半導(dǎo)體材料測試與分析

1、2021/8/61光致發(fā)光光譜光致發(fā)光光譜PL2021/8/62主要內(nèi)容：主要內(nèi)容： 光致發(fā)光基本原理光致發(fā)光基本原理 儀器及測試儀器及測試 應(yīng)用應(yīng)用2021/8/63一、光致發(fā)光的基本原理一、光致發(fā)光的基本原理 1. 定義：光致發(fā)光定義：光致發(fā)光(Photoluminescence)指的是以光作為激勵手段，激發(fā)材料中的指的是以光作為激勵手段，激發(fā)材料中的電子從而實現(xiàn)發(fā)光的過程。它是光生額外電子從而實現(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。載流子對的復(fù)合過程中伴隨發(fā)生的現(xiàn)象。2021/8/64 2. 基本原理：由于半導(dǎo)體材料對能量高于基本原理：由于半導(dǎo)體材料對能量高于其吸

2、收限的光子有很強的吸收，因此在材其吸收限的光子有很強的吸收，因此在材料表面約料表面約1m厚的表層內(nèi)，由本征吸收產(chǎn)厚的表層內(nèi)，由本征吸收產(chǎn)生了大量的額外電子生了大量的額外電子-空穴對，使樣品處于空穴對，使樣品處于非平衡態(tài)。這些額外載流子對一邊向體內(nèi)非平衡態(tài)。這些額外載流子對一邊向體內(nèi)擴散，一邊通過各種可能的復(fù)合機構(gòu)擴散，一邊通過各種可能的復(fù)合機構(gòu)復(fù)合復(fù)合。其中，有的。其中，有的復(fù)合復(fù)合過程只發(fā)射聲子，有的過程只發(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)射復(fù)合過程只發(fā)射光子或既發(fā)射光子也發(fā)射聲子。聲子。2021/8/65 光致發(fā)光光譜（光致發(fā)光光譜（Photoluminescence,簡稱簡

3、稱PL)，指物質(zhì)吸收光子（或電磁波）后重新，指物質(zhì)吸收光子（或電磁波）后重新輻射出光子（或電磁波）的過程。從量子輻射出光子（或電磁波）的過程。從量子力學(xué)理論上，這一過程可以描述為物質(zhì)吸力學(xué)理論上，這一過程可以描述為物質(zhì)吸收光子躍遷到較高能級的激發(fā)態(tài)后返回低收光子躍遷到較高能級的激發(fā)態(tài)后返回低能態(tài)，同時放出光子的過程。光致發(fā)光是能態(tài)，同時放出光子的過程。光致發(fā)光是多種形式的熒光（多種形式的熒光（Fluorescence）中的一）中的一種。種。2021/8/66 從微觀上講，光致發(fā)光可以分為兩個從微觀上講，光致發(fā)光可以分為兩個步驟：步驟： 第一步是以光對材料進行激勵，第一步是以光對材料進行激勵，將

4、其中電子的能量提高到一個非平衡將其中電子的能量提高到一個非平衡態(tài)，也就是所謂的態(tài)，也就是所謂的“激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)”； 第二步，處于激發(fā)態(tài)的電子自發(fā)第二步，處于激發(fā)態(tài)的電子自發(fā)地向低能態(tài)躍遷，同時發(fā)射光子，實地向低能態(tài)躍遷，同時發(fā)射光子，實現(xiàn)發(fā)光。現(xiàn)發(fā)光。 2021/8/67 光致發(fā)光：通過光光致發(fā)光：通過光照射使系統(tǒng)躍遷到照射使系統(tǒng)躍遷到激發(fā)態(tài)，再通過非激發(fā)態(tài)，再通過非平衡輻射發(fā)光平衡輻射發(fā)光 基本原理：設(shè)系統(tǒng)基本原理：設(shè)系統(tǒng)的能級結(jié)果如圖所的能級結(jié)果如圖所示，示，E0E0是基態(tài)，是基態(tài)，E1-E6E1-E6是激發(fā)態(tài)，是激發(fā)態(tài)，受到激發(fā)后，系統(tǒng)受到激發(fā)后，系統(tǒng)從低能級被激發(fā)到從低能級被激發(fā)到高能級

5、，再從高能高能級，再從高能級躍遷到低能級，級躍遷到低能級，其中，其中，E2 E2 到到E1E1或或E0E0有可能發(fā)光有可能發(fā)光E6E0E5E22021/8/68半導(dǎo)體中各種復(fù)合過程示意圖（半導(dǎo)體中各種復(fù)合過程示意圖（a a）帶間躍遷（）帶間躍遷（b b）帶雜質(zhì)中心輻射復(fù)合躍遷（帶雜質(zhì)中心輻射復(fù)合躍遷（c c）施主受主對輻射）施主受主對輻射復(fù)合躍遷復(fù)合躍遷e-h(a)(b)(c) e-h聲子參與聲子參與e-AD-he-D+D-A自自由由載載流流子子復(fù)復(fù)合合自自由由激激子子復(fù)復(fù)合合束束縛縛激激子子復(fù)復(fù)合合淺淺能能級級與與本本征征帶帶間間的的載載流流子子復(fù)復(fù)合合施施主主受受主主對對符符合合電電子子空

6、空穴穴對對通通過過深深能能級級的的復(fù)復(fù)合合2021/8/69 在上述輻射復(fù)合機構(gòu)中，前兩種在上述輻射復(fù)合機構(gòu)中，前兩種屬于本征機構(gòu)，后面幾種則屬于非本屬于本征機構(gòu)，后面幾種則屬于非本征機構(gòu)。由此可見，半導(dǎo)體的光致發(fā)征機構(gòu)。由此可見，半導(dǎo)體的光致發(fā)光過程蘊含著材料結(jié)構(gòu)與組份的豐富光過程蘊含著材料結(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)信息被研究材料的多種本質(zhì)信息。2021/8/610二、儀器及測試二、儀器及測試 測量半導(dǎo)體材料的光致發(fā)光光譜的基測量半導(dǎo)體材料的光致發(fā)光光譜的

7、基本方法是，用紫外、可見或紅外輻射本方法是，用紫外、可見或紅外輻射等激發(fā)光源產(chǎn)生能量大于被測材料的等激發(fā)光源產(chǎn)生能量大于被測材料的禁帶寬度禁帶寬度Eg、且電流密度足夠高的光、且電流密度足夠高的光子流去入射被測樣品，同時用光探測子流去入射被測樣品，同時用光探測器接受并識別被測樣品發(fā)射出來的光器接受并識別被測樣品發(fā)射出來的光，分析該材料的光學(xué)特性。，分析該材料的光學(xué)特性。2021/8/611TRIAX550 PL譜儀譜儀2021/8/612樣品架制冷儀2021/8/613光致發(fā)光光譜測量裝置示意圖光致發(fā)光光譜測量裝置示意圖2021/8/614測試步驟：測試步驟： 放置樣品放置樣品(晶片，粉體，薄膜

8、晶片，粉體，薄膜) 抽真空抽真空 降溫降溫 激光器使用激光器使用 光譜儀自檢光譜儀自檢 校準校準 樣品發(fā)光光譜測量樣品發(fā)光光譜測量 變溫測量變溫測量 變功率測量變功率測量 關(guān)機關(guān)機2021/8/615三、三、PL譜的應(yīng)用譜的應(yīng)用 由于由于PL譜與晶體的電子結(jié)構(gòu)（能帶結(jié)譜與晶體的電子結(jié)構(gòu)（能帶結(jié)構(gòu)）、缺陷狀態(tài)、和雜質(zhì)等密切相關(guān)構(gòu)）、缺陷狀態(tài)、和雜質(zhì)等密切相關(guān)，因此，光致發(fā)光被廣泛用來研究半，因此，光致發(fā)光被廣泛用來研究半導(dǎo)體晶體的物理特性。導(dǎo)體晶體的物理特性。 光致發(fā)光光譜的測試以其簡單、可靠光致發(fā)光光譜的測試以其簡單、可靠，測試過程中對樣品無損傷等優(yōu)點而，測試過程中對樣品無損傷等優(yōu)點而得到廣泛

9、的應(yīng)用。得到廣泛的應(yīng)用。2021/8/616 PLPL可以應(yīng)用于：可以應(yīng)用于： （1 1）帶隙檢測、（）帶隙檢測、（2 2）缺陷檢測、（）缺陷檢測、（3 3）復(fù)合機）復(fù)合機制以及材料品質(zhì)鑒定、（制以及材料品質(zhì)鑒定、（4 4）對少子壽命的研究、）對少子壽命的研究、（5 5）測定半導(dǎo)體固溶體的組分、（）測定半導(dǎo)體固溶體的組分、（6 6）測定半導(dǎo)體）測定半導(dǎo)體中淺雜質(zhì)的濃度、（中淺雜質(zhì)的濃度、（7 7）半導(dǎo)體中雜質(zhì)補償度的測）半導(dǎo)體中雜質(zhì)補償度的測定、（定、（8 8）對半導(dǎo)體理論問題的研究等。）對半導(dǎo)體理論問題的研究等。應(yīng)用領(lǐng)域舉例：應(yīng)用領(lǐng)域舉例： LEDLED外延片，太陽能電池材料，半導(dǎo)體晶外延片

10、，太陽能電池材料，半導(dǎo)體晶片，半導(dǎo)體薄膜材料等檢測與研究。片，半導(dǎo)體薄膜材料等檢測與研究。2021/8/617 A A對應(yīng)自由激子譜區(qū)對應(yīng)自由激子譜區(qū), ,其峰值能其峰值能量為量為3.57eV,3.57eV,大于體大于體GaNGaN材料的帶隙材料的帶隙能量能量, ,說明說明GaNGaN和襯底間大的失配和襯底間大的失配( (晶格失配為晶格失配為13.8,13.8,熱失配為熱失配為25.5)25.5)雖雖經(jīng)過渡層仍未將其壓縮應(yīng)力完全消經(jīng)過渡層仍未將其壓縮應(yīng)力完全消除。除。13.8meV13.8meV的半峰寬是譜峰交疊的半峰寬是譜峰交疊的結(jié)果。無法確定自由激子從導(dǎo)帶的結(jié)果。無法確定自由激子從導(dǎo)帶到三

11、個不同價帶躍遷的精細結(jié)構(gòu)。到三個不同價帶躍遷的精細結(jié)構(gòu)。 B B和和C C對應(yīng)于束縛激子區(qū)。對應(yīng)于束縛激子區(qū)。B B對對應(yīng)于束縛于應(yīng)于束縛于N N空位相關(guān)的中心施主空位相關(guān)的中心施主DD、x,Cx,C對應(yīng)束縛于深受主的對應(yīng)束縛于深受主的 AdAd、x,x,其峰值能量分別為其峰值能量分別為 3.476eV3.476eV和和3.467eV3.467eV。其半峰寬分別。其半峰寬分別為為10.8meV10.8meV和和15.6meV15.6meV。 D D是氧雜質(zhì)作用于替位受主的是氧雜質(zhì)作用于替位受主的結(jié)果結(jié)果, ,峰值能量為峰值能量為3.419eV,3.419eV,半峰寬半峰寬度為度為500meV5

12、00meV。由于深能級與晶格間。由于深能級與晶格間較強的耦合會使光譜寬度明顯增加較強的耦合會使光譜寬度明顯增加。這與氧產(chǎn)生峰值能量在。這與氧產(chǎn)生峰值能量在3.414 3.414 3.422eV3.422eV光譜的結(jié)果一致，光譜的結(jié)果一致，B-CB-C確定確定了了NH3NH3中的氧和離子注入的氧所形中的氧和離子注入的氧所形成光譜的峰值能量為成光譜的峰值能量為3.424eV(4.2K)3.424eV(4.2K)。這些數(shù)據(jù)證實了。這些數(shù)據(jù)證實了在樣品中存在著氧的影響。在樣品中存在著氧的影響。 在在IIK溫度下溫度下,用很弱的激光激發(fā)用很弱的激光激發(fā)GaN所測量所測量光致發(fā)光的光譜圖示如。通過高斯型分

13、峰擬光致發(fā)光的光譜圖示如。通過高斯型分峰擬合得到合得到A、B、C、D四個譜峰。四個譜峰。用用MOCVDMOCVD技術(shù)在技術(shù)在Al2O3Al2O3襯底上外延襯底上外延GaNGaN的光致發(fā)光研究的光致發(fā)光研究中國科學(xué)院長春物理研究所中國科學(xué)院長春物理研究所 高瑛、繆國慶等人高瑛、繆國慶等人2021/8/618 隨溫度升高隨溫度升高, ,晶晶格振動增強光格振動增強光譜的半峰寬度譜的半峰寬度明顯地增大，明顯地增大，峰值波長向長峰值波長向長波方向移動。波方向移動。光譜中的肩峰光譜中的肩峰逐漸消失。形逐漸消失。形成一寬的譜帶成一寬的譜帶 進而通過擬合進而通過擬合可以得到溫度可以得到溫度和半峰寬之和和半峰寬之和的關(guān)系的關(guān)系不同溫度下不同溫度下GaN的光致發(fā)光的光致發(fā)光2021/8/619 光致發(fā)光可以提供有關(guān)材料的結(jié)構(gòu)、成分光致發(fā)光可以提供有關(guān)材料的結(jié)構(gòu)、成分及環(huán)境原子排列的信息，是一種非破壞性及環(huán)境原子排列的信息，是一