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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


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 = ⋅∑


Photons entspricht)

4Absorptionsmessung


3

5PLE - Anregungsspektroskopie


6Absorptionskoeffizient


4

7Exzitonische Absorption


8Absorption von QWs


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


-intensive Lichteinstrahlung: Photolumineszenz-elektrische Felder: Elektrolumineszenz

10Photolumineszenz


6

11Rekombinationsprozesse


12Donator-Akzeptorrekombination

ReEEEE ADgapAD oo

επε0

2

4+−−=


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 )


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


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


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


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


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


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


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


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


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


12

23PL-Spektrum InAs QDs


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


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


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


14

27Schattenmasken


28ECV-Messungen


15

29Zeitaufgelöste CL-Messungen


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


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


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


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.



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19

37ECV-Messungen


38ECV-Messungen


20

39ECV-Messungen


40PLE-Messungen


21

41ECV-Messungen

Spektrum von Si-Te Paaren in GaP


42Ellipsometrie - Messprinzip


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)


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.


23

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


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)

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