光致发光(PL)光谱课件

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1、光致发光（PL）光谱一、光致发光基本原理1.定义：所谓光致发(Photoluminescence)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。它是光生额外载流子对的复合过程中伴随发生的现象2.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，吸收系数通常超过104cm-1，因此在材料表面约1m厚的表层内，由本征吸收产生了大量的额外电子-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扩散，一边通过各种可能的复合机构复合。其中，有的复合过程只发射声子，有的复合过程只发射光子或既发射光子也发射声子e-he-h声子参与e-AD-he-D+D-A(a)(b)(c)图图

2、1 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）带间跃迁（）带间跃迁（b）带）带杂质中心辐射复合跃迁（杂质中心辐射复合跃迁（c）施主受主对辐射复合跃迁）施主受主对辐射复合跃迁 在这个过程中，有六种不同的复合机构会发射光在这个过程中，有六种不同的复合机构会发射光子，它们是：子，它们是：（1）自由载流子复合）自由载流子复合 导带底电子与价带顶空穴导带底电子与价带顶空穴的复合；的复合；（2）自由激子复合）自由激子复合 晶体中原子的中性激发态被晶体中原子的中性激发态被称为激子，激子复合也就是原子从中性激发态向基态称为激子，激子复合也就是原子从中性激发态向基态的跃迁，而自由激子指的是可以

3、在晶体中自由运动的的跃迁，而自由激子指的是可以在晶体中自由运动的激子，这种运动显然不传输电荷；激子，这种运动显然不传输电荷；（3）束缚激子复合）束缚激子复合 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(带电的或不带电的带电的或不带电的)束缚住的激子的辐射复合，束缚住的激子的辐射复合，其发光强度随着杂质或缺陷中心的增加而增加；其发光强度随着杂质或缺陷中心的增加而增加；（4）浅能级与本征带间的载流子复合）浅能级与本征带间的载流子复合即导即导带电子通过浅施主能级与价带空穴的复合，或价带电子通过浅施主能级与价带空穴的复合，或价带空穴通过浅受主能级与导带电子的复合；带空穴通过浅受主能级与导

4、带电子的复合；（5）施主）施主-受主对复合受主对复合专指被施主专指被施主-受主杂质受主杂质对束缚着的电子对束缚着的电子-空穴对的复合，因而亦称为施空穴对的复合，因而亦称为施主主-受主对受主对(D-A对对)复合；复合；（6）电子）电子-空穴对通过深能级的复合空穴对通过深能级的复合即即SHR复合，指导带底电子和价带顶空穴通过深能级的复合，指导带底电子和价带顶空穴通过深能级的复合，这种过程中的辐射复合几率很小。复合，这种过程中的辐射复合几率很小。在上述辐射复合机构中，前两种属于本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征机构。由此征机构，后面几种则属于非本征机构。由此可见，半导体

5、的光致发光过程蕴含着材料结可见，半导体的光致发光过程蕴含着材料结构与组份的丰富信息，是多种复杂物理过程构与组份的丰富信息，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的综合反映，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。得被研究材料的多种本质信息。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本测量半导体材料的光致发光光谱的基本方法是，用激发光源产生能量大于被测材料方法是，用激发光源产生能量大于被测材料的禁带宽度的禁带宽度Eg、且电流密度足够高的光子流、且电流密度足够高的光子流去入射被测样品，同时用光探测器接受并识去入射被测样品，同时用光探测器接受并识别

6、被测样品发射出来的光。别被测样品发射出来的光。图图2 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激光器电源激光器样品室样品反射镜滤光片透镜透镜单色仪狭缝光电倍增管锁相放大器计算机真空泵制冷仪三、光致发光特点光致发光分析方法的实验设备比较简单、测量本身是非破坏性的，而且对样品的尺寸、形状以及样品两个表面间的平行度都没有特殊要求。它在探测的量子能量和样品空间大小上都具有很高的分辨率，因此适合于作薄层分析和微区分析。1、光致发光的优点它的原始数据与主要感兴趣的物理现象之间离得比较远，以至于经常需要进行大量的分析，才能通过从样品外部观测到的发光来推出内部的符合速率。光致发光测量的结果经常用于

7、相对的比较，因此只能用于定性的研究方面。测量中经常需要液氦低温条件也是一种苛刻的要求。对于深陷阱一类不发光的中心，发光方法显然是无能为力的。2、光致发光的缺点四、光致发光分析方法的应用1、组分测定 例如，GaAs1-xPx是由直接带隙的GaAs和间接带隙的GaP组成的混晶，它的带隙随x值而变化。发光的峰值波长取决于禁带宽度，禁带宽度和x值有关。因此，从发光峰峰值波长可以测定组分百分比x值。2、杂质识别 根据特征发光谱线的位置，可以识别GaAs和GaP中的微量杂质。3、硅中浅杂质的浓度测定4、辐射效率的比较 半导体发光和激光器件要求材料具有良好的发光性能，发光测量正是直接反映了材料的发光特性。通

8、过光致发光光谱的测定不仅可以求得各个发光带的强度，而且也可以的到积分的辐射强度。在相同的测量条件下，不同的样品间可以求得相对的辐射效率。5、GaAs材料补偿度的测定 补偿度NA/ND（ND，NA分别为施主、受主杂质浓度）是表征材料纯度的重要特征参数。6、少数载流子寿命的测定7、均匀性的研究 测量方法是用一个激光微探针扫描样品，根据样品的某一个特征发光带的强度变化，直接显示样品的不均匀图像。8、位错等缺陷的研究图图3 CZT晶体在晶体在4.2K下典型的下典型的PL谱。该谱。该PL谱包括四个区域：谱包括四个区域：（1）近带边区；（）近带边区；（2）施主受主对（）施主受主对（DAP）区；（）区；（3

9、）受主）受主中心引起的中心位于中心引起的中心位于1.4eV的缺陷发光带；（的缺陷发光带；（4）Te空位引起的空位引起的中心位于中心位于1.1eV的发光峰带。的发光峰带。图图4 高质量高质量CZT晶体晶体PL谱的近带边区谱的近带边区 该该PL谱的主峰为中性施主的束缚激子峰（谱的主峰为中性施主的束缚激子峰（D0,X）。）。而而CdTe和和Cd0.96Zn0.04Te在该区域内的主发光峰则通常为在该区域内的主发光峰则通常为受主束缚激子峰（受主束缚激子峰（A0,X）。在）。在Cd0.9Zn0.1Te晶体的近带晶体的近带边区的边区的PL谱除此之外，还可以看到基态自由激子峰谱除此之外，还可以看到基态自由激子峰（X1）、上偏振带峰（）、上偏振带峰（Xup）以及第一激发态自由激子峰）以及第一激发态自由激子峰（X2）。对于质量较差的）。对于质量较差的CZT晶体，无法看到其自由激晶体，无法看到其自由激子峰（子峰（X1）和一次激发态自由激子峰（）和一次激发态自由激子峰（X2）。低温）。低温PL谱谱可以用来比较全面的评价可以用来比较全面的评价CZT晶体的质量，并由此来推晶体的质量，并由此来推断晶体的探测性能。断晶体的探测性能。