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１０Ｋ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１ＺｎＴｅ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: [email protected]