МИНОБРНАУКИ РОССИИ Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) Кафедра фотоники |
||||||
отчет по лабораторной работе № 2 по дисциплине «Квантовая и оптическая электроника» Тема: Фотолюминесценция полупроводниковых твёрдых растворов
|
||||||
|
||||||
Санкт-Петербург 2024 |
ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ ПОЛУПРОВОДИКОВЫХ
ТВЁРДЫХ РАСТВОРОВ
ЦЕЛЬ: исследование фотолюминесценции и определение компонентного состава материалов на основе полупроводниковых твердых растворов.
ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Люминесценция – это излучение, избыточное над тепловым при данной температуре и обладающее длительностью, значительно превышающей период световых колебаний. Люминесценция возникает вследствие квантовых переходов из верхнего возбужденного энергетического состояния в нижнее с испусканием электромагнитного излучения, т. е. определяется процессами, обратными поглощению света. Для наблюдения люминесценции вещество принципиально необходимо вывести из состояния термодинамического равновесия, т. е. возбудить.
Для большинства твердых тел люминесцентные свойства выражены очень слабо. Легирование вещества специальными примесями с целью повышения эффективности люминесценции называется активацией, а сами примеси активаторами люминесценции. Активированные диэлектрики, обладающие высокой эффективностью люминесценции в видимой области спектра, называются кристаллофосфорами или люминофорами. Элементарными процессами, обусловливающими люминесценцию в таких веществах, обычно являются внутрицентровые оптические переходы, т. е. электронные переходы между энергетическими уровнями, принадлежащими иону (или атому) активатора. Такую люминесценцию иногда называют мономолекулярной. Люминофоры активно используются в лампах и светодиодах с переизлучением, в первую очередь в белых светодиодах.
Существует несколько видов люминесценции в зависимости от способа возбуждения (фотолюминесценция, катодолюминесценция и др.) В большинстве полупроводниковых излучателей используется электролюминесценция – люминесценция, возбуждаемая внешним электрическим полем. Наиболее эффективным методом электрического возбуждения является инжекция неосновных носителей заряда через р–n-переход при приложении к нему прямого напряжения U. Такая люминесценция называется инжекционной.
По способу возбуждения атома или молекулы выделяют следующие виды люминесценции:
Фотолюминесценция – возбуждение происходит в результате поглощения электромагнитной энергии (обычно видимого или ультрафиолетового диапазонов).
Катодолюминесценция – возбуждение производится электронным ударом по атому или молекуле вещества (наблюдается в кинескопах, электронно-лучевых трубках и т.п..).
Электролюминесценция – возбуждение атомов и молекул производится электрическим полем.
Рентгенолюминесценция – возбуждение производится рентгеновскими лучами.
Хемилюминесценция – возбуждение происходит в результате химической реакции, по схеме: А + В → АВ* → АВ + hν (квант люминесценции).
Биолюминесценция – возбуждение молекул происходит в результате биохимических реакций, происходящих в живом организме.
Возможные энергетические состояния молекулы можно представить в виде схемы энергетических уровней. На рисунке 1 изображена такая схема. Каждый электронный уровень расщепляется на серию колебательных, а каждый колебательный – на серию тесно расположенных вращательных уровней (на рисунке 1 изображены вращательные уровни лишь у низшего колебательного уровня основного электронного состояния).
Рисунок 1 – Переходы, при которых возникают спектры поглощения и спектры испускания флуоресценции
СХЕМА УСТАНОВКИ
Схема установки представлена на рисунке 2. Для возбуждения фотолюминесценции, необходимо облучить поверхность образца лазерным излучением. В работе используется полупроводниковый лазер c длиной волны излучения 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 раскладывается при помощи оптической решетки в спектр, который попадает на фоточувствительную линейку. Таким образом, получается информация о мощности сигнала для определённой длины волны (диапазона длин волн). В результате на персональном компьютере (ПК) отображается график фотолюминесценции образца.
Рисунок 2 – Схематичное представление установки измерения фотолюминесценции
ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ
На рисунке 3 представлены спектры фотолюминесценции для каждого из исследуемых образцов полупроводниковых материалов.
Рисунок 3 – Спектры фотолюминесценции полупроводниковых кристаллов
На графике интенсивность излучения представлена в единицах относительно максимальной интенсивности фотолюминесценции среди всех образцов, то есть по отношению к спектру 2 образца. Тем самым можно заметить, что минимальная интенсивность у 3 образца, а у 1 и 4 фотолюминесценция проявляется на более высоких энергиях.
В таблице 1 представлена экспериментальная зависимость длин волн максимума излучения для каждого образца, а также ширина энергетического зазора для каждого образца.
Таблица 1 – Длины волн максимумов излучения и значения ширины энергетического зазора
Номер образца |
|
|
1 |
771.528 |
1.607 |
2 |
662.439 |
1.872 |
3 |
752.231 |
1.648 |
4 |
659.607 |
1.880 |
5 |
729.312 |
1.700 |
Для определения ширины энергетического зазора в эВ используется формула (1)
|
(1) |
Пример расчета для образца №1:
Расчет доли GaP в твердом растворе GaAs1-xPx проводится с помощью соотношения (2)
|
(2) |
где c – параметр нелинейности,
Eg(0) = 1.42 эВ, так как для GaAs - Eg = 1.42 эВ
Eg(1) = 2.27 эВ, , так как для GaP - Eg = 2.27 эВ
Параметры нелинейности для различных точек зоны Бриллюэна, для соединения GaAsP представлены в таблице 2.
Таблица 2 – Значения параметра нелинейности в различных точках зоны Бриллюэна
Твердый раствор |
|
|
|
GaAsP |
0.19 |
0.24 |
0.16 |
Пример расчета доли GaP для образца №1 в точке Г
Остальные расчеты проводятся аналогично с выбором с в соответствии с таблицей 2 для каждой точки. Результат расчета представлен в таблице 3.
Таблица 3 – Значения доли GaP для каждого из образцов в различных точках зоны Бриллюэна
№ образца |
|
|
|
1 |
0.263 |
0.276 |
0.256 |
2 |
0.586 |
0.599 |
0.578 |
3 |
0.316 |
0.331 |
0.308 |
4 |
0.595 |
0.608 |
0.587 |
5 |
0.382 |
0.397 |
0.373 |
Ширина спектра фотолюминесценции на полувысоте определяется экспериментально по графикам спектров фотолюминесценции.
Пример определения спектра на полувысоте по рисунку 4 для образца №1.
λ1
λ2
Рисунок 4 – Экспериментальное графическое определение ширины спектра на полувысоте излучения для полупроводникового образца №1
Ширина спектра на полувысоте по рисунку 4 для образца №1 равна
Интервал частот рассчитывается с помощью формулы 3
|
(3) |
где с – скорость света, с = 3·108 м/с.
Результаты расчетов ширины спектра представлены в таблице 4.
Таблица 4 – Графически определенные интервалы длин волн и рассчитанные интервалы частот для образцов
№ образца |
Ширина спектра Δλ, нм |
Ширина спектра Δω · 1013, рад/с |
1 |
123.245 |
39.41 |
2 |
17.7 |
7.67 |
3 |
23.7 |
7. 94 |
4 |
15.7 |
7.45 |
5 |
23.1 |
8.24 |
Относительная ширина спектра определяется как
|
(4) |
где ω0 – частота максимума излучения полупроводника;
Δω – ширина спектра фотолюминесценции на полувысоте.
Добротность находится по формуле
|
(5) |
Пример расчета для образца №1:
Расчетные значения относительной ширины спектра и добротности сведены в таблицу 5
Таблица 5 – Расчетные значения относительной ширины спектра и добротности
Порядковый номер образца |
δ |
Q |
1 |
0.161 |
6.198 |
2 |
0.027 |
37.099 |
3 |
0.032 |
31.559 |
4 |
0.026 |
38.358 |
5 |
0.032 |
31.366 |
ВЫВОД: в результате выполнения обработки лабораторной работы были спектры люминесценции кристаллов GaAs1-xPx с различным составом. Лазер, которым облучали образцы был зеленым, а максимумы интенсивности фотолюминесценции лежат в более длинноволновой области. Самая большая интенсивность фотолюминесценции у 1 образца – минимум в два раза больше остальных.
По пиковым значениям интенсивностей были найдены длины волн, которые эквивалентны энергиям энергетического зазора для оптических переходов, то есть на этих длинах волн наблюдается наибольшая интенсивность поглощения квантов лазера, как следствие больше атомов переходит в возбужденное состояние и в дальнейшем излучает, поэтому резко возрастает количество квантов люминесценции.
Несмотря на то, что у №1 образца самая большая интенсивность, у него же самая низкая добротность.