Catodoluminiscencia, Espectroscopía con alta resolución espacial y temporal  Alec M. Fischer Department of Physics and Ast...
Resumen <ul><li>Semiconductores Emisores de Luz </li></ul><ul><li>Propiedades Ópticas de los Semiconductores Nitruros. </l...
Semiconductores emisores de luz <ul><li>III-nitruros son los materiales mas prometedores para la obtención de alta eficien...
Diodos emisores de luz y Diodos láser <ul><li>Pozos cuánticos múltiples de InGaN son utilizados para confinación de portad...
Por que los III-nitruros son ideales para SSL? (1) Variable banda prohibida para LEDs visibles In x Ga 1-x N  (IR+ Visible...
III-nitruros – GaN e InGaN (desafíos) <ul><li>Alta densidad de dislocaciones (~ 10 9  - 10 10  cm -2 ). </li></ul><ul><li>...
Campos piezoeléctricos <ul><li>GaN tiene una estructura cristalina tipo wurzita. Secuencia de apilamiento: ABAB… </li></ul...
Crecimiento en dirección no polar <ul><li>Los campos piezoelectrónicos dependen de la dirección de crecimiento. </li></ul>...
Emisión de luz en un semiconductor <ul><li>Procesos para la obtención de luz en un semiconductor: </li></ul><ul><ul><li>Ge...
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Emisión de luz E c E v E F h  <ul><li>El estado excitado tiene un tiempo limite de vida. </li></ul><ul><li>Pares electrón...
Que es un exciton? Un exciton es un sistema de 2 partículas Cuando el sólido es excitado se generan pares electrón hueco. ...
Excitones ligados donde  E i  es la energía de ligadura de la impureza Los excitones no están siempre libres Uno de los po...
Espectro de GaN a 4K B. Monemar “Bound excitons in GaN” J. Phys.:Condens. Matter.  13 , 7011 (2001).
Estudio de la luminiscencia Excitación Espectrómetro (wavelength) Detector (Intensidad) PL usa un láser para la excitación...
Catodoluminiscencia CL    electrón entra, fotón sale E c E v h  e - e - h 
Catodoluminiscencia (CL) en un microcopio electrónico de barrido Parámetros: I beam Mag
Mapeando la composición de indio en un pozo cuántico de InGaN S. Srinivasan  et al.,  Appl. Phys. Lett.  80 , 550 (2002). ...
Variación espacial de la  luminiscencia 395 nm 401 nm Variaciones en la emisión local puede ser medida con  alta resolució...
Alta resolución espacial A. M. Fischer , et al.,  Optical Properties of highly luminescent zinc oxide tetrapod powders , A...
Catodoluminiscencia a  tiempo resuelto resolución temporal   Usando la dinámica de los portadores para el estudio de los c...
Pozos cuánticos <ul><li>Un pozo cuántico es formado al colocar un semiconductor con una pequeña banda prohibida entre dos ...
Efectos de los campos piezoeléctricos <ul><li>Campos eléctricos inclinan las bandas </li></ul><ul><li>El pozo cuántico se ...
Efecto Stark de confinamiento cuántico <ul><li>Campos piezoelectronicos inclinan las bandas de los pozos cuanticos </li></...
Eficiencia interna cuántica Incrementando [In] Al aumentar [In], la tensión incrementa. Entonces los campos piezoeléctrico...
Catodoluminiscencia a tiempo resuelto Excitación Tiempo Tiempo Onset Luminiscencia Estado estable Decaimiento Intensidad E...
Tiempo de vida - Recombinaciones Baja concentración de Indio Alta concentración de Indio
Crecimiento no-planar de pozos cuánticos de InGaN <ul><li>Motivación: </li></ul><ul><ul><li>Campos piezoeléctricos reducid...
Espectro Integral de CL S. Srinivasan, M. Stevens, F. A. Ponce, and T. Mukai.   Appl. Phys. Lett.  87 , 131911 (2005) La e...
Imágenes de CL SE CLI S. Srinivasan, M. Stevens, F. A. Ponce, and T. Mukai.   Appl. Phys. Lett.  87 , 131911 (2005) 5   m...
Imágenes de Catodoluminiscencia Cada emisión aparece de una banda delgada bien definida.  Las longitudes de onda increment...
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Eci 2010 Talk Alec Fischer

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Using cathodoluminescence in nanotechnology has been and remains a cornerstone in the development of light emitting diodes and laser diodes with high light intensity. Optoelectronic semiconductors based on nitrides such as AlN, GaN, InN and its alloys have wide forbidden bands ranging from 6.2 (AlN) 0.7 eV (InN), covering the visible spectral range. Today, there is great difficulty in obtaining devices that emit light at longer wavelengths (green-yellow). This is especially due to: (1) compositional instability and phase separation, and (2) the difference in lattice parameters limiting indium incorporation at the interfaces InGaN / GaN and produces piezoelectric fields which separate the carriers (electrons and holes) thereby decreasing the efficiency recombine.

With cathodoluminescence, one can obtain images and spectra with high resolution that show the phase difference and the separation of carriers in quantum wells, respectively. Additionally, one can measure the time of excitation and de-excitation of the recombination of electrons and holes with high temporal resolution via time-resolved cathodoluminescence.

Cathodoluminescence microscopy combined with the electronic transmission and electronic holography provides a correlation of optical properties, structural, and electronic semiconductors which facilitates the researcher in analyzing and solving the physical nature of these materials.

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Eci 2010 Talk Alec Fischer

  1. 1. Catodoluminiscencia, Espectroscopía con alta resolución espacial y temporal Alec M. Fischer Department of Physics and Astronomy Arizona State University Tempe, Arizona, USA Arizona State University
  2. 2. Resumen <ul><li>Semiconductores Emisores de Luz </li></ul><ul><li>Propiedades Ópticas de los Semiconductores Nitruros. </li></ul><ul><li>Catodoluminiscencia en un microscopio electrónico de barrido. </li></ul><ul><li>Catodoluminiscencia: alta resolución espacial </li></ul><ul><li>Catodoluminiscencia: alta resolución temporal </li></ul>
  3. 3. Semiconductores emisores de luz <ul><li>III-nitruros son los materiales mas prometedores para la obtención de alta eficiencia LEDs y LDs. </li></ul><ul><li>La “banda verde” en los nitruros es un problema importante por resolver </li></ul>
  4. 4. Diodos emisores de luz y Diodos láser <ul><li>Pozos cuánticos múltiples de InGaN son utilizados para confinación de portadores </li></ul><ul><li>Capas de revestimiento tipo n o p para confinación óptica </li></ul>Izq. Típica estructura de un LED (5mm) Der. Típica estructura de un LED de alta iluminación
  5. 5. Por que los III-nitruros son ideales para SSL? (1) Variable banda prohibida para LEDs visibles In x Ga 1-x N (IR+ Visible + UV) E g (x) = xE gInN + (1-x)E gGaN – bx(1-x) (2) Obtención de materiales tipo n y p conductivos III-nitruros: convenientes para SSL F. A. Ponce y D. P. Bour, Nature 386, 351 (1997) -δ +δ Ga Ga Ga Ga N
  6. 6. III-nitruros – GaN e InGaN (desafíos) <ul><li>Alta densidad de dislocaciones (~ 10 9 - 10 10 cm -2 ). </li></ul><ul><li>Limites de miscibilidad en aleaciones de InGaN. </li></ul><ul><li>Diagrama de fase de la aleación binaria de GaN e InN. </li></ul>
  7. 7. Campos piezoeléctricos <ul><li>GaN tiene una estructura cristalina tipo wurzita. Secuencia de apilamiento: ABAB… </li></ul><ul><li>Polarización en los nitruros </li></ul><ul><li>(a) Polarización espontánea </li></ul><ul><li>(b) Tensión induce a campos piezoeléctricos (E PS ). </li></ul><ul><li>(c) Efecto de E PS en los pozos cuánticos </li></ul><ul><li> Separación espacial de portadores (e - y h + ), también llamado “efecto Stark de confinamiento cuántico” </li></ul><ul><li> Reducción energética de la </li></ul><ul><li>emisión </li></ul><ul><li> Reducción en la recombinación de </li></ul><ul><li>los portadores </li></ul>
  8. 8. Crecimiento en dirección no polar <ul><li>Los campos piezoelectrónicos dependen de la dirección de crecimiento. </li></ul><ul><li>Se sabe que el crecimiento a lo largo de los planos “m” y “a” (no polares) minimiza los campos piezoelectrónicos a lo largo de la dirección de crecimiento </li></ul>
  9. 9. Emisión de luz en un semiconductor <ul><li>Procesos para la obtención de luz en un semiconductor: </li></ul><ul><ul><li>Generación de pares electrón-hueco </li></ul></ul><ul><ul><li>Relajación y/o difusión de portadores </li></ul></ul><ul><ul><li>Recombinación </li></ul></ul>h 
  10. 10. Semiconductor puro a 0K E c E v Banda de valencia llena de electrones Banda de conduccion esta vacía Estado fundamental E F E c E v Estado excitado Electrones en banda de conducción Huecos en la banda de valencia Generación de pares electrón-hueco E F
  11. 11. Emisión de luz E c E v E F h  <ul><li>El estado excitado tiene un tiempo limite de vida. </li></ul><ul><li>Pares electrón-hueco se recombinan para formar luz </li></ul><ul><li>La energía emitida es aproximadamente igual a la energía de la banda prohibida </li></ul>UV, Blue, Green Yellow-Red Red-IR Rango de  Bandgap (eV) Material 3.42 eV GaN 2.78 eV GaP 1.52 eV GaAs
  12. 12. Que es un exciton? Un exciton es un sistema de 2 partículas Cuando el sólido es excitado se generan pares electrón hueco. Electrón es negativo y hueco es positivo. Existe una fuerza Coulombica atractiva que los une e- h+ Un exciton es como un átomo de hidrogeno. El electrón orbita alrededor del hueco Cuando están juntos, son libres de moverse en la red. Esto se llama exciton libre .
  13. 13. Excitones ligados donde E i es la energía de ligadura de la impureza Los excitones no están siempre libres Uno de los portadores puede ser atrapado por una impureza (átomo). Esto se llama exciton ligado Diferentes impurezas dan como resultado diferentes picos excitonicos ligados.
  14. 14. Espectro de GaN a 4K B. Monemar “Bound excitons in GaN” J. Phys.:Condens. Matter. 13 , 7011 (2001).
  15. 15. Estudio de la luminiscencia Excitación Espectrómetro (wavelength) Detector (Intensidad) PL usa un láser para la excitación Para una mayor resolución espacial se usa un haz de electrones. Esto se llama catodoluminiscencia (CL) Es conveniente clasificar el proceso de luminiscencia dependiendo del tipo de fuente: Luz Fotoluminiscencia Electrones Catodoluminiscencia Campo Eléctrico Electroluminiscencia
  16. 16. Catodoluminiscencia CL  electrón entra, fotón sale E c E v h  e - e - h 
  17. 17. Catodoluminiscencia (CL) en un microcopio electrónico de barrido Parámetros: I beam Mag
  18. 18. Mapeando la composición de indio en un pozo cuántico de InGaN S. Srinivasan et al., Appl. Phys. Lett. 80 , 550 (2002).  = 444nm  = 497nm 1.0  m Low [In] InGaN High [In] InGaN
  19. 19. Variación espacial de la luminiscencia 395 nm 401 nm Variaciones en la emisión local puede ser medida con alta resolución espacial <100 nm
  20. 20. Alta resolución espacial A. M. Fischer , et al., Optical Properties of highly luminescent zinc oxide tetrapod powders , Appl. Phys. Lett. 91 , 121905 (2007).
  21. 21. Catodoluminiscencia a tiempo resuelto resolución temporal Usando la dinámica de los portadores para el estudio de los campos piezoeléctricos en pozos cuánticos
  22. 22. Pozos cuánticos <ul><li>Un pozo cuántico es formado al colocar un semiconductor con una pequeña banda prohibida entre dos semiconductores con banda prohibida mas grande. </li></ul><ul><li>Ventajas al usar pozos cuánticos </li></ul><ul><ul><li>Mejora el confinamiento de portadores </li></ul></ul><ul><ul><li>Mayor probabilidad de recombinación </li></ul></ul><ul><ul><li>Mejora en la eficiencia del dispositivo </li></ul></ul>h  Sapphire 4  m GaN 3 nm InGaN 100 nm GaN
  23. 23. Efectos de los campos piezoeléctricos <ul><li>Campos eléctricos inclinan las bandas </li></ul><ul><li>El pozo cuántico se convierte en un pozo triangular </li></ul>Caso especial de los nitruros: Estructura no-centrosimétrica + interfaces con mucha tensión = Campos Piezoeléctricos
  24. 24. Efecto Stark de confinamiento cuántico <ul><li>Campos piezoelectronicos inclinan las bandas de los pozos cuanticos </li></ul><ul><li>Electrones y huecos se sitúan en las partes opuestas del pozo </li></ul><ul><li>La diferencia en energía entre el electrón y hueco disminuye. </li></ul><ul><li>La emisión de luz se desplaza a mas largas longitudes de onda. </li></ul><ul><li>Cruce de las funciones de onda es reducido. </li></ul>
  25. 25. Eficiencia interna cuántica Incrementando [In] Al aumentar [In], la tensión incrementa. Entonces los campos piezoeléctricos incrementan, el cruce de las funciones de onda se reduce y la eficiencia cuántica interna se reduce.
  26. 26. Catodoluminiscencia a tiempo resuelto Excitación Tiempo Tiempo Onset Luminiscencia Estado estable Decaimiento Intensidad Excitación y luminiscencia en función del tiempo (a) (b)
  27. 27. Tiempo de vida - Recombinaciones Baja concentración de Indio Alta concentración de Indio
  28. 28. Crecimiento no-planar de pozos cuánticos de InGaN <ul><li>Motivación: </li></ul><ul><ul><li>Campos piezoeléctricos reducidos. </li></ul></ul><ul><ul><li>Relajación de la tensión por medio de diferentes planos de desliz. </li></ul></ul><ul><ul><li>Diferencias en incorporación de indio. </li></ul></ul>Convencional Epi (Referencia) En este estudio Previos estudios en pozos cuánticos no planos {10 11 } Appl. Phys. Lett., 2004 P.R. Edwards et al. {1 1 01} J. Appl. Phys., 2004 S. Khatesevich et al. {11 2 2} Appl. Phys. Lett., 2004 K. Nishizuka et al. {11 2 2} Sapphire (0001) 3 nm InGaN QW 4  m GaN 35 nm GaN
  29. 29. Espectro Integral de CL S. Srinivasan, M. Stevens, F. A. Ponce, and T. Mukai. Appl. Phys. Lett. 87 , 131911 (2005) La emisión del pozo cuántico es plana a lo largo rango de longitudes de onda. Non-planar QW Plano “c” QW Picos relacionados a GaN InGaN QW emisión
  30. 30. Imágenes de CL SE CLI S. Srinivasan, M. Stevens, F. A. Ponce, and T. Mukai. Appl. Phys. Lett. 87 , 131911 (2005) 5  m  = 397 nm  = 417 nm  = 439 nm  = 486 nm
  31. 31. Imágenes de Catodoluminiscencia Cada emisión aparece de una banda delgada bien definida. Las longitudes de onda incrementan al acercarse al pico del triangulo S. Srinivasan, M. Stevens, F. A. Ponce, and T. Mukai. Appl. Phys. Lett. 87 , 131911 (2005)
  32. 32. Gracias!!

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