Mise au point d’un spectrophotomètre à comptage de photons dans la bande 0,3 – 0,9 μm pour la mesure des rendements de cathodo- et Photoluminescence de GaAs et CdTe

Abstract

Les différents paramètres qui interviennent dans le processus d’émission lumineuse par un cristal semiconducteur excité par voie optique (photoluminescence) ou électrique (cathodoluminescence) sont d’abord présentés de manière générale. On décrit ensuite le ban de mesures automatisé qui a été réalisé dans le but de mesurer quantitativement la densité de puissance rayonnée en cathodo- et en photoluminescence par une même zone d’un échantillon semiconducteur. L’appareillage comporte principalement : (1) un spectrophotomètre utilisant la technique de comptage de photons qui permet d’analyser des flux lumineux très faibles (quelques dizaines de photons par seconde) dans le domaine de longueurs d’ondes s’étendant de 0,3 à 0,9 micromètres, pour lequel la sensibilité spectrale absolue de l’appareil a été déterminée au moyen de lampes (lampe au deutérium, lampe à ruban de tungstène) étalonnées à l’Institut National de Métrologie ; (2) un canon fournissant un faisceau d’électrons d’énergie réglable de 8 à 24 keV et de courant de l’ordre de 1 microampère : (3) un laser à argon ionisé permettant l’excitation par des photons d’énergie 2,54 eV (488 nm) et de puissance réglable de 8 à 120 milliwatts. Les performances du dispositif ont été testées sur des échantillons massifs de composés semiconducteurs : GaAs et CdTe monocristallins polis, CdTe monocristallin non poli et CdTe polycristallin poli, aux deux températures 300 K et 210 K. Le phénomène de recombinaison bande à bande a été observé dans les spectres de luminescence. Une transition d’énergie inférieure au gap, attribuée à des défauts de CdTe monocristallin, est identifiée. La variation de l’émission lumineuse avec la puissance excitatrice à été étudiée : la puissance émise est proportionnelle à la puissance incidente dans les limites explorées. Un seuil en puissance, correspondant à l’existence d’une zone morte, a été mis en évidence en cathodoluminescence. Ces résultats sont comparés aux modèles théoriques existants. Enfin, les rendements expérimentaux en énergie ont été calculés, par intégration des spectres d’émission pour les différents échantillons. Le rendement réel et le rendement radiatif ont été également déterminés pour les deux types d’excitation et les deux matériaux.