.,光致發光光譜PL,.,主要內容：光致發光基本原理儀器及測試應用,.,一、光致發光的基本原理,1.定義：光致發光(Photoluminescence)指的是以光作為激勵手段，激發材料中的電子從而實現發光的過程。它是光生額外載流子對的復合過程中伴隨發生的現象。,.,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，由本征吸收產生了大量的額外電子-空穴對，使樣品處于非平衡態。這些額外載流子對一邊向體內擴散，一邊通過各種可能的復合機構復合。其中，有的復合過程只發射聲子，有的復合過程只發射光子或既發射光子也發射聲子。,.,光致發光光譜（Photoluminescence,簡稱PL)，指物質吸收光子（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吸收光子躍遷到較高能級的激發態后返回低能態，同時放出光子的過程。光致發光是多種形式的熒光（Fluorescence）中的一種。,.,從微觀上講，光致發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，也就是所謂的“激發態”；第二步，處于激發態的電子自發地向低能態躍遷，同時發射光子，實現發光。,.,光致發光：通過光照射使系統躍遷到激發態，再通過非平衡輻射發光基本原理：設系統的能級結果如圖所示，E0是基態，E1-E6是激發態，受到激發后，系統從低能級被激發到高能級，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，因而利用光致發光光譜可以獲得被研究材料的多種本質信息。,.,二、儀器及測試,測量半導體材料的光致發光光譜的基本方法是，用紫外、可見或紅外輻射等激發光源產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、和雜質等密切相關，因此，光致發光被廣泛用來研究半導體晶體的物理特性。光致發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的濃度、（7）半導體中雜質補償度的測定、（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,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。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)。這些數據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GaN所測量光致發光的光譜圖示如。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的光致發光,.,光致發光可以提供有關材料的結構、成分及環境原子排列的信息，是一