Photolumineszenz-Aufbau

Dieser Artikel bezieht sich zum Teil auf die pdf-Anleitung zum F-Praktikumsversuch:
Photolumineszenz an Halbleiterheterostrukturen

Trifft ein Photon mit einer Energie größer als die Bandlücke des Halbleiters auf eine Halbleiterprobe ein, so hebt man ein Elektron aus dem Valenzband ins Leitungsband und erhält ein Loch im Valenzband; es wurde ein Elektron-Loch-Paar (Exziton) erzeugt. Der Vorgang, ein Elektron-Loch-Paar mittels eines Photons ausreichender Energie zu erzeugen, nennt sich Generation. Daraufhin folgt die Thermalisierung: Durch strahlungslose Intrabandübergänge relaxieren Elektron und Loch im jeweiligen Band an die Bandkanten. Bei Rekombination von Elektron und Loch wird ein Photon emittiert, das die Energie der Bandlücke trägt.

Was erhalte ich durch die Anwendung des Photolumineszenz-Aufbaus?

• Energiedifferenz zwischen tiefstem Energiezustand im Leitungsband und höchstem Energiezustand im Valenzband ($\Rightarrow$ Bandlücke $\text{E}_g$)
• Beurteilung der kristallinen Qualität des Halbleiters

Physikalischer Hintergrund

Die für diesen Aufbau benutzte Anregungsart ist die Überbandanregung. Um Lumineszenz beobachten zu können, muss man künstlich einen Ungleichgewichtszustand in der Ladungsträgerkonzentration der beiden Bänder herstellen. Im Falle der Photolumineszenz werden die Elektronen einer intensiven Lichteinstrahlung ausgesetzt. Mittels einer Laserdiode ($\lambda=636 nm$), die Photonen mit einer Energie größer als die Bandlücke aussendet ($\text{E}_\text{Photon}=h\nu>\text{E}_g$; die maximale Bandlücke, die der Halbleiter für die Beobachtung von Photolumineszenz haben darf, ist durch die Wellenlänge der Diode nach oben beschränkt; die obere Schranke kann leicht berechnet werden), werden die Elektronen aus dem Valenzband über die Leitungsbandkante angehoben. Das Elektron sowie das Loch relaxieren durch Stöße mit Gitteratomen strahlungslos an die Leitungs-/ bzw. Valenzbandkante. Die typische Lebensdauer der Ladungsträger an den Bandkanten bis sie miteinander rekombinieren liegt im Bereich von Nano- bis Mikrosekunden. Bei der Rekombination gibt es eine Reihe von Rekombinationsmechanismen (Rekombination eines freien Exzitons, Rekombination eines störstellengebundenen Exzitons, Rekombination des Elektrons eines neutralen Donators mit einem Loch des Valenzbandes, Rekombination eines Leitungsbandelektrons mit dem Loch eines neutralen Akzeptors, Rekombination des Elektrons eines neutralen Donators mit dem Loch eines neutralen Akzeptors), auf die im Einzelnen nicht eingegangen wird.

Versuchsaufbau

Datei:FKP W PLSetup.png

Zur Erzeugung der Elektronen-Loch-Paare wird ein Laser mit einer Wellenlänge von 636nm benutzt. Mit Hilfe einer Linse wird der Laserstrahl auf die Probe(n) fokussiert. Diese befinden sich auf einem Kaltfinger, der in einer evakuierten Kammer befestigt ist. Bei Bedarf kann der Kaltfinger und damit auch die Probe mit flüssigem Stickstoff gefkühlt werden. Die von der bestrahlten Probe emittierte Photoluminesztenzstrahlung wird mit Hilfe einer Linse kurzer Brennweite parallelisiert. Mit einer weiteren Linse wird dieser Lichtstrahl auf den Eintrittsspalt des Monochromators fokussiert. Innerhalb des Monochromators treffen die vom Eintrittsspalt ausgehenden Strahlen auf einen Spiegel und werden auf ein Gitter reflektiert. An diesem werden die eintreffenden Strahlen in Abhängigkeit ihrer Wellenlänge gebeugt. Die wiederum vom Gitter reflektierten Strahlen treffen auf einen Spiegel und von dort aus auf einen Detektor. Da die Strahlen vorher am Gitter gebeugt wurden, liegen die Intensitätsmaxima (abhängig von der Wellenlänge der Strahlung) an verschiedenen Stellen in der Detektorebene. Durch Drehung des Gitters können so gezielt verschiedene Wellenlängen detektiert werden. Die am Detektor gemessene Intensität in Abhängigkeit der Wellenlänge, die wiederum vom eingestellten Gitterweinkel abhängt, stellt unser gewünschtes Messsignal dar. Um das Signal-Rauschverhältnis zu verbessern wird ferner ein Lock-In-Verstärker benutzt. Dieser wird mit einer internen Referenzfrequenz von 133Hz betrieben. Die verwendete Laserdiode wird also mit einer Freuqenz von 133Hz ein- und ausgeschaltet, um so ein mit dieser Frequenz moduliertes Photolumineszenzspektrum am Detektor messen zu können. Der Lock-In-Verstärker filtert nun alle Signale die nicht mit der Frequenz von 133Hz moduliert sind heraus, wodurch sich das Rauschen im Signal unterdrücken lässt. Das am Lock-In-Verstärker gemessene Signal wird zusammen mit dem eingestellten Gitterwinkel an den Computer übertragen, wo abschließend die gemessente Intensität in Abhängigkeit der Wellenlänge dargestellt werden kann.

Hardwareanwendung

Zunächst müsste man dafür sorgen, dass das schwache von der Halbleiterprobe ausgehende Photolumineszenzlicht auf den Eintrittsspalt des Monochromators fällt. Dazu würde man den Laserstrahl in Höhe der Probe auf den Kaltfinger fokussieren. Danach müsste man die Linsen so justieren, dass alles Streulicht auf den Eintrittsspalt des Monochromators fällt. Diese Justage entfällt jedoch, da dieser experimentelle Aufbau häufig benutzt wird und fertig justiert ist.

Als Detektor dient eine Photodiode, die mittels flüssigem Stickstoff auf Arbeitstemperatur gebracht werden muss. Seien Sie sich beim Umgang mit tiefkalten Flüssigkeiten im Klaren welche Vorsichts- und Schutzmaßnahmen sie einhalten müssen. Ist der flüssige Stickstoff eingefüllt, kann der Computer sowie der Lock-In-Verstäker eingeschaltet werden. Fokussieren Sie dann den Laserstrahl auf die Halbleiterprobe.

Da das Photolumineszenzlicht schwach ist, möchte man einen Punkt auf der Probe mit dem Laserstrahl bestrahlen, von dem ein maximales PL-Signal hervorgeht. Hierzu verfährt man den Monochromator auf eine Wellenlänge, bei der man einen Intensitätspeak erwartet (hat die Probe eine GaAs-Schicht, so kann diese Wellenlänge leicht berechnet werden; es geht natürlich auch mit jedem anderen Material, bei dem die Bandlücke bekannt ist). Zur genaueren Bestimmung des Maximums im PL-Signal wird ein Bereich um den voraussichtlichen Peak gescannt und die am Monochromator eingestellte Wellenlänge ggf. korrigiert. Nun kann man den Kryostaten in drei Raumrichtungen verfahren, bis man das Intensitätsmaximum gefunden hat.

Nun kann die Messung gestartet werden! Wie das geht, wird in Softwareanwendung näher erläutert.

Softwareanwendung

In dem obigen Bild sieht man die Hauptebene des Programms Photolumineszenzspektroskopie.vi, über das man das Experiment zum größten Teil steuern kann. Nachfolgend sollen die einzelnen Elemente des Programms erläutert werden.

Im Bereich Wavelength Sweep kann man ein Wellenlängenintervall mittels Start und Stop angeben, das in einer bestimmten Schrittweite (einstellbar in Step) vom Monochromator durchfahren werden soll. Hat man diese Angaben gemacht, so wird ab der Startwellenlänge sukzessiv bei jeder Wellenlänge das Photolumineszenz-Signal (kurz PL-Signal) gemessen, die man durch Start-, Endwellenlänge und Schrittweite festgelegt hat, wenn man auf Start Measurement klickt. Das PL-Signal wird auch graphisch dargestellt.

Im Bereich DC-Sweep (AUX1) kann man nach Klicken auf den "Leuchtschalter" direkt unter DC-Sweep (AUX1) anstatt Photolumineszenz Elektrolumineszenz messen. Hierbei geschiet die Anregung des Systems nicht über einfallende Photonen, sondern über einen Strom, der durch die halbleitende Probe fließt, um so Emission bei der Probe herbeizuführen. Das nötige Spannungsintervall kann man wiederum via Start und Stop festlegen. Sukzessive kommt man über die eingestellte Schrittweite von der "Start-Spannung" zur "Stop-Spannung". Zu jedem Spannungswert wird das gesamte Wellenlängenintervall unter Wavelength Sweep durchfahren und das PL-Signal gemessen.

Im Bereich Lock-In Setup stehen Daten zum Lock-In-Verstärker. Möchte man daran Veränderungen vornehmen, kann man das nur an der Hardware (also am Verstärker) selbst machen. Das Einzige, was man programmatisch ändern kann ist die Hold Time. Die Hold Time ist die Zeit, die nach dem Anfahren der Wellenlänge gewartet wird, bis Daten zur Speicherung aufgenommen werden.

Im Bereich Measurement Progress wird der aktuelle Verlauf der Messung ständig aktualisiert.

Unter Filename for Autosave kann man den Speicherort/-name der Savedatei angeben. Das sollte man vor einer Messung machen.

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