Eci 2010 Talk Alec Fischer

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Alec M. FischerDepartment of Physics and Astronomy

Arizona State University

Tempe, Arizona, USA

Catodoluminiscencia, Espectroscopía con alta

resolución espacial y temporal

Arizona State University

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Resumen

1. Semiconductores Emisores de Luz

2. Propiedades Ópticas de los Semiconductores Nitruros.

3. Catodoluminiscencia en un microscopio electrónico de barrido.

4. Catodoluminiscencia: alta resolución espacial

5. Catodoluminiscencia: alta resolución temporal

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Semiconductores emisores de luz

• III-nitruros son los materiales mas prometedores para la obtención de alta eficiencia LEDs y LDs.

• La “banda verde” en los nitruros es un problema importante por resolver

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Diodos emisores de luz y Diodos láser

• Pozos cuánticos múltiples de InGaN son utilizados para confinación de portadores

• Capas de revestimiento tipo n o p para confinación óptica

Izq. Típica estructura de un LED (5mm)Der. Típica estructura de un LED de alta iluminación

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Por que los III-nitruros son ideales para SSL?

(1) Variable banda prohibida para LEDs visibles

InxGa1-xN (IR+ Visible + UV)

Eg(x) = xEgInN + (1-x)EgGaN – bx(1-x)

(2) Obtención de materiales tipo n y p conductivos

III-nitruros: convenientes para SSL

-δ

+δ

Ga

Ga

Ga

GaN

F. A. Ponce y D. P. Bour, Nature 386, 351 (1997)

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III-nitruros – GaN e InGaN(desafíos)

• Alta densidad de dislocaciones (~ 109 - 1010 cm-2).

• Limites de miscibilidad en aleaciones de InGaN.

• Diagrama de fase de la aleación binaria de GaN e InN.

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Campos piezoeléctricos

• GaN tiene una estructura cristalina tipo wurzita.Secuencia de apilamiento: ABAB…

• Polarización en los nitruros(a) Polarización espontánea(b) Tensión induce a campos piezoeléctricos (EPS).

(c) Efecto de EPS en los pozos cuánticos Separación espacial de portadores (e- y h+), también llamado “efecto Stark de confinamiento cuántico” Reducción energética de la

emisión Reducción en la recombinación de

los portadores

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Crecimiento en dirección no polar

Los campos piezoelectrónicos dependen de la dirección de crecimiento.Se sabe que el crecimiento a lo largo de los planos “m” y “a” (no polares) minimiza los campos piezoelectrónicos a lo largo de la dirección de crecimiento

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hν

Procesos para la obtención de luz en un semiconductor:

• Generación de pares electrón-hueco

• Relajación y/o difusiónde portadores

• Recombinación

Emisión de luz en un semiconductor

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Semiconductor puro a 0K

Ec

Ev

Banda de valencia llena de electrones

Banda de conduccion esta vacía

Estado fundamental

EF

Ec

Ev

Estado excitado

Electrones en banda de conducción

Huecos en la banda de valencia

Generación de pares electrón-hueco

EF

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Emisión de luz

Ec

Ev

EFhν

• El estado excitado tiene un tiempo limite de vida.

• Pares electrón-hueco se recombinan para formar luz

• La energía emitida es aproximadamente igual a la energía de la banda prohibida

UV, Blue, Green

Yellow-Red

Red-IR

Rango de λBandgap (eV)Material

3.42 eVGaN

2.78 eVGaP

1.52 eVGaAs

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Que es un exciton?

e- h+

Un exciton es como un átomo de hidrogeno.

El electrón orbita alrededor del hueco

Cuando están juntos, son libres de moverse en la red.

Esto se llama exciton libre.

Un exciton es un sistema de 2 partículas

Cuando el sólido es excitado se generan pares electrón hueco.

Electrón es negativo y hueco es positivo.

Existe una fuerza Coulombica atractiva que los une

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Excitones ligados

donde Ei es la energía de ligadura de la impureza

Los excitones no están siempre libres

Uno de los portadores puede ser atrapado por una impureza (átomo).

Esto se llama exciton ligado

Diferentes impurezas dan como resultado diferentes picos excitonicos ligados.

ixg EEEh −−=ν

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Espectro de GaN a 4K

B. Monemar “Bound excitons in GaN” J. Phys.:Condens. Matter. 13, 7011 (2001).

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Estudio de la luminiscencia

Excitación

Espectrómetro(wavelength)

Detector(Intensidad)

PL usa un láser para la excitación

Para una mayor resolución espacial se usa un haz de electrones.

Esto se llama catodoluminiscencia (CL)

Es conveniente clasificar el proceso de luminiscencia dependiendo del tipo de fuente:

Luz FotoluminiscenciaElectrones CatodoluminiscenciaCampo Eléctrico Electroluminiscencia

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CatodoluminiscenciaCL electrón entra, fotón sale

Ec

Ev

hνe-

S a m p l e

P r i m a r y E l e c t r o n s

S e c o n d a r y E l e c t r o n s

B a c k s c a t t e r e d E l e c t r o n s

A u g e r E l e c t r o n s

X - r a y s

C a t h o d o l u m i n e s c e n c e

E B I C

e-

hν

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Catodoluminiscencia (CL) en un microcopio electrónico de barrido

Parámetros:

Ibeam

Mag

18

350 400 450 500 550

x = 0.17

CL

Inte

nsi

ty (

cou

nts

)

Wavelength (nm)

λ = 444nm

λ = 497nm1.0 µm

Low [In] InGaN

High [In] InGaN

Mapeando la composición de indio en un pozo cuántico de InGaN

S. Srinivasan et al., Appl. Phys. Lett. 80, 550 (2002).

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390 395 400 405 410 415

∆λ = 4 nm dislocation matrix

no

rm. C

L In

ten

sity

(co

un

ts)

Wavelength (nm)

Variaciones en la emisión local puede ser medida con alta resolución espacial <100 nm

Variación espacial de la luminiscencia

395 nm

401 nm

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Alta resolución espacial

A. M. Fischer, et al., Optical Properties of highly luminescent zinc oxide tetrapod powders, Appl. Phys. Lett. 91, 121905 (2007).

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Catodoluminiscencia a tiempo resuelto

resolución temporal Usando la dinámica de los portadores para el

estudio de los campos piezoeléctricos en pozos cuánticos

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Pozos cuánticos

Un pozo cuántico es formado al colocar un semiconductor con una pequeña banda prohibida entre dos semiconductores con banda prohibida mas grande.

Ventajas al usar pozos cuánticos

• Mejora el confinamiento de portadores

• Mayor probabilidad de recombinación

• Mejora en la eficiencia del dispositivo

Sapphire

4 µm GaN

3 nm InGaN 100 nm GaN

hν

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Efectos de los campos piezoeléctricos

• Campos eléctricos inclinan las bandas

• El pozo cuántico se convierte en un pozo triangular

Caso especial de los nitruros:

Estructura no-centrosimétrica

+ interfaces con mucha tensión

= Campos Piezoeléctricos

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Efecto Stark de confinamiento cuántico

• Campos piezoelectronicos inclinan las bandas de los pozos cuanticos

• Electrones y huecos se sitúan en las partes opuestas del pozo

• La diferencia en energía entre el electrón y hueco disminuye.

• La emisión de luz se desplaza a mas largas longitudes de onda.

• Cruce de las funciones de onda es reducido.

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Eficiencia interna cuántica

350 400 450 500 550 600 650 700

400 nm 460 nm 500 nm 520 nm 590 nm 630 nm

CL

Inte

nsi

ty (

cou

nts

)

Wavelength (nm)

Incrementando [In]

Al aumentar [In], la tensión incrementa. Entonces los campos piezoeléctricos incrementan, el cruce de las funciones de onda se reduce y la eficiencia cuántica interna se reduce.

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Catodoluminiscencia a tiempo resueltoExcitación

Tiempo

Tiempo

Onset

Luminiscencia

Estado estable

Decaimiento

Inte

nsid

ad

Excitación y luminiscencia en función del tiempo

(a)

(b)

27

400 450 500 550 600

0

50

100

150

200

250

300 Decay 1 Decay 2

Re

com

bina

tion

Life

time

(n

s)

Nominal Wavelength (nm)

Tiempo de vida - Recombinaciones

0 200 400 600

B D F H J

CL

Inte

nsi

ty (

a.u

.)

Time (ns)

Baja concentración de Indio Alta concentración de Indio

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Crecimiento no-planar de pozos cuánticos de InGaN

{1011}Appl. Phys. Lett., 2004P.R. Edwards et al.

{1101}J. Appl. Phys., 2004S. Khatesevich et al.

{1122}Appl. Phys. Lett., 2004K. Nishizuka et al.

Motivación:

• Campos piezoeléctricos reducidos.

• Relajación de la tensión por medio de diferentes planos de desliz.

• Diferencias en incorporación de indio.

{1122}

Convencional Epi (Referencia)

En este estudio

Sapphire

(0001)

3 nm InGaN QW

4 µm GaN

35 nm GaN

Previos estudios en pozos cuánticos no planos

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350 400 450 500 550

500 nm QW

CL

Inte

nsi

ty (

cou

nts

)

Wavelength (nm)

Picos relacionados a GaN

InGaN QW emisión

Espectro Integral de CL

S. Srinivasan, M. Stevens, F. A. Ponce, and T. Mukai. Appl. Phys. Lett. 87, 131911 (2005)

La emisión del pozo cuántico es plana a lo largo rango de longitudes de onda.

350 400 450 500 550 600

Wavelength (nm)

Non-planar QW Plano “c” QW

30

Imágenes de CL

350 400 450 500 550

C

L In

ten

sity

(co

un

ts)

Wavelength (nm)

5 µm

λ = 397 nmλ = 417 nmλ = 439 nmλ = 486 nm

SE

CLI


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S a p p h i r e

G a N

I n G a N Q W

< 1 0 0 >1

S E

λ = 3 9 7 n m

λ = 4 1 7 n m

λ = 4 3 9 n m

λ = 4 8 6 n m

5 mµ

( a )

( b )

( c )

( d )

( e )

( f )

Imágenes de Catodoluminiscencia

Cada emisión aparece de una banda delgada bien definida.

Las longitudes de onda incrementan al acercarse al pico del triangulo

350 400 450 500 550

500 nm QW

CL

Inte

nsi

ty (

cou

nts

)

Wavelength (nm)


32

Gracias!!

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