Fizyka, technologia oraz modelowanie wzrostu kryształów. Metody optyczne w badaniach półprzewodników Przykładami różnymi zilustrowane

Transkrypt

1 Fizyka, technologia oraz modelowanie wzrostu kryształów Metody optyczne w badaniach półprzewodników Przykładami różnymi zilustrowane Piotr Perlin Instytut Wysokich Ciśnień PAN piotr@unipress.waw.pl Wykład: Czwartek, 24 kwietnia 2008r, Interdyscyplinarne Centrum Modelowania UW Budynek Wydziału Geologii UW sala 3089 Stanisław Krukowski i Michał Leszczyński Instytut Wysokich Ciśnień PAN Warszawa, ul Sokołowska 29/37, tel: stach@unipress.waw.pl, mike@unipress.waw.pl Zbigniew R. Żytkiewicz Instytut Fizyki PAN Warszawa, Al. Lotników 32/46, tel: ext zytkie@ifpan.edu.pl

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

3 Jak i czym scharakteryzować wafer półprzewodnikowy: 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

4 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(-α*d) I 0 (1-R)*T*exp(-α*d) I 0

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

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

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

8 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

9 Przerwa prosta cd... Efektywność przejścia jest proporcjonalna do: R abs =P cv2 ρ(e) Pasmo przewodnictwa Światło Pasmo walencyjne

10 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 µm, prawdziwa absorpcja miedzypasmowa.

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

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

13 Kształt krawędzi absorpcji mówi nam coś o materiale 10 8 pierwiastkowa Urbach Elliot absorption coefficient Model Urbacha Photon energy α( E) = K σ 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 Przykład pomiarów absorpcyjnych GAInAsN w zakresie ponad przerwa energetyczną

17 Odbicie światła Spektrometr CCD

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

19 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

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

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

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

23 W. Shan, W. Walukiewicz, pomiary efektu band anticrossing w GaInAsN przy pomocy metod fototransmisji i fotoodbicia

24 Fotoodbicieświatła 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

25 Fotoluminescencja

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

27 Fotoluminescencja GaN Stany głębokie ekscytony Pary donor-akceptor

28 Fotoluminescencja jako miara naprężenia i temperatury Naprężenie E = 0 E + C + + ε ε D ε ( ) zz g, g xx yy Temperatura γ T 2 E g = E h0 T + β

29 Termiczne badanie zaniku fotoluminescencji b1996c InGaN 450 Peak Intensity (a.u.) I( T) E act = 32 +/- 2 mev 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

30 Fotoluminescencja czasowo rozdzielona PL Intensity (a.u.) Q3, T=8 K Q9, T=8 K PL Intensity (a.u.) Q3, T=250 K Q9, T=270 K Time (ns) Time (ns) Wyznaczanie czasów radiacyjnych i nieradiacyjnych życia nośników z temperaturowej zależności zaniku fotoluminescencji

31 10 2 (a) 10 2 (b) 10 1 Q Q3 τ R (ns) 10 0 τ 10 0 NR (ns) 10-1 Q Q Temperature (K) Temperature (K) Wyznaczanie czasów radiacyjnych i nieradiacyjnych życia nośników z temperaturowej zależności zaniku fotoluminescencji

32 Przesunięcie Stokes a miara lokalizacji Chichibu et al..

33 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

34 Raman w porównaniu z fotoluminescencją Poziom wirtualny Poziom wirtualny Absorpcja wzbudzenia fononu Emisja wzbudzenia fononu Foton rozproszony pobudzenie Foton rozproszony Termalizacja Rekombinacja promienista PL pobudzenie pobudzenie Raman anti-stokes Raman Stokes

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

36 Rozpraszanie Ramanowskie w ciele stałym Metoda badania drgań sieci. Fonony optyczne ropraszanie Ramana Fonony akustyczne rozpraszanie Brillouina

37 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

38 Korelacja krawędzi plazmowej i modów sprzężonych

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

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

41 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