Лабы по КОЭ / ЛР2 Фотолюминесценция полупроводниковых твердых растворов

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

Студенты гр.
Преподаватель		Дегтерев А.Э.

Санкт-Петербург

202X

Цель работы

Исследование фотолюминесценции и определение компонентного состава материалов на основе полупроводниковых твердых растворов.

Описание установки

Рисунок 1 – Схематичное представление установки измерения фотолюминесценции

Схема установки представлена на рисунке 1. 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 GaAs_1-xP_x 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.

Обработка результатов эксперимента

1. Представим спектры фотолюминесценции различных образцов GaAsP на одном графике. Для каждой оси выберем оптимальные диапазоны длин волн и интенсивностей.

Рисунок 2 – Спектры фотолюминесценции различных образцов GaAsP

2. Представим в виде таблицы зависимость длин волн, соответствующих максимуму излучения каждого образца.

Максимумы интенсивностей, а также длины волн на полувысоте слева и справа от максимума найдем по экспериментальным точкам (см. табл. 1).

Таблица 1 – Максимумы излучений образцов и длины волн на полувысоте

№	, у. е.
1	2914	767	707	832
2	962	658	649	668
3	650	755	740	763
4	2140	659	650	666
5	917	730	715	738

Принцип нахождения длин волн на полувысоте от максимума укажем на спектре п/п образца №1 (рис. 2).

Рисунок 3 – Графическое обнаружение ширины спектра на полувысоте излучения для образца №1

Рассчитаем ширины спектров на полувысоте и соответствующие им интервалы частот. Результаты – в табл. 2.

Таблица 2 – Ширины спектров и другие параметры образцов

№	, нм	рад/с	, рад/c		Q	эВ
1	125	40,03	2,456	0,163	6,135	1,6196
2	19	8,26	2,863	0,029	34,677	1,8879
3	23	7,67	2,495	0,031	32,515	1,6454
4	16	6,96	2,858	0,024	41,057	1,8851
5	23	8,21	2,580	0,032	31,428	1,7017

Пример расчета для образца №1:

Добротность:

Найдем ширины энергетического зазора для каждого образца из полученных зависимостей и также запишем их в таблицу 2. Пример:

5. Выясним долю GaP в твердом растворе GaAs_1-xP_x.

Табличные значения ширин запрещенной зоны для п/п:

E_g(0) = E_g(GaAs) = 1,42 эВ,

E_g(1) = E_g(GaP) = 2,78 эВ.

В зависимости от значения минимума зоны проводимости, определяется минимальная ширина запрещенной зоны и делается вывод о характере зонной структуры. Зависимость их отклонения от линейности в данной точке зоны Бриллюэна может быть представлена квадратичной функцией состава x в виде:

E_g(x) = x ∙ E_g(GaP) + (1 – x) ∙ E_g(GaAs) – c ∙ x ∙ (1 – x),

где c – параметр нелинейности.

Значение параметра нелинейности запрещенной зоны GaAsP в точке Г:

Получим долю GaP для каждого образца. Занесем результат в табл. 3. Пример для образца №1:

7. Приведем зависимость ширины энергетического зазора для каждого образца от доли GaP в твердом растворе GaAs_1-xP_x: Eg = f(х) (таблица 3).

Таблица 3 – Зависимость от доли GaP в твердом растворе GaAs_1-xP_x

№	эВ	Состав
1	1,6196	GaAs0,834P0,166	0,166
2	1,8879	GaAs0,623P0,377	0,377
3	1,6454	GaAs0,813P0,187	0,187
4	1,8851	GaAs0,625P0,375	0,375
5	1,7017	GaAs0,768P0,232	0,232

Выводы

В лабораторной работе мы получили и исследовали спектры фотолюминесценции пяти образцов, выполненных на основе полупроводниковых твердых растворов. Известно, что экспериментальные образы имели состав GaAs_1-xP_x.

Максимумы интенсивности на спектрах фотолюминесценции лежат в промежутке от 658 до 767 нм. Излучения от разных образцов характеризуются разной интенсивностью и шириной на полувысоте от максимума, что указывает на разный процентный состав GaAs и GaP, который требовалось выяснить.

Была рассчитана ширина энергетического зазора, а затем сделан вывод о характере зонной структуры, что позволило записать квадратичную функцию состава по отклонениям зазора в заданной точке зоны Бриллюэна. Решая квадратное уравнение относительно доли GaP для ширины зазора в каждом образце, мы нашли процентное соотношение компонентов. Были записаны полученные формулы изовалентных твердых растворов замещения.

Для ответа на вопрос, какой образец наиболее подходящий для получения фотолюминесценции, мы определили добротность спектров. Максимальную интенсивность фотолюминесценции показали образцы 1 и 4, из которых 4 обладает в 7,7 раз большей добротностью.

Совмещение спектров на одном графике дает визуально ясную картину ширины и высоты линий, что позволяет удобно анализировать качество фотолюминесценции и даже выбирать лучшую добротность «на глаз».