PL (Photoluminescence)

1. 응용원리

  Luminescence란, 원자, 분자, 고분자 및 결정체에 외부에너지를 가하여 줌으로서 그 물질 내의 고유한 전자 상태간의 전이(transition)에 의해 흡수된 에너지를 빛 형태로 방출하면서 원래의 평형 상태로 되돌아가는 일련의 물리적 현상을 말한다. 즉 luminescence는 전자를 여기시키는 외부 에너지의 종류에 따라 구분되는데, PL은 laser와 같은 단색광의 photon 에너지를 이용한 luminescence의 한 종류이다. luminescence 현상은 여기 에너지의 종류와 대상물질의 종류에 관계없이 비슷하다. 반도체의 경우 PL의 관점에서 그 과정을 살펴보면 다음과 같이 크게 3단계로 나눌 수 있다.

- 제1단계

 

  가전자대에 있던 전자가 photon에너지를 흡수, 여기되어 전도대로 올라가는 과정이다. 즉, electron-hole pairs(EHPs)가 형성되어 가전자대에는 정공(hole)이 위치하게 되고, 전도대에는 전자가 위치하게 된다. 그러나 전도대로 여기된 전자들은 불안정하기 때문에 다시 원래의 평형상태인 가전자대로 되돌아오려는 성질이 있다.

- 제2단계

 

  전자-정공쌍(EHPs)을 이루고 있던 전자와 정공간의 재결합 과정이다. 이 재결합 과정에는 복사성(radiative)과 비복사성(nonradiative) 재결합이 있는데 전자가 luminescence에 기여하는 결합이다.

- 제3단계

 

  이 복사성 재결합에 의한 photon 에너지의 방출과정이다. 이때 방출되는 photon 에너지는 그 물질의 내부 상태, 즉 band gap 에너지, 불순물의 종류와 그 농도 및 결정 상태 등에 의해서 다르게 나타난다. 이와같은 3 단계의 과정은 포톤 에너지가 물질에 조사되고 있는한 지속적으로 일어나며 여기에너지를 정지시켰을 때 대략 10^-8~10^-10 이상의 라이프 타임을 갖고 잔광을 나타내는 인광과 엄연히 구분된다. 또한 에너지 레벨간의 전이에 있어 spin allowed transition을 PL 또는 형광으로 정의하고 spin forbidden transition을 인광으로 정의하기도 한다. 그것은 여기에너지(excitation energy)의 종류에 따라 구분되는데,photo 에너지를 이용한 것을 photolumines cence라고 한다. 다시 설명하자면 다음과 같다. 광학적 천이 현상을 이용하는 실험방법으로 대표적인 것이 photoluminescence (PL)이다.  

  Luminescence란 흑체 복사가 아닌 다른 과정을 통한 물체로부터의 빛의 방출을 의미하며, photoluminescence란 용어는 광학적 유도에 의한 빛의 방출(stimulated emission)로 그 범위가 축소된다.

  PL은 일상생활에서도 분명히 나타나는데 그 한 예로 형광등에 코팅된 형광물질에서 나오는 빛을  들 수 있다.  감도(sensitivity), 단순성(simpl-icity), 저렴성 때문에 PL의 측정과 분석은 다양한 분야에 널리 쓰인다. 그러나 측정 조건이 주의 깊게 다루어지지 않으면 정밀한 정량분석이 어렵기 때문에,  많은 PL의 응용은 주로 정성적 분석이다. PL은 결정의 띠 구조 모델과 어우러져 반도체 초격자(supeerlattice) 와 양자 우물(quantum well)의 크기, 구조와 다른 특성들을 측정하는 데 강력한 도구가 된다.

PL에서 물질은 어떤 파장의 빛을 흡수하여 에너지를 얻어 저 에너지 준위로부터 고 에너지 준위로 전자를 들뜨게 한다. 이것은 원자나 분자에서는 바닥상태로부터 들뜬 상태로의 천이로써 표현할 수 있고, 반도체 결정에서는 원자가 띠 (valence band)에서 전도띠(conduction band)로의 천이로 설명할 수 있다. 들뜬 전자는  결정이나 분자의 진동 또는 회전 운동과의 상호작용에 의한 비 복사 내부완화(nonradiative internal relaxation)가 일어나서 들뜬 전자는 보다 안정된 들뜬 상태(전도띠의 바닥 또는 가장 낮은 분자의 진동 에너지)로 이동하게 된다. 그리고 가능한 경우, 더 낮은 에너지의 간접 전도띠(indirect conduction band)나 국소화된 불순물 준위(localized impurity level) 등의 더 낮은 전자상태로의 천이를 포함할 수 있다. 부도체와 반도체에서 흔히 발생하는 것은 전자와 양공이 서로 속박된 상태(엑시톤)의 형성이나 결함(defect)또는 불순물(impurity)을 포함하는 것 등이다. 들뜬 상태에서 계의 특성 수명이 지나면 전자계는 바닥 상태로 되돌아 온다. 발광체에서 이 마지막 천이를 하는 동안에 에너지의 일부 또는 전부를 빛의 형태로 방출하게 되며, 이 경우 완화 작용을 '복사적(radiative)'이라고 한다. 이 때 방출되는 빛의 파장은 입사광의 그것보다 더 길다. 이 방출되는 빛의 스펙트럼이 물질의 성질에 대한 정보를 얻어내는 데 이용된다. 특정한 파장영역에서 스캐닝(scanning)을 하면 세기(intensity), 선 윤곽(lineshape), 선 폭(linewidth), 그리고 peak의 에너지 등에 의해 특정 지워지는 방출 스펙트럼을 얻게 된다. 주어지 정보에 의존하여, 스펙트럼은 시료에 주어지는 외부조건, 즉 온도, 압력, 또는 도핑, 자기장 또는 전기장, polarization 등의 함수로 주어질 수 있다. 스펙트럼의 특징은 적절한 PL 모델을 사용하여 시료의 파라미터로 변환될  수 있다. 반도체에서의 발광 혹은 루미네슨스는 전자와 양공의 결합에 의한 결과이다. 여러 가지 방법으로 전자와 양공을 들뜬 상태로 만들 수 있는 데, 전자와 양공이 빛을 흡수하여 생성될 때 나오는 빛을 photoluminescence라 한다. 일반적으로 레이저 빛은 열적 평형상태에 따라 분포하지  않는  전자-양공 쌍을 생성한다.  그러나 매우 효율적인 비발광 과정(nonradiative process)에 의해서 캐리어들이 준-페르미 레벨(quasi-Fermilevel)로 대표되는 준-평형상태(quasi equalibrium)를 형성하게 된다. 최종적으로 전자와 양공은 결합하면서 빛을 생성하게 된다. 전자와 양공의 결합은 천이확률이라 불리우는 시간 스케일에 따라 발생한다. 전하 나르개(charge carrier)가 각각 전도띠와 가전자띠에서 준-평형상태를 형성할 때 낮은 에너지 상태부터 채워나간다. 그러므로 PL peak는 시료의 밴드에너지(band gap energy)에 해당한다.

  PL 분광법은 반도체내의 광학적 특성을 분석하는데 있어 매우 유용한 방법으로 가장 큰 장점은 시료에 전극을 붙일 필요가 없고 시료의 원형 보존이 가능한 비파괴적인 방법이다. 또한 스펙트럼 해석에 있어 복잡한 이론식이 필요 없고 실험방법도 비교적 간단하나, 깊은 준위(deep level)와 비복사성 재결합(nonradiative recombination) 기구에 관한 정보를 얻을 수 없으며, 실험을 주로 저온에서 수행해야 한다는 단점이 있다.

 

출처 : 서울대 물리학과