光致發(fā)光光譜

光致發(fā)光光譜第一頁(yè)，共十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日一、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(lì)手段，激發(fā)材料中的電子從而實(shí)現(xiàn)發(fā)光的過(guò)程。它是光生額外載流子對(duì)的復(fù)合過(guò)程中伴隨發(fā)生的現(xiàn)象第二頁(yè)，共十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日2.基本原理：由于半導(dǎo)體材料對(duì)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(guò)104cm-1，因此在材料表面約1μm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(duì)，使樣品處于非平衡態(tài)。這些額外載流子對(duì)一邊向體內(nèi)擴(kuò)散，一邊通過(guò)各種可能的復(fù)合機(jī)構(gòu)復(fù)合。其中，有的復(fù)合過(guò)程只發(fā)射聲子，有的復(fù)合過(guò)程只發(fā)射光子或既發(fā)射光子也發(fā)射聲子第三頁(yè)，共十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日e-he-h聲子參與e-AD-he-D+D-A(a)(b)(c)圖1半導(dǎo)體中各種復(fù)合過(guò)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(duì)輻射復(fù)合躍遷第四頁(yè)，共十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日

在這個(gè)過(guò)程中，有六種不同的復(fù)合機(jī)構(gòu)會(huì)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(dòng)的激子，這種運(yùn)動(dòng)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；第五頁(yè)，共十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日（4）淺能級(jí)與本征帶間的載流子復(fù)合——即導(dǎo)帶電子通過(guò)淺施主能級(jí)與價(jià)帶空穴的復(fù)合，或價(jià)帶空穴通過(guò)淺受主能級(jí)與導(dǎo)帶電子的復(fù)合；（5）施主-受主對(duì)復(fù)合——專指被施主-受主雜質(zhì)對(duì)束縛著的電子-空穴對(duì)的復(fù)合，因而亦稱為施主-受主對(duì)(D-A對(duì))復(fù)合；（6）電子-空穴對(duì)通過(guò)深能級(jí)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(guò)深能級(jí)的復(fù)合，這種過(guò)程中的輻射復(fù)合幾率很小。第六頁(yè)，共十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日

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(jiàn)，半導(dǎo)體的光致發(fā)光過(guò)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(guò)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。第七頁(yè)，共十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日二、儀器及測(cè)試

測(cè)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(cè)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(cè)樣品，同時(shí)用光探測(cè)器接受并識(shí)別被測(cè)樣品發(fā)射出來(lái)的光。第八頁(yè)，共十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日?qǐng)D2光致發(fā)光光譜測(cè)量裝置示意圖激光器電源激光器樣品室樣品反射鏡濾光片透鏡透鏡單色儀狹縫光電倍增管鎖相放大器計(jì)算機(jī)真空泵制冷儀第九頁(yè)，共十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日三、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(jiǎn)單、測(cè)量本身是非破壞性的，而且對(duì)樣品的尺寸、形狀以及樣品兩個(gè)表面間的平行度都沒(méi)有特殊要求。它在探測(cè)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)第十頁(yè)，共十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日它的原始數(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(guò)從樣品外部觀測(cè)到的發(fā)光來(lái)推出內(nèi)部的符合速率。光致發(fā)光測(cè)量的結(jié)果經(jīng)常用于相對(duì)的比較，因此只能用于定性的研究方面。測(cè)量中經(jīng)常需要液氦低溫條件也是一種苛刻的要求。對(duì)于深陷阱一類不發(fā)光的中心，發(fā)光方法顯然是無(wú)能為力的。2、光致發(fā)光的缺點(diǎn)第十一頁(yè)，共十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日四、光致發(fā)光分析方法的應(yīng)用1、組分測(cè)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(zhǎng)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(zhǎng)可以測(cè)定組分百分比x值。2、雜質(zhì)識(shí)別根據(jù)特征發(fā)光譜線的位置，可以識(shí)別GaAs和GaP中的微量雜質(zhì)。3、硅中淺雜質(zhì)的濃度測(cè)定第十二頁(yè)，共十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日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(cè)量正是直接反映了材料的發(fā)光特性。通過(guò)光致發(fā)光光譜的測(cè)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(cè)量條件下，不同的樣品間可以求得相對(duì)的輻射效率。5、GaAs材料補(bǔ)償度的測(cè)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(cè)定第十三頁(yè)，共十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日7、均勻性的研究測(cè)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(cuò)等缺陷的研究第十四頁(yè)，共十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日?qǐng)D3CZT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(duì)（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。第十五頁(yè)，共十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日?qǐng)D4高質(zhì)量CZT晶體PL譜的近帶邊區(qū)第十六頁(yè)，共十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日

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