光致發(fā)光PL光譜ppt課件.ppt

光致發(fā)光 PL 光譜 1 一 光致發(fā)光基本原理 1 定義 所謂光致發(fā) Photoluminescence 指的是以光作為激勵手段 激發(fā)材料中的電子從而實(shí)現(xiàn)發(fā)光的過程 它是光生額外載流子對的復(fù)合過程中伴隨發(fā)生的現(xiàn)象 2 2 基本原理 由于半導(dǎo)體材料對能量高于其吸收限的光子有很強(qiáng)的吸收 吸收系數(shù)通常超過104cm 1 因此在材料表面約1 m厚的表層內(nèi) 由本征吸收產(chǎn)生了大量的額外電子 空穴對 使樣品處于非平衡態(tài) 這些額外載流子對一邊向體內(nèi)擴(kuò)散 一邊通過各種可能的復(fù)合機(jī)構(gòu)復(fù)合 其中 有的復(fù)合過程只發(fā)射聲子 有的復(fù)合過程只發(fā)射光子或既發(fā)射光子也發(fā)射聲子 3 圖1半導(dǎo)體中各種復(fù)合過程示意圖 a 帶間躍遷 b 帶 雜質(zhì)中心輻射復(fù)合躍遷 c 施主 受主對輻射復(fù)合躍遷 4 在這個(gè)過程中 有六種不同的復(fù)合機(jī)構(gòu)會發(fā)射光子 它們是 1 自由載流子復(fù)合 導(dǎo)帶底電子與價(jià)帶頂空穴的復(fù)合 2 自由激子復(fù)合 晶體中原子的中性激發(fā)態(tài)被稱為激子 激子復(fù)合也就是原子從中性激發(fā)態(tài)向基態(tài)的躍遷 而自由激子指的是可以在晶體中自由運(yùn)動的激子 這種運(yùn)動顯然不傳輸電荷 3 束縛激子復(fù)合 指被施主 受主或其他陷阱中心 帶電的或不帶電的 束縛住的激子的輻射復(fù)合 其發(fā)光強(qiáng)度隨著雜質(zhì)或缺陷中心的增加而增加 5 4 淺能級與本征帶間的載流子復(fù)合 即導(dǎo)帶電子通過淺施主能級與價(jià)帶空穴的復(fù)合 或價(jià)帶空穴通過淺受主能級與導(dǎo)帶電子的復(fù)合 5 施主 受主對復(fù)合 專指被施主 受主雜質(zhì)對束縛著的電子 空穴對的復(fù)合 因而亦稱為施主 受主對 D A對 復(fù)合 6 電子 空穴對通過深能級的復(fù)合 即SHR復(fù)合 指導(dǎo)帶底電子和價(jià)帶頂空穴通過深能級的復(fù)合 這種過程中的輻射復(fù)合幾率很小 6 在上述輻射復(fù)合機(jī)構(gòu)中 前兩種屬于本征機(jī)構(gòu) 后面幾種則屬于非本征機(jī)構(gòu) 由此可見 半導(dǎo)體的光致發(fā)光過程蘊(yùn)含著材料結(jié)構(gòu)與組份的豐富信息 是多種復(fù)雜物理過程的綜合反映 因而利用光致發(fā)光光譜可以獲得被研究材料的多種本質(zhì)信息 7 二 儀器及測試 測量半導(dǎo)體材料的光致發(fā)光光譜的基本方法是 用激發(fā)光源產(chǎn)生能量大于被測材料的禁帶寬度Eg 且電流密度足夠高的光子流去入射被測樣品 同時(shí)用光探測器接受并識別被測樣品發(fā)射出來的光 8 圖2光致發(fā)光光譜測量裝置示意圖 9 三 光致發(fā)光特點(diǎn) 光致發(fā)光分析方法的實(shí)驗(yàn)設(shè)備比較簡單 測量本身是非破壞性的 而且對樣品的尺寸 形狀以及樣品兩個(gè)表面間的平行度都沒有特殊要求 它在探測的量子能量和樣品空間大小上都具有很高的分辨率 因此適合于作薄層分析和微區(qū)分析 1 光致發(fā)光的優(yōu)點(diǎn) 10 它的原始數(shù)據(jù)與主要感興趣的物理現(xiàn)象之間離得比較遠(yuǎn) 以至于經(jīng)常需要進(jìn)行大量的分析 才能通過從樣品外部觀測到的發(fā)光來推出內(nèi)部的符合速率 光致發(fā)光測量的結(jié)果經(jīng)常用于相對的比較 因此只能用于定性的研究方面 測量中經(jīng)常需要液氦低溫條件也是一種苛刻的要求 對于深陷阱一類不發(fā)光的中心 發(fā)光方法顯然是無能為力的 2 光致發(fā)光的缺點(diǎn) 11 四 光致發(fā)光分析方法的應(yīng)用 1 組分測定例如 GaAs1 xPx是由直接帶隙的GaAs和間接帶隙的GaP組成的混晶 它的帶隙隨x值而變化 發(fā)光的峰值波長取決于禁帶寬度 禁帶寬度和x值有關(guān) 因此 從發(fā)光峰峰值波長可以測定組分百分比x值 2 雜質(zhì)識別根據(jù)特征發(fā)光譜線的位置 可以識別GaAs和GaP中的微量雜質(zhì) 3 硅中淺雜質(zhì)的濃度測定 12 4 輻射效率的比較半導(dǎo)體發(fā)光和激光器件要求材料具有良好的發(fā)光性能 發(fā)光測量正是直接反映了材料的發(fā)光特性 通過光致發(fā)光光譜的測定不僅可以求得各個(gè)發(fā)光帶的強(qiáng)度 而且也可以的到積分的輻射強(qiáng)度 在相同的測量條件下 不同的樣品間可以求得相對的輻射效率 5 GaAs材料補(bǔ)償度的測定補(bǔ)償度NA ND ND NA分別為施主 受主雜質(zhì)濃度 是表征材料純度的重要特征參數(shù) 6 少數(shù)載流子壽命的測定 13 7 均勻性的研究測量方法是用一個(gè)激光微探針掃描樣品 根據(jù)樣品的某一個(gè)特征發(fā)光帶的強(qiáng)度變化 直接顯示樣品的不均勻圖像 8 位錯等缺陷的研究 14 圖3CZT晶體在4 2K下典型的PL譜 該P(yáng)L譜包括四個(gè)區(qū)域 1 近帶邊區(qū) 2 施主 受主對 DAP 區(qū) 3 受主中心引起的中心位于1 4eV的缺陷發(fā)光帶 4 Te空位引起的中心位于1 1eV的發(fā)光峰帶 15 圖4高質(zhì)量CZT晶體PL譜的近帶邊區(qū) 16 該P(yáng)L譜的主峰為中性施主的束縛激子峰 D0 X 而CdTe和Cd0 96Zn0 04Te在該區(qū)域內(nèi)的主發(fā)光峰則通常為受主 束縛激子峰 A0 X 在Cd0 9Zn0 1Te晶體的近帶邊區(qū)的PL譜除此之外 還可以看到基態(tài)自由激子峰 X1 上偏振帶峰 Xup 以及第一激發(fā)態(tài)自由激子峰 X2 對于質(zhì)量較差的CZT晶體 無法看到