2.4.2 Влияние примеси железа на фотопроводимость селенида цинка

Рассмотрим спектры фотопроводимости кристаллов селенида цинка, легированного железом с различной концентрацией примеси (рисунок 6). Кривая 2 показывает железо с концентрацией 2*10¹⁷ см^-1, а кривая 3 - 2*10¹⁸см^-1. Для сравнения приведены спектры фотопроводимости нелегированных кристаллов, обладающие одной полосой с максимумом 2,65 эВ при 300 K, которая обусловлена межзонными оптическими переходами. При легировании эта полоса смещается в область меньших энергий. При увеличении концентрации железа величина смещения возрастает и соответствует изменению ширины запрещенной зоны.

Рис. 6. Спектры фотопроводимости кристаллов ZnSe (1) и ZnSe: Fe²⁺ (2,3).

Легирование кристаллов селенида цинка железом приводит к появлению дополнительных полос в области энергий 1,7-2,6 эВ (кривые 2 и 3), а их интенсивность возрастает с увеличением концентрации. На спектре выделяются полосы пики, которых находятся на 1,77; 1,88; 1,95; 2,03; 2,09; 2,17; 2,23; 2,30; 2,36; 2,39; 2,46 и 2,54эВ. На вставке рисунка 6 показана полоса на 2,54 эВ, которая при изменении концентрации железа меняет свое положение, а положение остальных полос не меняется с увеличением концентрации.

При 77 K в исследуемых кристаллах наблюдается только одна полоса фотопроводимости (рисунок 7). При увеличении температуры от 77 до 350 K возрастает вклад примесной фотопроводимости.

Рис. 7. Спектры фотопроводимости кристаллов ZnSe: Fe²⁺, измеренные при 77 К (1), 293 К (2) и 353 К (3).

При повышении температуры от 300 до 350K, видно, что полоса фотопроводимости при 2,54 эВ смещается в область меньших энергий на 20мэВ. Это смещение соответствует тому, что при изменении температуры изменяется ширина запрещенной зоны ZnSe. Остальные полосы с изменением температуры не меняют свое положение, это говорит о внутрицентровом характере этих переходов.

Так можно предположить, что в исследуемых кристаллах процесс фотопроводимости происходит следующим образом. Полоса фотопроводимости, пик которой находится на 2,54 эВ, говорит об оптических переходах из основного состояния ⁵E (F) иона Fe²⁺ в зону проводимости. Если сравнить энергию максимума этой полосы с энергией максимума полосы при собственной фотопроводимости, которая равна 2,61 эВ для кристаллов с концентрацией железа 2*10¹⁷ см^-3, можно предположить, что в ионе Fe²⁺ уровень основного состояния располагается на 70мэВ выше, чем валентная зона. А оставшиеся полосы образуются с помощью двухстадийноого процесса, в котором сначала происходят внутрицентровые оптические переходы электронов из основного состояния на более высокие возбужденные энергетические уровни иона Fe²⁺, затем осуществляется тепловой переход этих электронов в зону проводимости. Вследствие этого локальный центр переходит в зарядовое состояние Fe³⁺, далее происходит захват дырок на Fe³⁺-центры и их переход в исходное состояние Fe²⁺. [19]

Таким образом, фотопроводимость кристаллов ZnSe: Fe²⁺ объясняется внутрицентровыми оптическими переходами, которые происходят в пределах ионов Fe²⁺ с дальнейшими тепловыми переходами электронов с уровней возбужденных состояний Fe²⁺ в зону проводимости.