半导体材料测试与分析

1、整理课件光致发光光谱光致发光光谱PL整理课件主要内容：主要内容： 光致发光基本原理光致发光基本原理 仪器及测试仪器及测试 应用应用整理课件一、光致发光的基本原理一、光致发光的基本原理 1. 定义：光致发光定义：光致发光(Photoluminescence)指的是以光作为激励手段，激发材料中的指的是以光作为激励手段，激发材料中的电子从而实现发光的过程。它是光生额外电子从而实现发光的过程。它是光生额外载流子对的复合过程中伴随发生的现象。载流子对的复合过程中伴随发生的现象。整理课件 2. 基本原理：由于半导体材料对能量高于基本原理：由于半导体材料对能量高于其吸收限的光子有很强的吸收，因此在材其吸收限

2、的光子有很强的吸收，因此在材料表面约料表面约1m厚的表层内，由本征吸收产厚的表层内，由本征吸收产生了大量的额外电子生了大量的额外电子-空穴对，使样品处于空穴对，使样品处于非平衡态。这些额外载流子对一边向体内非平衡态。这些额外载流子对一边向体内扩散，一边通过各种可能的复合机构扩散，一边通过各种可能的复合机构复合复合。其中，有的。其中，有的复合复合过程只发射声子，有的过程只发射声子，有的复合过程只发射光子或既发射光子也发射复合过程只发射光子或既发射光子也发射声子。声子。整理课件 光致发光光谱（光致发光光谱（Photoluminescence,简称简称PL)，指物质吸收光子（或电磁波）后重新，指物质

3、吸收光子（或电磁波）后重新辐射出光子（或电磁波）的过程。从量子辐射出光子（或电磁波）的过程。从量子力学理论上，这一过程可以描述为物质吸力学理论上，这一过程可以描述为物质吸收光子跃迁到较高能级的激发态后返回低收光子跃迁到较高能级的激发态后返回低能态，同时放出光子的过程。光致发光是能态，同时放出光子的过程。光致发光是多种形式的荧光（多种形式的荧光（Fluorescence）中的一）中的一种。种。整理课件 从微观上讲，光致发光可以分为两个从微观上讲，光致发光可以分为两个步骤：步骤： 第一步是以光对材料进行激励，第一步是以光对材料进行激励，将其中电子的能量提高到一个非平衡将其中电子的能量提高到一个非平

4、衡态，也就是所谓的态，也就是所谓的“激发态激发态”； 第二步，处于激发态的电子自发第二步，处于激发态的电子自发地向低能态跃迁，同时发射光子，实地向低能态跃迁，同时发射光子，实现发光。现发光。 整理课件 光致发光：通过光光致发光：通过光照射使系统跃迁到照射使系统跃迁到激发态，再通过非激发态，再通过非平衡辐射发光平衡辐射发光 基本原理：设系统基本原理：设系统的能级结果如图所的能级结果如图所示，示，E0E0是基态，是基态，E1-E6E1-E6是激发态，是激发态，受到激发后，系统受到激发后，系统从低能级被激发到从低能级被激发到高能级，再从高能高能级，再从高能级跃迁到低能级，级跃迁到低能级，其中，其中，

5、E2 E2 到到E1E1或或E0E0有可能发光有可能发光E6E0E5E2整理课件半导体中各种复合过程示意图（半导体中各种复合过程示意图（a a）带间跃迁（）带间跃迁（b b）带杂质中心辐射复合跃迁（带杂质中心辐射复合跃迁（c c）施主受主对辐射）施主受主对辐射复合跃迁复合跃迁e-h(a)(b)(c) e-h声子参与声子参与e-AD-he-D+D-A自自由由载载流流子子复复合合自自由由激激子子复复合合束束缚缚激激子子复复合合浅浅能能级级与与本本征征带带间间的的载载流流子子复复合合施施主主受受主主对对符符合合电电子子空空穴穴对对通通过过深深能能级级的的复复合合整理课件 在上述辐射复合机构中，前两种

6、在上述辐射复合机构中，前两种属于本征机构，后面几种则属于非本属于本征机构，后面几种则属于非本征机构。由此可见，半导体的光致发征机构。由此可见，半导体的光致发光过程蕴含着材料结构与组份的丰富光过程蕴含着材料结构与组份的丰富信息，是多种复杂物理过程的综合反信息，是多种复杂物理过程的综合反映，因而利用光致发光光谱可以获得映，因而利用光致发光光谱可以获得被研究材料的多种本质信息被研究材料的多种本质信息。整理课件二、仪器及测试二、仪器及测试 测量半导体材料的光致发光光谱的基测量半导体材料的光致发光光谱的基本方法是，用紫外、可见或红外辐射本方法是，用紫外、可见或红外辐射等激发光源产生能量大于被测材料的等激

7、发光源产生能量大于被测材料的禁带宽度禁带宽度Eg、且电流密度足够高的光、且电流密度足够高的光子流去入射被测样品，同时用光探测子流去入射被测样品，同时用光探测器接受并识别被测样品发射出来的光器接受并识别被测样品发射出来的光，分析该材料的光学特性。，分析该材料的光学特性。整理课件TRIAX550 PL谱仪谱仪整理课件样品架制冷仪整理课件光致发光光谱测量装置示意图光致发光光谱测量装置示意图整理课件测试步骤：测试步骤： 放置样品放置样品(晶片，粉体，薄膜晶片，粉体，薄膜) 抽真空抽真空 降温降温 激光器使用激光器使用 光谱仪自检光谱仪自检 校准校准 样品发光光谱测量样品发光光谱测量 变温测量变温测量

8、变功率测量变功率测量 关机关机整理课件三、三、PL谱的应用谱的应用 由于由于PL谱与晶体的电子结构（能带结谱与晶体的电子结构（能带结构）、缺陷状态、和杂质等密切相关构）、缺陷状态、和杂质等密切相关，因此，光致发光被广泛用来研究半，因此，光致发光被广泛用来研究半导体晶体的物理特性。导体晶体的物理特性。 光致发光光谱的测试以其简单、可靠光致发光光谱的测试以其简单、可靠，测试过程中对样品无损伤等优点而，测试过程中对样品无损伤等优点而得到广泛的应用。得到广泛的应用。整理课件 PLPL可以应用于：可以应用于： （1 1）带隙检测、（）带隙检测、（2 2）缺陷检测、（）缺陷检测、（3 3）复合机）复合机制

9、以及材料品质鉴定、（制以及材料品质鉴定、（4 4）对少子寿命的研究、）对少子寿命的研究、（5 5）测定半导体固溶体的组分、（）测定半导体固溶体的组分、（6 6）测定半导体）测定半导体中浅杂质的浓度、（中浅杂质的浓度、（7 7）半导体中杂质补偿度的测）半导体中杂质补偿度的测定、（定、（8 8）对半导体理论问题的研究等。）对半导体理论问题的研究等。应用领域举例：应用领域举例： LEDLED外延片，太阳能电池材料，半导体晶外延片，太阳能电池材料，半导体晶片，半导体薄膜材料等检测与研究。片，半导体薄膜材料等检测与研究。整理课件 A A对应自由激子谱区对应自由激子谱区, ,其峰值能其峰值能量为量为3.5

10、7eV,3.57eV,大于体大于体GaNGaN材料的带隙材料的带隙能量能量, ,说明说明GaNGaN和衬底间大的失配和衬底间大的失配( (晶格失配为晶格失配为13.8,13.8,热失配为热失配为25.5)25.5)虽虽经过渡层仍未将其压缩应力完全消经过渡层仍未将其压缩应力完全消除。除。13.8meV13.8meV的半峰宽是谱峰交叠的半峰宽是谱峰交叠的结果。无法确定自由激子从导带的结果。无法确定自由激子从导带到三个不同价带跃迁的精细结构。到三个不同价带跃迁的精细结构。 B B和和C C对应于束缚激子区。对应于束缚激子区。B B对对应于束缚于应于束缚于N N空位相关的中心施主空位相关的中心施主DD

11、、x,Cx,C对应束缚于深受主的对应束缚于深受主的 AdAd、x,x,其峰值能量分别为其峰值能量分别为 3.476eV3.476eV和和3.467eV3.467eV。其半峰宽分别。其半峰宽分别为为10.8meV10.8meV和和15.6meV15.6meV。 D D是氧杂质作用于替位受主的是氧杂质作用于替位受主的结果结果, ,峰值能量为峰值能量为3.419eV,3.419eV,半峰宽半峰宽度为度为500meV500meV。由于深能级与晶格间。由于深能级与晶格间较强的耦合会使光谱宽度明显增加较强的耦合会使光谱宽度明显增加。这与氧产生峰值能量在。这与氧产生峰值能量在3.414 3.414 3.42

12、2eV3.422eV光谱的结果一致，光谱的结果一致，B-CB-C确定确定了了NH3NH3中的氧和离子注入的氧所形中的氧和离子注入的氧所形成光谱的峰值能量为成光谱的峰值能量为3.424eV(4.2K)3.424eV(4.2K)。这些数据证实了。这些数据证实了在样品中存在着氧的影响。在样品中存在着氧的影响。 在在IIK温度下温度下,用很弱的激光激发用很弱的激光激发GaN所测量所测量光致发光的光谱图示如。通过高斯型分峰拟光致发光的光谱图示如。通过高斯型分峰拟合得到合得到A、B、C、D四个谱峰。四个谱峰。用用MOCVDMOCVD技术在技术在Al2O3Al2O3衬底上外延衬底上外延GaNGaN的光致发光

13、研究的光致发光研究中国科学院长春物理研究所中国科学院长春物理研究所 高瑛、缪国庆等人高瑛、缪国庆等人整理课件 随温度升高随温度升高, ,晶晶格振动增强光格振动增强光谱的半峰宽度谱的半峰宽度明显地增大，明显地增大，峰值波长向长峰值波长向长波方向移动。波方向移动。光谱中的肩峰光谱中的肩峰逐渐消失。形逐渐消失。形成一宽的谱带成一宽的谱带 进而通过拟合进而通过拟合可以得到温度可以得到温度和半峰宽之和和半峰宽之和的关系的关系不同温度下不同温度下GaN的光致发光的光致发光整理课件 光致发光可以提供有关材料的结构、成分光致发光可以提供有关材料的结构、成分及环境原子排列的信息，是一种非破坏性及环境原子排列的信息，是一