Metody optyczne w badaniach półprzewodników Przykładami różnymi zilustrowane. Piotr Perlin Instytut Wysokich Ciśnień PAN

Transkrypt

1 Metody optyczne w badaniach półprzewodników Przykładami różnymi zilustrowane Piotr Perlin Instytut Wysokich Ciśnień PAN

2 Jak i czym scharakteryzować kryształ półprzewodnika Struktura dyfrakcja rentgenowska Skład - SIMS, EDX, RBS Przewodnictwo elektryczne: np. efekt Hall a Metody optyczne Struktura pasmowa: Absorpcja optyczna, fotoluminescencja i pobudzanie fotoluminescencji, odbicie i fotoodbicie, elipsometria, spektroskopia fotoemisyjna Domieszki: Fotoluminescencja Sieć Rozpraszanie Ramana

3 Absorpcja optyczna międzypasmowa Spektrometr Polerowana, płasko równoległa próbka CCD Źródło światła Halogen, lampa ksenonowa, lampa deuterowa Optyka (soczewki kwarcowe, zwierciadła) I 0 R I 0 (1-R)exp(-*d) I 0 (1-R)*T*exp(-*d) I 0

4 Odbicie i transmisja światła na granicy dwóch ośrodków. R 2 2 n 1 k 2 2 n 1 k Zespolony współczynnik załamania n n ik k c 2 k<<n Np..: niech n=2.4 i = cm -1 to k= 0.2 Gdy absorpcja mała k całkowicie zaniedbywalne

5 Krawędzie absorpcji charakterystyczna cecha półprzewodników Powyżej tzw. krawędzi absorpcji współczynnik absorpcji sięga wartości cm -1

6 Przerwa energetyczna podstawowa informacja o strukturze pasmowej Energia Brak stanów elektronowych przerwa energetyczna Liczba falowa

7 Przerwa prosta minimum pasma przewodnictwa i maksimum pasma przewodnictwa występują dla tej samej wartości wektora falowego. Materiały takie jak: GaAs, GaN, InP, ZnSe, ZnS... Band gaps Common materials at room temperature InSb 0.17 ev Ge 0.67 ev InN 0.7 ev HgCdTe ev InGaAs ev Silicon 1.14 ev(ind) InP 1.34 ev(d) GaAs 1.42 ev(d) CdTe 1.56 ev(d) AlGaAs ev InGaP ev GaAsP eV(In/D) InGaN ev(d) AlAs 2.16 ev GaP 2.26 ev(ind) AlGaInP ev ZnSe 2.7 ev SiC 6H 3.03 ev SiC 4H 3.28 ev GaN 3.37 ev Diamond ev

8 Przerwa prosta cd... Efektywność przejścia jest proporcjonalna do: R abs =P cv2 (E) P. Yu, M. Cardona Pasmo przewodnictwa Światło Pasmo walencyjne

9 Przykład z praktyki eksperymentalnej Wyniki pomiarów zalezą bardzo od grubości próbki: Próbki o grubości rzędu 1 cm: przejścia wewnątrzdomieszkowe np..: Al 2 O 3 :Cr charakterystyczny czerwony kolor rubinu Próbki o grubości mm. Ogony pasm, przejścia domieszki-pasmo Próbki o grubości m, prawdziwa absorpcja miedzypasmowa.

10 Kryształy Rubin Al 2 O 3 :Cr Selenek cynku

11 transmisja [%] Pomiary absorpcji optycznej dwóch próbek GaN GaN objętościowy (60 m) GaN na szafirze (ok. 4 m) [nm]

12 absorption coefficient (cm -1 ) Grubsze próbki nie pozwalają na właściwe zmierzenie przejść międzypasmowch GaN objętościowy (60 m) GaN na szafirze (ok. 4 m) Photon energy (ev)

13 absorption coefficient Kształt krawędzi absorpcji mówi nam coś o materiale 10 8 pierwiastkowa Urbach Elliot Model Urbacha ( E) K Photon energy 0e kt ( E E g ) P. Yu, M. Cardona Krawędź Urbacha przejścia związane z ogonami gęstości stanów Krawędź Elliotta wkład ekscytonów

14 Krawędź absorpcji w półprzewodnikach o przerwie skośnej Udział fotonów P. Yu, M. Cardona

15 Absorpcja światła wady i zalety Zalety: 1. Prosty układ pomiarowy 2. Dość prosta interpretacja (jakościowa) Wady: 1. Grubość próbki musi być dopasowana do charakteru absorpcji 2. Trudności z ilościową interpretacja widm

16 Odbicie światła Spektrometr CCD

17 Krawędź plazmowa widziana w odbiciu światła Podłużne drgania plazmy swobodnych elektronów 2 p Ne m * Wyznaczenie masy efektywnej nośników 2 0

18 Odbicie światła wady i zalety Zalety: 1. Prostoty układ pomiarowy 2. Próbki dowolnej grubość Wady: 1. Struktury pojawiają się na tle wolno-zmiennego współczynnika odbicia 2. Potrzeba niskich temperatur Współczynnik załamania łączy się ze współczynnikiem absorpcji poprzez nielokalne relacje Kramersa- Kroniga

19 Techniki modulacyjne udoskonalone metody odbiciowe Fotoodbicie modulacja stałej dielektrycznej poprzez pole wytworzone przez fotogenerowane nośniki. Elektroodbicie modulacja stałej dielektrycznej poprzez przyłożenie zewnętrznego pola elektrycznego

20 detektor Układ do pomiaru fotoodbicia Technika modulacyjna Spektrometr lampa chopper laser

21 Pomiary fotoodbicia w temperaturze pokojowej w GaN rejonie przerwy energetycznej Wąskie, dobrze zdefiniowane linie odpowiadające charakterystycznym punktom strefy Brillouina.

22 Fotoodbicie światła wady i zalety Zalety: 1. Ostre struktury nawet w temperaturze pokojowej 2. Widoczne stany wzbudzone, wyższe pasma etc. Wady: 1. Skomplikowany i wymagający układ pomiarowy 2. Interpretacja kształtu linii nie do końca ilościowa

23 Eipsometria - wyznaczanie stałej dielektrycznej materiałów

24 Wzory Fresnela

25

26

27 Współczynnik załamania GaN

28 Fotoluminescencja

29 Fotoluminescencja Struktura pasmowa i domieszki Stany głębokie Stany płytkie domieszki E g

30 Fotoluminescencja GaN Stany głębokie ekscytony Pary donor-akceptor

31 Fotoluminescencja jako miara naprężenia i temperatury Naprężenie E g E C( ) g, o xx yy D zz Temperatura T 2 E g E h0 T

32 Peak Intensity (a.u.) Termiczne badanie zaniku fotoluminescencji b1996c InGaN E act = 32 +/- 2 mev I( T) I( T 0) E 1 C exp kt rnr C r rad act /T (K -1 ) Informacje o charakterystycznych energiach np..: lokalizacji, wiązania ekscytonów, donorow itp... Informacja o rekombinacji niepromienistej

33 Emission/Absorption emission absorption edge Przesunięcie Stokes a miara lokalizacji E E c E V 10 Stokes Shift Energy(arb. units)

34 Fotoluminescencja wady i zalety Zalety: 1. Dość prosta pomiarowa i niezwykle uniwersalna 2. Informacje o strukturze pasmowej, domieszkach mechanizmach rekombinacji promienistej i niepromienistej Wady: 1. Intensywność może zależeć od stanu powierzchni 2. Trudna w ilościowym modelowaniu, skomplikowany rozkład fotonośników

35 Rozpraszanie Ramanowskie w ciele stałym- fonony i nie tylko Metoda badania drgań sieci. Fonony optyczne rozpraszanie Ramana Fonony akustyczne rozpraszanie Brillouina

36 Układ pomiarowy podobny do PL ale: Spektrometr potrójny lub pojedynczy z filtrem Notcha Przeważnie temperatura pokojowa Popularne zestawy mikro-ramana z mikroskopem

37 pobudzenie pobudzenie Raman w porównaniu z fotoluminescencją Fotoluminescencja Rozpraszanie Ramana Poziom wirtualny Emisja wzbudzenia fononu Foton rozproszony Rekombinacja promienista

38 Typowe widma Ramanowskie w GaN Położenie modu E 2, używane do określenia naprężenia mechanicznego w próbce, duża rozdzielczość przestrzenna dzięki technice mikro- Ramana Mody plazmonowo-fononowe możliwość wyznaczenia koncentracji elektronów

39 Widma fononowe czułe na naprężenie dwuosiowe warstw GaN na różnych podłożach

40 Korelacja między przesunięciem linii fononowej a zmianą stałej sieci w warstwie GaN

41 Korelacja krawędzi plazmowej i modów sprzężonych

42 Pomiary Ramanowskie wykrywają domieszki i ich konfigurację. Wykrywanie lokalnych drgań kompleksu Mg-H w azotku galu

43 Rozpraszanie Ramana wady i zalety Zalety: 1. Informacje o drganiach sieci 2. Dostępne metody wysokorozdzielcze przestrzennie Wady: 1. Skomplikowany i wymagający układ pomiarowy

44 Podsumowanie końcowe Popularne metody optyczne dostarczają takich informacji jak: Wartość przerwy energetycznej Energie ekscytonów Jakość próbki, lokalizacja, czasy życia nośników Stała dielektryczna, współczynnik załamania Energie fononów. Naprężenia w cienkich warstwach Koncentracja elektronów