9283_фотолюминесценция_отчёт_Зикратова

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина)

Кафедра фотоники

отчЁт

по лабораторной работе №2

по дисциплине «Квантовая оптическая электроника»

Тема: ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ТВЁРДЫХ РАСТВОРОВ

Студентка гр. 9283		Зикратова А. А.
		Дронов А.
Преподаватель		Дегтерев А. Э.

Санкт-Петербург

2022

Цель работы.

исследование фотолюминесценции и определение компонентного состава материалов на основе полупроводниковых твёрдых растворов.

Основные положения:

Люминесценция – это излучение, избыточное над тепловым при данной температуре и обладающее длительностью, значительно превышающей период световых колебаний. Люминесценция возникает вследствие квантовых переходов из верхнего возбужденного энергетического состояния в нижнее с испусканием электромагнитного излучения, т. е. определяется процессами, обратными поглощению света.

Фотолюминесценция – это один из видов люминесценции. Различие заключается лишь в виде возбуждения, из-за которого происходит процесс люминесценции. В случае с фотолюминесценцией возбуждающим фактором является оптическое излучение (инфракрасный, видимый, ультрафиолетовый свет).

Для оптоэлектроники большое значение имеют твёрдые растворы полупроводников группы A^IIIB^Ⅴ.

Параметры зонной структуры плавно изменяются с изменением состава твёрдого раствора. Так как валентная зона в полупроводниках A^IIIB^V имеет схожую структуру, то основные изменения в энергетическом спектре их твёрдых растворов определяются различием в структуре зон составляющих их компонентов. Основное значение имеют ширины различных энергетических зазоров 𝐸_𝑔 ^Г , 𝐸_𝑔 ^𝑋, 𝐸_𝑔 ^𝐿. Характер их изменения зависит от состава твёрдого раствора. В зависимости от значения того или иного минимума зоны проводимости, определяется минимальная ширина запрещенной зоны и делается вывод о характере зонной структуры. Зависимость их отклонения от линейности в данной точке зоны Бриллюэна может быть представлена квадратичной функцией состава x в виде:

𝐸_𝑔 (𝑥) = 𝐸_𝑔 (0) + [𝐸_𝑔 (1) − 𝐸_𝑔 (0)] ∙ 𝑥 − 𝑐 ∙ 𝑥 ∙ (1 − 𝑥) ≡ 𝑥 ∙ 𝐸_𝑔 (1) + (1 − 𝑥) ∙ 𝐸_𝑔 (0) − 𝑐 ∙ 𝑥 ∙ (1 − 𝑥).

Коэффициент нелинейности c положительный и тем больше, чем больше отличаются по своим свойствам атомы замещаемых и замещающих компонент.

Установка:

Рис. 1 – Установка для измерения фотолюминесценции

Обработка результатов:

5

3

4

1

2

Рис. 2 – Спектры фотолюминесценции в условных единицах

1

2

3

4

5

Рис. 3 – Спектры фотолюминесценции в относительных единицах

Пример расчёта для образца №3 (для GaAs – GaP c = 0,19; E_g(GaAs) = 1,42 эВ; E_g^Г(GaP) = 2,78 эВ):

= = = ≈ 23,2

Q = = ≈ 0,0432, где λ₀ соответствует максимальной интенсивности излучения

E_g = = ≈ 1,89 эВ

E_g(x) = x ∙ E_g(GaP) + (1 – x) ∙ E_g(GaAs) – c ∙ x ∙ (1 – x), где c – коэффициент нелинейности

x_1,2 = - ± → x = - + ≈ 0,377

Рис. 4 – Зависимость ширины ЗЗ от доли GaP в твёрдом растворе

Вывод: в ходе лабораторной работы исследовались образцы GaAs_1-xP_x с различным содержанием примеси – GaP: возбуждалась фотолюминесценция (испускание фотонов веществом) посредством облучения лазером и были сняты фотолюминесцентные спектры, по которым рассчитывались значения ЗЗ для образцов; по значениям E_g(GaAs_1-xP_x), E_g(GaP) и E_g(GaAs_1-xP_x - GaP) уже определялись, согласно правилу Вегарда: 𝐸_𝑔 (𝑥) = 𝐸_𝑔 (GaAs_1-xP_x) + [𝐸_𝑔 (GaP) − 𝐸_𝑔 (GaAs_1-xP_x)] ∙ 𝑥 − 𝑐 ∙ 𝑥 ∙ (1 − 𝑥), массовые доли GaP для различных образцов.