Световое излучение в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра (стр. 5 из 5)
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 концентрациилюминесцирующихпримесей.Учитывая,что чувствительность КЛ-анализа во много раз (по крайней мере,в105раз) выше чувствительности локального рентгеноспектральногомикроанализа,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/