Infrared Photoluminescence Spectroscopy

Význam tématu

Photoluminescenční (PL) spektroskopie v infračervené oblasti představuje zásadní metodu pro charakterizaci polovodičových materiálů a heterostruktur. Umožňuje studium pásové struktury, excitonových jevů, kvality vzorků i fononových mód v kvantových strukturách a hmotných vzorcích. Díky vysoké citlivosti a rozlišení nachází uplatnění při vývoji a kontrole optoelektronických zařízení, jako jsou lasery, LED či senzory.

Cíle a přehled studie / článku

Tento Application Note představuje PL řešení založená na FT-IR spektrometrech Bruker (VERTEX a INVENIO R). Popisuje výhody FT-IR technologie oproti disperzním systémům, modulární PLII NIR modul pro rychlá měření v blízké infračervené oblasti a vakuové PL moduly pro náročné mid-IR aplikace s krok-skanem a modulací excitace.

Použitá metodika a instrumentace

Spektroskopie je založena na výhodách FT-IR: vysokém optickém průtoku (Jaquinotova výhoda), multiplexu (Fellgettova výhoda), nastavitelné spektrální rozlišovací schopnosti a přesnosti díky kontrolnímu laseru interferometru. Pro NIR PL se využívá kontinuální wave (cw) lasery (532 nm, 1064 nm), vysoce citlivé InGaAs detektory a PLII modul. Pro mid-IR PL se aplikuje modulovaná excitace, krok-skan a lock-in detekce v synergie s vakuovým spektrometrem VERTEX 80v.

Použitá instrumentace

• FTIR: VERTEX, vakuum, INVENIO R
• Moduly PL: PL module, PLII
• Režim Semiconductors: Step-Scan
• Chlazení: Cryostat, pulse tube
• Photoreflectance: Amplitude modulation

Hlavní výsledky a diskuse

V NIR oblasti lze při rozlišení <0,06 cm⁻¹ (≤7,5 μeV) zaznamenat PL spektra kvantových jamek (InGaP, AlGaInAs MQW) i GaAs substrátů za několik sekund. Atmosférická absorpce je v NIR minimální, vakuový spektrometr proto není nutný. Pro VIS rozšíření stačí Si avalanche fotodioda a vhodný beam splitter. V mid-IR jsou robustně odstraněny vodní páry a CO₂ absorpce díky vakuovému plášti a potlačení 300 K pozadí modulovanou excitací a lock-in demodulací. Příklad MIR PL PbS při pokojové teplotě ukazuje čisté spektrum bez časových fluktuací i silného termálního záření.

Přínosy a praktické využití metody

• Vysoká citlivost a spektrální rozlišení v celém IR spektru
• Rychlá měření NIR PL bez nutnosti vakuového provozu
• Flexibilní modulární řešení pro různé vlnové oblasti a teplotní podmínky
• Integrovaná funkce reflectance/transmittance a photomodulated reflectance

Budoucí trendy a možnosti využití

Systémy FT-IR PL modulů budou dále integrovat vyšší výkon excitace, automatizované mapování vzorků a rozšíření do UV/VIS oblasti. Očekává se zvýšené využití v reálném čase pro inline QC, v kvantových nanostrukturách a v rozvíjejících se fotonických aplikacích. Rozvoj bezkryogenních detektorů a pokročilá softwarová analýza přispějí k vyšší propustnosti a citlivosti.

Závěr

Bruker FT-IR řešení s PLII modulem a vakuovými moduly poskytují komplexní platformu pro NIR až MIR fotoluminiscenční analýzu. Nabízejí nejlepší kombinaci rozlišení, citlivosti a uživatelské flexibility pro výzkum i průmyslovou kontrolu kvality polovodičových materiálů a optoelektronických zařízení.

Reference

1. P.R. Griffiths, Fourier Transform Infrared Spectroscopy, 2nd ed., Wiley-Interscience (2007)
2. T. Gründl et al., GaInAsN growth studies for InP-based long-wavelength laser applications, J. Crystal Growth 311 (2009) 1719–1722
3. A. Jaffrès et al., Photon management in La2BaZnO5: Tm3+, Yb3+..., Chem. Phys. Lett. 527 (2012) 42–46
4. S. Sauvage et al., Midinfrared unipolar photoluminescence in InAs/GaAs..., Phys. Rev. B 60 (1999) 15589–15592
5. J. Shao et al., Modulated photoluminescence spectroscopy..., Rev. Sci. Instrum. 77 (2006)
6. C.J. Manning & P.R. Griffiths, Noise Sources in FT-IR Spectrometry, Appl. Spectrosc. 51(8) (1997) 1092–1101
7. M. Motyka, Fourier Transformed Photoreflectance and Photoluminescence of Mid Infrared GaSb-Based Type II QWs, Appl. Phys. Express 2 (2009) 126505
8. D. Stange et al., Optical Transitions in Direct-Bandgap Ge1−xSnx Alloys, ACS Photonics (2015)
9. T.J.C. Hosea et al., Photo-modulation spectroscopy for narrow band-gap materials..., Phys. Status Solidi (a) 202(7) (2005) 1233–1243
10. Ma Li-Li et al., Spectral Resolution Effects on the Lineshape of Photoreflectance, J. Mod. Opt. 28(4) (2011) 047801