半导体微观分析第二章节

半导体微观分析第二章节第1页，共31页，2023年，2月20日，星期三例：下图为边长等于1的立方体晶格，写出下面各晶面和晶向的密勒指数晶面：

晶向：、

x

y

z

D¢

A

C

B

A¢

C¢

B¢

x

D

第2页，共31页，2023年，2月20日，星期三晶向：表示晶列的方向

表示晶向，从一个阵点O沿某个晶列到另一阵点P作位移矢量R，则R=l1a+l2b+l3cl1:l2:l3

＝m:n:p化为互质整数晶向指数【mnp】：

晶向矢量在三晶轴上投影的互质指数在立方晶体中，同类晶向记为<mnp>

例：<100>代表了[100]、[Ī00]、[010]、

[0Ī0]、[001]、[00Ī]六个同类晶向；<111>代表了立方晶胞所有空间对角线的

8个晶向；<110>表示立方晶胞所有12个面对角线的晶向

第3页，共31页，2023年，2月20日，星期三晶面：点阵中的所有阵点全部位于一系列相互平行、等距的平面上，这样的平面系称为晶面，（100）晶面族晶面指数（hkl）：h、k、l是晶面与三晶轴的截距r、s、t的倒数的互质整数，也称为密勒指数.(r,s,t为晶面在三个晶轴上的截长,h、k、l为晶面指标.)xyz(553)abc晶面指标为（553）第4页，共31页，2023年，2月20日，星期三第二章光学性质检测与分析光学性质的检测与分析在半导体物理的研究中非常有用，例如：X射线的波长与固体晶格常数为同一数量级，被直接用于研究固体中原子或原子团组成的晶格的结构性质；波长为紫外、可见光、红外范围的光谱适合用来检测分析半导体材料的物理性质，研究半导体的电子能带和晶格振动。测量的内容包括：半导体的各种基本光学性质，如：吸收、反射、发光、拉曼散射等研究的对象包括：半导体中的电子、空穴的性质，能带状态，能带结构，能隙中的杂质缺陷态，载流子输运以及与半导体中声子有关的物理性质第5页，共31页，2023年，2月20日，星期三光学性质检测与分析的重要性：可以测量分析半导体的许多结构性质和物理性质，帮助我们获取材料基本的结构和物理参数，加深对这些性质的认识和理解。光学性质检测与分析和半导体光电子器件的应用有紧密关系，有望直接对光电子器件（LED、激光器、光电探测器等）的研究和开发提供必要的信息，有利于新材料、新器件的研制第6页，共31页，2023年，2月20日，星期三2.1半导体光致发光的基本原理和概念2.2半导体阴极荧光原理2.3半导体吸收光谱2.4拉曼散射及其应用本章主要内容第7页，共31页，2023年，2月20日，星期三2.1半导体光致发光的基本原理和概念2.1.1发光现象概念当物质受到诸如光照、外加电场或电子束轰击等的激发后，吸收了外界能量，其电子处于激发状态，物质只要不因此而发生化学变化，当外界激发停止以后，处于激发状态的电子总要跃迁回到基态。在这个过程中，一部分多余能量通过光或热的形式释放出来。如果这部分能量是以光的电磁波形式发射出来，就称为发光现象。概括地说，发光就是物质内部以某种方式吸收能量以后，以除热辐射以外的光辐射形式发射出多余的能量的过程第8页，共31页，2023年，2月20日，星期三半导体发光：半导体发光是指半导体中电子从高能态（非平衡状态）跃迁到低能态时，伴之以发射光子的辐射复合跃迁的过程光发射的过程是电子从低能态到高能态的光吸收过程的一种逆效应产生光发射的先决条件：先将电子激发到非平衡状态这种激发可以通过光吸收、电流注入、电子束激发等激励方法实现的第9页，共31页，2023年，2月20日，星期三发光可以根据激励方法的不同划分为如下发光类型：光致发光（Photoluminescence）：

以光子或光为激发光源，常用的有紫外光作激发源。电致发光（Electroluminescence）：

以电能作激发源。阴极致发光（Cathodoluminescence）：

使用阴极射线或电子束为激发源。第10页，共31页，2023年，2月20日，星期三半导体的光致发光及其物理过程：用光激发半导体材料而产生的发光现象，即为半导体的光致发光，是对半导体材料物理性质进行检测的常用手段之一。半导体光致发光的物理过程大致可以分为3个步骤:首先，是光吸收。在此过程中通过光激发在半导体中产生电子一空穴对，形成非平衡载流子;即当光子能量大于半导体禁带宽度Eg时，发生本征吸收，光的吸收系数大，才能有效地产生电子空穴对。其次，是光生非平衡载流子的驰豫、扩散。在此过程中载流子有可能产生空间扩散和能量上的转移。一般来说，绝大部分载流子将在复合前驰豫到能带底部。最后，是电子一空穴辐射复合产生发光。第11页，共31页，2023年，2月20日，星期三2.1.2半导体的光吸收1、本征半导体的光吸收2、激子吸收3、非本征半导体的光吸收第12页，共31页，2023年，2月20日，星期三2.1.2半导体的光吸收1、本征半导体的光吸收右图为半导体中电子的能带结构，其中价带完全被电子填满。导带和价带之间存在一定宽度的能隙（禁带）。在能隙中不能存在电子的能级。本征半导体受到光辐射时，当辐射光子的能量大于禁带宽度，使电子由价带跃迁至导带，这时出现半导体的光吸收现象。导带价带能隙（禁带）第13页，共31页，2023年，2月20日，星期三导带价带能隙(禁带）激子能级

2、激子吸收

除本征吸收外，还有一类吸收，其能量低于能隙宽度，它对应于电子由价带向稍低于导带底处的的能级的跃迁。这些能级可视为电子-空穴（或称激子）的激发能级。处于这种能级上的电子与价带中的空穴耦合成电子-空穴对，作为一个整体在半导体中存在着或运动着。第14页，共31页，2023年，2月20日，星期三3、非本征半导体的光吸收掺入半导体的杂质有3类：施主杂质、受主杂质和等电子杂质。这些杂质的能级定域在能隙中，就构成了下图所示的各种光吸收跃迁方式。第15页，共31页，2023年，2月20日，星期三等电子杂质的存在可能成为电子和空穴复合的中心，会对材料的发光产生影响。单独的施主和受主杂质不会影响到材料的光学性质。这是因为只有当激发态电子越过能隙与空穴复合时，才会发生半导体的发光。例如，n型半导体可以向导带提供足够的电子，但在价带中没有空穴，因此不会发光。同样，p型半导体价带中有空穴，但其导带中却没有电子，因此也不会发光。如果将n型半导体和p型半导体结合在一起形成一个p-n结，那么可以在p-n结处促使激发态电子（来自n型半导体导带）和空穴（来自p型半导体价带）复合。当在p-n结处施加一个正偏向压，可以将n区的导带电子注入到p区的价带中，在那里与空穴复合，从而产生光子辐射。这种发光是发生在p-n结上，故称作注入结型发光。这是一种电致发光，是发光二极管工作的基本过程。第16页，共31页，2023年，2月20日，星期三2.1.3半导体材料发光的基本原理半导体材料吸收光能，电子由基态跃迁至激发态，产生非平衡载流子（电子-空穴对）。然后，电子会再从激发态跃迁到基态，可能将吸收的能量以光的形式辐射出来，这一过程为辐射复合，即发光。体系也可以以无辐射的形式(如发热)将吸收的能量散发出来，这一过程即为无辐射复合。辐射复合包括：带-带间复合发光能带与杂质能级间的辐射复合激子复合无辐射复合包括：阶段地放出声子的复合

俄歇过程表面复合第17页，共31页，2023年，2月20日，星期三1、辐射复合带-带间复合发光：这种复合可分为直接跃迁（不通过声子的复合）和间接跃迁（必须通过声子为媒介的复合）两种。在这类复合中，导带底的电子跃迁至价带，与空穴复合，初态与终态的能量差以光的形式辐射，其跃迁模型如图（a）直接跃迁（b）间接跃迁第18页，共31页，2023年，2月20日，星期三对于直接跃迁，初态与终态的动量相同，光子动量与电子的能量相比可以忽略，辐射光的频率v表现为：hv=E2-E1

对于间接跃迁，初态与终态的动量不相同，必须借助晶格振动转移一部分能量，此时，该部分动量以声子形式表现出来。在此情况下，辐射光的频率v表现量为：

hv=E2-E1-K（K为声子的能量）由于间接跃迁时部分能量被声子消耗，辐射能量相应变小。第19页，共31页，2023年，2月20日，星期三1、辐射复合能带与杂质能级间的复合：

半导体导带或价带与禁带中杂质能级之间的辐射复合跃迁主要是指，能带与中性杂质能级之间的跃迁，即：电子—受主能级的跃迁过程与空穴—施主能级间的跃迁过程，文献中常称为“自由到束缚”跃迁四个微观过程：①俘获电子过程。复合中心能级Et从导带俘获电子。②发射电子过程。复合中心能级Et上的电子被激发到导带(①的逆过程)。③俘获空穴过程。电子由复合中心能级Et落入价带与空穴复合。也可看成复合中心能级从价带俘获了一个空穴。④发射空穴过程。价带电子被激发到复合中心能级Et上。也可以看成复合中心能级向价带发射了—个空穴(③的逆过程)。第20页，共31页，2023年，2月20日，星期三激子复合：在半导体中，除了固定在晶格原子上的电子(满带电子)和能自由地在晶体中运动的电子(导带电子)外，还可能存在一种处于激发态的电子。这种电子处于高能激发态，活动于原子的外轨道，与原子结合力较弱，易于脱离原子而转移到相邻的原子上去，从而形成电子——空穴对，这种电子——空穴对复合时也会以光的形式辐射能量。激子复合通常具有较高的复合效率。这种激子发光是低温时的主要发射机理。第21页，共31页，2023年，2月20日，星期三2、非辐射复合非辐射性复合主要是由于跃迁能量转换为低能声子而形成。这种复合主要有以下几种形式:阶段地放出声子的复合：若在禁带中含有若干能量不同的杂质或缺陷能级，能级间能量差很小，则在复合过程中，导带电子可能会在这些能级间发生阶段性跃迁，通过一系列声子的产生实现复合过程。第22页，共31页，2023年，2月20日，星期三俄歇过程：载流子从高能级向低能级跃迁，发生电子—空穴复合时，把多余的能量传给另一个载流子，使这个载流子被激发到能量更高的能级上去，当它重新跃迁回低能级时，多余的能量常以声子形式放出，这种复合称为俄歇复合。显然这是一种无辐射复合。图中（a）（b）为带间俄歇复合，余者为与杂质和缺陷有关的俄歇复合。第23页，共31页，2023年，2月20日，星期三表面复合：表面复合是指在半导体表而发生的复合过程。表面处的杂质和表面特有的缺陷也在禁带形成复合中心能级，因而，就复合机构讲，表面复合是无辐射复合。第24页，共31页，2023年，2月20日，星期三2.1.4光致发光的测量装置及光谱种类第25页，共31页，2023年，2月20日，星期三1、光致发光谱的研究意义光致发光(photoluminescence,PL)是对半导体材料物理性质进行检测的常用手段之一。研究半导体材料的光致发光可以加深对材料性能的认识，探寻发光机理改善材料的发光性能，从而根据需要选择制备技术，控制制备条件和适用条件。光致发光的优点：在于其灵敏度，尤其是它在光吸收实验灵敏度差的频段内有较高的灵敏度，使得发光和光吸收实验互为补充在半导体电子态研究中起着重要作用。第26页，共31页，2023年，2月20日，星期三2、光致发光谱的基本测试步骤由激光器发出一束激光，激发光源大于被测材料的禁带宽度Eg、且流密度足够高的光子流去入射被测样品，经过光束转折器(平面镜)后，使光束射向滤波器。滤波器的作用是滤掉干扰波长的光通过透镜系统(一般为：两个透镜，一个用