Using cathodoluminescence in nanotechnology has been and remains a cornerstone in the development of light emitting diodes and laser diodes with high light intensity. Optoelectronic semiconductors based on nitrides such as AlN, GaN, InN and its alloys have wide forbidden bands ranging from 6.2 (AlN) 0.7 eV (InN), covering the visible spectral range. Today, there is great difficulty in obtaining devices that emit light at longer wavelengths (green-yellow). This is especially due to: (1) compositional instability and phase separation, and (2) the difference in lattice parameters limiting indium incorporation at the interfaces InGaN / GaN and produces piezoelectric fields which separate the carriers (electrons and holes) thereby decreasing the efficiency recombine. With cathodoluminescence, one can obtain images and spectra with high resolution that show the phase difference and the separation of carriers in quantum wells, respectively. Additionally, one can measure the time of excitation and de-excitation of the recombination of electrons and holes with high temporal resolution via time-resolved cathodoluminescence. Cathodoluminescence microscopy combined with the electronic transmission and electronic holography provides a correlation of optical properties, structural, and electronic semiconductors which facilitates the researcher in analyzing and solving the physical nature of these materials.

1. Catodoluminiscencia, Espectroscopía con alta resolución espacial y temporal Alec M. Fischer Department of Physics and Astronomy Arizona State University Tempe, Arizona, USA Arizona State University

5. Por que los III-nitruros son ideales para SSL? (1) Variable banda prohibida para LEDs visibles In x Ga 1-x N (IR+ Visible + UV) E g (x) = xE gInN + (1-x)E gGaN – bx(1-x) (2) Obtención de materiales tipo n y p conductivos III-nitruros: convenientes para SSL F. A. Ponce y D. P. Bour, Nature 386, 351 (1997) -δ +δ Ga Ga Ga Ga N

10. Semiconductor puro a 0K E c E v Banda de valencia llena de electrones Banda de conduccion esta vacía Estado fundamental E F E c E v Estado excitado Electrones en banda de conducción Huecos en la banda de valencia Generación de pares electrón-hueco E F

12. Que es un exciton? Un exciton es un sistema de 2 partículas Cuando el sólido es excitado se generan pares electrón hueco. Electrón es negativo y hueco es positivo. Existe una fuerza Coulombica atractiva que los une e- h+ Un exciton es como un átomo de hidrogeno. El electrón orbita alrededor del hueco Cuando están juntos, son libres de moverse en la red. Esto se llama exciton libre .

13. Excitones ligados donde E i es la energía de ligadura de la impureza Los excitones no están siempre libres Uno de los portadores puede ser atrapado por una impureza (átomo). Esto se llama exciton ligado Diferentes impurezas dan como resultado diferentes picos excitonicos ligados.

14. Espectro de GaN a 4K B. Monemar “Bound excitons in GaN” J. Phys.:Condens. Matter. 13 , 7011 (2001).

15. Estudio de la luminiscencia Excitación Espectrómetro (wavelength) Detector (Intensidad) PL usa un láser para la excitación Para una mayor resolución espacial se usa un haz de electrones. Esto se llama catodoluminiscencia (CL) Es conveniente clasificar el proceso de luminiscencia dependiendo del tipo de fuente: Luz Fotoluminiscencia Electrones Catodoluminiscencia Campo Eléctrico Electroluminiscencia

16. Catodoluminiscencia CL  electrón entra, fotón sale E c E v h  e - e - h 

17. Catodoluminiscencia (CL) en un microcopio electrónico de barrido Parámetros: I beam Mag

18. Mapeando la composición de indio en un pozo cuántico de InGaN S. Srinivasan et al., Appl. Phys. Lett. 80 , 550 (2002).  = 444nm  = 497nm 1.0  m Low [In] InGaN High [In] InGaN

19. Variación espacial de la luminiscencia 395 nm 401 nm Variaciones en la emisión local puede ser medida con alta resolución espacial <100 nm

20. Alta resolución espacial A. M. Fischer , et al., Optical Properties of highly luminescent zinc oxide tetrapod powders , Appl. Phys. Lett. 91 , 121905 (2007).

21. Catodoluminiscencia a tiempo resuelto resolución temporal Usando la dinámica de los portadores para el estudio de los campos piezoeléctricos en pozos cuánticos

25. Eficiencia interna cuántica Incrementando [In] Al aumentar [In], la tensión incrementa. Entonces los campos piezoeléctricos incrementan, el cruce de las funciones de onda se reduce y la eficiencia cuántica interna se reduce.

26. Catodoluminiscencia a tiempo resuelto Excitación Tiempo Tiempo Onset Luminiscencia Estado estable Decaimiento Intensidad Excitación y luminiscencia en función del tiempo (a) (b)

27. Tiempo de vida - Recombinaciones Baja concentración de Indio Alta concentración de Indio

29. Espectro Integral de CL S. Srinivasan, M. Stevens, F. A. Ponce, and T. Mukai. Appl. Phys. Lett. 87 , 131911 (2005) La emisión del pozo cuántico es plana a lo largo rango de longitudes de onda. Non-planar QW Plano “c” QW Picos relacionados a GaN InGaN QW emisión

30. Imágenes de CL SE CLI S. Srinivasan, M. Stevens, F. A. Ponce, and T. Mukai. Appl. Phys. Lett. 87 , 131911 (2005) 5  m  = 397 nm  = 417 nm  = 439 nm  = 486 nm

31. Imágenes de Catodoluminiscencia Cada emisión aparece de una banda delgada bien definida. Las longitudes de onda incrementan al acercarse al pico del triangulo S. Srinivasan, M. Stevens, F. A. Ponce, and T. Mukai. Appl. Phys. Lett. 87 , 131911 (2005)

32. Gracias!!