フォトルミネッセンスとは?

フォトルミネッセンス(PL)とは?
フォトルミネッセンスは光を使って高感度に半導
体中の不純物の有無や発光の原因を調べる半
導体材料の評価方法のひとつです。ただし、通
常は試料を冷やす(10K位の低温)必要があり
ます。
石川高専・電気工学科 瀬戸 悟
光を使った半導体を評価
白色光(ハロゲンランプ)
単色光(レーザー)
超短パルスレーザー
反射、吸収
半導体
半導体
蛍光(ルミネッセンス)
非弾性散乱(ラマン散乱)
時間分解測定
キャリアのダイナミックス
これらは半導体材料のバンド構造や不純物や格子欠陥の有無と
その電子状態がわかる非破壊検査である。
半導体のバンド構造と光との相互作用
E
伝導体
伝導帯
電子
光(フォトン)
k
重い正孔帯
光によって電子と正孔
が生成される。
正孔
価電子帯
軽い正孔帯
h2 2 2 2
E = * (kx + ky + kz )
2m
有効質量近似では結晶ポテンシャルの影響は
キャリアの質量に繰り込まれ、あたかも自由粒子
のように扱うことができる。
フォトルミネッセンスの原理
電子
伝導帯
伝導帯
ドナー準位
半導体内部の情報を
持った光を放出
(例えばDAPペア発光)
励起光
アクセプタ準位
正孔
価電子帯
価電子帯
光(フォトン)で励起して、半導体特有の光(ルミネッセンス)を分光するので
フォトルミネッセンスと呼びます。ホトルミネッセンスと表記することもあります。
フォトルミネッセンス(PL)装置
フィルター
励起光源
Ar-laser,
He-Cd laser
集光レンズ
分光器 f=50cm
冷凍機(10〜200K)
試料
パルスモータ駆動
光検出器
デジタルマルチメータ
RS232C
GPIB
我々のフォトルミネッセンス装置の外観
10 K 冷凍機
分光器
Ar レーザー
パロゲンランプ
He-Cd レーザー
測定例1 ZnTe薄膜のPLと反射スペクトル
Intensity (a.u.)
励起子ピークの分裂
¾ 重い正孔励起子 Xhh
¾ 軽い正孔励起子 Xlh
I1
Xl h
C
ZnT e/G aAs
T =11 K
Xh h
I1
As
I2
格子歪みの存在
格子歪みの存在
Ga
GaドナーとAsアクセプタによる
束縛励起子発光
C
I 1 -LO
R 6LO
520
525
Wavelength (nm)
530
535
基板からの拡散
基板からの拡散
測定例2 ZnTe膜のPLスペクトルの膜厚依存性
(a)
ZnT e/G aAs
T =11 K
Intensity (a.u.)
Y-line s
BE
1 .2 µ m
~3 µ m
6 µm
Thick ne s s: 13 µ m
550
600
650
W avelength (nm)
X20
X10
X5
X1
700
750
CdTe結晶の時間分解PLスペクトル
Time-resolved PL spectra of the bound excitons
10
4
In-doped CdTe
T=4.2 K
Intensity (a.u.)
10
0
A X
3
A-line
10
10
2
0
D X
1
0
2000
4000
Time (ps)
6000
8000
発光のダイナミックスも
調べることができる。
まとめ
{
フォトルミネッセンスの原理と適応例
z
z
{
不純物の有無やその電子状態がわかります。
ZnTe/GaAs薄膜の評価例
時間分解PLによる評価
z
発光のダイナミックスが測定可能。
PL,反射スペクトルの測定依頼を受け付けます!
このようにフォトルミネッセンス(PL)評価で半導体材料の様々な情報
が得られます。もしこれを見られて一度PL測定してみたいと考えてい
る試料をお持ちなら、当研究室(瀬戸)まで相談してみて下さい。
E-mail: seto@ishikawa-nct.ac.jp