半導(dǎo)體微觀分析第二章節(jié)

半導(dǎo)體微觀分析第二章節(jié)第1頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三例：下圖為邊長等于1的立方體晶格，寫出下面各晶面和晶向的密勒指數(shù)晶面：

晶向：、

x

y

z

D￠

A

C

B

A￠

C￠

B￠

x

D

第2頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三晶向：表示晶列的方向

表示晶向，從一個陣點O沿某個晶列到另一陣點P作位移矢量R，則R=l1a+l2b+l3cl1:l2:l3

＝m:n:p化為互質(zhì)整數(shù)晶向指數(shù)【mnp】：

晶向矢量在三晶軸上投影的互質(zhì)指數(shù)在立方晶體中，同類晶向記為<mnp>

例：<100>代表了[100]、[ī00]、[010]、

[0ī0]、[001]、[00ī]六個同類晶向；<111>代表了立方晶胞所有空間對角線的

8個晶向；<110>表示立方晶胞所有12個面對角線的晶向

第3頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三晶面：點陣中的所有陣點全部位于一系列相互平行、等距的平面上，這樣的平面系稱為晶面，（100）晶面族晶面指數(shù)（hkl）：h、k、l是晶面與三晶軸的截距r、s、t的倒數(shù)的互質(zhì)整數(shù)，也稱為密勒指數(shù).(r,s,t為晶面在三個晶軸上的截長,h、k、l為晶面指標(biāo).)xyz(553)abc晶面指標(biāo)為（553）第4頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三第二章光學(xué)性質(zhì)檢測與分析光學(xué)性質(zhì)的檢測與分析在半導(dǎo)體物理的研究中非常有用，例如：X射線的波長與固體晶格常數(shù)為同一數(shù)量級，被直接用于研究固體中原子或原子團組成的晶格的結(jié)構(gòu)性質(zhì)；波長為紫外、可見光、紅外范圍的光譜適合用來檢測分析半導(dǎo)體材料的物理性質(zhì)，研究半導(dǎo)體的電子能帶和晶格振動。測量的內(nèi)容包括：半導(dǎo)體的各種基本光學(xué)性質(zhì)，如：吸收、反射、發(fā)光、拉曼散射等研究的對象包括：半導(dǎo)體中的電子、空穴的性質(zhì)，能帶狀態(tài)，能帶結(jié)構(gòu)，能隙中的雜質(zhì)缺陷態(tài)，載流子輸運以及與半導(dǎo)體中聲子有關(guān)的物理性質(zhì)第5頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三光學(xué)性質(zhì)檢測與分析的重要性：可以測量分析半導(dǎo)體的許多結(jié)構(gòu)性質(zhì)和物理性質(zhì)，幫助我們獲取材料基本的結(jié)構(gòu)和物理參數(shù)，加深對這些性質(zhì)的認識和理解。光學(xué)性質(zhì)檢測與分析和半導(dǎo)體光電子器件的應(yīng)用有緊密關(guān)系，有望直接對光電子器件（LED、激光器、光電探測器等）的研究和開發(fā)提供必要的信息，有利于新材料、新器件的研制第6頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三2.1半導(dǎo)體光致發(fā)光的基本原理和概念2.2半導(dǎo)體陰極熒光原理2.3半導(dǎo)體吸收光譜2.4拉曼散射及其應(yīng)用本章主要內(nèi)容第7頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三2.1半導(dǎo)體光致發(fā)光的基本原理和概念2.1.1發(fā)光現(xiàn)象概念當(dāng)物質(zhì)受到諸如光照、外加電場或電子束轟擊等的激發(fā)后，吸收了外界能量，其電子處于激發(fā)狀態(tài)，物質(zhì)只要不因此而發(fā)生化學(xué)變化，當(dāng)外界激發(fā)停止以后，處于激發(fā)狀態(tài)的電子總要躍遷回到基態(tài)。在這個過程中，一部分多余能量通過光或熱的形式釋放出來。如果這部分能量是以光的電磁波形式發(fā)射出來，就稱為發(fā)光現(xiàn)象。概括地說，發(fā)光就是物質(zhì)內(nèi)部以某種方式吸收能量以后，以除熱輻射以外的光輻射形式發(fā)射出多余的能量的過程第8頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三半導(dǎo)體發(fā)光：半導(dǎo)體發(fā)光是指半導(dǎo)體中電子從高能態(tài)（非平衡狀態(tài)）躍遷到低能態(tài)時，伴之以發(fā)射光子的輻射復(fù)合躍遷的過程光發(fā)射的過程是電子從低能態(tài)到高能態(tài)的光吸收過程的一種逆效應(yīng)產(chǎn)生光發(fā)射的先決條件：先將電子激發(fā)到非平衡狀態(tài)這種激發(fā)可以通過光吸收、電流注入、電子束激發(fā)等激勵方法實現(xiàn)的第9頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三發(fā)光可以根據(jù)激勵方法的不同劃分為如下發(fā)光類型：光致發(fā)光（Photoluminescence）：

以光子或光為激發(fā)光源，常用的有紫外光作激發(fā)源。電致發(fā)光（Electroluminescence）：

以電能作激發(fā)源。陰極致發(fā)光（Cathodoluminescence）：

使用陰極射線或電子束為激發(fā)源。第10頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三半導(dǎo)體的光致發(fā)光及其物理過程：用光激發(fā)半導(dǎo)體材料而產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn)象，即為半導(dǎo)體的光致發(fā)光，是對半導(dǎo)體材料物理性質(zhì)進行檢測的常用手段之一。半導(dǎo)體光致發(fā)光的物理過程大致可以分為3個步驟:首先，是光吸收。在此過程中通過光激發(fā)在半導(dǎo)體中產(chǎn)生電子一空穴對，形成非平衡載流子;即當(dāng)光子能量大于半導(dǎo)體禁帶寬度Eg時，發(fā)生本征吸收，光的吸收系數(shù)大，才能有效地產(chǎn)生電子空穴對。其次，是光生非平衡載流子的馳豫、擴散。在此過程中載流子有可能產(chǎn)生空間擴散和能量上的轉(zhuǎn)移。一般來說，絕大部分載流子將在復(fù)合前馳豫到能帶底部。最后，是電子一空穴輻射復(fù)合產(chǎn)生發(fā)光。第11頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三2.1.2半導(dǎo)體的光吸收1、本征半導(dǎo)體的光吸收2、激子吸收3、非本征半導(dǎo)體的光吸收第12頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三2.1.2半導(dǎo)體的光吸收1、本征半導(dǎo)體的光吸收右圖為半導(dǎo)體中電子的能帶結(jié)構(gòu)，其中價帶完全被電子填滿。導(dǎo)帶和價帶之間存在一定寬度的能隙（禁帶）。在能隙中不能存在電子的能級。本征半導(dǎo)體受到光輻射時，當(dāng)輻射光子的能量大于禁帶寬度，使電子由價帶躍遷至導(dǎo)帶，這時出現(xiàn)半導(dǎo)體的光吸收現(xiàn)象。導(dǎo)帶價帶能隙（禁帶）第13頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三導(dǎo)帶價帶能隙(禁帶）激子能級

2、激子吸收

除本征吸收外，還有一類吸收，其能量低于能隙寬度，它對應(yīng)于電子由價帶向稍低于導(dǎo)帶底處的的能級的躍遷。這些能級可視為電子-空穴（或稱激子）的激發(fā)能級。處于這種能級上的電子與價帶中的空穴耦合成電子-空穴對，作為一個整體在半導(dǎo)體中存在著或運動著。第14頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三3、非本征半導(dǎo)體的光吸收摻入半導(dǎo)體的雜質(zhì)有3類：施主雜質(zhì)、受主雜質(zhì)和等電子雜質(zhì)。這些雜質(zhì)的能級定域在能隙中，就構(gòu)成了下圖所示的各種光吸收躍遷方式。第15頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三等電子雜質(zhì)的存在可能成為電子和空穴復(fù)合的中心，會對材料的發(fā)光產(chǎn)生影響。單獨的施主和受主雜質(zhì)不會影響到材料的光學(xué)性質(zhì)。這是因為只有當(dāng)激發(fā)態(tài)電子越過能隙與空穴復(fù)合時，才會發(fā)生半導(dǎo)體的發(fā)光。例如，n型半導(dǎo)體可以向?qū)峁┳銐虻碾娮?，但在價帶中沒有空穴，因此不會發(fā)光。同樣，p型半導(dǎo)體價帶中有空穴，但其導(dǎo)帶中卻沒有電子，因此也不會發(fā)光。如果將n型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體結(jié)合在一起形成一個p-n結(jié)，那么可以在p-n結(jié)處促使激發(fā)態(tài)電子（來自n型半導(dǎo)體導(dǎo)帶）和空穴（來自p型半導(dǎo)體價帶）復(fù)合。當(dāng)在p-n結(jié)處施加一個正偏向壓，可以將n區(qū)的導(dǎo)帶電子注入到p區(qū)的價帶中，在那里與空穴復(fù)合，從而產(chǎn)生光子輻射。這種發(fā)光是發(fā)生在p-n結(jié)上，故稱作注入結(jié)型發(fā)光。這是一種電致發(fā)光，是發(fā)光二極管工作的基本過程。第16頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三2.1.3半導(dǎo)體材料發(fā)光的基本原理半導(dǎo)體材料吸收光能，電子由基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)，產(chǎn)生非平衡載流子（電子-空穴對）。然后，電子會再從激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)，可能將吸收的能量以光的形式輻射出來，這一過程為輻射復(fù)合，即發(fā)光。體系也可以以無輻射的形式(如發(fā)熱)將吸收的能量散發(fā)出來，這一過程即為無輻射復(fù)合。輻射復(fù)合包括：帶-帶間復(fù)合發(fā)光能帶與雜質(zhì)能級間的輻射復(fù)合激子復(fù)合無輻射復(fù)合包括：階段地放出聲子的復(fù)合

俄歇過程表面復(fù)合第17頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三1、輻射復(fù)合帶-帶間復(fù)合發(fā)光：這種復(fù)合可分為直接躍遷（不通過聲子的復(fù)合）和間接躍遷（必須通過聲子為媒介的復(fù)合）兩種。在這類復(fù)合中，導(dǎo)帶底的電子躍遷至價帶，與空穴復(fù)合，初態(tài)與終態(tài)的能量差以光的形式輻射，其躍遷模型如圖（a）直接躍遷（b）間接躍遷第18頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三對于直接躍遷，初態(tài)與終態(tài)的動量相同，光子動量與電子的能量相比可以忽略，輻射光的頻率v表現(xiàn)為：hv=E2-E1

對于間接躍遷，初態(tài)與終態(tài)的動量不相同，必須借助晶格振動轉(zhuǎn)移一部分能量，此時，該部分動量以聲子形式表現(xiàn)出來。在此情況下，輻射光的頻率v表現(xiàn)量為：

hv=E2-E1-K（K為聲子的能量）由于間接躍遷時部分能量被聲子消耗，輻射能量相應(yīng)變小。第19頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三1、輻射復(fù)合能帶與雜質(zhì)能級間的復(fù)合：

半導(dǎo)體導(dǎo)帶或價帶與禁帶中雜質(zhì)能級之間的輻射復(fù)合躍遷主要是指，能帶與中性雜質(zhì)能級之間的躍遷，即：電子—受主能級的躍遷過程與空穴—施主能級間的躍遷過程，文獻中常稱為“自由到束縛”躍遷四個微觀過程：①俘獲電子過程。復(fù)合中心能級Et從導(dǎo)帶俘獲電子。②發(fā)射電子過程。復(fù)合中心能級Et上的電子被激發(fā)到導(dǎo)帶(①的逆過程)。③俘獲空穴過程。電子由復(fù)合中心能級Et落入價帶與空穴復(fù)合。也可看成復(fù)合中心能級從價帶俘獲了一個空穴。④發(fā)射空穴過程。價帶電子被激發(fā)到復(fù)合中心能級Et上。也可以看成復(fù)合中心能級向價帶發(fā)射了—個空穴(③的逆過程)。第20頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三激子復(fù)合：在半導(dǎo)體中，除了固定在晶格原子上的電子(滿帶電子)和能自由地在晶體中運動的電子(導(dǎo)帶電子)外，還可能存在一種處于激發(fā)態(tài)的電子。這種電子處于高能激發(fā)態(tài)，活動于原子的外軌道，與原子結(jié)合力較弱，易于脫離原子而轉(zhuǎn)移到相鄰的原子上去，從而形成電子——空穴對，這種電子——空穴對復(fù)合時也會以光的形式輻射能量。激子復(fù)合通常具有較高的復(fù)合效率。這種激子發(fā)光是低溫時的主要發(fā)射機理。第21頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三2、非輻射復(fù)合非輻射性復(fù)合主要是由于躍遷能量轉(zhuǎn)換為低能聲子而形成。這種復(fù)合主要有以下幾種形式:階段地放出聲子的復(fù)合：若在禁帶中含有若干能量不同的雜質(zhì)或缺陷能級，能級間能量差很小，則在復(fù)合過程中，導(dǎo)帶電子可能會在這些能級間發(fā)生階段性躍遷，通過一系列聲子的產(chǎn)生實現(xiàn)復(fù)合過程。第22頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三俄歇過程：載流子從高能級向低能級躍遷，發(fā)生電子—空穴復(fù)合時，把多余的能量傳給另一個載流子，使這個載流子被激發(fā)到能量更高的能級上去，當(dāng)它重新躍遷回低能級時，多余的能量常以聲子形式放出，這種復(fù)合稱為俄歇復(fù)合。顯然這是一種無輻射復(fù)合。圖中（a）（b）為帶間俄歇復(fù)合，余者為與雜質(zhì)和缺陷有關(guān)的俄歇復(fù)合。第23頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三表面復(fù)合：表面復(fù)合是指在半導(dǎo)體表而發(fā)生的復(fù)合過程。表面處的雜質(zhì)和表面特有的缺陷也在禁帶形成復(fù)合中心能級，因而，就復(fù)合機構(gòu)講，表面復(fù)合是無輻射復(fù)合。第24頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三2.1.4光致發(fā)光的測量裝置及光譜種類第25頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三1、光致發(fā)光譜的研究意義光致發(fā)光(photoluminescence,PL)是對半導(dǎo)體材料物理性質(zhì)進行檢測的常用手段之一。研究半導(dǎo)體材料的光致發(fā)光可以加深對材料性能的認識，探尋發(fā)光機理改善材料的發(fā)光性能，從而根據(jù)需要選擇制備技術(shù)，控制制備條件和適用條件。光致發(fā)光的優(yōu)點：在于其靈敏度，尤其是它在光吸收實驗靈敏度差的頻段內(nèi)有較高的靈敏度，使得發(fā)光和光吸收實驗互為補充在半導(dǎo)體電子態(tài)研究中起著重要作用。第26頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三2、光致發(fā)光譜的基本測試步驟由激光器發(fā)出一束激光，激發(fā)光源大于被測材料的禁帶寬度Eg、且流密度足夠高的光子流去入射被測樣品，經(jīng)過光束轉(zhuǎn)折器(平面鏡)后，使光束射向濾波器。濾波器的作用是濾掉干擾波長的光通過透鏡系統(tǒng)(一般為：兩個透鏡，一個用