Estudo óptico de cristais e heterostruturas de CdTe

Abstract

Neste trabalho privilegiam-se as técnicas ópticas, nomeadamente a fotoluminescência a transmissão, a reflexão e a difusão de Raman na caracterização de defeitos e impurezas em cristais e heterostruturas de CdTe/GaAs. No primeiro capítulo efectua-se uma revisão sucinta das propriedades dos compostos II-VI e são colocados os problemas a investigar. O segundo capítulo é dedicado a alguns aspectos teóricos relevantes para a análise dos resultados obtidos nos capítulos quatro a nove. O equipamento utilizado e as experiências realizadas são descritas no terceiro capítulo. A caracterização por espectroscopia de luminescência do tipo de transições e dos defeitos envolvidos nas amostras de fábrica é efectuada com detalhe no quarto capítulo. Neste capítulo são analisadas ainda as emissões devidas a desvios estequiométricos causados pelo recozimento com excesso e defeito de Cd. No capítulo cinco são estudadas por fotoluminescência amostras dopadas intencionalmente com oxigénio por difusão e mostra-se que este elemento se comporta como trapa isoelectrónica no CdTe tal como acontece no ZnTe. Neste capítulo são estudadas também amostras dopadas com ferro pelo mesmo método e são apresentadas as dificuldades em colocar este dopante em sítios substitucionais, nomeadamente no sítio do Cd. No sexto capítulo é estudada a região 1.4 eV, evidenciando o seu comportamento em função da temperatura e da potência de excitação, o seu perfil e a interacção electrãorede. No sétimo capítulo mostra-se que a técnica micro-Raman com luz visível coerente não permite extrair conclusões fiáveis acerca das inclusões de Te na superfície do CdTe, uma vez que a radiação ao ser focada nas amostras, induz a formação de aglomerados nos quais o Te é o elemento dominante. Neste capítulo calcula-se também a concentração de portadores livres através da interacção do plasmão com o fonão óptico longitudinal. O oitavo capítulo é dedicado ao estudo de camadas de CdTe/GaAs com diferentes espessuras nomeadamente na análise da distribuição das deslocações e da deformação na superfície em função da espessura. Os resultados obtidos são comparados através da largura a meia altura das curvas de DCXRD (“Double Crystal X Ray Diffraction”) e dos espectros de reflectância. Por fotoluminescência, são caracterizados os defeitos introduzidos durante o crescimento, são utilizados e desenvolvidos modelos complementares na distinção do tipo de transições ópticas obtidas. No nono capítulo, por espectroscopia de absorção e de reflexão em cristais de CdTe e em camadas de CdTe/GaAs na região reststrahlen são determinadas as frequências dos modos ópticos longitudinal e transversal com bastante precisão. Os resultados obtidos — pelas relações de dispersão de Kramers- Kronig — são simulados pelo modelo do oscilador harmónico classico, mostrando que ambos os métodos descrevem de forma semelhante o comportamento do CdTe nessa região sendo possível determinar as frequências ópticas transversal e longitudinal, as constantes dieléctrica óptica e estática e os coeficientes de amortecimento e de Szigeti. Nas heterostruturas e nas camadas mais espessas determina-se também a concentração de portadores de carga n. No décimo capítulo resumem-se as conclusões do trabalho e são abordados aspectos relacionados com desenvolvimentos possíveis de futuros trabalhos.

In this work we selected the optical techniques namely reflection photoluminescence, transmission and Raman scattering in the defects and impurities for the characterization of CdTe crystals and CdTe/GaAs heterostructures. The first chapter presents a brief review of the physical properties of CdTe and other II-VI compounds. They are proposed some problems to investigate in CdTe. The second chapter is concerned to the theoretical aspects relevant to the analysis of the experimental data taken in the forth to ninth chapters. The equipment used and experimental techniques are described is in chapter three. The optical transitions and the defect characterization by photoluminescence of as grown samples are studied in chapter four as well as annealing behavior of mid-gap optical defects under different conditions. The emissions of CdTe samples under annealing in different conditions are also studied. It is shown that these bands are strongly related with the chemical stoichiometry. The fifth chapter devotes its attention to samples intentionally doped with oxygen and iron by diffusion. It is shown that the luminescence at 1.55 eV in CdTe annealed in an oxygen-reach atmosphere can be assigned to oxygen. It is shown that the behavior of this trap is very similar to its analogue in ZnTe. It is shown also that the model for iron diffusion in CdTe, where iron occupies pure substitutional sites, is oversimplified and more work in this area is clearly needed to take full advantage of the properties of this dopant in CdTe. The optical bands at 1.4 eV are studied as function of excitation power and temperature in the sixth chapter. In the seventh chapter it is reported the behavior of the CdTe surface studied by micro-Raman. It is shown that the visible radiation leads to the aggregation of Te on the irradiated surface. It is shown also that the power density and local temperature on the irradiated surface are directly connected with the intensity of Te modes and the increase of excitation power and exposure time accelerates the process. The chapter eight is dedicated to the study of CdTe layers of the thickness range from 0.7 to 25 ?m grown on GaAs substrates by MOCVD. The crystal quality, the growth dopants, the layer relaxation are studied by photoluminescence and reflection as a function of growth parameters namely sample thickness and the results compared with data obtained by double crystal x-ray diffraction (DCXRD). Optical properties of CdTe and CdTe/GaAs in the far IR are studied by transmission and reflection in the ninth chapter. The results obtained — by the Kramers-Kronig relations — are fitted with damped harmonic oscillator model. The longitudinal and transversal frequencies modes, the static dielectric constant, optical dielectric constant and the Szigeti coefficient are determined. In the last chapter, we summarize the conclusions and present some suggestions for future work in the field.