Оптическая спектроскопия является одним из наиболее информативных методов исследования полупроводников, позволяя получать данные о зонной структуре, легировании, дефектах кристаллической решетки и динамике носителей заряда. В полупроводниках она основана на взаимодействии электромагнитного излучения с электронами, возбужденными из валентной зоны в зону проводимости, либо на переходах между локализованными состояниями в запрещенной зоне.
1. Прямые и непрямые переходы В полупроводниках с прямой зонной структурой (например, GaAs) переход электрона из валентной зоны в зону проводимости может происходить без изменения импульса, что делает такие переходы эффективными для излучательной спектроскопии.
В полупроводниках с непрямой зонной структурой (например, Si, Ge) для оптического перехода необходим дополнительный фонон, компенсирующий изменение кристаллографического импульса. Эти переходы имеют меньшую вероятность, что отражается на спектральных характеристиках поглощения и излучения.
2. Экситонные состояния Экситон представляет собой связанный электрон–дырочный комплекс. Энергия экситона немного меньше ширины запрещенной зоны Eg за счет энергии связи Eb.
Eэкситон = Eg − Eb
Экситонные линии проявляются в спектрах поглощения и фотолюминесценции вблизи краев запрещенной зоны и позволяют оценивать эффективные массы носителей и диэлектрическую постоянную материала.
3. Переходы, связанные с примесями и дефектами Локализованные состояния, вызванные донорными и акцепторными примесями или дефектами кристаллической решетки, дают дополнительные спектральные линии ниже зоны проводимости или выше валентной зоны. Анализ этих линий позволяет количественно оценивать концентрацию примесей и характер дефектов.
1. Поглощение Метод основан на измерении коэффициента поглощения α(ℏω) в зависимости от энергии фотонов. Он позволяет определять ширину запрещенной зоны, характер переходов (прямой/непрямой) и энергетические положения экситонных состояний.
2. Фотолюминесценция (PL) Фотолюминесценция возникает при рекомбинации электронов и дырок с излучением фотонов. Исследование PL спектров позволяет:
3. Резонансное рамановское рассеяние Рамановская спектроскопия регистрирует взаимодействие фотонов с кристаллическими фононами. Позволяет:
4. Фотоакустическая спектроскопия Метод измеряет акустический сигнал, возникающий при поглощении света полупроводником. Он чувствителен к поверхностным и тонкопленочным структурам, а также позволяет изучать поглощение в областях, где традиционные оптические методы малоэффективны.
Краевой анализ поглощения Критическая точка спектра поглощения соответствует минимальной энергии, при которой возможен оптический переход. Для прямозонных полупроводников зависимость α(ℏω) близка к закону:
α(ℏω) ∝ (ℏω − Eg)1/2
Для непрямозонных:
α(ℏω) ∝ (ℏω − Eg ± ℏΩфонон)2
Линии экситонов Энергетическое положение и ширина экситонных линий зависят от температуры, диэлектрической постоянной и эффективной массы носителей. Ширина линии позволяет оценить взаимодействие экситонов с фононами и дефектами.
Фотолюминесценция и рекомбинация Спектры PL часто имеют несколько компонентов:
Температурная зависимость С повышением температуры ширина запрещенной зоны уменьшается (эффект Варшали), линии экситонов расширяются, а интенсивность фотолюминесценции падает из-за увеличения нерадиативной рекомбинации.
Электрическое и магнитное поля Применение внешнего поля изменяет энергию переходов (эффект Штарка и Зеемана), позволяет исследовать спиновые состояния и квазичастицы в полупроводнике.
Напряжение и деформация кристалла Механическое напряжение изменяет зонную структуру и фононные спектры. Рамановская и фотолюминесцентная спектроскопия дают точные данные о кристаллическом стрессе и дефектах.
Оптическая спектроскопия используется для:
Методы спектроскопии обеспечивают фундаментальную информацию, необходимую для моделирования электронных свойств полупроводников и оптимизации их применения в высокотехнологичных устройствах.