PL谱介绍
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
光致发光(PL)谱原理、 谱原理、 光致发光 谱原理 测试及应用
一、光致发光基本原理 二、仪器及测试 三、应用
一、光致发光基本原理
1. 定义：所谓光致发光(Photoluminescence)指 定义：所谓光致发光 指 的是以光作为激励手段， 激发材料中的电子 的是以光作为激励手段 ， 从而实现发光的过程。 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。 对的复合过程中伴随发生的现象。
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， 方法是 ， 用激发光源产生能量大于被测材料 的禁带宽度E 的禁带宽度 g 、 且电流密度足够高的光子流 去入射被测样品， 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。 别被测样品发射出来的光。
反射镜
滤光片
真空泵
透镜
2. 基本原理：由于半导体材料对能量高于其吸收 基本原理： 限的光子有很强的吸收，吸收系数通常超过 因此在材料表面约1µm厚的表层内 ， 厚的表层内， 104cm-1 ， 因此在材料表面约 厚的表层内 由本征吸收产生了大量的额外电子-空穴对 ， 由本征吸收产生了大量的额外电子 空穴对， 使 空穴对 样品处于非平衡态。 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。 内扩散，一边通过各种可能的复合机构复合。其 有的复合过程只发射声子， 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。 发射光子或既发射光子也发射声子。
e-D+ e-h e-h e-A 声子参与 D-h D-A
(a)
(b)
(c)
Biblioteka Baidu
半导体中各种复合过程示意图（ ）带间跃迁（ ） 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（ ）施主－ 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， 在这个过程中 ， 有六种不同的复合机构会发射光 它们是： 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； 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 称为激子 ， 的跃迁， 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； 指被施主、 （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 中心 带电的或不带电的)束缚住的激子的辐射复合 ， 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； 其发光强度随着杂质或缺陷中心的增加而增加；
三、PL谱的应用 谱的应用
由于光致发光光谱的测定直接建立在额 外载流子复合的基础上， 外载流子复合的基础上 ， 而复合过程与材料 的能带结构、 的能带结构 、 杂质和缺陷的性质与密度以及 带电状态等有很紧密的关系， 带电状态等有很紧密的关系 ， 因此光致发光 光谱在很多研究领域得到广泛应用。 光谱在很多研究领域得到广泛应用。
激光器
激光器电源
狭缝
光电倍增管
锁相放大器 单色仪
样品室 样品 透镜
计算机
制冷仪 图2 光致发光光谱测量装置示意图
实验室仪器
氩离子激 光器电源
氩离子 激光器
He-Cd 激光器
样品架 样品室 (杜瓦瓶 杜瓦瓶) 杜瓦瓶
制冷仪
真空泵
TRIAX55 0 PL谱仪 谱仪
放大器
控温仪
测试
1. 放置样品 晶片，粉体，薄膜) 放置样品(晶片，粉体，薄膜 晶片 2. 抽真空 3. 降温 4. 激光器使用 5. 光谱仪自检 6. 校准 7. 样品发光光谱测量 8. 变温测量 9. 变功率测量 10.关机 关机
1. 测定半导体固溶体的组分 2. 测定半导体中浅杂质的浓度 3. 半导体中杂质补偿度的测定 4. 对缺陷的研究 5. 对少子寿命的研究 6. 对半导体理论问题的研究
图3 CZT晶体在 晶体在4.2K下典型的 谱。该PL谱包括四个区域： 下典型的PL谱 谱包括四个区域： 晶体在 下典型的 谱包括四个区域 （1）近带边区；（ ）施主－受主对（DAP）区；（3）受主 ）近带边区；（2）施主－受主对（ ） ；（ ） ；（ 中心引起的中心位于1.4eV的缺陷发光带；（4）Te空位引起的 中心引起的中心位于 的缺陷发光带；（ ） 空位引起的 的缺陷发光带；（ 中心位于1.1eV的发光峰带。 中心位于 的发光峰带。 的发光峰带
高质量CZT晶体 谱的近带边区 晶体PL谱的近带边区 图4 高质量 晶体
谱的主峰为中性施主的束缚激子峰（ 该PL谱的主峰为中性施主的束缚激子峰（D0, X）。 谱的主峰为中性施主的束缚激子峰 ） 而 CdTe和 Cd0.96Zn0.04Te在该区域内的主发光峰则通常为 和 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 Cd0.9Zn0.1Te晶体的近带 ） 晶体的近带 边区的PL谱除此之外中 ， 边区的 谱除此之外中， 还可以看到基态自由激子峰 谱除此之外中 （X1）、上偏振带峰（Xup）以及第一激发态自由激子峰 上偏振带峰（ 对于质量较差的CZT晶体， 无法看到其自由激 晶体， （ X2 ） 。 对于质量较差的 晶体 子峰（ 和一次激发态自由激子峰（ 低温PL谱 子峰（X1）和一次激发态自由激子峰（X2）。低温 谱 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， 可以用来比较全面的评价 晶体的质量 断晶体的探测性能。 断晶体的探测性能。
由 于 PL 谱 与 晶 体 的 电 子 结 构 （ 能 带 结 缺陷状态、和杂质等密切相关，因此， 构 ） 、 缺陷状态 、 和杂质等密切相关 ， 因此 ， 光致发光被广泛用来研究半导体晶体的物理 特性。 特性。 光致发光光谱的测试以其简单、可靠， 光致发光光谱的测试以其简单、可靠， 测试过程中对样品无损伤等优点而得到广 泛的应用。 泛的应用。
从微观上讲，光致发光可以分为两个步骤： 从微观上讲，光致发光可以分为两个步骤： 第一步是以光对材料进行激励， 第一步是以光对材料进行激励 ， 将其中电子 的能量提高到一个非平衡态， 也就是所谓的“ 的能量提高到一个非平衡态 ， 也就是所谓的 “ 激 发态” 发态”； 第二步， 第二步 ， 处于激发态的电子自发地向低能态 跃迁，同时发射光子，实现发光。 跃迁，同时发射光子，实现发光。
在上述辐射复合机构中， 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。 征机构 ， 后面几种则属于非本征机构 。 由此 可见， 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 ， 的综合反映， 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。
（ 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， 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带电子的复合； 专指被施主-受主杂质 （5）施主 受主对复合——专指被施主 受主杂质 ）施主-受主对复合 对束缚着的电子-空穴对的复合 ， 因而亦称为施 对束缚着的电子 空穴对的复合， 空穴对的复合 受主对(D-A对)复合； 复合； 主-受主对 受主对 对 复合 空穴对通过深能级的复合——即SHR （6）电子 空穴对通过深能级的复合 ）电子-空穴对通过深能级的复合 即 复合， 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。
10
IV
III
II
0
I
(D ,x)
PL intensity / a.u.
(A ,x)
5
0
DAP
ERROR: undefined OFFENDING COMMAND: 9mkm-Y_rsA9 STACK:
一、光致发光基本原理 二、仪器及测试 三、应用
一、光致发光基本原理
1. 定义：所谓光致发光(Photoluminescence)指 定义：所谓光致发光 指 的是以光作为激励手段， 激发材料中的电子 的是以光作为激励手段 ， 从而实现发光的过程。 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。 对的复合过程中伴随发生的现象。
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， 方法是 ， 用激发光源产生能量大于被测材料 的禁带宽度E 的禁带宽度 g 、 且电流密度足够高的光子流 去入射被测样品， 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。 别被测样品发射出来的光。
反射镜
滤光片
真空泵
透镜
2. 基本原理：由于半导体材料对能量高于其吸收 基本原理： 限的光子有很强的吸收，吸收系数通常超过 因此在材料表面约1µm厚的表层内 ， 厚的表层内， 104cm-1 ， 因此在材料表面约 厚的表层内 由本征吸收产生了大量的额外电子-空穴对 ， 由本征吸收产生了大量的额外电子 空穴对， 使 空穴对 样品处于非平衡态。 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。 内扩散，一边通过各种可能的复合机构复合。其 有的复合过程只发射声子， 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。 发射光子或既发射光子也发射声子。
e-D+ e-h e-h e-A 声子参与 D-h D-A
(a)
(b)
(c)
Biblioteka Baidu
半导体中各种复合过程示意图（ ）带间跃迁（ ） 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（ ）施主－ 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， 在这个过程中 ， 有六种不同的复合机构会发射光 它们是： 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； 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 称为激子 ， 的跃迁， 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； 指被施主、 （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 中心 带电的或不带电的)束缚住的激子的辐射复合 ， 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； 其发光强度随着杂质或缺陷中心的增加而增加；
三、PL谱的应用 谱的应用
由于光致发光光谱的测定直接建立在额 外载流子复合的基础上， 外载流子复合的基础上 ， 而复合过程与材料 的能带结构、 的能带结构 、 杂质和缺陷的性质与密度以及 带电状态等有很紧密的关系， 带电状态等有很紧密的关系 ， 因此光致发光 光谱在很多研究领域得到广泛应用。 光谱在很多研究领域得到广泛应用。
激光器
激光器电源
狭缝
光电倍增管
锁相放大器 单色仪
样品室 样品 透镜
计算机
制冷仪 图2 光致发光光谱测量装置示意图
实验室仪器
氩离子激 光器电源
氩离子 激光器
He-Cd 激光器
样品架 样品室 (杜瓦瓶 杜瓦瓶) 杜瓦瓶
制冷仪
真空泵
TRIAX55 0 PL谱仪 谱仪
放大器
控温仪
测试
1. 放置样品 晶片，粉体，薄膜) 放置样品(晶片，粉体，薄膜 晶片 2. 抽真空 3. 降温 4. 激光器使用 5. 光谱仪自检 6. 校准 7. 样品发光光谱测量 8. 变温测量 9. 变功率测量 10.关机 关机
1. 测定半导体固溶体的组分 2. 测定半导体中浅杂质的浓度 3. 半导体中杂质补偿度的测定 4. 对缺陷的研究 5. 对少子寿命的研究 6. 对半导体理论问题的研究
图3 CZT晶体在 晶体在4.2K下典型的 谱。该PL谱包括四个区域： 下典型的PL谱 谱包括四个区域： 晶体在 下典型的 谱包括四个区域 （1）近带边区；（ ）施主－受主对（DAP）区；（3）受主 ）近带边区；（2）施主－受主对（ ） ；（ ） ；（ 中心引起的中心位于1.4eV的缺陷发光带；（4）Te空位引起的 中心引起的中心位于 的缺陷发光带；（ ） 空位引起的 的缺陷发光带；（ 中心位于1.1eV的发光峰带。 中心位于 的发光峰带。 的发光峰带
高质量CZT晶体 谱的近带边区 晶体PL谱的近带边区 图4 高质量 晶体
谱的主峰为中性施主的束缚激子峰（ 该PL谱的主峰为中性施主的束缚激子峰（D0, X）。 谱的主峰为中性施主的束缚激子峰 ） 而 CdTe和 Cd0.96Zn0.04Te在该区域内的主发光峰则通常为 和 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 Cd0.9Zn0.1Te晶体的近带 ） 晶体的近带 边区的PL谱除此之外中 ， 边区的 谱除此之外中， 还可以看到基态自由激子峰 谱除此之外中 （X1）、上偏振带峰（Xup）以及第一激发态自由激子峰 上偏振带峰（ 对于质量较差的CZT晶体， 无法看到其自由激 晶体， （ X2 ） 。 对于质量较差的 晶体 子峰（ 和一次激发态自由激子峰（ 低温PL谱 子峰（X1）和一次激发态自由激子峰（X2）。低温 谱 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， 可以用来比较全面的评价 晶体的质量 断晶体的探测性能。 断晶体的探测性能。
由 于 PL 谱 与 晶 体 的 电 子 结 构 （ 能 带 结 缺陷状态、和杂质等密切相关，因此， 构 ） 、 缺陷状态 、 和杂质等密切相关 ， 因此 ， 光致发光被广泛用来研究半导体晶体的物理 特性。 特性。 光致发光光谱的测试以其简单、可靠， 光致发光光谱的测试以其简单、可靠， 测试过程中对样品无损伤等优点而得到广 泛的应用。 泛的应用。
从微观上讲，光致发光可以分为两个步骤： 从微观上讲，光致发光可以分为两个步骤： 第一步是以光对材料进行激励， 第一步是以光对材料进行激励 ， 将其中电子 的能量提高到一个非平衡态， 也就是所谓的“ 的能量提高到一个非平衡态 ， 也就是所谓的 “ 激 发态” 发态”； 第二步， 第二步 ， 处于激发态的电子自发地向低能态 跃迁，同时发射光子，实现发光。 跃迁，同时发射光子，实现发光。
在上述辐射复合机构中， 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。 征机构 ， 后面几种则属于非本征机构 。 由此 可见， 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 ， 的综合反映， 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。
（ 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， 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带电子的复合； 专指被施主-受主杂质 （5）施主 受主对复合——专指被施主 受主杂质 ）施主-受主对复合 对束缚着的电子-空穴对的复合 ， 因而亦称为施 对束缚着的电子 空穴对的复合， 空穴对的复合 受主对(D-A对)复合； 复合； 主-受主对 受主对 对 复合 空穴对通过深能级的复合——即SHR （6）电子 空穴对通过深能级的复合 ）电子-空穴对通过深能级的复合 即 复合， 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。
10
IV
III
II
0
I
(D ,x)
PL intensity / a.u.
(A ,x)
5
0
DAP
ERROR: undefined OFFENDING COMMAND: 9mkm-Y_rsA9 STACK: