Фотолюминесценция

Фотолюминесценция представляет собой процесс испускания света полупроводником после его оптического возбуждения. При поглощении фотона с энергией, превышающей ширину запрещённой зоны E_g, электрон из валентной зоны переходит в зону проводимости, оставляя после себя дырку. Образуется неравновесная электронно-дырочная пара, которая в дальнейшем может рекомбинировать с испусканием фотона. Этот процесс лежит в основе спектроскопических методов исследования полупроводниковых материалов, позволяя определять их энергетическую структуру, концентрацию дефектов и характер примесных состояний.

Типы переходов, приводящих к фотолюминесценции

1. Прямая межзонная рекомбинация. В прямозонных полупроводниках (GaAs, InP, CdTe) вероятность прямой радиационной рекомбинации велика, так как минимум зоны проводимости и максимум валентной зоны совпадают по импульсу. Эмиссия фотона происходит практически без участия фононов.

2. Непрямая межзонная рекомбинация. В непрямозонных полупроводниках (Si, Ge) минимум зоны проводимости и максимум валентной зоны смещены по импульсу. Для соблюдения закона сохранения импульса требуется участие фонона. Эффективность фотолюминесценции в этом случае значительно ниже.

3. Рекомбинация через локализованные состояния. Дефекты кристаллической решётки и примесные атомы создают внутри запрещённой зоны локализованные уровни. Электроны и дырки могут захватываться на эти уровни с последующей радиационной рекомбинацией.

4. Экси­тонная фотолюминесценция. Возбуждённый электрон и дырка могут образовывать связанное состояние — экситон. Радиативный распад экситона сопровождается испусканием фотона с энергией, чуть меньшей E_g.

Энергетический спектр фотолюминесценции

Спектр фотолюминесценции отражает фундаментальные характеристики полупроводника:

• Положение пика излучения соответствует ширине запрещённой зоны или энергии экситонного уровня.
• Форма спектра определяется плотностью состояний в зонах, механизмами рекомбинации и температурой.
• Ширина линии излучения несёт информацию о дисперсии энергии экситонов, взаимодействии носителей с фононами и наличием дефектов.

В спектрах часто наблюдаются экситонные пики, примесные линии и широкополосные полосы излучения, связанные с дефектными состояниями.

Влияние температуры

Температура существенно влияет на интенсивность и спектральное положение фотолюминесценции:

• При низких температурах наблюдается узкая экситонная люминесценция с хорошо выраженными тонкими линиями.
• С повышением температуры экситоны разрушаются, и преобладают свободные межзонные переходы.
• Ширина запрещённой зоны уменьшается с ростом температуры, что приводит к красному смещению спектра.
• Увеличивается вероятность безызлучательных процессов (захват на дефекты, рассеяние с участием фононов), что снижает квантовый выход фотолюминесценции.

Безызлучательные процессы

Наряду с излучательной рекомбинацией происходят конкурирующие безызлучательные процессы:

• Шокли–Рида–Холловская рекомбинация через глубокие уровни в запрещённой зоне.
• Оже-рекомбинация, при которой энергия отдаётся другому электрону или дырке, а не испускается в виде фотона.
• Поверхностная рекомбинация, возникающая вблизи поверхности полупроводника или на границах зёрен.

Эти механизмы определяют эффективность люминесценции и сильно зависят от качества материала.

Временные характеристики фотолюминесценции

Изучение временной динамики даёт дополнительную информацию о механизмах рекомбинации.

• Время жизни носителей заряда определяется конкуренцией излучательных и безызлучательных процессов.
• В прямозонных полупроводниках времена жизни люминесценции лежат в диапазоне наносекунд, а в непрямозонных могут достигать микросекунд.
• Методика time-resolved photoluminescence позволяет измерять скорость процессов захвата носителей, оценивать плотность дефектов и эффективность легирования.

Применение фотолюминесценции

Фотолюминесценция используется как мощный диагностический инструмент в физике и технологии полупроводников:

• Определение ширины запрещённой зоны и её температурной зависимости.
• Исследование примесных и дефектных уровней.
• Контроль качества выращенных кристаллов и эпитаксиальных слоёв.
• Диагностика гетероструктур, квантовых ям, точек и проводов.
• Изучение динамики носителей заряда и экситонных состояний.

Методы фотолюминесцентной спектроскопии применяются как в фундаментальных исследованиях, так и в полупроводниковой промышленности для контроля параметров материалов и приборов.