光致發(fā)光PL光譜ppt課件.ppt

光致發(fā)光 PL 光譜 1 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 2 2 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1 m厚的表層內 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 3 圖1半導體中各種復合過程示意圖 a 帶間躍遷 b 帶 雜質中心輻射復合躍遷 c 施主 受主對輻射復合躍遷 4 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)光強度隨著雜質或缺陷中心的增加而增加 5 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 6 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信息 7 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 8 圖2光致發(fā)光光譜測量裝置示意圖 9 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 10 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 11 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 3 硅中淺雜質的濃度測定 12 4 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 13 7 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 14 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 4 Te空位引起的中心位于1 1eV的發(fā)光峰帶 15 圖4高質量CZT晶體PL譜的近帶邊區(qū) 16 該PL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 以及第一激發(fā)態(tài)自由激子峰 X2 對于質量較差的CZT晶體 無法看到