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

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

Przejścia promieniste

Krawędź absorpcji podstawowej

półprzewodniki Plan na dzisiaj Optyka nanostruktur Struktura krystaliczna Dygresja Sebastian Maćkowski

Repeta z wykładu nr 3. Detekcja światła. Struktura krystaliczna. Plan na dzisiaj

Pomiary widm fotoluminescencji

Własności optyczne półprzewodników

Funkcja rozkładu Fermiego-Diraca w różnych temperaturach

Mody sprzężone plazmon-fonon w silnych polach magnetycznych

Teoria pasmowa. Anna Pietnoczka

Własności optyczne półprzewodników

POLITECHNIKA GDAŃSKA WYDZIAŁ FIZYKI TECHNICZNEJ I MATEMATYKI STOSOWANEJ EKSCYTONY. Seminarium z Molekularnego Ciała a Stałego Jędrzejowski Jaromir

Spektroskopia modulacyjna

ĆWICZENIE Nr 4 LABORATORIUM FIZYKI KRYSZTAŁÓW STAŁYCH. Badanie krawędzi absorpcji podstawowej w kryształach półprzewodników POLITECHNIKA ŁÓDZKA

Absorpcja związana z defektami kryształu

Charakteryzacja właściwości elektronowych i optycznych struktur AlGaN GaN Dagmara Pundyk

Repeta z wykładu nr 8. Detekcja światła. Przypomnienie. Efekt fotoelektryczny

Mody sprzęŝone plazmon-fonon w silnych polach magnetycznych

Mody sprzęŝone plazmon-fonon w silnych polach magnetycznych

Rozszczepienie poziomów atomowych

Teoria pasmowa ciał stałych

Przejścia kwantowe w półprzewodnikach (kryształach)

!!!DEL są źródłami światła niespójnego.

Repeta z wykładu nr 4. Detekcja światła. Dygresja. Plan na dzisiaj

Spektroskopia charakterystycznych strat energii elektronów EELS (Electron Energy-Loss Spectroscopy)

Model elektronów swobodnych w metalu

Przewaga klasycznego spektrometru Ramana czyli siatkowego, dyspersyjnego nad przystawką ramanowską FT-Raman

GaSb, GaAs, GaP. Joanna Mieczkowska Semestr VII

Wzajemne relacje pomiędzy promieniowaniem a materią wynikają ze zjawisk związanych z oddziaływaniem promieniowania z materią. Do podstawowych zjawisk

6. Emisja światła, diody LED i lasery polprzewodnikowe

Zespolona funkcja dielektryczna metalu

Repeta z wykładu nr 11. Detekcja światła. Fluorescencja. Eksperyment optyczny. Sebastian Maćkowski

Wzrost pseudomorficzny. Optyka nanostruktur. Mody wzrostu. Ekscyton. Sebastian Maćkowski

Optyczna spektroskopia oscylacyjna. w badaniach powierzchni

Rekapitulacja. Detekcja światła. Rekapitulacja. Rekapitulacja

Wykład VI. Teoria pasmowa ciał stałych

Wykład III. Teoria pasmowa ciał stałych

Lasery półprzewodnikowe. przewodnikowe. Bernard Ziętek

WYZNACZANIE STAŁEJ PLANCKA Z POMIARU CHARAKTERYSTYK PRĄDOWO-NAPIĘCIOWYCH DIOD ELEKTROLUMINESCENCYJNYCH. Irena Jankowska-Sumara, Magdalena Krupska

Wprowadzenie do ekscytonów

Co to jest kropka kwantowa? Kropki kwantowe - część I otrzymywanie. Co to jest ekscyton? Co to jest ekscyton? e πε. E = n. Sebastian Maćkowski

Wykład 5 Fotodetektory, ogniwa słoneczne

LASERY NA CIELE STAŁYM BERNARD ZIĘTEK

Złącze p-n: dioda. Przewodnictwo półprzewodników. Dioda: element nieliniowy

Struktura pasmowa ciał stałych

Wykład 5 Fotodetektory, ogniwa słoneczne

Przerwa energetyczna w germanie

n n 1 2 = exp( ε ε ) 1 / kt = exp( hν / kt) (23) 2 to wzór (22) przejdzie w następującą równość: ρ (ν) = B B A / B 2 1 hν exp( ) 1 kt (24)

Studnia kwantowa. Optyka nanostruktur. Studnia kwantowa. Gęstość stanów. Sebastian Maćkowski

Ryszard J. Barczyński, 2012 Politechnika Gdańska, Wydział FTiMS, Katedra Fizyki Ciała Stałego Materiały dydaktyczne do użytku wewnętrznego

Nanostruktury i nanotechnologie

Przewodnictwo elektryczne ciał stałych. Fizyka II, lato

Ekscyton w morzu dziur

I. DIODA ELEKTROLUMINESCENCYJNA

IV. Transmisja. /~bezet

Półprzewodniki samoistne. Struktura krystaliczna

Repeta z wykładu nr 10. Detekcja światła. Kondensator MOS. Plan na dzisiaj. fotopowielacz, część 2 MCP (detektor wielokanałowy) streak camera

TEORIA PASMOWA CIAŁ STAŁYCH

Optyka. Optyka geometryczna Optyka falowa (fizyczna) Interferencja i dyfrakcja Koherencja światła Optyka nieliniowa

Współczesna fizyka ciała stałego

Pasmowa teoria przewodnictwa. Anna Pietnoczka

Grafen materiał XXI wieku!?

Ciała stałe. Literatura: Halliday, Resnick, Walker, t. 5, rozdz. 42 Orear, t. 2, rozdz. 28 Young, Friedman, rozdz

S. Baran - Podstawy fizyki materii skondensowanej Półprzewodniki. Półprzewodniki

Sprzęganie światłowodu z półprzewodnikowymi źródłami światła (stanowisko nr 5)

Równanie Shockley a. Potencjał wbudowany

Przewodnictwo elektryczne ciał stałych

Repeta z wykładu nr 5. Detekcja światła. Plan na dzisiaj. Złącze p-n. złącze p-n

WPOMAGANIE PROCESU IDENTYFIKACJI RADIACYJNYCH CENTRÓW DEFEKTOWYCH W MONOKRYSZTAŁACH KRZEMU BADANYCH METODĄ HRPITS

Projekt FPP "O" Kosma Jędrzejewski

Fizyka Laserów wykład 10. Czesław Radzewicz

Domieszki w półprzewodnikach

I.4 Promieniowanie rentgenowskie. Efekt Comptona. Otrzymywanie promieniowania X Pochłanianie X przez materię Efekt Comptona

Różne dziwne przewodniki

Modele kp Studnia kwantowa

dr inż. Beata Brożek-Pluska SERS La boratorium La serowej

Podstawy fizyki ciała stałego półprzewodniki domieszkowane

S. Baran - Podstawy fizyki materii skondensowanej Fonony. Fonony

Badanie emiterów promieniowania optycznego

ZASADY ZALICZENIA PRZEDMIOTU MBS

2. Metody, których podstawą są widma atomowe 32

Rezonatory ze zwierciadłem Bragga

IM21 SPEKTROSKOPIA ODBICIOWA ŚWIATŁA BIAŁEGO

Zaburzenia periodyczności sieci krystalicznej

Przewodność elektryczna ciał stałych. Elektryczne własności ciał stałych Izolatory, metale i półprzewodniki

Spektrometry Ramana JASCO serii NRS-5000/7000

Wstęp do astrofizyki I

Spektroskopia molekularna. Spektroskopia w podczerwieni

UMO-2011/01/B/ST7/06234

1. Struktura pasmowa from bonds to bands

Repeta z wykładu nr 6. Detekcja światła. Plan na dzisiaj. Metal-półprzewodnik

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

ZASTOSOWANIE LASERÓW W OCHRONIE ŚRODOWISKA

Wykład IV. Półprzewodniki samoistne i domieszkowe

Cel ćwiczenia: Wyznaczenie szerokości przerwy energetycznej przez pomiar zależności oporności elektrycznej monokryształu germanu od temperatury.

Analiza wpływu domieszkowania na właściwości cieplne wybranych monokryształów wykorzystywanych w optyce

Podstawy Fizyki IV Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 2, Radosław Chrapkiewicz, Filip Ozimek

W1. Właściwości elektryczne ciał stałych

2. Elektrony i dziury w półprzewodnikach

2008/2009. Seweryn Kowalski IVp IF pok.424

Transkrypt:

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, 8.15 10.00 Interdyscyplinarne Centrum Modelowania UW Budynek Wydziału Geologii UW sala 3089 Stanisław Krukowski i Michał Leszczyński Instytut Wysokich Ciśnień PAN 01-142 Warszawa, ul Sokołowska 29/37, tel: 88 80 244 e-mail: stach@unipress.waw.pl, mike@unipress.waw.pl Zbigniew R. Żytkiewicz Instytut Fizyki PAN 02-668 Warszawa, Al. Lotników 32/46, tel: 843 66 01 ext. 3363 E-mail: zytkie@ifpan.edu.pl http://www.ptwk.org.pl

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

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

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

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 α ω k<<n Np..: niech n=2.4 i α=5 10 4 cm -1 to k= 0.2 Gdy absorpcja mała k całkowicie zaniedbywalne

Krawędzie absorpcji charakterystyczna cecha półprzewodników Powyżej tzw. krawędzi absorpcji współczynnik absorpcji sięga wartości 10 4-10 5 cm -1

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

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 0.0-1.5 ev InGaAs 0.4-1.4 ev Silicon 1.14 ev(ind) InP 1.34 ev(d) GaAs 1.42 ev(d) CdTe 1.56 ev(d) AlGaAs 1.42-2.16 ev InGaP 2 1.8 ev GaAsP 1.42-2.26eV(In/D) InGaN 0.7-3.4 ev(d) AlAs 2.16 ev GaP 2.26 ev(ind) AlGaInP 1.91-2.52 ev ZnSe 2.7 ev SiC 6H 3.03 ev SiC 4H 3.28 ev GaN 3.37 ev Diamond 5.46-6.4 ev

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

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 0.1-1 mm. Ogony pasm, przejścia domieszki-pasmo Próbki o grubości 0.1-1 µm, prawdziwa absorpcja miedzypasmowa.

Pomiary absorpcji optycznej dwóch próbek GaN 60 transmisja [%] 40 20 GaN objętościowy (60 µm) GaN na szafirze (ok. 4 µm) 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 λ [nm]

Grubsze próbki nie pozwalają na właściwe zmierzenie przejść międzypasmowch 2000 1800 absorption coefficient (cm -1 ) 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 GaN objętościowy (60 µm) GaN na szafirze (ok. 4 µm) 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 Photon energy (ev)

Kształt krawędzi absorpcji mówi nam coś o materiale 10 8 pierwiastkowa Urbach Elliot absorption coefficient 6 4 2 Model Urbacha 0 0 2 4 6 8 10 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

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

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

Przykład pomiarów absorpcyjnych GAInAsN w zakresie ponad przerwa energetyczną

Odbicie światła Spektrometr CCD

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

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

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

detektor Układ do pomiaru fotoodbicia Technika modulacyjna Spektrometr lampa chopper laser

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

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

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

Fotoluminescencja

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

Fotoluminescencja GaN Stany głębokie ekscytony Pary donor-akceptor

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

Termiczne badanie zaniku fotoluminescencji 550 500 b1996c InGaN 450 Peak Intensity (a.u.) 400 350 300 250 200 150 100 I( T) E act = 32 +/- 2 mev I( T = 0) = E 1+ C exp kt rnr C = r rad act 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 1000/T (K -1 ) Informacje o charakterystycznych energiach np..: lokalizacji, wiązania ekscytonów, donorow itp... Informacja o rekombinacji niepromienistej

Fotoluminescencja czasowo rozdzielona PL Intensity (a.u.) 10 0 10-1 Q3, T=8 K Q9, T=8 K PL Intensity (a.u.) 10 0 10-1 Q3, T=250 K Q9, T=270 K 10-2 0 5 10 15 20 Time (ns) 10-2 0 1 2 Time (ns) Wyznaczanie czasów radiacyjnych i nieradiacyjnych życia nośników z temperaturowej zależności zaniku fotoluminescencji

10 2 (a) 10 2 (b) 10 1 Q3 10 1 Q3 τ R (ns) 10 0 τ 10 0 NR (ns) 10-1 Q9 10-1 Q9 10-2 0 100 200 300 Temperature (K) 10-2 0 100 200 300 Temperature (K) Wyznaczanie czasów radiacyjnych i nieradiacyjnych życia nośników z temperaturowej zależności zaniku fotoluminescencji

Przesunięcie Stokes a miara lokalizacji Chichibu et al..

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

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

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

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

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

Korelacja krawędzi plazmowej i modów sprzężonych

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

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

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