Курсовая работа: Световое излучение в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра

Расчет аналогичного отклика сигнала КЛ для точечного источника генерации пар с учетом диффузии (L ≠ 0) показал зависимость полуширины распределения от скорости поверхностной рекомбинации, которая с приближением источника к поверхности объекта становилась все более выраженной (рис. 8). На рис. 8 изображена зависимость полуширины δ*=δ/L распределения ICL(x) от приведенной скорости поверхностной рекомбинации S=𝜐sτ/L для различных значений приведенной глубины залегания точечного источника Z0=z0/L: 1-Z=0; 2 - 0.05; 3 - 0.1; 4 - 0.2; 5 - 0.3; 6 - 0.5; 7 - 1.0 и 8 - 2.0.

Наличие поверхностной рекомбинации приводит к оттоку носителей на поверхность и к последующей там безызлучательной их рекомбинации, за счет чего уменьшаются диффузионное "расплывание" носителей и полуширина распределения сигнала КЛ, при этом также происходит снижение интенсивности и самого сигнала КЛ. Это "обужение" кривой отклика сигнала КЛ за счет наличия поверхностной рекомбинации для массивного объекта в приближении точечного источника генерации пар может достигать семи крат. Наличие поверхностной рекомбинации приводит к тому, что в приповерхностных слоях объекта время жизни неосновных носителей отличается от его значения в глубине объема τbulk и приобретает некоторое эффективное значение:

,

где τs — время жизни за счет рекомбинации па поверхности. Роль поверхностной рекомбинации существенно возрастает при работе с тонкими объектами. Здесь уже нужно принимать во внимание действие двух поверхностей, ограничивающих объект сверху и снизу. В этом случае даже при отсутствии рекомбинации в объеме

,

где t является толщиной образца, и если даже отсутствует рекомбинация в объеме, т.е. τbulk=∞, то время жизни будет определяться лишь присутствием поверхностей, чему будет соответствовать диффузионная длина, равная

.

Другой возможный путь улучшения разрешения заключается в прикладывании к объекту магнитного поля, направленного вдоль электронного пучка. Сила Лоренца в этом случае препятствует диффузионному размытию избыточных носителей. Впервые это было предложено Спиваком.

За счёт присутствия различных структурных дефектов происходит сильная модуляция КЛ. Из этого следует, что режим КЛ в РЭМ может быть с успехом использован для контроля структурного совершенства полупроводниковых слоев с целью повышения эффективности изготавливаемых из них полупроводниковых приборов, что особенно важно для приборов с гетеропереходами.

При снижении температуры объекта интенсивность рекомбинационного излучения резко возрастает. Это происходит из-за уменьшения доли безызлучательных переходов при охлаждении. Таким образом, переход к азотным и, особенно, гелиевым температурам дает возможность исследования люминесценции материалов с малым внутренним квантовым выходом. В не прямозонных структурах при наличии нескольких механизмов рекомбинации с изменением температуры может измениться сам механизм рекомбинации.

3. Методика экспериментальных исследований

Стандартная экспериментальная установка включает обычный РЭМ или его просвечивающий аналог, систему сбора светового излучения и его вывода за пределы колонны микроскопа (коллекторная система), систему спектрального анализа КЛ-излучения (обычно монохроматор) и систему регистрации. Коллекторная система чаще всего является зеркально-линзовой и конструируется так, чтобы собрать световое излучение с объекта как можно полнее. В качестве детекторов светового излучения при работе в видимой области спектра используют фотоэлектронные умножители, а в ближней инфракрасной области — твердотельные фотодетекторы.

Обычные, наиболее распространенные режимы работы такой установки — регистрация КЛ-изображения объекта и регистрация спектра КЛ-излучения. В первом случае используется либо полный сигнал КЛ и излучение попадает на фотодетектор, минуя монохроматор, либо сигнал КЛ в фиксированном спектральном интервале, так называемый сигнал монохроматической КЛ, для получения которого КЛ-излучение перед попаданием на фотодетектор пропускается через соответствующим образом настроенный монохроматор. В этом режиме сканирование осуществляется электронным зондом по поверхности объекта. Во втором случае электронный зонд неподвижен и установлен на определенную, выбранную точку объекта, а монохроматор сканирует по заданному спектральному диапазону. Таким образом, получают спектр КЛ-излучения из данной точки объекта.

Первые работы по локальной катодолюминесценции выполнялись в рентгеновских микроанализаторах. Для сбора и вывода КЛ излучения использовался световой микроскоп, вмонтированный в камеру объекта (рис. 9). Регистрация проводилась с помощью ФЭУ: либо непосредственно на выходе светового микроскопа (интегральная КЛ), либо после прохода излучения через монохроматор (спектральная КЛ).

Если, кроме зеркал, использовались призмы и линзы светового микроскопа, то это ограничивало спектральный диапазон пропускаемого излучения видимой областью спектра. Интегральную (полную интенсивность излучения) КЛ можно регистрировать, устанавливая световод, подсоединенный к ФЭУ, или просто сами фотоприемники (например, из Ge и PbS) в непосредственной близости к объекту. Фотоприемники можно располагать и под образцом, если он достаточно тонкий. В этом случае реализуется метод КЛ «на просвет», что позволяет наблюдать структурные дефекты в толще материала. Другим способом вывода излучения КЛ из камеры объекта является использование параболического зеркала и фокусирующей линзы (рис. 10). Эффективность сбора КЛ излучения такой системы достигала 95%. Системы, использующие зеркала и линзы, являются сложными в юстировке. Однако в отличие от систем с гибким световодом (например, эллиптическое зеркало, в фокусах которого размещены объект и торец выводящего излучение световода (рис. 11)) они позволяют оптимальным образом завести излучение в щель монохроматора, использовав полностью его угловую апертуру.

Регистрация спектра при использовании монохроматоров происходит последовательно по спектральному диапазону. Применение оптических многоканальных анализаторов (ОМА) позволило перейти от последовательного накопления информации к одновременному по всему спектральному диапазону или по всем временным интервалам импульса релаксации КЛ.

В обоих случаях дисперсия излучения по спектру или по времени трансформировалась в пространственную дисперсию (в первом случае с помощью монохроматора с удаленной щелью на выходе, во втором — с помощью стрейк-камеры); далее эта пространственная картина одновременно считывалась ОМА и накапливалась в различных каналах многоканального анализатора одновременно. Это позволяет существенно сократить время регистрации информации и исключить влияние нестабильностей режима работы установки, которое может быть значительным при длительном времени последовательной регистрации.

В настоящее время, для исследования катодолюминесценции в растровом электронном микроскопе, более широкое распространение получили системы с использованием эллиптического зеркала. На рисунке 12 показана схема исследования CL-излучения с помощью эллипсоидального зеркала.

Во время эксперимента, исследуемая область образца, лежит в первом фокусе эллипсоида (фокусное расстояние f1). Достоинства этой схемы в том, что образец остается видимым для других детекторов, что позволяет проводить одновременно дополнительные измерения (например, EDX-анализ), без внесения каких-либо изменений в образце или в данной системе. Ограничения возникают только из-за определенной геометрии камеры СЭМ.

Излучаемый свет от образца отражается от зеркала и попадает на второй фокус системы (фокусное расстояние f2), проходя через окно в стенке камеры СЭМ без дополнительных оптических компонентов. Здесь сфокусированный пучок света попадает в монохроматор через входную щель (модели SEM-CL), или непосредственно на детектор CL-системы (модели SEM-CL View). В качестве детекторов могут применяться фотоэлектронные умножители или ПЗС матрицы. Весь оптический путь защищен от постороннего света. Зеркало в данной системе является подвижным.

Для регистрации КЛ излучения, и построения цветного изображения объекта используется схема с параболическим зеркалом, показанная на рис. 13.

Идея заключается в том, что спектр катодолюминесценции разделяется фильтрами на три цветовых канала. Каждый канал чувствителен к "своему" спектральному интервалу - красный (R), зеленый (G) и синий (B). Модуляцией яркости и оттенков цветов, с помощью трех соответствующих видеосигналов - R, G и B, можно создать цветное изображение люминесцирующего микрообъекта. Цветовой контраст можно использовать как микро характеристику материала, для отображения дефектов, измерения их плотности, анализа люминесценции центров и состава, проверки динамики процессов кристаллизации и участия примесей в процессе роста кристаллов и пленок и т.д.

Существует сравнительно новый, и хорошо исследованный вид люминесценции, с яркостью, в тысячи раз превышающей яркость других видов люминесценции - импульсная катодолюминесценция (ИКЛ). ИКЛ возбуждается при облучении диэлектриков наносекундными пучками электронов с энергией 100-200 кэВ при потоке импульсной мощности пучка более 10 МВт/см2.

ИКЛ характеризуется следующими особенностями:

-возбуждение люминесценции осуществляется в воздухе при комнатной температуре без специальной подготовки образцов;

-в образцах не возникают необратимые дефекты;

-люминесценция имеет стабильный информативный спектр;

-высокая чувствительность к содержанию примесных ионов;

-возможность проведения анализа чистоты и дефектного состава образцов.

Направления исследований и применения эффекта ИКЛ:

-неразрушающий люминесцентный анализ;

-исследование механизмов миграции энергии возбуждения и трансформации примесных ионов;

-разработка и изготовление настольных автоматизированных импульсных катодолюминесцентных спектрографов.

Примером технической реализации прибора на основе эффекта ИКЛ является спектроанализатор «КЛАВИ». В кристаллах, стекле, керамике, порошке и жидкости люминесценция возбуждается электронным пучком длительностью 1,5 нс с энергией электронов 140-150 кэВ и током 0,3 кА. Область регистрируемого спектра люминесценции – 360 - 850 нм. Прибор отличается компактностью и малым уровнем электромагнитных помех, что делает возможным его интеграцию с комплексом компьютерной обработки спектров, оперативное развертывание и использование в нестационарных условиях.

4. Информативность сигнала катодолюминесценции

Иногда спектральные изменения КЛ по тем или иным причинам бывают столь незначительными, что определить их по самим спектрам не удается. В другом случае, области образца, испускающие КЛ различного спектрального состава, бывают случайно распределенными по образцу и неразличимы ни в интегральной КЛ, ни в других режимах РЭМ. В этих случаях полезно использовать аналог обычной флуоресцентной световой микроскопии — режим цветной КЛ в РЭМ, регистрируя непосредственное цветное КЛ изображение, на котором можно различать ничтожно малые изменения в спектре. Этот метод можно использовать и для фазового анализа. Высокая чувствительность человеческого глаза к изменению цветности может быть использована также для повышения информативности любого изображения путем цветокодирования.

К характеристикам сигнала КЛ, которые несут полезную информацию об объекте, в основном относятся полная интенсивность КЛ-излучения, так называемая интегральная интенсивность и спектральный состав сигнала КЛ. Рассмотрим примеры получаемой информации при регистрации этих характеристик.

4.1 Интенсивность сигнала интегральной катодолюминесценции

Это наиболее просто регистрируемая характеристика сигнала КЛ. Изображение в этом случае представляет собой не что иное, как карту распределения по поверхности объекта темпа фотонной эмиссии, причины изменения которого при переходе с одного места объекта на другое могут быть различными.

Интенсивность КЛ-излучения зависит от нескольких параметров, каждый из которых может иметь неоднородное распределение по поверхности объекта.

Например, наличие на поверхности металлических контактов приводит к изменению степени потерь энергии электронами зонда непосредственно в основном материале объекта и соответственно к изменению люминесцентных характеристик по поверхности объекта. Наличие пленок загрязнений или вариации толщины диэлектрических покрытий могут приводить к вариациям степени отражения света от границы объект—вакуум при его выходе из объекта. Имеется большое число факторов, влияющих на соотношение эффективности каналов излучательной и безызлучательной рекомбинации в различных местах объекта, что сказывается на локальных люминесцентных характеристиках. К ним относятся, например, тип и концентрация легирующей примеси и наличие дефектов структуры. Последние чаще всего проявляют себя как центры безызлучательной рекомбинации и выглядят на изображении в виде темных пятен.

4.2 Спектральный состав сигнала катодолюминесценции

Спектр КЛ-излучения несет информацию о механизмах излучательной рекомбинации, которые имеют место в данной области объекта. Выделяя с помощью монохроматора тот или иной участок спектра, соответствующий определенному механизму излучательной рекомбинации, и используя этот сигнал для построения изображения, получают карту распределения данного рекомбинационного механизма по поверхности объекта. Такая картина будет представлять собой карту распределения отдельных фаз по поверхности объекта, если каждой фазе соответствует КЛ-эмиссия в определенном участке спектра. Такой режим можно использовать для неразрушающего контроля многослойных структур, если каждый слой характеризуется своим диапазоном длин волн КЛ-излучения. При наличии более чем двух фаз наглядным является цветное представление изображения, например методом цветной КЛ, при которой также легко заметить взаимное проникновение фаз одной в другую.

Внесенные деформации могут приводить к появлению темных точек на изображении из-за появления центров безызлучательной рекомбинации, связанных со структурными дефектами, а также, образованию новых излучательных центров, связанных с перераспределением в деформационном поле атомов примесей.

Успехи методов эпитаксиального выращивания привели к созданию специальных высокосовершенных гетероструктур, таких, как структуры с квантовыми ямами, в которых чередуются слои полупроводниковых материалов с разной шириной запрещенной зоны и где можно создать условия для возникновения квантоворазмерного эффекта. Квантовая яма представляет собой тонкий слой узкозонного материала, помещенный между слоями широкозонного материала, и является дня носителей заряда двумерной структурой. В первом приближении энергетические положения электронов в квантовой яме могут быть рассчитаны с помощью квантовой механики. Важными люминесцентными свойствами таких ям являются, во-первых, сильная зависимость энергии эмитируемого фотона от толщины слоя ямы, во-вторых, поскольку в слое ямы удерживаются как электроны, так и дырки, там формируются экситоны с сильной связью, а так как экситоны имеют тенденцию рекомбинировать излучательно, то эффективность излучательной рекомбинации в слое ямы велика вплоть до комнатных температур. Насколько высока чувствительность излучения к изменению толщины слоя ямы, говорит тот факт, что изменение толщины слоя на высоту лишь одного монослоя смещает положение экситонного пика на несколько нанометров, что легко поддается измерению.

Поэтому предложено использовать экситон в квантовой яме для контроля нарушения границ слоя ямы. Таким образом, получая изображения в монохроматической КЛ, на границах раздела удалось обнаружить гигантские (в несколько нанометров) островки роста толщиной в один монослой (рис. 15).

В КЛ-режиме, меняя ускоряющее напряжение и наблюдая спектры, можно реализовать уникальную возможность метода и получать информацию об объекте в третьем измерении. Она незаменима при изучении ионно-имплантированных объектов, так как глубина проникновения в объект 1—20-кэВ электронов сравнима с глубиной проникновения 50—200-кэВ ионов, обычно используемых в полупроводниковой технологии. Исследования (рис. 16) подтвердили вторичный эффект вбивания имплантированных атомов, поскольку полоса люминесценции с энергией 1,2 эВ на вызванных ими дефектах наблюдалась с глубин на несколько сот нанометров больше проекции пробега имплантированных ионов на нормаль к поверхности (110 нм).

Получение спектров локальной КЛ при низких температурах открывает новые возможности анализа отдельных участков объекта. Действительно, за исключением полос излучения, соответствующих рекомбинациям зона-зона и свободного экситона, а также рекомбинации через локализованные состояния в запрещенной зоне, образованные дислокациями, все остальные полосы излучения обусловлены рекомбинацией с участием примесных атомов. Для каждого полупроводникового материала создаваемые примесями уровни в запрещенной зоне могут быть табулированы и, если переходы через эти уровни являются излучательными, по соответствующим им линиям в спектре излучения можно судить о наличии данной примеси в анализируемом объеме объекта, т.е. осуществлять качественный микроанализ, аналогичный рентгеноспектральному, но с чувствительностью на несколько порядков выше (предел обнаружения оценивается концентрацией 1014 см-3 и даже ниже). При использовании метода "цветной" катодолюминесценции этот предел может быть еще снижен за счет повышенной чувствительности глаза к вариациям цвета.

Что касается количественного КЛ-микроанализа, то в отличие от рентгеноспектрального, где количественные методы хорошо разработаны, здесь практически отсутствуют теоретические разработки и не найдены зависимости, связывающие концентрацию примеси, интенсивность КЛ-излучения и параметры зонной структуры. Существенное затруднение вызывает учет роли безызлучательной рекомбинации и контроль эффективного уровня возбуждения. Одним из возможных путей в этом направлении является сравнение интенсивности рассматриваемой линии с интенсивностью некоторой другой линии-репера, которая определяется временем жизни носителей. В качестве репера может служить (в условиях линейной рекомбинации) линия собственной люминесценции, а если это невозможно, то группа линий или полоса краевого излучения. Полоса в спектре, соответствующая межзонной рекомбинации, в некоторых случаях также может быть использована для определения состава, но уже самой матрицы. Одно из преимуществ использования для этого спектров локальной КЛ по сравнению с рентгеноспектральным анализом это возможность реализации более высокого пространственного разрешения за счет использования более низких ускоряющих напряжений.

Следует напомнить еще об одной уникальной возможности КЛ-метода, который позволяет исследовать кинетику процессов возгорания и гашения люминесценции. Знание времени жизни неравновесных носителей на различных уровнях очень важно с фундаментальной и прикладной точек зрения. Теоретически этот вопрос решить очень трудно из-за большого количества параметров. Локальная КЛ с временным разрешением сочетает преимущество электронно-зондового прибора в исследовании небольших объемов объекта с возможностью исследования процессов захвата при наблюдении за поведением отдельных линий и полос в спектре КЛ со временем.

полупроводник люминесценция легирующий излучение

Заключение

Методом локальной КЛ в настоящее время исследуются самые различные объекты: полупроводники, диэлектрики, металлы, полимерные и синтетические ткани и волокна, ракетное топливо, нитевидные монокристаллы и многие другие.

Методы локальной катодолюминесценции нашли широкое применение для исследования объектов различной природы, в том числе геологических и даже биологических. Так, в применимости к геологическим объектам методы локальной КЛ позволили выявить фазовый состав вулканического стекла, образцов почв, глин и лунного реголита. Имеется большой обзор по исследованиям геологических образцов методом локальной катодолюминесценции.

В данной работе была опущена тема использования КЛ-методики для исследования теологических и биологических объектов, поскольку они зачастую требуют специфических методик препарирования образцов непосредственно перед помещением их в микроскоп.

Что касается ближайших перспектив развития КЛ-микроскопии, то здесь, по-видимому, следует отметить следующее.

1. Переход от качественных методов к количественным. Это касается как определения значений отдельных электрофизических параметров объекта, так и концентрации люминесцирующих примесей. Учитывая, что чувствительность КЛ-анализа во много раз (по крайней мере, в 105 раз) выше чувствительности локального рентгеноспектрального микроанализа, КЛ-методика позволила бы контролировать реально используемые концентрации легирующих примесей в ряде полупроводников.

2. Расширение рабочего диапазона длин волн исследуемого КЛ-излучения в область ближнего ультрафиолетового и инфракрасного излучений. В последнем случае необходима разработка специальных фотоприемников с большой рабочей площадкой и повышенной чувствительностью.

Литература

1. B.G. Yacobi, D.B. Holt. Cathodoluminescence Microscopy of Inorganic Solids New York. Springer. 1990.

2.  Петров В. И. Соросовский образовательный журнал. 1997. №10. С.126-132.

3.  Иванов С. Наноиндустрия. Низковольтная растровая электронная микроскопия для исследования наноматериалов. 2009. №4. с.66-70.

4.  http://www.optec.zeiss.ru/electro/

5.  http://www.gatan.com

6.  http://www.emsystems.biz

7.  http://www4.nau.edu/microanalysis/Microprobe-EM/Signal_Detection.html

8.  http://www.geos.ed.ac.uk/facilities/sem/CL.html

9.  http://spie.org/