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1Optische Messmethoden
1. Absorption2. Photolumineszenz3. PLE - Photolumineszenzanregungspektroskopie4. Aufnahme verschiedener Spektren5. Anwendungen von Photolumineszenz
apl.Prof. Dr. D.J. As
2
• Absorption eines Photons Anregung eines Elektrons in energetisch höher liegendes Niveau
• Absorptionswahrscheinlichkeit maximal, sofern Energie des Photons der Energiedifferenz der beiden Niveaus entspricht
apl.Prof. Dr. D.J. As
2
3Zusammenhang zw-. Absorption und Rekombination
Absorptionskoeffizient α:
C ∑ni: Elektronendichte im Anfangszustandnf: Dichte der leeren EndzuständePif: Übergangswahrscheinlichkeit vom Anfangs-zum EndzustandC: Konstante
(summiert wird über alle Zustände, deren Energiedifferenz der Energie des Ph i h )
i f ifC n n Pα = ⋅∑
apl.Prof. Dr. D.J. As
Photons entspricht)
4Absorptionsmessung
apl.Prof. Dr. D.J. As
3
5PLE - Anregungsspektroskopie
apl.Prof. Dr. D.J. As
6Absorptionskoeffizient
apl.Prof. Dr. D.J. As
4
7Exzitonische Absorption
apl.Prof. Dr. D.J. As
8Absorption von QWs
apl.Prof. Dr. D.J. As
5
9Lumineszenz
• als Lumineszenz bezeichnet man die Rekombination eines angeregten g gElektrons unter Emission eines Photons
• zur Lumineszenz konkurrierender Prozess: strahlungslose Rekombination
• Voraussetzung für Lumineszenz:Vorhandensein eines Ungleichgewichtszustandes in der Ladungsträgerkonzentration in Energiebändern verursacht durch
i t i Li ht i t hl Ph t l i
apl.Prof. Dr. D.J. As
-intensive Lichteinstrahlung: Photolumineszenz-elektrische Felder: Elektrolumineszenz
10Photolumineszenz
apl.Prof. Dr. D.J. As
6
11Rekombinationsprozesse
apl.Prof. Dr. D.J. As
12Donator-Akzeptorrekombination
ReEEEE ADgapAD oo
επε0
2
4+−−=
apl.Prof. Dr. D.J. As
7
13Anwendung von Lumineszenz
Im PL-Spektrum hinterlassen Störstellen und Defekte charakteristische Merkmale
Photolumineszenz ist optische Methode zur Charakterisierung von Störstellen und Defekten in Halbleitern
Aus dem PL-Spektrum lassen sich
- die unterschiedliche Defekte identifizieren- die Konzentrationen von Defekten ermitteln- Anzeichen für Qualität des Materials und deren kristalline
St kt fi d (FWHM d P k )
apl.Prof. Dr. D.J. As
Struktur finden (FWHM der Peaks) - Energielücken bestimmen (z.B. SixGe1-x)- Inhomogenitäten im Material ermitteln- die Amplitude und Richtung mechanischer Spannung
im Material messen
14PL-Apparatur
apl.Prof. Dr. D.J. As
8
15PL von Si dotierten c-GaN Epitaxieschichten
)
(DoAo)X
Egap-cubic
shift
T= 2 K
Si-flux (cm-2s-1)
E1/2
Inte
nsity
(a.u
.)
79.4*1077.2*1084.6*1092.6*10105.7*10101.2*1011
Si-flux (cm s )
5.2*1011
2.5*1011
apl.Prof. Dr. D.J. As
2.8 3.0 3.2 3.4Photon energy (eV)
8.5*1051.0*107
16Energie des Donatorübergangs
3.24
3.26
3.28
ergy
[eV
]
3.14
3.16
3.18
3.20
3.22
1013 1014 1015 1016 1017 1018 1019 1020
(Do ,A
o) p
eak
ene
apl.Prof. Dr. D.J. As
Si donor concentration [cm-3]
ReEEEE ADgapAD oo
επε0
2
4+−−=
R ≈ NSi3
Energie des Donator Akzeptor Übergangs:
9
17PL von Mg dotierten c-GaN Epitaxieschichten
3.0 105
4.0 105
/s)
X(DoAo)
Mg-related blue band (DoAoMg)
(e AoMg)
1.0 105
2.0 105
inte
nsity
(cou
nts/ TMg=450°C
TMg=400°C
TMg=350°C
TMg=300°C
T =RT
X
apl.Prof. Dr. D.J. As
0.01.8 2.2 2.6 3 3.4
photon energy (eV)
TMg=RT
undoped
18PL of C-doped cubic GaN
T = 2 K
(D0A0)C
C - complex ?
(e A0)C
inte
nsity
[a.u
.]
2x109
3x1010
8x1010
X(D0A0)
( )C
C-flux[cm-2s-1]
x 25
apl.Prof. Dr. D.J. As
1.8 2.1 2.4 2.7 3 3.3
photon energy [eV]
undoped
5x108
10
19C-doping: PL temperature dependence
3.25
3.30 Eg (T)
(A0,X) X
3.10
3.15
3.20
ener
gy [e
V]
EB,X
= 15meVE
g(T) - 23 meV
EC = 215 meV
(e A0)
X
ED = 25 meV
apl.Prof. Dr. D.J. As
3.05
0 50 100 150 200 250 300
temperature [K]
(e,A )C
(D0,A0)C
20Energy levels of C-doped GaN
Schematic diagram of the energy levels in carbon Schematic diagram of the energy levels in carbon doped cubic GaN epilayersdoped cubic GaN epilayers
E 25 V
Eg
E = 25 meVD
E = 1 185 meVDeep
(e A )0 (D A )0 0
(D A )Deep0 0
C(D )
Deeph (D A )
Deep0 0
0 0(D A )C (e A )0C
apl.Prof. Dr. D.J. As
E = 129 meVE = 215 meVAC
AE = 129 meVA
11
21CC--levelslevels in IIIin III--V V semiconductorssemiconductors
eV5813
Effective-mass-theory (EMT) [14, 15]:90
100
Cd
( )γ
ε⋅⋅= hhA meVE
20
58.13
}EA = 0.213 eV
γ is 0.6 [14,15]
} ε (0) ε (∞) [16]}[14] B.L. Gel´mont et al., Sov. Phys. Semicond. 5 (11),
1905 (1972)30
40
50
60
70
80
EA [m
eV]
Mg
Zn
C
Mg ZnCd
C
GaP
GaAs
apl.Prof. Dr. D.J. As
1905 (1972)[15] S. Fischer et al., Appl. Phys. Lett. 67 (9), 1298
(1995)[16] J.W. Orton, Semicond. Sci. Technol. 10, 101
(1995)[17] H. Siegle et al., Solid State Commun. 96 (12), 943
(1995)
20100 200 300 400 500 600
EA-GaN
[meV]
22PL-Apparatur
apl.Prof. Dr. D.J. As
12
23PL-Spektrum InAs QDs
apl.Prof. Dr. D.J. As
Oben: PL Spektrum von InAs Quantenpunkten bei einer Anregungsenergie von 1,65 eV und geringer (!) Anregungsdichte. Die verschiedenen Peaks stammen von QP-Subensembles unterschiedlicher Höhe, wie im Inset skizziert. Unten: Zugehöriger PLE-Konturplot. Bei 1.5 eV ist die Resonanz der GaAs Matrix zu sehen. Die horizontalen Linien markieren die Resonanzen der Schwerloch (SL) und Leichtloch (LL) Zustände der Benetzungsschicht und die schrägen Linien zeigen den Verlauf des ersten (1. AZ) und zweiten (2. AZ) angeregten QP-Zustandes sowie der LO-Resonanz (LO).
24PL-Spectren QD
apl.Prof. Dr. D.J. As
PL Spektren unter sukzessiver Erhöhung der Anregungsdichte (von unten nach oben). Mit steigender Anregungsdichte ist ein Auffüllen der QPe in Form von neuen Lumineszenzbanden aus angeregten Zuständen (I1-I4) zu beobachten. Schließlich wird auch die Benetzungsschicht (WL) unter den QPen befüllt. Diese Peaks sind nicht mit Lumineszenz aus QP-Subensemblen wie in Abb. 4 verwechseln. Für eine geringe Anregungsdichte zeigt der Grundzustandspeak I0 keine Modulation!
13
25CL-Messungen
apl.Prof. Dr. D.J. As
Messverfahren: Lokale Spektren, spektral und ortsaufgelöste Bilder (beides auch zeitaufgelöst) Räumliches Auflösungsvermögen: 25 nm bis einige 100 nm je nach Beschleunigungsspannung und
Diffusionslänge der LadungsträgerZeitliches Auflösungsvermögen: bis 35 psProbentemperatur: 6 – 300 KAnregungsenergie: e x Beschleunigungsspannung (3 kV – 40 kV)
26ECV-Messungen
apl.Prof. Dr. D.J. As
14
27Schattenmasken
apl.Prof. Dr. D.J. As
28ECV-Messungen
apl.Prof. Dr. D.J. As
15
29Zeitaufgelöste CL-Messungen
apl.Prof. Dr. D.J. As
30ECV-Messungen
apl.Prof. Dr. D.J. As http://www.ifkp.tu-berlin.de/fileadmin/i1/trclsi-1s.JPG
16
31Anwendung des Raman-Effekts in Halbleitern
apl.Prof. Dr. D.J. As
32Der Raman-Effekt
Bestrahlt man Moleküle mit monochromatischem Licht, so wird das eingestrahlte Licht gestreut. Nach Zerlegung des Streulichts zeigen sich neben der intensiven Spektrallinie der Lichtquelle zusätzliche Spektrallinien, die gegenüber der Frequenz der Lichtquelle verschoben sind. Die letzteren Linien nennt man Raman-Linien. Sie sind nach dem indischen Physiker Chandrasekhara Venkata Raman benannt, der im Jahr 1928 als erster über die experimentelle Entdeckung dieser Linien berichtete.übe d e e pe e te e tdec u g d ese e be c tete
Schematische Darstellung der Energiezustände bei der Rayleigh- und Raman-Streuung. Bei der Raman-Streuung kann die Wellenlänge des eingestrahlten Lichts (grüner Pfeil) entweder zum langwelligen Spektralbereich (Stokes-Raman-Streuung: roter Pfeil) bzw zum kurzwelligen
apl.Prof. Dr. D.J. As
Pfeil) bzw. zum kurzwelligen Spektralbereich (anti-Stokes-Raman-Streuung: blauer Pfeil) verschoben sein. S0, N0: elektronischer bzw. Schwingungsgrundzustand; S1, N1: 1. elektronischer- bzw. schwingungsangeregter Zustand.
17
33Raman-Effect
Die Wechselwirkung zwischen Materie und Licht kann als ein Stoßvorgang angesehen werden. Dabei ergeben sich drei Möglichkeiten:
1. Beim elastischen Stoß eines Photons mit der Energie hν0 (grüner Pfeil) verändert sich der Energiezustand des Moleküls nicht. Auch die Frequenz der Streustrahlung verändert sich nicht zur Frequenz der Lichtquelle. Diese Streuung wird als Rayleigh-Streuung bezeichnet.Die beiden anderen Möglichkeiten stellen den Raman-Effekt g gdar, der als unelastischer Stoß zwischen einem Photon und einem Molekül aufgefaßt werden kann. Die Energie, die dabei abgegeben oder aufgenommen wird, entspricht der Differenz zwischen zwei Energiniveaus einer Molekülschwingung.
2. Das Molekül besitzt nach dem Stoß eine höhere Schwingungsenergie. Das Streulicht ist dabei energieärmer geworden (roter Pfeil) und weist damit eine geringere Frequenz auf. Die beobachtbaren Spektrallinien werden als Stokes-Linien bezeichnet.
3 D M l kül b it t h d St ß i i d i S h i i Di E i
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3. Das Molekül besitzt nach dem Stoß eine niedrigere Schwingungsenergie. Die Energie des gestreuten Lichts ist dabei größer geworden (blauer Pfeil) und weist eine höhere Frequenz auf. Die beobachtbaren Spektrallinien werden als Anti-Stokes-Linien bezeichnet. Dieser Fall ist nur möglich, wenn das Molekül vor dem Stoß sich in einem höheren Energiezustand befindet.
34Anwendung des Raman-Effekts in Halbleitern
apl.Prof. Dr. D.J. As
18
35Anwendung des Raman-Effekts in Halbleitern
apl.Prof. Dr. D.J. As
36Anwendung des Raman-Effekts in Halbleitern
apl.Prof. Dr. D.J. As
19
37ECV-Messungen
apl.Prof. Dr. D.J. As
38ECV-Messungen
apl.Prof. Dr. D.J. As
20
39ECV-Messungen
apl.Prof. Dr. D.J. As
40PLE-Messungen
apl.Prof. Dr. D.J. As
21
41ECV-Messungen
Spektrum von Si-Te Paaren in GaP
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42Ellipsometrie - Messprinzip
apl.Prof. Dr. D.J. As
Definition: x in (parallel zur) Einfallsebene -> p-Polarisationy senkrecht zur Einfallsebene -> s-Polarisation
22
43Ellipsometrie
Fresnelsche (komplexe) Reflexionskoeffizientrs = Ers/Eis rp = Erp/Eip
Änderung des Polarisationszustandes infolge Reflexion an der Probe; M d R fl i hält iMessung des Reflexionsverhältnisses
ρ = rp/rsρ = tan Ψ .exp(i.Δ)intrinsische Vorteile:
keine Absolutintenistäten, sondern Verhältnis der s- und p-Komponenten und ihre Phasenbeziehung
gleichzeitig Messung von Phase und AmplitudeBestimmung von Re (ε) und Im (ε)
apl.Prof. Dr. D.J. As
Auswertung: Vorgabe eines Modelles der Probe (i.a. Mehrschichtmodell) und Anpassung an gemessene Werte Ψ und Δ
44Titel
Eine Standardmethode zur Bestimmung der Schichtdicke und der optischen Konstanten ist die Spektrophotometrie. Dabei wird die Intensität des transmittierten bzw. reflektierten Lichts gemessen. Diese Methode ist jedoch für die Charakterisierung extrem dünner Schichten nicht besonders gut geeignet.
apl.Prof. Dr. D.J. As
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45In – Gehaltsbestimmung von InxGa1-xN
2.7
2.8
0.5
0.6
2 4
2.5
2.6
0 1
0.2
0.3
0.4
apl.Prof. Dr. D.J. As
2.3
2.4
0
0.1
1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0Photon energy (eV)
R. Goldhahn et.al., Appl.Phys. Lett. 76 (3), 291 (2000)