Grundlagen der Photolumineszenz

Die Lumineszenz eines Festkörpers, speziell eines Isolators oder Halbleiters, kann sehr viele und detaillierte Informationen über strahlende Rekombinationen, Störstellen sowie Quantenausbeuten liefern. Um die Lumineszenz detektieren zu können, ist zunächst eine Anregung der Probe nötig. Im Falle einer Halbleiterprobe ist die Überbandanregung der meist genutzte Effekt, da die hierbei entstehenden Elektron-Loch-Paare über viele verschiedene Rekombinationskanäle rekombinieren. Die dabei entstehenden Photonen werden nach der Wellenlänge bzw. der Energie detektiert. Um Elektron-Loch-Paare im Halbleiter durch Einstrahlen von Licht erzeugen zu können, müssen die eingestrahlten Photonen eine Energie haben, welche größer als die Bandlücke des Halbleiters ist.
Die so erzeugten Elektronen (Löcher) relaxieren durch Stöße mit den Gitteratomen nichtstrahlend zur Leitungsbandkante (Valenzbandkante). Von dort rekombinieren sie nach einer typischen Lebensdauer, welche in der Größenordung von 10 ^-9 bis 10^-6 Sekunden liegt. Bei diesem Prozess wird die freiwerdende Energie ganz oder teilweise als Lichtquant emittiert. Die verschiedenen möglichen Rekombinationsmechanismen sind in der folgenden Abbildung schematisch dargestellt.

Im einzelnen sind dies:

• Die Rekombination eines freien Exzitons (X).
• Die Rekombination eines störstellengebundenen Exzitons, mit folgenden möglichen Störstellen:
• neutrale Donatoren (D⁰,X). Man spricht in diesem Fall von donatorgebundenen Exzitonen.
• neutrale Akzeptoren (A⁰,X). Man spricht in diesem Fall von akzeptorgebundenen Exzitonen.
• einfach geladene Donatoren (D⁺,X)
• einfach geladene Akzeptoren (A^-,X)
• neutrale oder geladene Fehlstellen oder Versetzungen
• größere neutrale oder geladene Komplexe.
• Die Rekombination des Elektrons eines neutralen Donators mit einem Loch des Leitungsbandes, ein sog. Donator-Band-Übergang (D⁰,h).
• Die Rekombination eines Leitungsbandelektrons mit dem Loch eines neutralen Akzeptors, ein sog. Band-Akzeptor-Übergang (e,A⁰).
• Die Rekombination des Elektrons eines neutralen Donators mit dem Loch eines neutralen Akzeptors, eine sog. Donator-Akzeptor-Paarrekombination, kurz DAP, (D⁰,A⁰).

Die im I. Physikalischen Institut eingesetzte Versuchsapparatur besteht im Wesentlichen aus einem Helium-Cadmium-Laser (HeCd), welcher als Anregungslichtquelle dient, einem Heliumbad-Kryostaten, in welchem die zu untersuchenden Proben auf bis zu 1,5 K herunter gekühlt werden können, sowie einem Monochromator mit angeschlossenem Photomultiplier.

Der HeCd-Laser liefert eine Wellenlänge von 325 nm (3,8 eV). Alternativ stehen noch ein Neodym-dotierter Yttrium-Aluminium-Granat- Festkörperlaser (Nd:YAG) mit Wellenlängen von 266 nm und 532 nm (4,6 eV und 2,3 eV) und ein Argon-Ionen-Laser (Ar⁺-Laser) mit einem Wellenlängenbereich von 457-529 nm (2,7 eV-2,3 eV) zur Verfügung. Dementsprechend können Halbleitermaterialien mit großer Bandlücke untersucht werden.