光致发光PL光谱

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,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-h,e-h,声子参与,e-A,D-h,e-D,+,D-A,(a),(b),(c),图,1,半导体中各种复合过程示意图（,a,）带间跃迁（,b,）带杂质中心辐射复合跃迁（,c,）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子，它们是：,（,1,）自由载流子复合,导带底电子与价带顶空穴的复合；,（,2,）自由激子复合,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；,（,3,）束缚激子复合,指被施主、受主或其他陷阱中心,(,带电的或不带电的,),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；,（,4,）浅能级与本征带间的载流子复合,即导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；,（,5,）施主,-,受主对复合,专指被施主,-,受主杂质对束缚着的电子,-,空穴对的复合，因而亦称为施主,-,受主对,(D-A,对,),复合；,（,6,）电子,-,空穴对通过深能级的复合,即,SHR,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。,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。,二、仪器及测试,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的禁带宽度,E,g,、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别被测样品发射出来的光。,图,2,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，,GaAs,1-x,P,x,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,N,A,/N,D,（,N,D,，,N,A,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,3 CZT,晶体在下典型的,PL,谱。该,PL,谱包括四个区域：（,1,）近带边区；（,2,）施主受主对（,DAP,）区；（,3,）受主中心引起的中心位于的缺陷发光带；（,4,）,Te,空位引起的中心位于的发光峰带。,图,4,高质量,CZT,晶体,PL,谱的近带边区,该,PL,谱的主峰为中性施主的束缚激子峰（,D,0, X,）。而,CdTe,和,CdZnTe,在该区域内的主发光峰则通常为受主束缚激子峰（,A,0,X,）。在,CdZnTe,晶体的近带边区的,PL,谱除此之外，还可以看到基态自由激子峰（,X,1,）、上偏振带峰（,X,up,）以及第一激发态自由激子峰（,X,2,）。对于质量较差的,CZT,晶体，无法看到其自由激子峰（,X,1,）和一次激发态自由激子峰（,X,2,）。低温,PL,谱可以用来比较全面的评价,CZT,晶体的质量，并由此来推断晶体的探测性能。,