光致發(fā)光（PL）光譜

2021/10/101一、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。它是光生額外載流子對的復合過程中伴隨發(fā)生的現(xiàn)象2021/10/1022.基本原理：由于半導體材料對能量高于其吸收限的光子有很強的吸收，吸收系數(shù)通常超過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，使樣品處于非平衡態(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合機構復合。其中，有的復合過程只發(fā)射聲子，有的復合過程只發(fā)射光子或既發(fā)射光子也發(fā)射聲子2021/10/103e-he-h聲子參與e-AD-he-D+D-A(a)(b)(c)圖1半導體中各種復合過程示意圖（a）帶間躍遷（b）帶－雜質(zhì)中心輻射復合躍遷（c）施主－受主對輻射復合躍遷2021/10/104

在這個過程中，有六種不同的復合機構會發(fā)射光子，它們是：（1）自由載流子復合——導帶底電子與價帶頂空穴的復合；（2）自由激子復合——晶體中原子的中性激發(fā)態(tài)被稱為激子，激子復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動的激子，這種運動顯然不傳輸電荷；（3）束縛激子復合——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合，其發(fā)光強度隨著雜質(zhì)或缺陷中心的增加而增加；2021/10/105（4）淺能級與本征帶間的載流子復合——即導帶電子通過淺施主能級與價帶空穴的復合，或價帶空穴通過淺受主能級與導帶電子的復合；（5）施主-受主對復合——專指被施主-受主雜質(zhì)對束縛著的電子-空穴對的復合，因而亦稱為施主-受主對(D-A對)復合；（6）電子-空穴對通過深能級的復合——即SHR復合，指導帶底電子和價帶頂空穴通過深能級的復合，這種過程中的輻射復合幾率很小。2021/10/106

在上述輻射復合機構中，前兩種屬于本征機構，后面幾種則屬于非本征機構。由此可見，半導體的光致發(fā)光過程蘊含著材料結構與組份的豐富信息，是多種復雜物理過程的綜合反映，因而利用光致發(fā)光光譜可以獲得被研究材料的多種本質(zhì)信息。2021/10/107二、儀器及測試

測量半導體材料的光致發(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。2021/10/108圖2光致發(fā)光光譜測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算機真空泵制冷儀2021/10/109三、光致發(fā)光特點光致發(fā)光分析方法的實驗設備比較簡單、測量本身是非破壞性的，而且對樣品的尺寸、形狀以及樣品兩個表面間的平行度都沒有特殊要求。它在探測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2021/10/1010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，以至于經(jīng)常需要進行大量的分析，才能通過從樣品外部觀測到的發(fā)光來推出內(nèi)部的符合速率。光致發(fā)光測量的結果經(jīng)常用于相對的比較，因此只能用于定性的研究方面。測量中經(jīng)常需要液氦低溫條件也是一種苛刻的要求。對于深陷阱一類不發(fā)光的中心，發(fā)光方法顯然是無能為力的。2、光致發(fā)光的缺點2021/10/1011四、光致發(fā)光分析方法的應用1、組分測定

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)光的峰值波長取決于禁帶寬度，禁帶寬度和x值有關。因此，從發(fā)光峰峰值波長可以測定組分百分比x值。2、雜質(zhì)識別

根據(jù)特征發(fā)光譜線的位置，可以識別GaAs和GaP中的微量雜質(zhì)。3、硅中淺雜質(zhì)的濃度測定2021/10/10124、輻射效率的比較半導體發(fā)光和激光器件要求材料具有良好的發(fā)光性能，發(fā)光測量正是直接反映了材料的發(fā)光特性。通過光致發(fā)光光譜的測定不僅可以求得各個發(fā)光帶的強度，而且也可以的到積分的輻射強度。在相同的測量條件下，不同的樣品間可以求得相對的輻射效率。5、GaAs材料補償度的測定

補償度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)載流子壽命的測定2021/10/10137、均勻性的研究測量方法是用一個激光微探針掃描樣品，根據(jù)樣品的某一個特征發(fā)光帶的強度變化，直接顯示樣品的不均勻圖像。8、位錯等缺陷的研究2021/10/1014圖3CZT晶體在4.2K下典型的PL譜。該PL譜包括四個區(qū)域：（1）近帶邊區(qū)；（2）施主－受主對（DAP）區(qū)；（3）受主中心引起的中心位于1.4eV的缺陷發(fā)光帶；