МИНОБРНАУКИ РОССИИ Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) Кафедра микро- и наноэлектроники |
||||||
отчет по лабораторной работе № 2 по дисциплине «Квантовая и оптическая электроника» Тема: «Фотолюминесценция полупроводниковых твёрдых растворов»
|
||||||
|
||||||
Санкт-Петербург 2024 |
Лабораторная работа №2
Тема: «Фотолюминесценция полупроводниковых
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:
1. Фотолюминесценция – возбуждение происходит в результате поглощения электромагнитной энергии (обычно видимого или ультрафиолетового диапазонов).
2. Катодолюминесценция – возбуждение производится электронным ударом по атому или молекуле вещества (наблюдается в кинескопах, электронно-лучевых трубках и т.п.).
3. Электролюминесценция – возбуждение атомов и молекул производится электрическим полем.
4. Рентгенолюминесценция – возбуждение производится рентгеновскими лучами.
5. Хемилюминесценция – возбуждение происходит в результате химической реакции, по схеме: А + В → АВ* → АВ + hν (квант люминесценции).
6. Биолюминесценция - возбуждение молекул происходит в результате биохимических реакций, происходящих в живом организме.
По длительности все случаи люминесценции делят на флуоресценцию – свечение вещества, прекращающееся практически одновременно с прекращением возбуждения, и фосфоресценцию – свечение, продолжающееся значительное время после прекращения возбуждения. Тогда флуоресценция – это самостоятельное свечение молекул, а фосфоресценция – рекомбинационное свечение кристаллов.
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
При комнатной температуре большинство молекул находится на самом нижнем колебательном уровне основного электронного состояния (на рисунке
1 уровень 0 состояния S0). Переходы с поглощением света – это переходы с указанного уровня на вышележащие (на рисунке 1 обозначены буквами а и б). Вращательные уровни расположены столь близко друг к другу, что спектрально не различимы, потому, можно иметь в виду, что каждая линия колебательного уровня – есть набор вращательных.
Флуоресценция происходит при переходе с уровня 0 состояния S1 на любой колебательно-вращательный уровень основного состояния. На рисунке 1 такие переходы обозначены буквой c. Такие переходы являются возвращениями электрона в невозбуждённое состояние и сопровождаются быстрыми излучениями фотонов. Эмиссионные характеристики флуоресценции приблизительно 108 с-1, типичное время жизни флуоресценции – 10 нс.
В отличие от флуоресцентного, фосфоресцентное вещество излучает поглощённую энергию не сразу. Большие времена свечения связывают с «запрещёнными» энергетическими переходами в веществе. Испускание поглощённого излучения проходит с более низкой интенсивностью, и в течение длительного времени (до нескольких часов). Как было отмечено выше, фосфоресценция связана с рекомбинационным свечением кристаллов. Такое свечение возникает при воссоединении двух частей центра свечения, которые были отделены друг от друга при возбуждении. Таким способом рекомбинируют электрон и ион, образовавшиеся в результате ионизации, или две части диссоциированной молекулы, разъединённые при возбуждении. Энергия, которая выделяется при таком воссоединении, идёт на возбуждение частицы люминофора, что приводит к высвечиванию возбуждённой частицы – молекулы или иона. Такое возбуждение может быть либо самостоятельным, либо вынужденным; при этом любой из указанных типов высвечивания возникает в зависимости от состояния, в котором частица оказалась в результате возбуждения: в обычном или метастабильном. Характерная особенность рекомбинационного свечения состоит в том, что две частицы, полученные в результате возбуждения, могут вернуться не друг к другу, а к другим частицам, образовавшимся в другом акте возбуждения. Фотолюминесценция – это один из видов люминесценции. Различие заключается лишь в виде возбуждения, из-за которого происходит процесс люминесценции. В случае с фотолюминесценцией возбуждающим фактором является оптическое излучение (инфракрасный, видимый, ультрафиолетовый свет).
СХЕМА УСТАНОВКИ
Схема установки представлена на рисунке 2. Для возбуждения фото-люминесценции, 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
Построим спектры фотолюминесценции каждого образца и представим их на рисунке 3. Интенсивность излучения будем откладывать в относительных единицах.
Рисунок 3 - Спектры фотолюминесценции полупроводниковых кристаллов
В таблице 1 представим экспериментальную зависимость длин волн, соответствующих максимуму излучения каждого образца. Также рассчитаем ширину энергетического зазора для каждого образца.
Таблица 1 – Длины волн максимумов излучения и значения ширины энергетического зазора
Номер образца |
|
|
1 |
764,678 |
1,622 |
2 |
728,037 |
1,703 |
3 |
659,607 |
1,808 |
4 |
755,027 |
1,642 |
5 |
660,038 |
1,879 |
Для определения ширины энергетического зазора в эВ воспользуемся формулой (1):
,
(1)
Приведем пример расчета для образца 3:
Рассчитаем доли
в твердом растворе
с помощью соотношения (2):
(2)
где c – параметр нелинейности;
Данные параметры мы определили по таблице 2.2 из методического указания.
Представим
параметры нелинейности для различных
точек зоны Бриллюэна для соединения
в таблице 2.
Таблица 2 – Значения параметра нелинейности в различных точках зоны Бриллюэна для
Твердый раствор |
|
|
0,19 |
Пример расчета доли GaP для образца 3 в точке Г:
Остальные расчеты проводим аналогично с выбором «c» (точка «Г») в соответствии с таблицей 2. Результаты расчетов представим в таблице 3.
Таблица 3 – Значения доли для каждого из образцов в точке «Г» зоны Бриллюэна
№ образца |
|
Раствор |
1 |
0,168 |
|
2 |
0,233 |
|
3 |
0,315 |
|
4 |
0,184 |
|
5 |
0,370 |
|
Определим экспериментально ширину спектра фотолюминесценции на полувысоте по графикам спектров фотолюминесценции.
На рисунке 4 приведем пример оценки на полувысоте для первого образца.
Рисунок 4 - Графическое определение ширины спектра на полувысоте
излучения образца №1
Тогда ширина спектра на полувысоте по рисунку 4 для образца №1 равна
Оценку интервала частот будет производить, используя формулу (3)
|
(3) |
где
– скорость света, с =
Приведем пример расчетов интервала частот для первого образца.
Результаты расчетов ширины спектра представлены в таблице 4.
Таблица 4 – Графически определенная ширина спектра и интервалы частот для образцов
№ образца |
Ширина спектра Δλ, нм |
Ширина спектра Δω, рад/с |
1 |
120,228 |
|
2 |
28,331 |
10,18 |
3 |
17,772 |
|
4 |
28,236 |
|
5 |
20,599 |
|
Относительная ширина спектра определяется по формуле (4)
|
(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 |
Q |
δ |
1 |
6,51 |
0,154 |
2 |
25,42 |
0,039 |
3 |
36,81 |
0,027 |
4 |
26,29 |
0,038 |
5 |
31,93 |
0,031 |
ВЫВОД
В ходе проведения лабораторной работы были исследованы фотолюминесценции и определение компонентного состава материалов на основе полупроводниковых твердых растворов.
Были построены спектры фотолюминесценции каждого образца. С интенсивностью излучения в относительных единицах. Для удобства в таблице 1 представлена экспериментальная зависимость длин волн, соответствующих максимуму излучения каждого образца. Также была рассчитана ширина энергетического зазора для каждого образца. Рассчитаны доли в твердом растворе .:
Так же были рассчитаны значения добротности для всех кристаллов. Из полученных данных можно сказать, что использовать в качестве излучающего тела полупроводниковый образец №1 нецелесообразно, так как он обладает наименьшим значением добротности, лучше использовать образец №3.