Световое излучение в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра (стр. 1 из 5)
План
Введение
1. Формирование катодолюминесцентного излучения
1.1 Генерация неравновесных носителей заряда
1.2 Движение и рекомбинация неравновесных носителей
2. Пространственное разрешение катодолюминесцентной микроскопии
3. Методика экспериментальных исследований
4. Информативность сигнала катодолюминесценции
4.1 Интенсивность сигнала интегральной катодолюминесценции
4.2 Спектральный состав сигнала катодолюминесценции
Заключение
Литература
Введение
Явление катодолюминесценции (КЛ) — возникновение светового излучения в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра под действием электронного облучения — известно давно. Первоначально интерес к этой области был связан с исследованием и использованием люминофоров. В процессе решения практической задачи создания оптимальных покрытий экранов электронно-лучевых трубок были исследованы процессы излучательной рекомбинации и особенности зонной структуры полупроводниковых соединений. Сам же метод катодолюминесценции, наряду с другими методами, такими, как фотолюминесценция, оптическое поглощение и отражение света, занял прочное место в исследовательской практике при изучении зонной структуры твердого тела (главным образом тех энергетических уровней, которые принимают участие в процессах излучательной рекомбинации).
В последнее время в связи с быстрым развитием оптоэлектроники интерес к катодолюминесценции существенно возрос. Создание высокоэффективных полупроводниковых лазеров и светодиодов, представляющих собой многослойные структуры с толщиной слоев в единицы или десятки микрометров, потребовало разработки новых методов, которые обладали бы высокой локальностью и позволяли бы контролировать внутри этих слоев распределение центров излучательной рекомбинации, создаваемых направленным введением активных примесей в процессе выращивания. В этом смысле большие возможности предоставила растровая электронная микроскопия.
Особенности построения изображения в растровом электронном микроскопе (РЭМ) заключаются в его существенных отличиях от общеизвестных оптических и просвечивающих электронных микроскопов. В РЭМ, схема которого приведена на рис. 1, отсутствует отображающая оптическая система, которая в других микроскопах обеспечивает однозначное соответствие между точками объекта и точками изображения.
В РЭМ электромагнитные линзы лишь служат для формирования тонкого электронного зонда (до 2 нм), который с помощью отклоняющей системы заштриховывает весь наблюдаемый участок объекта рядом параллельных строк - растром, аналогичным растру в телевизионной трубке.
В результате взаимодействия электронов первичного пучка с объектом возникает целый ряд явлений — вторичная электронная эмиссия, характеристическое рентгеновское излучение, катодолюминесценция и др. (рис 2), каждое из которых может быть использовано для модуляции интенсивности на экране.
Исследование изображений в РЭМприиспользовании различных сигналов позволяет при минимальных требованиях к образцу получать многообразную информацию, например, при использовании эмиссии вторичныхэлектронов — о топографии поверхности и распределении электрических имагнитных полей, при использовании отраженных электронов — о составе объекта и, наконец, при использовании эффекта каналирования первичных электронов пучка — о кристаллической структуре объекта.
Сфокусированный электронный зонд позволяет существенно ограничить (локализовать) область генерации света и таким образом уже исследовать распределение люминесцентных свойств по поверхности объекта. Последнее стало возможным при использовании растрового электронного микроскопа из-за предоставляемой им возможности получения электронно-микроскопического изображения объекта в люминесцентном сигнале и точного позиционирования электронного зонда на поверхности объекта по его изображению.
Для формирования изображения может использоваться любой вторичный сигнал от объекта, возникающий из-за электронного облучения объекта, например сигнал от вторичных электронов, светового и рентгеновского излучения и др. Яркость данной точки изображения определяется величиной используемого сигнала, исходящего из соответствующей точки объекта. Для построения изображения необходимо однозначное соответствие между положениями электронного зонда на объекте и точкамиизображении на экране.
Другим отличием РЭМ является возможность одновременного получения изображений одного и того же объекта в различных сигналах, а также присущая РЭМ очень большая глубина резкости (в 10-100 раз больше, чем у оптического микроскопа), что исключает специальные требования к качеству поверхности исследуемого объекта. Единственным условием для получения изображения в РЭМ является наличие достаточной электропроводности по поверхности объекта, обеспечивающей возможность стекания вносимого электронным зондом электрического заряда, что в случае диэлектриков достигается напылением на объект тонкой металлической пленки.
1. Формирование катодолюминесцентного излучения
Катодолюминесценция – это эмиссия света, которая производится атомом возбужденным электроном с высокой энергией. Способностью к катодолюминесценции обладают газы, молекулярные кристаллы, органические люминофоры, кристаллофосфоры, однако только кристаллофосфоры стойки к действию электронного пучка и дают достаточную яркость свечения. Именно они и применяются в качестве катодолюминофоров.
Катодолюминесценция обнаружена в середине 19 в. до открытия электрона; пучок электронов, вызывающий свечение стеклянных стенок вакуумированных трубок, называли катодными лучами, и поэтому само свечение было названо катодолюминесценцией. Как физическое явление впервые начал изучать Уильям Крукс (W. Crookes) в 70-х гг. 19 в.
Три фундаментальных процесса участвуют в создании КЛ-эмиссии. Это - генерация, движение и рекомбинация неравновесных носителей заряда. Рассмотрим эти процессы в отдельности.
1.1 Генерация неравновесных носителей заряда
Падающие на объект быстрые облучающие электроны за счет взаимодействия с материалом объекта претерпевают потери энергии и тормозятся. Для упрощения оценок потерь энергии обычно используется модель непрерывной передачи энергии от первичного электрона объекту и средняя потеря энергии электроном на единицу пути вдоль траектории s за счет действия всех механизмов потерь энергии выражается формулой Бете:
(1)где е - заряд электрона,
- число Авогадро, 
- плотность материала объекта, А - атомный вес, Z - атомный номер, Е - средняя энергия электрона и J - средний потенциал ионизации.В области потерь энергии, которую еще называют областью возбуждения, протекают вызываемые электронной бомбардировкой разнообразные вторичные процессы за счет электронных переходов в объекте. Размер области возбуждения близок по величине к глубине проникновения первичных электронов Re и может быть оценен по формуле:
(2)где A измеряется в г моль-1,
– в г см-3 и E0 – в кэВ. На рисунке 3 приведены зависимости величины Re от энергии падающих электронов для некоторых материалов. 
Форма области возбуждения зависит от атомного номера материала объекта и изменяется от грушеподобной для материалов с низким атомным номером, становясь далее близкой к сферической для материалов с 15 < Z < 40 и полусферической для материалов с более высоким атомным номером. Следует отметить существенную разницу в форме и размерах области возбуждения для тонкоплёночных и массивных объектов (рис. 4).
Размеры области, где имеет место тот или иной вторичный процесс, иначе, области генерации сопутствующего ему сигнала определяются энергией активации данного процесса. В полупроводниках рассеянная в объекте энергия падающих электронов может частично пойти на образование неравновесных электронно-дырочных пар, вызывая тем самым существенное увеличение числа подвижных носителей заряда. Валентные электроны могут переводиться с различных уровней валентной зоны на различные уровни зоны проводимости, но лежащие выше максимального уровня электронов, рожденных за счет тепловой генерации, из-за чего средняя энергия образования одной электронно-дырочной парыEiнесколько превышает ширину запрещенной зоны Eg и равна:
,(3)где 0 < M < 1 эВ и зависит от материала объекта, оставаясь независимой от энергии падающих электронов. Значения Ei для некоторых материалов следующие (в скобках приведены значения Eg при 300 К): InSb — 0.42 эВ (0.16 эВ), РЬS — 2.05 эВ (0.41 эВ), GaAs — 4.6 эВ (1.43 эВ), CdTe —4.65 эВ (1.5 эВ), GаР - 7.8 эВ (2,24 эВ). В электронном микроскопе средняя энергия образования одной электронно-дырочной пары существенно меньше энергии падающего электрона и один электрон с энергией 10-20 кэВ по траектории своего движения в объекте может создать несколько тысяч электронно-дырочных пар. Эта величина является фактором генерации и дается выражением:
,(4)