发光学-半导体发光与光谱技术

1、1,发光定义： 发光是物质（的）辐射中超出热辐射并具有相当于激发态寿命的延续时间的部分。,引言,期中复习,2,1、发光是非平衡过程，其辐射能量与电子能级有关；黑体辐射是平衡辐射，其辐射能量与温度有关。 2、黑体辐射是一个宽谱带发射，而发光较窄。 3、黑体辐射是热光源发射，发光是冷光源发射。 4、黑体辐射的峰值波长由辐射体的温度决定的;发光是由跃迁对应能级决定。,发光和黑体辐射的区别,1、透射光谱,T（）与 的关系,线性光谱技术,4,2、吸收光谱 a. 吸光度 消光度 光密度,A() - ,5,3、反射光谱,R()- ,4、调制反射光谱,R/R-E或,7,定义：I() ,5、一般发光光谱（PL谱

2、）,8,定义：I() - 0激发波长,6、选择激发发光光谱（4的特例）,9,定义：I(0) - 0间测波长,7.激发光谱,10,a. 定义：I(，t) t, Ip(0)对应的波长0,8、发光衰减,Intensity(a.u.),11,a. 定义：I(，t) - t 0,9、时间分辨光谱,12,10. Raman光谱,Raman Intensity(a.u.)- Raman shift(cm-1),13,半导体发光,价带：0K条件下被电子填充的能量最高的能带 满带价带（排满电子） 导带： 0K条件下未被电子填充的能量最低的能带 能带中一部分能级排满电子未排电子 禁带：导带底与价带顶之间能带 禁带

3、（不能排电子） 带隙：导带底与价带顶之间的能量差,14,本征半导体（semiconductor）,本征半导体是指纯净的没有杂质的半导体。,电子：Electron，带负电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚 后形成的自由电子，对应于导带中占据的电子 空穴：Hole，带正电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚 后形成的电子空位，对应于价带中的电子空位,15,1. 直接带结构：,导带的最低能量状态与价带的最高能量状态位于波矢空间同一位置，通常是在K空间原点附近（K=0附近）-直接带半导体,跃迁: (可不需要声子参与) 动量守恒 能量守恒,16,导带的最低能量状态与价带的最高能量状态位于波矢空间不同位置，

4、价带最高能量状态在K空间原点（000），而导带的最低能量状态则在第一布里渊区（111）L点或（100） X点方向的边界或边界附近。间接带半导体,2. 间接带结构,如：Si GaP,17,直接跃迁,间接跃迁,跃迁几率小,跃迁几率大,跃迁: 需要声子或其他准粒子参与 动量守恒 能量守恒,18,4.价带劈裂 六角结构 1）考虑到晶体场以及电子自旋轨道的相互作用，半导体的价带要发生劈裂。劈裂的具体情况依晶体结构而异。,图3-2 (a) GaN价带顶的晶场劈裂与自旋轨道劈裂；(b) 能带结构与A、B、C激子结合能,EAB = 6meV,EBC = 37meV,19,2）应变引起的价带劈裂,压应变和伸展应

5、变会使价带重空穴和轻空穴分裂。,重空穴,重空穴,轻空穴,轻空穴,由于自旋-轨道相互作用，大多数半导体的价带分裂成三支。 V1重空穴、V2轻空穴、 V3自旋轨道，其中V1、V2支则在布里渊区原点仍然简并，但V3支则因自旋轨道互作用而压低了，组成半导体的元素的原子量越大，这种分裂也愈大。,压应变 伸展应变,20,一、杂质,杂质：半导体中的其它外来原子 本征半导体：没有杂质的半导体 掺杂：将不同的原子添加到半导体中,占据基质晶格原子的位置,存在于基质晶格间隙的位置,杂质和缺陷，表面和界面原子与体内原子的排列不同，因此导致在禁带中形成居域能级。,替位原子：,间隙原子：,居域能级：,21,施主：Dono

6、r，掺入半导体的杂质原子向半导体中 提供导电的电子，并成为带正电的离子。如 Si中掺的P 和As 受主：Acceptor，掺入半导体的杂质原子向半导体中 提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如 Si中掺的B,3. 深能级,深能级EDL：杂质和缺陷在禁带中形成定域能级，如果这些能级远离带边(室温下，EDL kBT) 。由于杂质或缺陷的深能级接近于带隙中央，在室温下离化的可能性不大。,22,浅杂质能级,类氢原子, 其能级为 , (n = 1, 2, 3, ) 其中能量的0点(n = )在导带底, R*为杂质态等效里德堡常数,23,图3-4 半导体中的杂质能级与可能的光学跃迁：(A) 带间激发；(B

7、)与施主能级ED相关的浅跃迁; (C) 与受主能级EA有关的浅跃迁；(D)与受主能级EA有关的深跃迁；(E)施主与受主间的跃迁；(F)在价带之下芯能级间的跃迁；(G)通过深能级EDL的无辐射跃迁,半导体中可能存在的杂质能级及可能的光学跃迁,24,二、缺陷,实际半导体中原子的微观排列，总存在一些与完整晶格不同的区域, 构成晶格缺陷。缺陷分为本征缺陷和非本征缺陷，前者与晶体生长过程相关，也叫做结构缺陷；后者与掺杂有关。杂质原子的大小和化学性质（如电负性）与晶格原子不同，因此掺杂也不可避免地产生晶格缺陷。按照缺陷与晶格的连接方式，分为面、线和点三种形式，它们分别与晶格为一、二和三维连接。空位和间隙原

8、子是典型的点缺陷，位错属于线缺陷，晶界可以看作面缺陷。晶体中的缺陷往往呈现复合结构，如替位与间隙缺陷复合等。,25,(a)激发：材料吸收能量，电子被激发到导带，并被陷阱T 俘获，同时价带中的空穴被发光中心L俘获，于是发光中心被电离，电子陷阱被填充；,图3-29表示热释光TSL和光释光OSL过程的能带图。,热释光和光释光,(b) 发光中心上的空穴和电子陷阱上的电子在激发下不断积累和存储；,(c) 在加热或光照的刺激下，电子从陷阱中被释放到导带，然后与发光中心上的空穴复合发光，形成热释光或光释光。,26,基本吸收区：,E,Absorption,基本吸收区,电子从价带跃迁到导带引起的强而宽的吸收区域

9、，其吸收系数可高达104-105cm-1。,27,吸收边是半导体和绝缘体吸收光谱中最突出的一个特征。,吸收系数很陡峭地下降，可以在101一102 meV的能量范图内下降34个数量级。,E,Absorption,吸收边,吸收边：,28,横声学声子(TA) 纵声学声子(LA) 横光学声子(TO) 纵光学声子(LO),难观测到上述特征。,间接带半导体光学跃迁:,动量守恒要求：声子参与 或准粒子,允许直接跃迁：吸收系数正比于（E-E0）1/2,禁戒直接跃迁：吸收系数正比于（E-E0）3/2,允许间接的跃迁：吸收系数正比于（E-E0）2,禁戒间接跃迁：吸收系数正比于（E-E0）3,几种跃迁的吸收,声学声

10、子能量很小可以忽略，光学声子具有足够的能量影响间接跃迁过程。,直接带,间接带,注意：高杂质浓度情况下，充填的杂质能带和导带电子态之间不再有能隙，从而使杂质的原本是束缚的电子(受主情况下是空穴)变成自由电子(自由空穴)，这就是莫特(mott)相变(半导体金属相变)。,除这种电子杂质互作用外，电子空穴，电子声子互作用都可能导致吸收带尾的出现。,30,重掺杂(n type)对能带边缘的强烈微扰和带尾态的形成。,能带带尾-指数吸收边,31,6.激子复合发光：电子-空穴对，自由激子-自由电子、自由空穴可自由运动，空穴带正电，电子带负电，象氢原子一样在半导体中运动。,二、半导体激发态过程,复合发光：,1.

11、带间复合发光(包括声子参与),2.施主价带空穴（束缚自由跃迁）,3.导带电子受主空穴（自由束缚）,4.深中心发光,5.施主受主对发光,7.束缚激子复合发光：激子被束缚在陷阱和杂质附近运动。,8.多声子发射，无辐射复合。,32,压力效应,流体静压力是只引起晶体体积压缩而不改变其对称性的各向同性压应力。它对半导体能带结构及光吸收边行为的影响是通过晶格常数的变化来实现的。随着压力的增加和晶格常数的压缩，半导体导带和价带的电子波函数间的交叠混和情况随之改变，能带边缘在k空间的相对位置及不同能谷间的能量差也可发生变化。,流体静压力,33,34,单轴应力引起晶体对称性的改变，从而引起能带结构及相应性质的改

12、变，尤其是应力可以消除某些能带态的简并，因此显著影响半导体光吸收行为。应力实验还被用来判定能带结构的对称性和测定畸变势。,单轴应力,35,温度效应,温度对半导体禁带宽度(带间光跃迁吸收边能量位置)的影响，可以通过两种不同的物理过程来实现：,1、带隙与温度的关系,（1）热膨胀效应：温度导致晶格常数变化引起的能带结构的变化或能带边缘的移动。,（2）温度引起的晶格振动状态的变化，即声子激发状态的变化，从而导致电子声子偶合及其对能带微扰程度的变化。 即电子晶格互作用(或所谓电子声子散射)效应。,36,其中第一项表示由布居引起的非均匀性线宽。第二项表示由形变势引起的激子与声学声子散射。LA表示激子与声学

13、声子的耦合强度。第三项，表示激子与LO声子相互作用引起的线宽，最后一项表示激子与离化的杂质散射引起的线宽。是施主束缚能。,2、发光线宽与温度的关系,37,3、发光强度与温度的关系,发光强度随温度升高逐渐减弱，主要是由于激子的热离化和无辐射复合的遂穿过程。该热猝灭过程是由于较高的激活能导致的发光强度变化。,38,1、带内亚结构间的光跃迁（ p型半导体价带子带间）,由于自旋-轨道相互作用，大多数半导体的价带分裂成三支。 V1重空穴、V2轻空穴、 V3自旋轨道，其中V1、V2支则在布里渊区原点仍然简并，但V3支则因自旋轨道互作用而压低了，组成半导体的元素的原子量越大，这种分裂也愈大。,39,激子离解

14、为自由电子和空穴所需要的能量。 温度升高 激子 自由电子和空穴 激子结合能的大小,激子定义：,激子结合能：,中性的,电子空穴库仑互作用,互相束缚成一个整体,束缚电子激发态,绕着质心运动,不导电的,40,1. 能量略低带隙（激子结合能）。2. 无光电导（在固体中运动传播能量和动量，但不传播电荷，因而不伴随光电导） 。3. 能量量子化（一系列分立的能级）。,激子的特点：,电子和空穴波函数的扩展范围（电子和空穴相距）远小于晶格常数。激子半径小，又叫紧束缚激子。,Frenkel 激子,电子和空穴波函数的扩展范围（电子和空穴相距）远大于晶格常数，激子的波函数可扩展到上百上千个元胞。电子和空穴间库仑作用较

15、弱，激子半径较大。又叫松束缚激子。,Wannier激子,41,图3-35 瓦尼尔激子能级及光学跃迁示意图,万尼尔激子能级结构,(n = 1, 2, 3, ),42,如果将施主和受主杂质同时掺入同一块半导体，由于正负电荷的静电库仑作用束缚在一起，形成近邻和较近邻的对（一种新的状态），施主和受主各自的定域能级都消失掉，对能带微扰也不再是一种电荷，而是一个偶极势场，这种施主和受主形成的联合中心称为施主-受主对。,施主-受主对发光,43,在短波侧可能出现分立的线谱，在长波侧形成带谱。,施主-受主对内电子跃迁能量：,施主-受主对发光,二、浅施主-受主对复合发光及其特征,r比较小时，DAP复合的几率大；r比较大时，DAP复合发光的几率以指数形式迅速降低。,DAP的跃迁几率: 施主的玻尔半径rB,44,DAP发光特点:,1、锐线系,在DAP发光光谱的高能边出现锐线系（分立）, 来自于近距离DAP的复合。,对于远距离的DAP, r的变化引起能量的变