Band-gap measurements of direct and indirect semiconductors using monochromated electrons

物理 半导体 谱线 带隙 电子 直接和间接带隙 光谱学 光学 原子物理学 凝聚态物理 光电子学 核物理学 天文 量子力学
作者
Lin Gu,Vesna Šrot,Wilfried Sigle,Christoph T. Koch,Peter A. van Aken,F. Scholz,S. B. Thapa,Christoph Kirchner,Michael Jetter,M. Rühle
出处
期刊:Physical Review B [American Physical Society]
卷期号:75 (19) 被引量:117
标识
DOI:10.1103/physrevb.75.195214
摘要

With the development of monochromators for transmission electron microscopes, valence electron-energy-loss spectroscopy (VEELS) has become a powerful technique to study the band structure of materials with high spatial resolution. However, artifacts such as Cerenkov radiation pose a limit for interpretation of the low-loss spectra. In order to reveal the exact band-gap onset using the VEELS method, semiconductors with direct and indirect band-gap transitions have to be treated differently. For direct semiconductors, spectra acquired at thin regions can efficiently minimize the Cerenkov effects. Examples of hexagonal GaN $(h\text{\ensuremath{-}}\mathrm{Ga}\mathrm{N})$ spectra acquired at different thickness showed that a correct band-gap onset value can be obtained for sample thicknesses up to 0.5 $t∕\ensuremath{\lambda}$. In addition, $\ensuremath{\omega}\text{\ensuremath{-}}q$ maps acquired at different specimen thicknesses confirm the thickness dependency of Cerenkov losses. For indirect semiconductors, the correct band-gap onset can be obtained in the dark-field mode when the required momentum transfer for indirect transition is satisfied. Dark-field VEEL spectroscopy using a star-shaped entrance aperture provides a way of removing Cerenkov effects in diffraction mode. Examples of Si spectra acquired by displacing the objective aperture revealed the exact indirect transition gap ${E}_{g}$ of $1.1\phantom{\rule{0.3em}{0ex}}\mathrm{eV}$.

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