LT5461B

LT5461B - Method for determination of stimulated emission threshold in semiconductors

Info

Publication number: LT5461B
Application number: LT2006018A
Authority: LT
Inventors: Kęstutis JARAŠIŪNAS; Ramūnas ALEKSIEJŪNAS; Tadas Malinauskas
Original assignee: Vilniaus Universitetas
Priority date: 2006-03-15
Filing date: 2006-03-15
Publication date: 2007-12-27
Also published as: LT2006018A

Abstract

The invention is intended for metrology of semiconductor materials for optoelectronics, in particularly, for determination of stimulated emission threshold of semiconductor layers and structures under optical pumping. It can be used for characterization of semiconductor crystals and structures, designed for manufacturing of semiconductor lasers. A method for determination of stimulated emission threshold of semiconductors uses for optical pumping two coherent beams which induce spatially modulated free carrier pattern in a semiconductor, monitor the diffraction efficiency of the modulated structure by optical probe pulse, measure the diffraction efficiency of the probe beam at various pumping beam energies, and determine the stimulated emission threshold of a semiconductor as the optical pumping energy, at which the saturation of diffraction efficiency takes place. Another variation of the method is based on measurement of the decay kinetics of probe beam diffraction efficiency at various pumping be

Description

Pasiūlymas yra iš medžiagų metrologijos srities, o būtent - puslaidininkinių medžiagų optinių savybių matavimo srities, ir gali būti panaudotas nustatyti priverstinės spinduliuotės atsiradimą puslaidininkinėse medžiagose optinio kaupinimo sąlygomis. Pasiūlytas būdas gali būti taikomas medžiagų, skirtų puslaidininkinių lazerių gamybai, charakterizavimui bei šių medžiagų gamybos technologijos įvertinimui.The proposal is from the field of materials metrology, namely the measurement of optical properties of semiconductor materials, and can be used to detect the occurrence of forced radiation in semiconductor materials under optical storage conditions. The proposed method can be applied to characterize materials for the production of semiconductor lasers and to evaluate the technology of production of these materials.

Žinomas optinis būdas priverstinės spinduliuotės slenkstinės energijos nustatymui optinio kaupinimo metodu, aprašytas knygoje “Group III Nitride Semiconductor Compounds: Physics and Applications. Ed. B.Gil, Clarendon Press, Oxford, 1998 , psl.213-[J. J. Song, W. Shan, “Optical properties and Iasing in GaN”. In “Goup III Nitride Semiconductor Compounds”, ed. By Bemard Gil, Clarendon Press, Oxford, 1998]. Tiriamoji medžiaga kaupinama lazeriniu impulsu, kurio kvanto energija yra didesnė nei draustinės energijos juostos plotis, todėl sukuriama didelė nepusiausvirųjų krūvininkų koncentracija. Naudojamos kelios optinės konfigūracijos, kurioms bendras yra tiriamojo kristalo paviršiaus žadinimas fokusuotu pluošteliu. Vienoje konfigūracijoje fotoemisįjos signalas registruojamas iš bandinio briaunos, statmenos paviršiui, o kitoje šis signalas registruojamas atbulinės sklaidos kryptimi nuo žadinamojo paviršiaus. Abiem atvejais matuojamas fotoemisįjos spektras bei jo intensyvumas prie įvairių žadinančio spindulio energijos tankių. Priverstinės rekombinacijos atsiradimo požymiai yra emisijos linijos spektro susiaurėjimas ir šios spektro linijos intensyvumo supertiesinė priklausomybė nuo žadinimo energijos. Priverstinės rekombinacijos slenkstinė energija nustatoma iš emisijos intensyvumo priklausomybės nuo žadinimo galios tankio ir atitinka žadinimo galios vertę, ties kuria prasideda emisijos intensyvumo supertiesinė auginio sparta.A known optical method for the determination of a forced-energy threshold energy by optical storage is described in Group III Nitride Semiconductor Compounds: Physics and Applications. Ed. B.Gil, Clarendon Press, Oxford, 1998, p.213- [J. J. Song, W. Shan, Optical Properties and Iasing in GaN. In Goup III Nitride Semiconductor Compounds, ed. By Bemard Gil, Clarendon Press, Oxford, 1998]. The test material is collected by a laser pulse having a quantum energy greater than the bandwidth of the reserve energy, resulting in a high concentration of non-equilibrium charges. Several optical configurations are used which have in common the excitation of the surface of the crystal under investigation by a focused beam. In one configuration, the photoelectric signal is recorded from the edge of the specimen perpendicular to the surface, while in the other, the signal is recorded in the reverse direction from the excitation surface. In both cases, the photoemissive spectrum and its intensity at various excitation beam energy densities are measured. Signs of forced recombination are the narrowing of the emission line spectrum and the super-linear dependence of the intensity of this spectrum line on the excitation energy. The threshold energy for forced recombination is determined from the dependence of the emission intensity on the density of the excitation power and corresponds to the value of the excitation power at which the super-linear growth rate of the emission intensity begins.

Žinomo būdo analogo trūkumas yra tai, kad jį naudojant yra būtinas bandinio briaunos, statmenos žadinimo paviršiui, optinis paruošimas ir nuo šios briaunos kokybės priklausanti priverstinės spinduliuotės slenkstinės energijos vertė. Registruojant emisijos signalą atbulinės sklaidos kryptimi, priverstinės spinduliuotės slenkstinės energijos vertė dažnai priklauso nuo fokusuojamo žadinimo pluoštelio skerspjūvio ploto ties bandiniu (dėl pastarojo mikrostruktūros nevienalytiškumo).A drawback of the known method analogue is that it requires the optical preparation of the specimen edge perpendicular to the excitation surface and the value of the forced-energy threshold energy dependent on the quality of this edge. When recording the emission signal in the reverse direction, the value of the forced-energy threshold energy often depends on the cross-sectional area of the excited beam at the sample (due to the latter's microstructure heterogeneity).

Analogo trūkumams pašalinti priverstinės spinduliuotės slenkstinės energijos nustatymo būde, kuriame optinį kaupinimo kanalą sudaro impulsinis lazerinis pluoštelis, kuris apšviečia tiriamąjį puslaidininkį, naujai optinio kaupinimo kanale papildomai įveda antrąjį optinio kaupinimo pluoštelį, sudaro du optinio kaupinimo kanalus, kuriais vienu metu apšviečia tiriamojo objekto paviršių ir jame užrašo nepusiausvirųjų krūvininkų dinaminę gardelę, papildomai įveda zonduojantį optinį pluoštelį, kuriuo matuoja dinaminės gardelės difrakcinį efektyvumą prie įvairių kaupinimo pluoštelio energijos tankių, ir priverstinės spinduliuotės slenkstinę energiją nustato iš kaupinimo pluoštelio energijos vertės, prie kurios stebimas difrakcinio efektyvumo pilnas įsisotinimas.To eliminate the drawbacks of the analog in the method of determining the threshold energy of forced radiation, in which the optical acquisition channel consists of a pulsed laser beam that illuminates the test semiconductor, it additionally introduces a second optical storage beam into the optical acquisition channel. records the dynamic lattice of the non-semiconductor charges, additionally introduces the probing optical fiber to measure the diffraction efficiency of the dynamic lattice at different energy densities of the storage beam and determines the offset energy from the stored beam energy at which full diffraction efficiency is monitored.

Siūlomas būdas priverstinės spinduliuotės slenkstinės energijos Es nustatymui remiasi rekombinacijos spartos priklausomybės nuo šviesa sukuriamų krūvininkų koncentracijos matavimu. Šiame būde momentinė nepusiausvirųjų krūvininkų koncentracija N, kuri auga didinant kaupinimo energiją E, apsprendžia dinaminių gardelių difrakcinio efektyvumo vertę η ~ N ir jos augimą η ~ E sąlyginai žemų kaupinimo energijų intervale E < Es- Pasiekus pakankamai didelę koncentraciją, kai kvazi-Fermi lygmenys atsiranda juostose, tarpjuostinės rekombinacijos sparta slenkstiškai išauga ir rekombinacijos laikas sutrumpėja. Išaugusi rekombinacinė sparta neleidžia sukaupti daugiau nepusiausvirųjų krūvininkų juostose. Kai pasiekiama priverstinės spinduliuotės slenkstinė energija Es, nei koncentracija N, nei η nebedidėja energijų intervale E > E$The proposed method for the determination of the forced-energy threshold energy Es is based on the measurement of the dependence of the recombination rate on the concentration of light-induced charge carriers. In this method, the instantaneous concentration N of non-equilibrium charges, which increases with increasing storage energy E, determines the value of the diffraction efficiency of dynamic lattices η ~ N and its growth η ~ E in the relatively low storage energy range E <Es- in lanes, the inter-band recombination rate slows and the recombination time is shortened. The increased recombination rate prevents the accumulation of unbalanced charge carriers in the bands. When the threshold energy Es is reached, neither concentration N nor η increases in the energy range E> E $

Siūlomo būdo realizavimui nereikia nei specialaus bandinio briaunų paruošimo, nei spektrometrinės įrangos.Neither special specimen preparation nor spectrometric equipment is required for the realization of the proposed method.

Priverstinės spinduliuotės slenkstinės energijos nustatymo būdą paaiškina optinė schema (Fig. I), kurią sudaro lazerinis impulsinės spinduliuotės šaltinis 1, optinio kaupinimo pirminis kanalas 2, optinis daliklis 3, optinio kaupinimo pluoštelio dalis 4, pluoštelio daliklis 5, du optinio žadinimo kanalai 6 ir 7, tiriamas puslaidininkis 8, zonduojančio optinės spinduliuotės šaltinis 9, optinio vėlinimo įrenginys 10, optinio zondavimo kanalas 11, difragavusioji zondavimo pluoštelio dalis 12, fotodetektoriai FD1, FD2, FD3 ir duomenų surinkimo blokas 13. Schemos elementu paskirtis - suformuoti optinio žadinimo kanalus, nukreipti juos į tiriamąjį puslaidininkio kristalą, zonduojančiu pluošteliu sekti vyksmus tiriamajame kristale ir registruoti jų ypatumus pagal zonduojančio pluoštelio difragavusios dalies charakteristikas.The method for determining the threshold energy for forced radiation is explained by an optical diagram (Fig. I) consisting of a laser pulse source 1, an optical storage primary channel 2, an optical divider 3, an optical storage fiber portion 4, a fiber divider 5, two optical excitation channels 6 and 7. , semiconductor 8, probe optical radiation source 9, optical delay device 10, optical probing channel 11, probing beam portion 12, photodetectors FD1, FD2, FD3 and data acquisition unit 13. The purpose of the circuit element is to form optical excitation channels, direct them to the semiconductor crystal to be studied, the probe beam to follow the processes in the test crystal and to record their peculiarities according to the characteristics of the diffractive part of the probe beam.

Puslaidininkinių medžiagų fotoelektrinių parametrų holografinis matavimo būdas veikia sekančiai. Lazerinės spinduliuotės pluoštelis iš pirmojo šaltinio 1 (pvz. impulsinio pikosekundinio lazerio spinduliuotė, kurios kvanto energija hv= 3.53 eV) sklinda optinio kaupinimo pirminiu kanalu 2, padalijamas pluoštelio dalikliu 5 į du optinio žadinimo kanalus 6 ir 7, kurie susikerta tiriamojo puslaidininkio bandinyje 8 (pvz. galio nitrido sluoksnyje, kurio draustinės juostos energija E_g = 3.51 eV). Šviesos kvantai yra pilnai sugeriami ir sukuria erdviškai moduliuotą nepusiausvirųjų krūvininkų pasiskirstymą Šie krūvininkai erdviškai pakeičia tiriamojo puslaidininkio 8 optines savybes - lūžio rodiklį arba (ir) sugerties koeficientą tuo sudarydami dinaminę difrakcinę gardelę tiriamajame puslaidininkyje. Zondavimo spinduliuotės pluoštelis iš antrojo šaltinio 9, kurio bangos ilgis yra silpnai sugeriamas tiriamajame objekte 8, pereina per optinio vėlinimo liniją 10, sklinda optiniu zondavimo kanalu 11, praeina per tiriamąjį objektą 8 ir registruojamas fotodetektoriumi FD2, patalpintu zondavimo kanale už tiriamojo bandinio. Zondavimo pluoštelis, sklisdamas per tiriamąjį puslaidininkį 8, kuriant žadinimo pluošteliai 6 ir 7 sukūrė erdviškai moduliuotą nepusiausvirųjų krūvininkų pasiskirstymą difraguoja nuo šios struktūros, sukurdamas difragavusį pluoštelį 12, kuris registruojamas fotodetektoriumi FD3. Fotodetektorius FD1, patalpintas stiklo plokštele 3 atšakotoje kaupinimo kanalo dalyje 4, registruoja signalą proporcingą kaupinimo energijai Eo. Fotodetektoriai FD1, FD2 ir FD3 perduoda proporcingus registruojamoms energijoms elektrinius signalus į elektroninį duomenų surinkimo bloką 13. Surinkti duomenys kompiuteriu matematiškai apdorojami ir suskaičiuojamas momentinis difrakcinis efektyvumas. Difrakcijos efektyvumas η apibrėžiamas kaip difragavusiojo pluoštelio 12 energijos ir praėjusiojo pro tiriamąjį bandinį zondavimo pluoštelio energijų santykis η = Id/Ip, matuojamas fotodetektoriais FD3 ir FD2.The holographic method of measuring the photoelectric parameters of semiconductor materials operates as follows. The laser beam from the first source 1 (eg, a pulsed picosecond laser with quantum energy hv = 3.53 eV) propagates through the primary optical channel 2, divided by a beam splitter 5 into two optical excitation channels 6 and 7 that intersect in the test semiconductor 8. such as in a gallium nitride layer with a bonding energy E _g = 3.51 eV). The light quanta are fully absorbed and create a spatially modulated distribution of non-semiconductor charges These charge carriers spatially change the optical properties of the test semiconductor 8, such as refractive index or absorption coefficient, to form a dynamic diffraction grid in the test semiconductor. The probe beam from the second source 9, the wavelength of which is poorly absorbed by the test object 8, passes through the optical delay line 10, propagates through the optical probing channel 11, passes through the test object 8 and is recorded by a photodetector FD2 placed in the probing channel The probe beam propagates through the semiconductor 8 under study to create a spatially modulated distribution of the non-semiconductor charges in the excitation beams 6 and 7, creating a diffracted beam 12 which is registered by the FD3 photodetector. The photodetector FD1, which is placed on a glass plate 3 in a branching section 4 of the storage channel, registers a signal proportional to the storage energy Eo. The photodetectors FD1, FD2 and FD3 transmit electrical signals proportional to the recorded energies to an electronic data acquisition unit 13. The data collected is mathematically processed by a computer and the instantaneous diffraction efficiency is calculated. The diffraction efficiency η is defined as the ratio of the energy of the diffracted beam 12 to the energy of the probe passed through the test sample, η = Id / Ip, as measured by the FD3 and FD2 photodetectors.

Spindulinės rekombinacijos slenksčio nustatymui yra matuojama ekspozicinė difrakcijos charakteristika, t.y. difrakcijos efektyvumo priklausomybė nuo kaupinimo energijos tankio, η = f(E). Vėlinimo įrenginiu 10 parinkus zondavimo pluoštelio 11 nulinį vėlinimą atžvilgiu kaupinančių spindulių 6 ir 7, matuojamas ir skaičiuojama difrakcinio efektyvumo vertė τη fiksuotai kaupinimo pluoštelio energijai E|. Keičiant kaupinimo pluoštelio energiją intervale Ei.....E_K, matuojamos difrakcinio efektyvumo vertės τη.....ηκ , taip gaunama ekspozicinė charakteristika. Fig. 2. parodyta GaN epitaksinio sluoksnio ekspozicinė charakteristika. Priverstinės spinduliuotės slenkstinės energijos vertė Es nustatoma iš kaupinimo pluoštelio energijos vertės, prie kurios stebimas difrakcinio efektyvumo pilnas įsisotinimas. Pateiktame pavyzdyje ši vertė GaN epitaksiniame sluoksnyje yra lygi 1,3 mJ/cm². Matavimai In_xGa|._x N/GaN heterosandarose su skirtingu In kiekiu (x = 8%, 10 % ir 15%) leido nustatyti Es vertes E =1,8 mJ/cm² (kai x = 8 %) ir E = 0,8 mJ/cm² (kai x = 10 %). Bandinyje su 15 % In ši vertė kaupinimo energijos intervale iki E = 4 mJ/cm² nebuvo pasiekta dėl didelio medžiagos defektiškumo.In order to determine the threshold for radiant recombination, the exponential diffraction characteristic, ie the diffraction efficiency versus the storage energy density, η = f (E) is measured. With the delay device 10 selecting zero probe beam 11 with respect to the incident beams 6 and 7, the diffraction efficiency value τη for the fixed energy of the storage beam E | is measured and calculated. By varying the energy of the stack beam in the range Ei ..... E _K , the diffraction efficiency values τη ..... ηκ are measured, resulting in an exposure characteristic. FIG. 2. shows the exposure characteristic of the GaN epitaxial layer. The value of the forced energy threshold energy Eu is determined from the energy value of the incident beam, to which the full saturation of the diffraction efficiency is observed. In the example shown, this value is equal to 1.3 mJ / cm ^{2 in the} GaN epitaxial layer. Measurements In _x Ga |. _{x in} N / GaN heterosenders with different In contents (x = 8%, 10% and 15%) allowed the determination of Es values of E = 1.8 mJ / cm ² (when x = 8%) and E = 0.8 mJ / cm ² (at x = 10%). In the sample with 15% In, this value was not reached in the storage energy range up to E = 4 mJ / cm ² due to the high material defect.

Palyginus su analogu, pasiūlytas puslaidininkinių medžiagų priverstinės spinduliuotės slenkstinės energijos vertės nustatymo būdas yra paprastesnis ir universalesnis, nes nereikalauja specialaus bandinio briaunų paruošimo, spektrometrinės įrangos. Tai leidžia matavimus atlikti bet kurioje tiriamojo bandinio vietoje, t.y. skanuoti priverstinės spinduliuotės slenkstinės energijos pasiskirstymą tiriamoje medžiagoje. Siūlomas būdas tinka matavimams plačiame kaupinimo spinduliuotės spektriniame ruože, netgi visiškai priartinat kaupinimo bangos ilgį prie puslaidininkiui būdingos fotoemisijos linijos.Compared to its analogue, the proposed method for the determination of the threshold energy value for forced radiation of semiconductor materials is simpler and more versatile, since it does not require special specimen preparation, spectrometry equipment. This allows measurements to be made anywhere on the test specimen, i.e. to scan the distribution of the forced energy threshold energy in the material under investigation. The proposed method is suitable for measurements over a wide spectral range of the emitting radiation, even if the wavelength of the emitter is brought close to the semiconductor photoemissive line.

Claims

DEFINITION OF INVENTION

1. A method for determining the threshold energy for forced radiation in a semiconductor, wherein the semiconductor crystal is optically deposited by a pulsed laser beam, characterized in that the semiconductor crystal is optically deposited by two coherent pulsed laser beams which illuminate the subject simultaneously This grid is probed with another optical fiber, it measures the diffraction efficiency of the dynamic grid at different energy beams of the storage beam and determines the energy of the incident beam at the energy value of the storage beam, to which the full saturation of the diffraction efficiency is observed.

2. A method as claimed in claim 1, wherein measuring the diffraction efficiency kinetics of the dynamic lattice at various energy beams of the acquisition beam and determining the threshold energy of the forced beam at the value of the storage beam at which the diffraction efficiency kinetics exhibits a rapid decay component pulse duration of the beam.