 4. Плошадь структуры

0,25 мм . Толщина d„=c)z = 20 мкм, кээффициенты отраженйя в направЛении перпендикулярном к граням jlA -0,3;

Л =0,3 (при комнатной температуре) .

Способ определения концентрации активаторов люминесценции в кристаллах, заключающийся в пропускании через кристалл светового пучка, который содержит спектральную компоненту, поглощаемую кристаллом из-эа наличия в нем активаторов, определении степени ослабления интенсивности укаэанной компоненты и вычислении искомой концентрации известным методом, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью определения концентрации непосредственно в готовых приборах, например в светодиодах, а также в кристаллах неправильной формы и любого размера, упомянутый пропускаемый через кристалл пучок создают путем возбужцения внутри кристалла люминесценции активаторов, при этом в качестве поглощаемой компоненты используют компоненту спетра люминесценции активатора в центре бесфононной полосы, затем дополнительно выделяют из того же спектра непоглощаемую компоненту, которая расположена внутри стоксовского фононного крыла данной бесфононной полосы, а упомянутую степень ослабления определяют путем измерения .отношения интенсивностей непогло аемой компоненты к поглощаемой.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1. Константинова-Шлезингер М.A. Люминесцентный анализ . ГИФМЛ, 1961, с. 59-75.

2.(МоччЬгs Е.С.,North J C.,l.î iìî OQ.

Nitrogen Concentration in GaP measure cä nvcscar r eactions Уоигпцй оХ Ceppticc3 Ph>sics

45, 9 5, 2191(1974).

Составитель В.Баев

Редактор О.Пушкин Техред А.Богдан Корректор Н.Ковалева

Заказ 1894/59 Тираж 1112 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент, г. Ужгород,ул. Проектная, 4