Лабы КОЭ / ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ

Рисунок 2.3 – Упрощённая энергетическая диаграмма для электронных со-

стояний в кристаллах арсенида галлия

В GaP (ширина запрещённой зоны 2,22 эВ при 300К) их разделение 0,56

эВ, но минимальное расстояние между ними в направлении (100). GaAs1-xPx из прямозонного полупроводника переходит в непрямозонный при такой моль-

ной доле x, когда два этих минимума имеют одинаковую энергию. Видно, что в системе GaAs - GaP при х < 0,46 Г-минимум зоны проводимости расположен ниже Х- и L-минимумов и эти твёрдые растворы обладают прямой структурой зон. Однако при концентрациях x > 0,46 они становятся непрямозонными, по-

скольку Х-минимум является минимальным энергетическим зазором. Помимо

GaAs1-xPx это происходит и в системе Ga1-x AlxAs при x = 0,36. До этого значе-

ния материал является прямозонным, а при x > 0,36 непрямозонным. Что же касается твёрдых растворов GaAlxP1-x и InAs1-xPx, то видно, что в их энергети-

ческих диаграммах излома нет – характер зон не меняется. Однако, первый материал на всём промежутке непрямозонный, а второй – прямозонный.

Поскольку люминесценция в непрямозонных полупроводниках низко-

эффективна, то вполне логична необходимость рассматривать изменение каж-

дого энергетического зазора вместе с изменением состава. На рисунке 2.4 по-

казаны зависимости прямого зазора для твёрдых растворов на основе полупро-

водников AIIIBV, кристаллизующихся в системе сфалерит.

11

Рисунок 2.4 – Изменение прямого зазора для некоторых твёрдых растворов полупроводников группы AIIIBV

Очевидно, что существуют сильные отклонения от линейных зависимо-

стей, особенно для твёрдых растворов на основе нитридов. Таким образом,

чтобы сделать вывод о том, прямозонный полупроводник или непрямозонный,

вначале необходимо рассмотреть все три ширины энергетических зазоров, и

обязательно учитывать коэффициенты нелинейности c, приведенные в таб-

лице 2.1.

Длина волны эмиссионного пика структуры GaAs1-xPx в прямом смеще-

нии в зависимости от состава меняется в пределах 840 нм (x=1) до 560 нм (x=0)

при температуре 77 К. Лазерное излучение может быть получено при высоких плотностях тока для сплавов с низким содержанием GaP.

В твёрдых растворах GaAs1-xPx наибольший интерес представляет влия-

ние структуры зоны проводимости на лазерное излучение, например, при ка-

ком содержании x в материале лазерное излучение может быть получено. Ла-

зерное излучение прекращается при переходе из прямозонной в непрямозон-

ную структуру. Стимулированное излучение лазерных диодов с применением

12

этого же материала так же представляет интерес в виду сдвига лазерного из-

лучения в видимую область, тогда как излучение с использованием GaAs, InP, InAs и InSb и некоторых их соединений, инфракрасное. Известно, что цвет из-

лучения при использовании соединения GaAs1-xPx, бывает красным, оранже-

вым и жёлтым (значения длин волн лежат соответственно в диапазоне от 610

до 590 нм).

2.2 Описание установки

Схема установки представлена на рисунке 2.5. Для возбуждения фото-

люминесценции, необходимо облучить поверхность образца лазерным излу-

чением. В работе используется полупроводниковый лазер c длиной волны из-

лучения 515 нм. Излучение лазера попадает на образец. Образцы GaAs1-xPx с

различной долей GaP закреплены на подвижном столике таким образом,

чтобы излучение фотолюминесценции, возбуждаемое лазером, попадало во входную щель оптического волокна. Излучение по оптоволокну направляется в USB спектрометр быстрого сканирования (СБС). Внутри СБС свет раскла-

дывается при помощи оптической решетки в спектр, который попадает на фо-

точувствительную линейку. Таким образом, получается информация о мощно-

сти сигнала для определённой длины волны (диапазона длин волн). В резуль-

тате на персональном компьютере (ПК) отображается график фотолюминес-

ценции образца.

Рисунок 2.5 – Схематичное представление установки измерения фотолюми-

несценции

13

2.3 Порядок выполнения работы

При выполнении лабораторной работы необходимо сделать «протокол

исследований» по образцу:

Выполнение лабораторной работы необходимо осуществлять по следу-

ющему алгоритму.

1. Включить компьютер. Запустить программу Spectral Analysis. Убе-

диться, что спектрометр обнаружился (появилась информация о нем в левой панели 1, рис. 2.6), иначе вручную провести «рескан» приборов, для чего вы-

брать «Rescan Devices» в меню 2 «Device». Если спектрометр все равно не об-

наружился, следует переключить USB-кабель в другой разъем и провести

«рескан» заново.

2.Включить питание лазера. Проверить, попадает излучение лазера и направление вывода оптического волокна в одно и тоже место на образце.

3.Настроить диапазон измерения в программе Spectral Analysis. Для этого, установить усреднение просмотров 3 ед. (10) и изменить время интегра-

ции (11) таким образом, чтобы интенсивность спектра фотолюминесценции

(не излучения лазера) на экране была максимальной, но при этом не было пе-

реполнения (полочки в верхней части спектра, спектр должен быть «острым»).

Значение времени интеграции должно составить примерно 2 с. Время интегра-

ции для каждого образца может быть разным.

4. Убрать фоновый шум. Шум («белый шум») обычно выглядит как от-

носительно ровный спектр (с учетом помех) во всем измеряемом диапазоне длин волн. Для этого выключить питание лазера, измерить один спектр и оста-

новить измерения (7), затем записать шумовой спектр (9), удалить шум (8) и

включить непрерывные измерение снова (6).

14

5. Сохранить измеренный спектр. Для этого нажать (12) перейти в папку

D:\Students, создать папку группы (если ее еще нет) и бригады (например,

D:\Students\9202\9202-1\). Для удобства обработки данных в названии файлов следует указать номер измеряемого образца. Сохранить файл кнопкой «Сохра-

нить». После сохранения открыть записанный файл и убедиться, что он сохра-

нён в формате «txt».

Рисунок 2.6 – Интерфейс программы Spectral Analysis

15

6.Путем вращения столика установить первый образец. Нумерация образцов произвольная. Более точную настройку установки осуществлять вращением красной ручки на столике. Измерить спектр фотолюминесценции образца №1 и сохранить файл под именем «GaAsP_1».

7.Аналогичным образом измерить и сохранить спектральные характеристики всех образцов.

8.Выключить лабораторный стенд.

2.4 Обработка результатов и содержание отчета

Отчет должен содержать следующие результаты.

1.Цель работы.

2.Блок-схема измерительной установки.

3.Спектры фотолюминесценции каждого образца. Спектры должны быть построены на одном графике. Для каждой из осей на графиках должны быть обязательно выбраны оптимальные диапазоны длин волн и интенсивностей соответственно. На всех графиках должны быть обозначены величины, откладываемые по осям, и приведены единицы их измерения. Интенсивность излучения в условных единицах. Спектры фотолюминесценции в относительных единицах на одном графике.

4.Зависимость длин волн, соответствующих максимуму излучения каждого образца, в виде таблицы. Расчет ширины энергетического зазора для каждого образца из полученных зависимостей.

5.Расчет доли GaP в твердом растворе GaAs1-xPx, ширина спектра фотолюминесценции на полувысоте, относительной ширины, добротности и максимальной интенсивности излучения для каждого образца. Относительная ширина спектра: ∆ω/ω0. Такая величина обратно пропорциональна добротности.

7.Привести зависимость ширины энергетического зазора для каждого образца от доли GaP в твердом растворе GaAs1-xPx Eg = f(х) в виде таблицы.

8.Выводы с подробным описанием каждой полученной характеристики.

16

2.5Контрольные вопросы

1.Что такое люминесценция и какие методы применяются для ее возбуждения?

2.Почему люминесценцию в полупроводниках часто называют рекомбинационной?

3.Понятие флуоресценции, фосфоресценции и фотолюминесцен-

ции.

4.Понятие твердого раствора. Растворы замещения, внедрения и вы-

читания.

5.Прямозонные и непрямозонные полупроводники. Определение ширины запрещённой зоны и типа энергетической структуры в твёрдом растворе.

6.Особенность зонной структуры соединения GaAs1-xPx.

7.В чем преимущество использования четырехкомпонентного твердого раствора перед трехкомпонентным твердым раствором?

17