Photoluminescence (PL)

Photoluminescence (PL) Process Design Lab 김 선 희

Introduction Photoluminescence(PL)의 원리 PL Measurement Example

Photoluminescence(PL)의 원리

What is Luminescence ? • Luminescence (발광) 외부에너지를 가하여 줌으로서 그 물질 내의 고유한 전자 상태간의 전이(transition)에 의해 흡수된 에너지를 빛 형태로 방출하면서 원래의 평형상태로 되돌아가는 일련의 물리적 현상 ※ 전자를 여기 시키는 외부에너지 종류에 따라 - 빛 발광 (photoluminescence) - 전계 발광 (electroluminescence) - 음극선 발광 (cathodoluminescence) - 생물학적 발광 (Bioluminesence)

Photoluminescence 원리 가전자대에 있던 전자가 Photon 에너지 흡수하여 전도대로 올라감 (e-h pair 형성) e–h pair를 이루고 있던 전자와 정공간의 재결합 과정 복사성 재결합에 의한 Photon 에너지의 방출과정 Photon(빛)을 이용한 발광

Photoluminescence의 분류 • Photoluminescence 1) Band to Band Luminescence 2) Exciton Luminescence 3) Band to impurity Luminescence ( Free to Bound ) 4) Donor – Acceptor Pair Luminescence 1) Band to Band Luminescence - 전도대의 electron과 가전자대의 hole의 직접적인 재결합 - 불순물이 전혀없는 순수한 물질에서 관측되며, 비교적 높은 온도(상온)에서도 나타난다

Photoluminescence의 분류(2) 2) Exciton Luminescence a. Free exciton - 전도대의 전자와 가전자대의 정공이 쿨롱 상호작용으로 인한 결합. 밴드갭이 작은 반도체성 결정에서 나타난다. - Exciton 발광에 의한 에너지 hv = Eg-Ex (Ex= exciton의 binding Energy) b. Bound Exciton - 반도체내에 free exciton이 impurity들이나 defect들에 구속되어 있는 상태 - 가전자대의 free electron과 acceptor준위의 hole과의 재결합 (A,x) - 전도대의 hole과 donor준위의 electron과의 재결합 (D,x) - Peak의 에너지, 형태, 크기의 변화로서 residual impurity와 dopant의 도핑효과 를 알아 볼 수 있다 - Bound Exciton 발광에 의한 에너지 hv = Eg – Ex – Ebx (Ebx= B.E.의 Binding Energy)

Photoluminescence의 분류(3) 4) Donor – Acceptor Pair Luminescence - electron을 구속하여 중성상태를 유지하고 있는 donor와 hole을 구속하여 중성상태를 유지하고 있는 acceptor간의 radiative 재결합을 말함

PL Measurement

PL Measurement (1) 1. Laser의 전원을 올려 laser 가동 (약 30분간 warm up). 2. 각종 optics (mirror, copper)를 점검 3. 표준 시료를 이용한 spectrometer calibration 4. Sample 측정 5. Spectrum을 해석 [시료의 준비] [실험순서] • 비파괴 평가법로 전극이나 표면연마 등을 필요로 하지 않는다. - 시료 두께 : 1㎛ 정도 - 시료 크기 : 여기 광의 spot크기 이상

PL Measurement (2)

PL Measurement (3) • Light source : Band gap 이상의 에너지를 갖는 빛 이용 : He-Ne 레이저(red,632.8nm), Ar+레이저(blue, 488nm), He-Cd 레이저(uv, 325nm) • Chopper : 광 스위치 역할 • Filter : 레이저의 광 중에 발진선 이외에, 약한 레이저 플라즈마선의 혼입을 차단 (간섭필터, 컬러글라스필터,….) • Cryostat : 저온 유지 장치 • Monochromator : 단색화 장치 • Detector • Lock-in amplifier : Low frequency noise 를 효과적으로 제거

장 점 빠른 측정시간 비 파괴 분석 (non-destructive analysis) Beam alignment, surface flatness, sample thickness의 영향을 적게 받음. 단 점 불순물, 계면의 밀도 등의 정확한 측정이 어렵다. 액체 시료의 측정이 어렵다. PL Measurement 특성

Example

GaN 360.3 Intensity (counts/s) Wavelength (nm) Example (1) – band gap energy 측정 • E= hv = hc/파장 = (6.63 × 10-34 J*s)*(3×108 m/sec) 360.3 nm = 5.52 * `10-19 J = 3.44 eV (1 eV. = 1.601 x 10-19 J) • GaN band gap energy = 3.39eV

Example (2) - 성분 분석 PL spectra of three epitaxial Si samples, Thewalt et al. Equip. : PL+SRA (spreading resistance analysis depth profiling) (a~c) : epitaxial Si sample (d) : substrate material

Example (3)- defects 측정 Photoluminescence characterization of the surface layer of chemically etched CdTe J. Garcia-Garcia et al. (1989) The effects of several reducing and oxidizing etches on CdTe surfaces have been characterized by photoluminescence. For excitation, several lines from three different types of gas lasers, emitting at 325nm(He-Cd laser), 488nm (argon-ion laser), and 632.8m,(He-Ne laser) were used.

Example(4) –Image mapping ■ Mapping of the area of the PL peak InGaNMQW/GaN/ Sapphire base 2 inch wafer

Example (5) - 미 플로리다대 재료공학과 박사과정에 있는 김광훈(金廣勳·30)씨가 개발. - 김씨가 개발한 폭발물 탐지의 기본 원리는 ‘광발광’(光發光 Photoluminescence) 현상. 빛을 비추면 전자가 에너지를 받아 ‘들뜬’ 상태가 된다. 전자는 다시 원래의 평형 상태로 돌아가려고 하는데, 이때 흡수한 에너지를 빛의 형태로 내놓게 된다. (조선일보 2004.11.28) 폭발물에 레이저 비추면 '들뜬' 상태돼 원래상태 돌아갈때 나오는 705㎚ 빛 탐지

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