光谱技术—xy.docx

光谱技术及在半导体测试中的应用徐妍5070729003 F0707201【实验目的】1. 了解基本的半导体光谱知识；2. 学习傅立叶变换光谱仪、紫外光谱仪以及显微拉曼光谱仪的工作原理；3. 学习使用光谱仪测量反射、透射、发光光谱和拉曼光谱；4. 学习分析半导体光谱的实验结果。【实验原理】1. 光在半导体中的传播半导体材料可以看作是连续介质，如果所研究的半导体是光学各向同性的和均匀的，并且在线性响应范围内，则其宏观光学性质可以用复折射率：来表示。其中n是正常折射率，K是消光系数。沿x轴方向传播的电磁波的电场分量按如下规律变化： .上式表明，在消光系数不为零的固体中，光电磁波振幅随传播距离按指数衰减。如果能量不高，光随传播距离的变化关系为：。其中媒质吸收系数和光强无关，。2. 半导体中的光吸收光吸收过程是指具有一定能量的光子将晶体从低能态激发到高能态。它会在半导体的透射光谱和发光光谱图上留下特征性的谱线或谱带。其中，半导体中常见的几种吸收过程如下：（1） 半导体的带间跃迁过程直接跃迁中，电子吸收光子的跃迁过程必须满足能量和动量守恒，电子在跃迁过程中波矢保持不变。其中吸收系数为： .其中A为一基本常数。 间接跃迁时，动量不守恒，电子不仅吸收光子，同时还和晶格交换能量并放出或吸收声子从而达到动量守恒。激子吸收：受激电子和空穴互相束缚而结合在一起而成为一个新的系统：激子。 激子吸收发生在带隙Eg低能处。其中激子的总能量为： .（2） 其它光跃迁过程包括自由载流子吸收：入射光子能量hEg，不能引起带隙间的跃迁，但可以引起同一带内的跃迁；杂质吸收和晶格振动吸收等。3. 半导体的拉曼散射光散射是除吸收和反射以外固体的又一类重要的光学现象。固体介质的光散射起因于固体介质的某种不均匀性，或者说起因于固体某种性质的起伏。其中，熵起伏导致的光散射为弹性散射，或称瑞利散射；分子取向起伏导致的光散射为瑞利翼散射；而其他起伏导致的散射则为非弹性散射，其中密度起伏导致的散射为布里渊散射，与各种激元激发对应的极化起伏引起的散射为拉曼散射。（1） 拉曼散射的基本原理可用能级的概念来说明拉曼散射：晶体中声子的Raman散射可以解释为光子与声子的相互作用，频率为、波矢的入射光子被吸收后，使电子和晶格振动从初态（，）跃迁到一个中间虚态（，），随即辐射出散射光子（，）回到终态（，），同时湮灭或产生一个频率为、波矢q的元激发。其中Raman散射光的频率和波矢满足关系： , ,分别对应于能量守恒和动量守恒，如果取负号即散射光频率减小，称为斯托克斯（Stokes）散射，反之则称为反斯托克斯（anti-Stokes）散射。而Stokes散射和anti-Stokes散射光强关系为： .反斯托克斯线的强度远小于斯托克斯线的强度，这是由于Boltzmann分布，处于振动基态上的粒子数远大于处于振动激发态上的粒子数。（2） 拉曼散射的选择定则从经典电动力学观点来看，Raman散射的物理起源在于散射介质的感应极化。对声子激发来说，只有那些能够引起介质极化率改变的声子模，即只有能导致二阶极化率张量有异于零的分量的声子模才能参与Raman散射。实际的Raman散射实验中用还涉及到几何配置问题，可用“kL(aL, as)ks = 入射光方向（入射光偏振方向，散射光偏振方向）散射光方向”来表示。最后，Raman散射截面可表示为： ，其中A为常数，R为Raman张量，它与极化率张量的关系为： .4. 光致发光光谱光发射的先决条件是半导体电子状态的激发，这种激发可以通过光吸收来实现，也可以通过电流注入和电子束激发等来实现。光吸收(或光激发)导致的光发射常称为光致发光(PL)。半导体中的PL现象主要是由于价带中的电子受激向导带跃迁，产生电子空穴对，当处于高能态的电子向下跃迁时，与空穴复合，或通过缺陷能级与空穴间接复合，向外以光子形式释放出能量。这种情况下的光发射有三个互相联系而又区别的过程：首先是光吸收和因光激发而产生电子空穴对等非平衡载流子；其次是非平衡载流子的扩散及电子空穴对的辐射复合；第三是辐射复合发光光子在样品体内的传播和从样品中出射出来。半导体光致发光光谱的研究通常还可以区分为激发光谱和发射光谱(发光光谱)两类。前者是指发射光谱某一谱线或谱带强度(或积分发光强度)随激发光频率的改变，后者乃是一固定频率(或频域)入射光激发下半导体发光能量(或强度)按频率的分布。实验内容：1. (GaMn)N薄膜的发光特性实验中研究的是不同浓度掺杂时(GaMn)N薄膜的发射光谱。其中取得了没有掺杂、掺杂1%和9%的3套发光光谱。（1） 无掺杂时的GaN薄膜发光特性如图所示为无掺杂的GaMn的光致发光性质。从图中我们可以清楚地看到GaN的发光机构位于3.47 eV（368 nm）带间跃迁（D0，X）峰。（2） 掺杂1%的(GaMn)N薄膜发光特性 如下图所示，掺杂Mn浓度为1%时，薄膜光谱中（D0，X）峰消失，而在带隙附近出现了两个新的激子峰，分别位于3.31 eV（375 nm）和3.37 eV（368 nm）。这是由于Mn+离子的掺入，在原来六方相GaN晶格中形成了立方相结构，而六方相与立方相结构之间的分界面导致了这两个缺陷发光峰的形成。除了带隙附近以外，还观察到了三个新的发光结构，分别位于2.3 eV（540 nm），2.5 eV（497 nm）和2.8 eV（444 nm）。其中，2.3 eV是典型的黄带发光（YL）；2.5 eV处的发光峰是 (D, Mn)，即是施主能级Mn受主能级之间的跃迁；2.8 eV处的发光峰为(e, Mn)，即是导带Mn受主能级之间的跃迁。最后，3.08 eV（403 nm）的发光峰是由于Mn受主能级引起的，对应了从一个自由激子到浅Mn受主能级的越迁。（3） 掺杂9%的(GaMn)N薄膜发光特性如图所示，除了和掺杂1%时相同的发光峰外，在3.258 eV（381 nm）处观察到了新的发光峰，其来源于能带边缘激子跃迁。最后，由于离子注入的方法在很大程度上会破坏了晶格的有序性和晶格中的发光中心，所以即使快速热退火也不能完全使晶格有序性得到完全恢复。因此在离子注入得到的样品中，很难观测到明显而尖锐的发光峰，只能观测到比较宽的发光包络结构。2. GaMnN薄膜的Raman光谱研究（1） GaN薄膜的Raman光谱如图所示，未掺杂的GaN的Raman光谱包含三个Raman峰，分别是E2(high)声子峰（586 cm-1）、A1(LO) 峰（735 cm-1）和宝石衬底的信号(sa)（418 cm-1）。其中418很不明显。（2） 掺杂1%的GaMnN薄膜的Raman光谱如下图所示，掺杂1%的GaMnN薄膜的Raman光谱中包含3条新的Raman谱线：300 cm-1，586 cm-1，670 cm-1。而其中570 cm-1和730 cm-1处的Raman谱线分别是GaN中的E2(high)声子峰和A1(LO)。不过由于掺杂Mn影响，使样品的A1(LO) 峰变的明显不对称而且出现了红移。（3） 掺杂9%的GaMnN薄膜的Raman光谱如上图所示，同1%掺杂的情况，掺杂9%的GaMnN薄膜的Raman光谱中同样包括五条Raman谱线。3. GaMnN薄膜的远红外反射光谱研究底材料的介电常数，其理论公式为： .峰位j1234()3864385646340.13.53.20.25()1.547103.2参数取值如下：衬底的折射率ns = sqrt(sr)薄膜材料的相对介电常数，其理论公式为： .其中参数取值如下：N（cm-3）5601.810183.85.