光致發(fā)光(PL)光譜

1、光致發(fā)光（PL）光譜一、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)生的現象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，吸收系數通常超過104cm-1，因此在材料表面約1m厚的表層內，由本征吸收產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e-he-h聲子參與e-AD-he-D+D-A(a)(b)(c)

2、圖圖1 半導體中各種復合過程示意圖（半導體中各種復合過程示意圖（a）帶間躍遷（）帶間躍遷（b）帶）帶雜質中心輻射復合躍遷（雜質中心輻射復合躍遷（c）施主受主對輻射復合躍遷）施主受主對輻射復合躍遷 在這個過程中，有六種不同的復合機構會發(fā)射光在這個過程中，有六種不同的復合機構會發(fā)射光子，它們是：子，它們是：（1）自由載流子復合）自由載流子復合 導帶底電子與價帶頂空穴導帶底電子與價帶頂空穴的復合；的復合；（2）自由激子復合）自由激子復合 晶體中原子的中性激發(fā)態(tài)被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)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

3、可以在晶體中自由運動的的躍遷，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；激子，這種運動顯然不傳輸電荷；（3）束縛激子復合）束縛激子復合 指被施主、受主或其他陷阱指被施主、受主或其他陷阱中心中心(帶電的或不帶電的帶電的或不帶電的)束縛住的激子的輻射復合，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；其發(fā)光強度隨著雜質或缺陷中心的增加而增加；（4）淺能級與本征帶間的載流子復合）淺能級與本征帶間的載流子復合即導即導帶電子通過淺施主能級與價帶空穴的復合，或價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；帶空穴通過淺受主能級

4、與導帶電子的復合；（5）施主）施主-受主對復合受主對復合專指被施主專指被施主-受主雜質受主雜質對束縛著的電子對束縛著的電子-空穴對的復合，因而亦稱為施空穴對的復合，因而亦稱為施主主-受主對受主對(D-A對對)復合；復合；（6）電子）電子-空穴對通過深能級的復合空穴對通過深能級的復合即即SHR復合，指導帶底電子和價帶頂空穴通過深能級的復合，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。復合，這種過程中的輻射復合幾率很小。 在上述輻射復合機構中，前兩種屬于本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。由此征機構，后面幾種則屬于非本征機構。由此可見，

5、半導體的光致發(fā)光過程蘊含著材料結可見，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。得被研究材料的多種本質信息。二、儀器及測試二、儀器及測試 測量半導體材料的光致發(fā)光光譜的基本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)光源產生能量大于被測材料方法是，用激發(fā)光源產生能量大于被測材料的禁帶寬度的禁帶寬度Eg、且電流密度足夠高的光子流、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去入射被測樣品，同時用光探測器接受

6、并識別被測樣品發(fā)射出來的光。別被測樣品發(fā)射出來的光。圖圖2 光致發(fā)光光譜測量裝置示意圖光致發(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)點它的原始數據與主要感興趣的物理現象之間離得比較遠，以至于經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

7、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

8、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。6、少數載流子壽命的測定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、位錯等缺陷的研究圖圖3 CZT晶體在晶體在4.2K下典型的下典型的PL譜。該譜。該PL譜包括四個區(qū)域：譜包括四個區(qū)域：（1）近帶邊區(qū)；（）近帶邊區(qū)；（2）施主受主對（）施主受主對（DAP）區(qū)；（）

9、區(qū)；（3）受主）受主中心引起的中心位于中心引起的中心位于1.4eV的缺陷發(fā)光帶；（的缺陷發(fā)光帶；（4）Te空位引起的空位引起的中心位于中心位于1.1eV的發(fā)光峰帶。的發(fā)光峰帶。圖圖4 高質量高質量CZT晶體晶體PL譜的近帶邊區(qū)譜的近帶邊區(qū) 該該PL譜的主峰為中性施主的束縛激子峰（譜的主峰為中性施主的束縛激子峰（D0, X）。）。而而CdTe和和Cd0.96Zn0.04Te在該區(qū)域內的主發(fā)光峰則通常為在該區(qū)域內的主發(fā)光峰則通常為受主束縛激子峰（受主束縛激子峰（A0,X）。在）。在Cd0.9Zn0.1Te晶體的近帶晶體的近帶邊區(qū)的邊區(qū)的PL譜除此之外，還可以看到基態(tài)自由激子峰譜除此之外，還可以看到基態(tài)自由激子峰（X1）、上偏振帶峰（）、上偏振帶峰（Xup）以及第一激發(fā)態(tài)自由激子峰）以及第一激發(fā)態(tài)自由激子峰（X2）。對于質量較差的）。