Исследование ширины запрещенной зоны смешанных кристаллов ZnSxSe₁₋x
Исследованы смешанные кристаллы ZnSxSe₁₋x разного состава (х = 0,07—0,39), выращенные методом Бриджмена — Стокбаргера. У даній роботі досліджено вплив вмісту сірки на оптичну ширину забороненої зони в змішаних кристалах ZnSxSe₁₋x.Зразки для досліджень були вирощені методом Бріджмена — Стокбаргера в...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Технология и конструирование в электронной аппаратуре |
|---|---|
| Дата: | 2018 |
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України
2018
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/150288 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Исследование ширины запрещенной зоны смешанных кристаллов ZnSxSe₁₋x / О.Г. Трубаева, М.А. Чайка // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2018. — № 5-6. — С. 44-49. — Бібліогр.: 23 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-150288 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Трубаева, О.Г. Чайка, М.А. 2019-04-03T19:26:13Z 2019-04-03T19:26:13Z 2018 Исследование ширины запрещенной зоны смешанных кристаллов ZnSxSe₁₋x / О.Г. Трубаева, М.А. Чайка // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2018. — № 5-6. — С. 44-49. — Бібліогр.: 23 назв. — рос. 2225-5818 DOI: 10.15222/TKEA2018.5-6.44 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/150288 535-34; 535-36 Исследованы смешанные кристаллы ZnSxSe₁₋x разного состава (х = 0,07—0,39), выращенные методом Бриджмена — Стокбаргера. У даній роботі досліджено вплив вмісту сірки на оптичну ширину забороненої зони в змішаних кристалах ZnSxSe₁₋x.Зразки для досліджень були вирощені методом Бріджмена — Стокбаргера в графітових тиглях діаметром 25 мм в атмосфері аргону (PAr = 2∙106 Па) за температури від 1870 до 2000 К залежно від складу вихідної шихти. The effect of sulfur content on the optical width of the band gap in mixed crystals ZnSxSe₁₋x is investigated in this paper.The test samples for this study were grown by Bridgman-Stockbarger in graphite crucibles with the diameter of 25 mm in the Ar atmosphere (PAr = 2∙106 Pa) at a temperature from 1870 to 2000 K, depending on the composition of the initial raw materials. ru Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України Технология и конструирование в электронной аппаратуре Материалы электроники Исследование ширины запрещенной зоны смешанных кристаллов ZnSxSe₁₋x Дослідження ширини забороненої зони в змішаних кристалах ZnSxSe₁₋x Investigation of band gap width in mixed ZnSxSe₁₋x crystals Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Исследование ширины запрещенной зоны смешанных кристаллов ZnSxSe₁₋x |
| spellingShingle |
Исследование ширины запрещенной зоны смешанных кристаллов ZnSxSe₁₋x Трубаева, О.Г. Чайка, М.А. Материалы электроники |
| title_short |
Исследование ширины запрещенной зоны смешанных кристаллов ZnSxSe₁₋x |
| title_full |
Исследование ширины запрещенной зоны смешанных кристаллов ZnSxSe₁₋x |
| title_fullStr |
Исследование ширины запрещенной зоны смешанных кристаллов ZnSxSe₁₋x |
| title_full_unstemmed |
Исследование ширины запрещенной зоны смешанных кристаллов ZnSxSe₁₋x |
| title_sort |
исследование ширины запрещенной зоны смешанных кристаллов znsxse₁₋x |
| author |
Трубаева, О.Г. Чайка, М.А. |
| author_facet |
Трубаева, О.Г. Чайка, М.А. |
| topic |
Материалы электроники |
| topic_facet |
Материалы электроники |
| publishDate |
2018 |
| language |
Russian |
| container_title |
Технология и конструирование в электронной аппаратуре |
| publisher |
Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Дослідження ширини забороненої зони в змішаних кристалах ZnSxSe₁₋x Investigation of band gap width in mixed ZnSxSe₁₋x crystals |
| description |
Исследованы смешанные кристаллы ZnSxSe₁₋x разного состава (х = 0,07—0,39), выращенные методом Бриджмена — Стокбаргера.
У даній роботі досліджено вплив вмісту сірки на оптичну ширину забороненої зони в змішаних кристалах ZnSxSe₁₋x.Зразки для досліджень були вирощені методом Бріджмена — Стокбаргера в графітових тиглях діаметром 25 мм в атмосфері аргону (PAr = 2∙106 Па) за температури від 1870 до 2000 К залежно від складу вихідної шихти.
The effect of sulfur content on the optical width of the band gap in mixed crystals ZnSxSe₁₋x is investigated in this paper.The test samples for this study were grown by Bridgman-Stockbarger in graphite crucibles with the diameter of 25 mm in the Ar atmosphere (PAr = 2∙106 Pa) at a temperature from 1870 to 2000 K, depending on the composition of the initial raw materials.
|
| issn |
2225-5818 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/150288 |
| citation_txt |
Исследование ширины запрещенной зоны смешанных кристаллов ZnSxSe₁₋x / О.Г. Трубаева, М.А. Чайка // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2018. — № 5-6. — С. 44-49. — Бібліогр.: 23 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT trubaevaog issledovanieširinyzapreŝennoizonysmešannyhkristallovznsxse1x AT čaikama issledovanieširinyzapreŝennoizonysmešannyhkristallovznsxse1x AT trubaevaog doslídžennâširinizaboronenoízonivzmíšanihkristalahznsxse1x AT čaikama doslídžennâširinizaboronenoízonivzmíšanihkristalahznsxse1x AT trubaevaog investigationofbandgapwidthinmixedznsxse1xcrystals AT čaikama investigationofbandgapwidthinmixedznsxse1xcrystals |
| first_indexed |
2025-11-26T20:27:29Z |
| last_indexed |
2025-11-26T20:27:29Z |
| _version_ |
1850773463106584576 |
| fulltext |
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2018, ¹ 5–6
44 ISSN 2225-5818
МАТЕРИАЛЫ ЭЛЕКТРОНИКИ
1
ÓÄÊ 535-34; 535-36
О. Г. ТРУБАЕВА1, М. А. ЧАЙКА2
Óêðàèíà, г. Хàðьêов, 1Иíстèтут сцèíтèлляцèоííых мàтеðèàлов НАН Óêðàèíы;
Польшà, г. Вðоцлàв, 2Иíстèтут íèзêотемпеðàтуðíых è стðуêтуðíых èсследовàíèй ПАН
E-mail: trubaeva.olya@gmail.com
ИССЛЕÄОВАНИЕ ШИРИНЫ ЗАПРЕЩЕННОЙ ЗОНЫ
СМЕШАННЫХ ÊРИСТАЛЛОВ ZnSxSe1–x
В последíèе годы мíого вíèмàíèя было
уделеíо èсследовàíèям ðеíтгеíовсêèх è гàммà-
детеêтоðов íà осíове полупðоводíèêовых соедè-
íеíèй АIIВVI [1]. Шèðèíà зàпðещеííой зоíы в
тàêèх полупðоводíèêàх является вàжíым пàðà-
метðом, êотоðый влèяет íà эíеðгетèчесêое ðàзðе-
шеíèе, эíеðгèю èоíèзàцèè, темíовой тоê è дðу-
гèе сцèíтèлляцèоííые хàðàêтеðèстèêè. Пеðвые
ðеíтгеíовсêèе è гàммà-детеêтоðы íà осíове ZnSe
былè ðàзðàботàíы в 1960-х годàх, à в íàстоящее
вðемя большàя чàсть детеêтоðов выполíяется íà
осíове сцèíтèллятоðов ZnSe(Te) è ZnSe(Al) [2].
По сðàвíеíèю с ZnSe полупðоводíèêè
ZnSxSe1–x èмеют более шèðоêую зàпðещеííую
зоíу, что позволяет создàвàть детеêтоðы íà осíо-
ве ZnSxSe1–x с лучшèмè сцèíтèлляцèоííымè хà-
ðàêтеðèстèêàмè. Большое ðàзлèчèе àтомíых íо-
меðов Zn è S по сðàвíеíèю с Zn è Se ðàсшèðя-
ет спеêтðàльíый дèàпàзоí детеêтоðов íà осíо-
ве ZnSxSe1–x в высоêоэíеðгетèчесêую облàсть.
В íàстоящее вðемя существует íесêольêо пу-
блèêàцèй по получеíèю мàтеðèàлов ZnSxSe1–x
[3—8], одíàêо получеíèе êðупíогàбàðèтíых
êðèстàллов ZnSxSe1–x с тðебуемымè свойствàмè
все еще является пðоблемой.
Измеíеíèе содеðжàíèя сеðы в смешàííых
êðèстàллàх ZnSxSe1–x зàвèсèт от условèй èх вы-
ðàщèвàíèя è может пðèвестè ê появлеíèю ðàз-
лèчíых дефеêтов èлè èзмеíеíèю тèпà хèмèче-
сêèх связей, êотоðые, в свою очеðедь, влèяют íà
шèðèíу оптèчесêой зàпðещеííой зоíы [9, 10].
В связè с этèм во мíогèх ðàботàх сообщàется о
шèðèíе зàпðещеííой зоíы ZnSe в пðеделàх от
2,25 эВ [11] è до 3,23 эВ [12]. Пðè этом тðе-
бует èсследовàíèя зàвèсèмость оптèчесêой шè-
Исследованы смешанные кристаллы ZnSxSe1–x разного состава (х = 0,07—0,39), выращенные мето-
дом Бриджмена — Стокбаргера. Прозрачность образцов (толщина 4 мм) составляла 61—67% на
длине волны 1100 нм, что указывает на высокое оптическое качество кристаллов. Установлено,
что ширина запрещенной зоны исследованных кристаллов плавно зависит от состава. Оптическая
ширина запрещенной зоны составляет 2,59—2,78 эВ для прямых переходов и 2,49—2,70 эВ для не-
прямых.
Клþчевые слова: ширина запрещенной зоны, смешанные кристаллы ZnSxSe1–x, прямой переход, не-
прямой переход.
ðèíы зàпðещеííой зоíы от содеðжàíèя сеðы в
объемíых êðèстàллàх ZnSxSe1–x, выðàщеííых
методом íàпðàвлеííой êðèстàллèзàцèè.
В íàстоящей стàтье обсуждàется возможíость
èзмеíеíèя оптèчесêой шèðèíы зàпðещеííой
зоíы путем êоíтðоля содеðжàíèя сеðы в сме-
шàííых êðèстàллàх ZnSxSe1–x.
Экспериментальные образцы и методика
проведения исследований
Обðàзцы смешàííых êðèстàллов ZnSxSe1–x
получàлè èз пðедвàðèтельíо спечеííой шèхты
ðàзлèчíого состàвà (от x = 0,05 до x = 0,3) è
отожжеííой в êвàðцевом тèгле пðè темпеðàтуðе
1170 Ê в течеíèе 5 чàсов в àтмосфеðе водоðодà
для удàлеíèя êèслоðодíых пðèмесей.
Êðèстàллы выðàщèвàлè методом Бðèдж -
меíà — Стоêбàðгеðà в гðàфèтовых тèглях дèà-
метðом 25 мм в àтмосфеðе Ar (PAr = 2∙106 Пà),
сêоðость êðèстàллèзàцèè состàвлялà 7 мм/ч,
темпеðàтуðà íàгðевàтеля íàходèлàсь в дèàпàзо-
íе от 1870 до 2000 Ê в зàвèсèмостè от состàвà
èсходíой шèхты. Выðàщеííые êðèстàллы отжè-
гàлè в пàðàх цèíêà (T = 1223 Ê, PZn=5∙107 Пà,
t = 48 ч), êотоðый èспользовàлся для оêоíчà-
тельíого обðàзовàíèя люмèíесцеíтíых цеíтðов,
à тàêже для подàвлеíèя безызлучàтельíых êà-
íàлов ðелàêсàцèè, возбуждàемых íосèтелямè
зàðядà. После этого пðоводèлось шлèфовàíèе
è полèðовàíèе обðàзцов àлмàзíым поðошêом.
Äля опðеделеíèя содеðжàíèя êàтèоííых
пðèмесей, à тàêже фàêтèчесêого состàвà вы-
ðàщеííых êðèстàллов пðоводèлè хèмèчесêèй
àíàлèз. В ðезультàте было устàíовлеíо, что
получеííые обðàзцы èмеют следующèй со-
DOI: 10.15222/TKEA2018.5-6.44
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2018, ¹ 5–6
45ISSN 2225-5818
МАТЕРИАЛЫ ЭЛЕКТРОНИКИ
2
стàв: ZnS0,07Se0,93; ZnS0,15Se0,85; ZnS0,22Se0,78;
ZnS0,28Se0,72; ZnS0,32Se0,68; ZnS0,39Se0,61.
Спеêтðы пðопусêàíèя êðèстàллов былè èз-
меðеíы íà одíолучевом спеêтðофотометðе
Shimadzu UVmini-1240. Êоэффèцèеíт лèíей-
íых оптèчесêèх потеðь вычèслялся в соответ-
ствèè с зàêоíом Лàмбеðтà — Беðà с учетом от-
ðàжеíèя Фðеíеля íà гðàíèце ðàзделà «обðà-
зец — воздух»:
( )−
=
211
ln ,
R
a
h T
(1)
где a — êоэффèцèеíт поглощеíèя;
h — толщèíà обðàзцà;
R — êоэффèцèеíт отðàжеíèя, êотоðый зàвèсèт
от длèíы волíы, R = [(n2 – n1) / (n2 + n1)]
2;
T — êоэффèцèеíт лèíейíого светопðопусêà-
íèя;
n1, n2 — поêàзàтелè пðеломлеíèя входíой è выход-
íой сðеды соответствеííо [13].
Хèмèчесêèй àíàлèз обðàзцов íà содеðжàíèе
S è Se пðоводèлè методом àтомíо-эмèссèоííой
спеêтðосêопèè с èíдуêтèвíо-связàííой плàз-
мой. Äля оптèчесêèх èсследовàíèй èспользовàлè
оптèчесêèй эмèссèоííый спеêтðометð CAP 6300
Duo (Thermo Scientific, США). Пðедел èзмеðе-
íèя состàвлял 10–1—10–5 мàс. %, точíость опðе-
делеíèя — до 0,5% от èзмеðяемой велèчèíы.
Полученные результаты и их обсуждение
Зíàчеíèя оптèчесêой шèðèíы зàпðещеííой
зоíы обðàзцов былè опðеделеíы по спеêтðàм оптè-
чесêого пðопусêàíèя ультðàфèолетового, вèдè-
мого è блèжíего èíфðàêðàсíого èзлучеíèя, по-
лучеííым пðè êомíàтíой темпеðàтуðе (рис. 1).
Толщèíà обðàзцов состàвлялà 4 мм. Было устà-
íовлеíо, что пðè λ = 1100 íм пðопусêàíèе обðàз-
цов лежàло в дèàпàзоíе от 67% (для x = 0,39)
до 61 % (для x = 0,07), что свèдетельствует о
высоêом оптèчесêом êàчестве êðèстàллов.
Äля оптоэлеêтðоííых устðойств пðедпочтè-
тельíее èспользовàть полупðоводíèêовые соедè-
íеíèя с пðямозоííой эíеðгетèчесêой стðуêтуðой,
спеêтðàльíый дèàпàзоí êотоðых лежèт в облà-
стè фуíдàмеíтàльíого поглощеíèя. ZnSxSe1–x
является тèпèчíымè полупðоводíèêом с пðя-
мозоííой эíеðгетèчесêой стðуêтуðой.
Опðеделеíèе шèðèíы зàпðещеííой зоíы
èз êðàя собствеííого поглощеíèя светà полу-
пðоводíèêом è фотопðоводèмостè осíовàíо íà
возбуждеíèè вàлеíтíого элеêтðоíà è его пеðе-
ходе в зоíу пðоводèмостè зà счет поглощàемой
эíеðгèè фотоíà. Äля ðàсчетà шèðèíы зàпðе-
щеííой зоíы êоэффèцèеíт пðопусêàíèя был
пеðесчèтàí в êоэффèцèеíт оптèчесêèх потеðь
в соответствèè с уðàвíеíèем (1) è èспользо-
вàлся для ðàсчетà пðямых è íепðямых пеðе-
ходов [16, 17].
Пðямые пеðеходы (пðямàя межзоííàя ðе-
êомбèíàцèя) совеðшàются пðàêтèчесêè без èз-
меíеíèя èмпульсà элеêтðоíà è могут сопðово-
ждàться выделеíèем фотоíà. Êоэффèцèеíт по-
глощеíèя пðямого пеðеходà опèсывàется фоð-
мулой
a ≈ (Ept – Eg)
1/2, (2)
где Eg — облàсть между вàлеíтíой зоíой è зоíой
пðоводèмостè;
Ept — эíеðгèя фотоíà [16].
Непðямые пеðеходы в êðèстàллàх пðоèс-
ходят с èзмеíеíèем èмпульсà элеêтðоíà в ðе-
зультàте взàèмодействèя элеêтðоíà с ðешетêой.
Непðямой пеðеход всегдà зàêàíчèвàется выделе-
íèем эíеðгèè в вèде фоíоíов è опèсывàется тàê:
a ≈ (Ept – Eg + Eph)
2, (3)
где Eph — эíеðгèя фоíоíов [17].
Нà рис. 2 пðèведеíы гðàфèêè зàвèсèмостè
êвàдðàтà (а2) è êоðíя êвàдðàтíого (а1/2) êоэф-
фèцèеíтà поглощеíèя от эíеðгèè фотоíà. Еслè
лèíейíую чàсть этèх зàвèсèмостей эêстðàполè-
ðовàть íà лèíèю íулевого êоэффèцèеíтà погло-
щеíèя, то зíàчеíèя эíеðгèè, получеííые èз гðà-
фèêов фуíêцèè а2 = f(E), будут соответствовàть
пðямому пеðеходу êðèстàллà [16], à èз гðàфè-
êов фуíцèè а1/2 = f(E) — íепðямому.
Пðоведеííый àíàлèз поêàзàл, что для êðè-
стàллов ZnSxSe1–x пðè увелèчеíèè содеðжàíèя
сеðы x от 0,07 до 0,39 шèðèíà зàпðещеííой зоíы
пðямых пеðеходов (Eg1) возðàстàет от 2,59 до
2,78 эВ, à íепðямых (Eg2) — от 2,49 до 2,70
(см. таблицу).
Рèс. 1. Спеêтðы оптèчесêого пðопусêàíèя двух èс-
следуемых обðàзцов ZnSxSe1–x ðàзлèчíого состàвà
П
ðо
пу
сê
àí
èе
,
%
400 600 800 1000
Äлèíà волíы, íм
x = 0,39
x = 0,07
70
60
50
40
30
20
10
0
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2018, ¹ 5–6
46 ISSN 2225-5818
МАТЕРИАЛЫ ЭЛЕКТРОНИКИ
3
Ширина запрещенной зоны прямых и непрямых
переходов смешанных кристаллов ZnSxSe1–x
Обðàзец Eg1, эВ Eg2, эВ
ZnS0,07Se0,93 2,59 2,49
ZnS0,15Se0,85 2,63 2,57
ZnS0,22Se0,78 2,68 2,58
ZnS0,28Se0,72 2,70 2,60
ZnS0,32Se0,68 2,73 2,64
ZnS0,39Se0,61 2,78 2,70
Спеêтðы пðопусêàíèя èзмеðялèсь в ðàзíых
чàстях êàждого êðèстàллà по пять ðàз, è по-
гðешíость ðезультàтов èзмеðеíèй пðямых è íе-
пðямых пеðеходов состàвèлà íе более 0,01 эВ.
Гðàфèêè зàвèсèмостè шèðèíы зàпðещеííой
зоíы в êðèстàлле ZnSxSe1–x в зàвèсèмостè от со-
деðжàíèя сеðы пðèведеíы íà рис. 3. Этè зàвè-
сèмостè могут быть опèсàíы уðàвíеíèем
Eg(x) ≈ хЕА + (1–х)ЕВ – bх(1–х), (4)
где b — пеðемеííый пàðàметð [18];
EA, EB — шèðèíà зàпðещеííой зоíы пðямых èлè
íепðямых пеðеходов ZnS è ZnSe.
Аíàлèз поêàзывàет, что зíàчеíèе пàðàметðà
b в дàííом случàе состàвляет 0,1, что соглàсу-
ется с дèàпàзоíом зíàчеíèй дàííого пàðàметðà,
встðечàющèхся в лèтеðàтуðе (b = 0—0,63) [19,
20—23].
С помощью этого уðàвíеíèя былà ðàссчèтà-
íà шèðèíà зàпðещеííой зоíы чèстых соедèíе-
íèй ZnS è ZnSe для пðямых è íепðямых пеðе-
ходов: Eg1(ZnS) = 3,22 эВ; Eg1(ZnSе) = 2,54 эВ;
Eg2(ZnS) = 3,17 эВ; Eg2(ZnSе) = 2,43 эВ.
Получеííые зíàчеíèя шèðèíы оптèчесêой зà-
пðещеííой зоíы (3,22 è 2,54 эВ) блèзêè ê велè-
чèíàм, уêàзàííым для êðèстàллов ZnS è ZnSe
в лèтеðàтуðе (3,54 è 2,58 эВ соответствеííо)
[22, 23]. Зàíèжеííàя велèчèíà шèðèíы зàпðе-
щеííой зоíы для чèстого ZnS вызвàíà, веðоят-
íо, погðешíостью èзмеðеíèя пàðàметðà b, свя-
зàííой с отсутствèем эêспеðèмеíтàльíых дàí-
íых пðè большом содеðжàíèè сеðы в êðèстàлле.
Заключение
В íоðмàльíом èзовàлеíтíом ABxC1–x êðèстàл-
ле увелèчеíèе x пðèводèт ê плàвíому èзмеíе-
íèю зоíы пðоводèмостè è вàлеíтíой зоíы, пðè
этом фоðмèðовàíèя íовых (дефеêтíых) уðов-
íей в зàпðещеííой зоíе íе пðоèсходèт. Высоêое
оптèчесêое êàчество èсследовàííых обðàзцов è
плàвíàя зàвèсèмость èх оптèчесêой шèðèíы зà-
а2
,
см
–
2
2,4 2,5 2,6 2,7 2,8
Е, эВ
0
,3
9
x
=
0
,0
7
150
100
50
0
à)
0
,3
2
0
,2
8
0
,2
2
0
,1
5
Рèс. 2. Зàвèсèмость êвàдðàтà (а) è êоðíя êвàдðàт-
íого (б) êоэффèцèеíтà поглощеíèя от эíеðгèè фо-
тоíов шестè èсследуемых обðàзцов ZnSxSe1–x ðàз-
лèчíого состàвà
а1
/
2 ,
с
м
–
1/
2
2,4 2,5 2,6 2,7 2,8
Е, эВ
3
2
1
0
б)
0
,3
9
x
=
0,
07
0
,3
2
0
,2
8
0
,2
2
0
,1
5
Рèс. 3. Зàвèсèмость шèðèíы зàпðещеííой зоíы от
êоíцеíтðàцèè сеðы для пðямых (1) è íепðямых (2)
пеðеходов смешàííых êðèстàллов ZnSxSe1–x
(точки — эêспеðèмеíтàльíые ðезультàты, получеííые
для шестè èсследуемых обðàзцов; линии — зàвèсèмо-
стè, ðàссчèтàííые по уðàвíеíèю (4))
E
g,
э
В
0,1 0,2 0,3 0,4
х
1
2
2,80
2,75
2,70
2,65
2,60
2,55
2,50
2,45
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2018, ¹ 5–6
47ISSN 2225-5818
МАТЕРИАЛЫ ЭЛЕКТРОНИКИ
4
пðещеííой зоíы от состàвà уêàзывàют íà воз-
можíость выðàщèвàíèя смешàííых êðèстàл-
лов ZnSxSe1–x методàмè íàпðàвлеííой êðèстàл-
лèзàцèè для ðеíтгеíовсêèх è гàммà-детеêтоðов.
Более шèðоêàя зàпðещеííàя зоíà è более
высоêое àтомíое соотíошеíèе полупðоводíèêà
ZnSxSe1–x по сðàвíеíèю с êðèстàллàмè ZnSe(Te,
Al) ðàсшèðяют облàсть его пðèмеíеíèя. Êðоме
того, может быть пðедложеí совеðшеííо èíой
тèп ðеíтгеíовсêèх è гàммà-детеêтоðов íà осíо-
ве ZnSxSe1–x.
ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИÊИ
1. Emam-Ismail M., El-Hagary M., Ramadan E. et al.
Influence of g-irradiation on optical parameters of electron
beam evaporated ZnSe1–xTex nanocrystalline thin films //
Radiation Effects and Defects in Solids.— 2014.— Vol. 169,
iss. 1.— P. 61–72.— https://doi.org/10.1080/10420150.
2013.811505
2. Shcotanus P., Dorenbos P., Ryzhikov V. Detection
of CdS(Te) and ZnSe(Te) scintillation light with silicon
photodiodes // IEEE Transactions on Nuclear Science.—
1992.— Vol. 39, iss. 4.— P. 546–550.— https://doi.
org/10.1109/23.159663
3. Hussein R. H., Pages O., Firszt F. et al. Near-forward
Raman study of a phonon-polariton reinforcement regime
in the Zn(Se,S) alloy // Journal of Applied Physics.—
2014.— Vol. 116, iss. 8.— P. 083511.— https://doi.
org/10.1063/1.4893322
4. Hussein R.H., Pages O., Doyen-Schuler S. et
al. Percolation-type multi-phonon pattern of Zn (Se,
S): Backward/forward Raman scattering and ab initio
calculations // Journal of Alloys and Compounds.— 2015.—
Vol. 644.— P. 704–720.— https://doi.org/10.1016/
j.jallcom.2015.04.078
5. Hussein R. H., Pages O., Polian A. et al. Pressure-
induced phonon freezing in the ZnSeS II–VI mixed crystal:
phonon–polaritons and ab initio calculations // Journal of
Physics: Condensed Matter.— 2016.— Vol. 28, iss. 20.—
P. 205401.— https://stacks.iop.org/0953-8984/28/i=20/
a=205401
6. Song J.H., Sim E.D., Baek K.S. et al. Optical properties
of ZnSxSe1–x (x<0.18) random and ordered alloys grown
by metalorganic atomic layer epitaxy // Journal Crystal
Growth.— 2000.— Vol. 214.— P. 460–464.— https://doi.
org/10.1016/S0022-0248(00)00130-5
7. Prete P., Lovergine N., Petroni S. et al. Functional
validation of novel Se and S alkyl precursors for the low
temperature pyrolitic MOVPE growth of ZnSe, ZnS and
ZnSSe // Materials Chemistry and Physics.— 2000.— Vol.
66, iss. 2.— P. 253–258.— https://doi.org/10.1016/
S0254-0584(00)00317-5
8. Lai L.S., Sou I.K., Law C.W. et al. ZnSSe-based
ultraviolet photodiodes with extremely high detectivity //
Optical Materials.— 2003.— Vol. 23, iss. 1.— P. 21–26.—
https://doi.org/10.1016/S0925-3467(03)00053-3
9. Venkatachalam S., Mangalaraj D., Narayandass S.
et al. The effect of nitrogen ion implantation on the
structural, optical and electrical properties of ZnSe thin
films // Semiconductors Science and Technology.— 2006.—
Vol. 21, iss. 12.— P. 1661.— https://doi.org/10.1088/0268-
1242/21/12/027
10. Chen Y., Li J., Yang X. et al. Band gap modulation
of the IV, III—V, and II—VI semiconductors by controlling
the solid size and dimension and the temperature of operation
// Journal of Physical Chemistry C.— 2011.— Vol. 115,
iss. 47.— P. 23338—23343.— https://doi.org/10.1021/
jp209933v
11. Alghamdi Y. Composition and band gap controlled
AACVD of ZnSe and ZnSxSe1–x thin films using novel single
sourse precursors // Materials Sciences and Applications.—
2017.— Vol. 8, iss. 10.— P. 726–737.— https://
doi.org/10.4236/msa.2017.810052
12. Pejova B., Abay B., Bineva L. et al. Temperature
dependence of the band-gap energy and sub-band-gap
absorption tails in strongly quantized ZnSe nanocrystals
deposited as thin films // Journal of Physical Chemistry
C.— 2010.— Vol. 114, iss. 36.— P. 15280.— https://
doi.org/10.1021/jp102773z
13. Judd D.B. Fresnel reflection of diffusely incident
light // Journal of Research of the National Bureau of
Standards.— 1942.— Vol. 29, iss. 5.— P. 329—332.
14. Bube R.H. Photoconductivity of Solids.— Wiley,
1960.
15. Summit R., Marley J.A., Borrelly N.F. et al. The
ultraviolet absorption edge of stannic oxide (SnO2) //
Journal of Physics and Chemistry of Solids.— 1964.— Vol. 25,
iss. 12.— P. 1465—1469.— https://doi.org/10.1016/0022-
3697(64)90063-0
16. Bernard J.E., Zunger A. Electronic structure of
ZnS, ZnSe, ZnTe and their psedobinary alloys // Physical
Review.— 1987.— Vol. 36, iss. 6.— P. 3199–3228.—
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.36.3199
17. Homman T., Hotje U., Binnewies M. et al. Composition
dependent band gap in ZnSxSe1–x a combined experimental
and theoretical study // Solid State Sciences.— 2006.—
Vol. 8, iss. 1.— P. 44–49.— https://doi.org/10.1016/
j.solidstatesciences.2005.08.015
18. El-Shazly A.A., El-Naby M.M., Kenawy M.A. et al.
Optical properties of ternary ZnSxSel–x polycrystalline thin
films // Journal of Applied Physics. A.— 1985.— Vol. 36,
iss. 1.— P. 51–53.— https://doi.org/10.1007/BF00616461
19. Larach S., Shrader R.E., Stocker C.F. Anomalous
variation of band gap with composition in zinc sulfo-
and seleno-tellurides // Physical Review.— 1957.—
Vol. 108, iss. 3.— P. 587–593.— https://doi.org/10.1103/
PhysRev.108.587
20. Ebina A., Fukunaga E., Takahashi T. Variation with
composition of the E0 and E0+D0 gaps in ZnSxSe1–x alloys
// Physical Review.— 1974.— Vol. 10.— P. 2495–2500.—
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.10.2495
21. Suslina L.G., Fedorov D.L., Konnikov S.G. et al.
Dependence of the forbidden-band width on composition of
ZnSxSe1–x mixed-crystals // Soviet physics: Semiconductors.—
1977.— Vol. 11, iss. 10.— P. 1132.
22. Фèзèêо-хèмèчесêèе свойствà полупðоводíèêовых
веществ. Спðàвочíèê / Под ðед. А.В. Новоселовой, В.Б.
Лàзàðевà.— Мосêвà: Нàуêà, 1979.
23. Herve P., Vandamme L.K. General relation between
refractive index and energy gap in semiconductors //
Infrared Physics and Technology.— 1994.— Vol. 35, iss.4.—
P. 609–615.— https ://doi .org/10.1016/1350-
4495(94)90026-4
Äата поступления рукописи
в редакциþ 12.10 2018 г.
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2018, ¹ 5–6
48 ISSN 2225-5818
МАТЕРИАЛЫ ЭЛЕКТРОНИКИ
5
О. Г. ТРУБАЄВА1, М. А. ЧАЙКА2
Óêðàїíà, м. Хàðêів, 1Іíстèтут сцèíтèлляційíèх мàтеðіàлів НАН Óêðàїíè;
Польщà, м. Вðоцлàв, 2 Іíстèтут íèзьêèх темпеðàтуð тà стðуêтуðíèх досліджеíь ПАН
E-mail: trubaeva.olya@gmail.com
ÄОСЛІÄЖЕННЯ ШИРИНИ ЗАБОРОНЕНОЇ ЗОНИ
В ЗМІШАНИХ ÊРИСТАЛАХ ZnSxSe1–x
Сцинтилятори на основі ZnSxSe1–x є перспективними матеріалами для рентгенівських і гамма-детекторів.
Äля оптоелектронних пристроїв краще використовувати напівпровідникові сполуки з прямозонноþ енер-
гетичноþ структуроþ, спектральний діапазон яких лежить в області фундаментального поглинання.
Ширина забороненої зони в таких напівпровідниках є важливим параметром, який впливає на енергетич-
ну роздільну здатність, енергіþ іонізації, темновий струм і інші сцинтиляційні характеристики.
У даній роботі досліджено вплив вмісту сірки на оптичну ширину забороненої зони в змішаних криста-
лах ZnSxSe1–x.
Зразки для досліджень були вирощені методом Бріджмена — Стокбаргера в графітових тиглях
діаметром 25 мм в атмосфері аргону (PAr = 2∙106 Па) за температури від 1870 до 2000 К залежно від
складу вихідної шихти. Отримано шість зразків з різним вмістом компонентів, а саме: ZnS0,07Se0,93;
ZnS0,15Se0,85; ZnS0,22Se0,78; ZnS0,28Se0,72; ZnS0,32Se0,68; ZnS0,39Se0,61.
Прозорість зразків становила від 61 до 67% на довжині хвилі 1100 нм (товщина зразків 4 мм), що вказує
на високу оптичну якість кристалів.
Встановлено, що для змішаних кристалів ZnSxSe1–x зі зростанням вмісту сірки х від 0,07 до 0,39 оптич-
на ширина забороненої зони зростає від 2,59 до 2,78 еВ для прямих переходів і від 2,49 до 2,70 еВ для
непрямих. Проведено порівняння між теоретичними і експериментально отриманими значеннями шири-
ни забороненої зони.
Показано, що ширина забороненої зони досліджуваних зразків плавно залежить від складу, при цьому фор-
мування нових (дефектних) рівнів в забороненій зоні не відбувається, що вказує на можливість вирощуван-
ня ZnSxSe1–x змішаних кристалів методами спрямованої кристалізації для використання як рентгенівських
і гамма-детекторів. Більш широка заборонена зона і більш високе атомне співвідношення напівпровідника
ZnSxSe1–x в порівнянні з кристалами ZnSe(Te, Al) розширþþть область його застосування.
Клþчові слова: ширина забороненої зони, змішані кристали ZnSxSe1–x, прямі переходи, непрямі переходи.
O. G. TRUBAIEVA1, M. A. CHAIKA,2
Ukraine, Kharkiv, 1Institute for Scintillation
Materials of the NAS of Ukraine;
Polska, Wroclaw, 2Institute of Low Temperature
and Structure Research, Polish Academy of Sciences
E-mail: trubaeva.olya@gmail.com
INVESTIGATION OF BAND GAP WIDTH IN MIXED ZnSxSe1–x CRYSTALS
Scintillators based on ZnSxSe1–x are promising materials for X-ray and γ-ray detection. For optoelectronic
devices, it is better to use semiconductor compounds with a direct-zone energy structure with its spectral range
lying in the fundamental absorption region. The band gap in such semiconductors is an important parameter
that affects the energy resolution, ionization energy, dark current and other scintillation characteristics.
The effect of sulfur content on the optical width of the band gap in mixed crystals ZnSxSe1–x is investigated
in this paper.
The test samples for this study were grown by Bridgman-Stockbarger in graphite crucibles with the diameter
of 25 mm in the Ar atmosphere (PAr = 2∙106 Pa) at a temperature from 1870 to 2000 K, depending on the
composition of the initial raw materials. Six samples with different content of components were obtained:
ZnS0.07Se0.93, ZnS0.15Se0.85, ZnS0.22Se0.78, ZnS0.28Se0.72, ZnS0.32Se0.68, ZnS0.39Se0.61.
The transmittance of the samples in the range from 61 to 67% at 1100 nm (sample thickness 4 mm) indicates
a high optical quality of the crystals.
It was established that the optical width of the band gap for mixed crystals ZnSxSe1–x increases from 2.59 to 2.78 eV
with increasing sulfur content from 0.07 to 0.39 for direct transitions and from 2.49 to 2.70 eV for indirect
transitions. A comparison was made between theoretical and experimentally obtained values of the band gap width.
DOI: 10.15222/TKEA2018.5-6.44
UDC 535-34; 535-36
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2018, ¹ 5–6
49ISSN 2225-5818
МАТЕРИАЛЫ ЭЛЕКТРОНИКИ
6
REFERENCES
1. Emam-Ismail M., El-Hagary M., Ramadan E. et al.
Influence of g-irradiation on optical parameters of electron
beam evaporated ZnSe1–xTex nanocrystalline thin films.
Radiation Effects and Defects in Solids, 2014, vol. 169, iss. 1,
pp. 61–72, https://doi.org/10.1080/10420150.2013.811505
2. Shcotanus P., Dorenbos P., Ryzhikov V. Detection of
CdS(Te) and ZnSe(Te) scintillation light with silicon photo-
diodes. IEEE Transactions on Nuclear Science, 1992, vol. 39,
iss. 4, pp. 546–550, https://doi.org/10.1109/23.159663
3. Hajj Hussein R., Pagès O., Firszt F. et al. Near-forward
Raman study of a phonon-polariton reinforcement regime in
the Zn(Se,S) alloy. Journal of Applied Physics, 2014, vol.
116, iss. 8, pp. 083511, https://doi.org/10.1063/1.4893322
4. Hussein, R.H., Pagès O., Doyen-Schuler S. et al.
Percolation-type multi-phonon pattern of Zn (Se, S):
Backward/forward Raman scattering and ab initio calcula-
tions. Journal of Alloys and Compounds, 2015, vol. 644,
pp. 704–720, https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2015.04.078
5. Hussein R.H., Pagès O., Polian A. et al. Pressure-
induced phonon freezing in the ZnSeS II–VI mixed crystal:
phonon-polaritons and ab initio calculations. Journal of
Physics: Condensed Matter, 2016, vol. 28, iss. 20, pp. 205401,
https://stacks.iop.org/0953-8984/28/i=20/a=205401
6. Song J.H., Sim E.D., Baek K.S. et al. Optical properties
of ZnSxSe1–x (x<0.18) random and ordered alloys grown by
metalorganic atomic layer epitaxy. Journal Crystal Growth,
2000, vol. 214, pp. 460–464, https://doi.org/10.1016/
S0022-0248(00)00130-5
7. Prete P., Lovergine N., Petroni S. et al. Functional
validation of novel Se and S alkyl precursors for the low
temperature pyrolitic MOVPE growth of ZnSe, ZnS and
ZnSSe. Materials Chemistry and Physics, 2000, vol. 66, iss. 2,
pp. 253–258, https://doi.org/10.1016/S0254-0584(00)00317-5
8. Lai L.S., Sou I.K., Law C.W. et al. ZnSSe-based
ultraviolet photodiodes with extremely high detectivity.
Optical Materials, 2003, vol. 23, iss. 1, pp. 21–26, https://
doi.org/10.1016/S0925-3467(03)00053-3
9. Venkatachalam S., Mangalaraj D., Narayandass S.
et al. The effect of nitrogen ion implantation on the struc-
tural, optical and electrical properties of ZnSe thin films.
Semiconductors Science and Technology, 2006, vol. 21, iss. 12,
pp. 1661, https://doi.org/10.1088/0268-1242/21/12/027
10. Chen Y., Li J., Yang X. et al. Band gap modulation
of the IV, III—V, and II—VI semiconductors by controlling
the solid size and dimension and the temperature of operation.
Journal of Physical Chemistry C, 2011, vol. 115, iss. 47,
pp. 23338—23343, https://doi.org/10.1021/jp209933v
11. Alghamdi Y. Composition and band gap controlled
AACVD of ZnSe and ZnSxSe1–x thin films using novel single
sourse precursors. Materials Sciences and Applications, 2017,
vol. 8, iss. 10, pp. 726–737, https://doi.org/10.4236/
msa.2017.810052
12. Pejova B., Abay B., Bineva L. et al. Temperature
dependence of the band-gap energy and sub-band-gap ab-
sorption tails in strongly quantized ZnSe nanocrystals depos-
ited as thin films. Journal of Physical Chemistry C, 2010,
vol. 114, iss. 36, pp. 15280, https://doi.org/10.1021/
jp102773z
13. Judd D.B. Fresnel reflection of diffusely incident light.
Journal of Research of the National Bureau of Standards,
1942, vol. 29, iss. 5, pp. 329—332.
14. Bube R.H. Photoconductivity of Solids, Wiley, 1960.
15. Summit R., Marley J.A., Borrelly N.F. et al. The
ultraviolet absorption edge of stannic oxide (SnO2). Journal
of Physics and Chemistry of Solids, 1964, vol. 25, iss. 12,
pp. 1465—1469, https://doi.org/10.1016/0022-
3697(64)90063-0
16. Bernard J.E., Zunger A. Electronic structure of
ZnS, ZnSe, ZnTe and their psedobinary alloys. Physical
Review, 1987, vol. 36, iss. 6, pp. 3199–3228, https://
doi.org/10.1103/PhysRevB.36.3199
17. Homman T., Hotje U., Binnewies M. et al.
Composition dependent band gap in ZnSxSe1–x a combined
experimental and theoretical study. Solid State Sciences,
2006, vol. 8, iss. 1, pp. 44–49, https://doi.org/10.1016/
j.solidstatesciences.2005.08.015
18. El-Shazly A.A., El-Naby M.M., Kenawy M.A. et al.
Optical properties of ternary ZnSxSe1–x polycrystalline thin
films. Journal of Applied Physics. A, 1985, vol. 36, iss. 1,
pp. 51–53, https://doi.org/10.1007/BF00616461
19. Larach S., Shrader R.E., Stocker C.F. Anomalous
variation of band gap with composition in zinc sulfo-and
seleno-tellurides. Physical Review, 1957, vol. 108, iss. 3,
pp. 587–593, https://doi.org/10.1103/PhysRev.108.587
20. Ebina A., Fukunaga E., Takahashi T. Variation with
composition of the E0 and E0+Δ0 gaps in ZnSxSe1–x alloys.
Physical Review, 1974, vol. 10, pp. 2495–2500, https://
doi.org/10.1103/PhysRevB.10.2495
21. Suslina L.G., Fedorov D.L., Konnikov S.G. et al.
Dependence of the forbidden-band width on composition of
ZnSxSe1–x mixed-crystals. Soviet physics: Semiconductors,
1977, vol. 11, iss. 10, pp. 1132.
22. Novoselova A.V., Lazarev V.B. (Eds.). Physical and
Chemical Properties of Semiconductors. Moskow, Nauka,
1979, 340 p. (Rus)
23. Herve pp., Vandamme L.K. General relation between
refractive index and energy gap in semiconductors. Infrared
Physics and Technology, 1994, vol. 35, iss.4, pp. 609–615,
https://doi.org/10.1016/1350-4495(94)90026-4
Описание статьи для цитирования:
Тðубàевà О. Г., Чàйêà М. А. Исследовàíèе шèðèíы зàпðе-
щеííой зоíы смешàííых êðèстàллов ZnSxSe1–x. Техно-
логия и конструирование в электронной аппаратуре,
2018, № 5-6, с. 44—49. http://dx.doi.org/10.15222/
TKEA2018.5-6.44
Cite the article as:
Trubaieva O. G., Chaika M. A. Investigation of band
gap width in mixed ZnSxSe1–x crystals. Tekhnologiya i
Konstruirovanie v Elektronnoi Apparature, 2018, no. 5-6,
pp. 44—49. http://dx.doi.org/10.15222/TKEA2018.5-
6.44
It is shown that no new (defective) levels appear in the band gap. The smooth dependence of the optical band
gap on the composition indicate a possibility of growing ZnSxSe1–x mixed crystals by directional solidification
techniques for X-ray and γ-ray detectors. The wider band gap and higer atomic mass ratio of ZnSxSe1–x
crystals, as compared to ZnSe(Te) or/and ZnSe(Al) crystals, extend application areas of such semiconductor
material.
Keywords: band gap width, mixed crystals ZnSxSe1–x, direct transitions, indirect transitions.
|