半导体材料测试与分析.ppt

1、1,光致发光光谱PL,2,主要内容： 光致发光基本原理 仪器及测试 应用,3,一、光致发光的基本原理,1. 定义：光致发光(Photoluminescence)指的是以光作为激励手段，激发材料中的电子从而实现发光的过程。它是光生额外载流子对的复合过程中伴随发生的现象。,4,2. 基本原理：由于半导体材料对能量高于其吸收限的光子有很强的吸收，因此在材料表面约1m厚的表层内，由本征吸收产生了大量的额外电子-空穴对，使样品处于非平衡态。这些额外载流子对一边向体内扩散，一边通过各种可能的复合机构复合。其中，有的复合过程只发射声子，有的复合过程只发射光子或既发射光子也发射声子。,5,光致发光光谱（Pho

2、toluminescence,简称PL)，指物质吸收光子（或电磁波）后重新辐射出光子（或电磁波）的过程。从量子力学理论上，这一过程可以描述为物质吸收光子跃迁到较高能级的激发态后返回低能态，同时放出光子的过程。光致发光是多种形式的荧光（Fluorescence）中的一种。,6,从微观上讲，光致发光可以分为两个步骤： 第一步是以光对材料进行激励，将其中电子的能量提高到一个非平衡态，也就是所谓的“激发态”； 第二步，处于激发态的电子自发地向低能态跃迁，同时发射光子，实现发光。,7,光致发光：通过光照射使系统跃迁到激发态，再通过非平衡辐射发光 基本原理：设系统的能级结果如图所示，E0是基态，E1-E6

3、是激发态，受到激发后，系统从低能级被激发到高能级，再从高能级跃迁到低能级，其中，E2 到E1或E0有可能发光,E6,E0,E5,E2,8,半导体中各种复合过程示意图（a）带间跃迁（b）带杂质中心辐射复合跃迁（c）施主受主对辐射复合跃迁,e-h,(a),(b),(c),e-h 声子参与,e-A,D-h,e-D+,D-A,自由载流子复合,自由激子复合,束缚激子复合,浅能级与本征带间的载流子复合,施主受主对符合,电子空穴对通过深能级的复合,9,在上述辐射复合机构中，前两种属于本征机构，后面几种则属于非本征机构。由此可见，半导体的光致发光过程蕴含着材料结构与组份的丰富信息，是多种复杂物理过程的综合反映

4、，因而利用光致发光光谱可以获得被研究材料的多种本质信息。,10,二、仪器及测试,测量半导体材料的光致发光光谱的基本方法是，用紫外、可见或红外辐射等激发光源产生能量大于被测材料的禁带宽度Eg、且电流密度足够高的光子流去入射被测样品，同时用光探测器接受并识别被测样品发射出来的光，分析该材料的光学特性。,11,TRIAX550 PL谱仪,12,样品架,制冷仪,13,光致发光光谱测量装置示意图,14,测试步骤：,放置样品(晶片，粉体，薄膜) 抽真空 降温 激光器使用 光谱仪自检 校准 样品发光光谱测量 变温测量 变功率测量 关机,15,三、PL谱的应用,由于PL谱与晶体的电子结构（能带结构）、缺陷状态

5、、和杂质等密切相关，因此，光致发光被广泛用来研究半导体晶体的物理特性。 光致发光光谱的测试以其简单、可靠，测试过程中对样品无损伤等优点而得到广泛的应用。,16,PL可以应用于： （1）带隙检测、（2）缺陷检测、（3）复合机制以及材料品质鉴定、（4）对少子寿命的研究、（5）测定半导体固溶体的组分、（6）测定半导体中浅杂质的浓度、（7）半导体中杂质补偿度的测定、（8）对半导体理论问题的研究等。 应用领域举例： LED外延片，太阳能电池材料，半导体晶片，半导体薄膜材料等检测与研究。,17,A对应自由激子谱区,其峰值能量为3.57eV,大于体GaN材料的带隙能量,说明GaN和衬底间大的失配(晶格失配为

6、13.8,热失配为25.5)虽经过渡层仍未将其压缩应力完全消除。13.8meV的半峰宽是谱峰交叠的结果。无法确定自由激子从导带到三个不同价带跃迁的精细结构。 B和C对应于束缚激子区。B对应于束缚于N空位相关的中心施主D、x,C对应束缚于深受主的 Ad、x,其峰值能量分别为 3.476eV和3.467eV。其半峰宽分别为10.8meV和15.6meV。 D是氧杂质作用于替位受主的结果,峰值能量为3.419eV,半峰宽度为500meV。由于深能级与晶格间较强的耦合会使光谱宽度明显增加。这与氧产生峰值能量在3.414 3.422eV光谱的结果一致，B-C确定了NH3中的氧和离子注入的氧所形成光谱的峰值能量为3.424eV(4.2K)。这些数据证实了在样品中存在着氧的影响。,在IIK温度下,用很弱的激光激发GaN所测量光致发光的光谱图示如。通过高斯型分峰拟合得到A、B、C、D四个谱峰。,用MOCVD技术在Al2O3衬底上外延GaN的光致发光研究 中国科学院长春物理研究所 高瑛、缪国庆等人,18,随温度升高,晶格振动增强光谱的半峰宽度明显地增大，峰值波长向长波方向移动。光谱中的肩峰逐渐消失。形成一宽的谱带 进而通过拟合可以得到温度和半峰宽之和的关系,不同温度下GaN的光致发光,19,光致发光可以提供有关材料的结构、成分及环境原子排列的信息，是