半導體材料測試與分析

.,光致發(fā)光光譜PL,.,主要內(nèi)容：光致發(fā)光基本原理儀器及測試應用,.,一、光致發(fā)光的基本原理,1.定義：光致發(fā)光(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.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，因此在材料表面約1m厚的表層內(nèi)，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(nèi)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。,.,光致發(fā)光光譜（Photoluminescence,簡稱PL)，指物質(zhì)吸收光子（或電磁波）后重新輻射出光子（或電磁波）的過程。從量子力學理論上，這一過程可以描述為物質(zhì)吸收光子躍遷到較高能級的激發(fā)態(tài)后返回低能態(tài)，同時放出光子的過程。光致發(fā)光是多種形式的熒光（Fluorescence）中的一種。,.,從微觀上講，光致發(fā)光可以分為兩個步驟：第一步是以光對材料進行激勵，將其中電子的能量提高到一個非平衡態(tài)，也就是所謂的“激發(fā)態(tài)”；第二步，處于激發(fā)態(tài)的電子自發(fā)地向低能態(tài)躍遷，同時發(fā)射光子，實現(xiàn)發(fā)光。,.,光致發(fā)光：通過光照射使系統(tǒng)躍遷到激發(fā)態(tài)，再通過非平衡輻射發(fā)光基本原理：設系統(tǒng)的能級結果如圖所示，E0是基態(tài)，E1-E6是激發(fā)態(tài)，受到激發(fā)后，系統(tǒng)從低能級被激發(fā)到高能級，再從高能級躍遷到低能級，其中，E2到E1或E0有可能發(fā)光,E6,E0,E5,E2,.,半導體中各種復合過程示意圖（a）帶間躍遷（b）帶雜質(zhì)中心輻射復合躍遷（c）施主受主對輻射復合躍遷,e-h,(a),(b),(c),e-h聲子參與,e-A,D-h,e-D+,D-A,自由載流子復合,自由激子復合,束縛激子復合,淺能級與本征帶間的載流子復合,施主受主對符合,電子空穴對通過深能級的復合,.,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(zhì)信息。,.,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，用紫外、可見或紅外輻射等激發(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，分析該材料的光學特性。,.,TRIAX550PL譜儀,.,樣品架,制冷儀,.,光致發(fā)光光譜測量裝置示意圖,.,測試步驟：,放置樣品(晶片，粉體，薄膜)抽真空降溫激光器使用光譜儀自檢校準樣品發(fā)光光譜測量變溫測量變功率測量關機,.,三、PL譜的應用,由于PL譜與晶體的電子結構（能帶結構）、缺陷狀態(tài)、和雜質(zhì)等密切相關，因此，光致發(fā)光被廣泛用來研究半導體晶體的物理特性。光致發(fā)光光譜的測試以其簡單、可靠，測試過程中對樣品無損傷等優(yōu)點而得到廣泛的應用。,.,PL可以應用于：（1）帶隙檢測、（2）缺陷檢測、（3）復合機制以及材料品質(zhì)鑒定、（4）對少子壽命的研究、（5）測定半導體固溶體的組分、（6）測定半導體中淺雜質(zhì)的濃度、（7）半導體中雜質(zhì)補償度的測定、（8）對半導體理論問題的研究等。應用領域舉例：LED外延片，太陽能電池材料，半導體晶片，半導體薄膜材料等檢測與研究。,.,A對應自由激子譜區(qū),其峰值能量為3.57eV,大于體GaN材料的帶隙能量,說明GaN和襯底間大的失配(晶格失配為13.8,熱失配為25.5)雖經(jīng)過渡層仍未將其壓縮應力完全消除。13.8meV的半峰寬是譜峰交疊的結果。無法確定自由激子從導帶到三個不同價帶躍遷的精細結構。B和C對應于束縛激子區(qū)。B對應于束縛于N空位相關的中心施主D、x,C對應束縛于深受主的Ad、x,其峰值能量分別為3.476eV和3.467eV。其半峰寬分別為10.8meV和15.6meV。D是氧雜質(zhì)作用于替位受主的結果,峰值能量為3.419eV,半峰寬度為500meV。由于深能級與晶格間較強的耦合會使光譜寬度明顯增加。這與氧產(chǎn)生峰值能量在3.4143.422eV光譜的結果一致，B-C確定了NH3中的氧和離子注入的氧所形成光譜的峰值能量為3.424eV(4.2K)。這些數(shù)據(jù)證實了在樣品中存在著氧的影響。,在IIK溫度下,用很弱的激光激發(fā)GaN所測量光致發(fā)光的光譜圖示如。通過高斯型分峰擬合得到A、B、C、D四個譜峰。,用MOCVD技術在Al2O3襯底上外延GaN的光致發(fā)光研究中國科學院長春物理研究所高瑛、繆國慶等人,.,隨溫度升高,晶格振動增強光譜的半峰寬度明顯地增大，峰值波長向長波方向移動。光譜中的肩峰逐漸消失。形成一寬的譜帶進而通過擬合可以得到溫度和半峰寬之和的關系,不同溫度下GaN的光致發(fā)光,.,光致發(fā)光可以提供有關材料的結構、成分及環(huán)境原子排列的信息，是一