半导体材料测试与分析
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不同温度下GaN的光致发光
a
• 随温度升高,晶 格振动增强光 谱的半峰宽度 明显地增大， 峰值波长向长 波方向移动。 光谱中的肩峰 逐渐消失。形 成一宽的谱带
• 进而通过拟合 可以得到温度 和半峰宽之和 的关系
18
• 光致发光可以提供有关材料的结构、成分 及环境原子排列的信息，是一种非破坏性 的、灵敏度高的分析方法。激光的应用更 使这类分析方法深入到微区、选择激发及 瞬态过程的领域，使它又进一步成为重要 的研究手段，应用到物理学、材料科学、 化学及分子生物学等领域，逐步出现新的 边缘学科。
a
制冷仪
12
光致发光光谱测量装置示意图
a
13
测试步骤：
1. 放置样品(晶片，粉体，薄膜)
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
a
14
三、PL谱的应用
• 由于PL谱与晶体的电子结构（能带结 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。
a
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谢谢！
a
20
间 的 载
合
复
合
D-h 流
子
复
合
施 主 e-D+ 受 主 对 符 合
(a)
(b)
电 子 空 穴 对 通 过 深
D-A 能
级 的 复 合
(c)
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
a
8
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。
应用领域举例：
LED外延片，太阳能电池材料，半导体晶 片，半导体薄膜材料等检测与研究。
a
16
在IIK温度下,用很弱的激光激发GaN所测量 光致发光的光谱图示如。通过高斯型分峰拟 合得到A、B、C、D四个谱峰。
用MOCVD技术在Al2O3衬底上外延GaN的光致发光研究 中国科学院长春物理研究所 高瑛、缪国庆a等人
• 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。
a
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PL可以应用于：
（1）带隙检测、（2）缺陷检测、（3）复合机 制以及材料品质鉴定、（4）对少子寿命的研究、（ 5）测定半导体固溶体的组分、（6）测定半导体中 浅杂质的浓度、（7）半导体中杂质补偿度的测定、 （8）对半导体理论问题的研究等。
A对应自由激子谱区,其峰值能 量为3.57eV,大于体GaN材料的带隙 能量,说明GaN和衬底间大的失配( 晶格失配为13.8,热失配为25.5)虽 经过渡层仍未将其压缩应力完全消 除。13.8meV的半峰宽是谱峰交叠 的结果。无法确定自由激子从导带 到三个不同价带跃迁的精细结构。
B和C对应于束缚激子区。B对应 于束缚于N空位相关的中心施主[Dº 、x],C对应束缚于深受主的[ Aºd 、x],其峰值能量分别为 3.476eV 和3.467eV。其半峰宽分别为 10.8meV和15.6meV。
D是氧杂质作用于替位受主的结 果,峰值能量为3.419eV,半峰宽度 为500meV。由于深能级与晶格间较 强的耦合会使光谱宽度明显增加。 这与氧产生峰值能量在3.414 ～ 3.422eV光谱的结果一致，B-C确定 了NH3中的氧和离子注入的氧所形 成光谱的峰值能量为 3.424eV(4.2K)。这些数据证实了 在样品中存在着氧的影响。
a
5
• 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， 将其中电子的能量提高到一个非平衡 态，也就是所谓的“激发态”；
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。
a
6
• 光致发光：通过光 照射使系统跃迁到 E6 激发态，再通过非 E5
平衡辐射发光
a
4
• 光致发光光谱（Photoluminescence,简称 PL)，指物质吸收光子（或电磁波）后重新 辐射出光子（或电磁波）的过程。从量子 力学理论上，这一过程可以描述为物质吸 收光子跃迁到较高能级的激发态后返回低 能态，同时放出光子的过程。光致发光是 多种形式的荧光（Fluorescence）中的一 种。
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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，用紫外、可见或红外辐射 等激发光源产生能量大于被测材料的 禁带宽度Eg、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 ，分析该材料的光学特性。
a
10
TRIAX550 Pa L谱仪
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样品架
光致发光光谱PL
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1
主要内容：
• 光致发光基本原理 • 仪器及ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ试 • 应用
a
2
一、光致发光的基本原理
• 1. 定义：光致发光(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。
a
3
• 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，因此在材 料表面约1μm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。
• 基本原理：设系统 的能级结果如图所 E2 示，E0是基态， E1-E6是激发态， 受到激发后，系统 从低能级被激发到 高能级，再从高能 E0 级跃迁到低能级， 其中，E2 到E1或 E0有可能发光
a
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束
缚
浅
自
激
由 载 流
e-h 自 e-h 由 声子参与
子 复 e-A 合
能 级 与 本 征 带
子激 复子
不同温度下GaN的光致发光
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• 随温度升高,晶 格振动增强光 谱的半峰宽度 明显地增大， 峰值波长向长 波方向移动。 光谱中的肩峰 逐渐消失。形 成一宽的谱带
• 进而通过拟合 可以得到温度 和半峰宽之和 的关系
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• 光致发光可以提供有关材料的结构、成分 及环境原子排列的信息，是一种非破坏性 的、灵敏度高的分析方法。激光的应用更 使这类分析方法深入到微区、选择激发及 瞬态过程的领域，使它又进一步成为重要 的研究手段，应用到物理学、材料科学、 化学及分子生物学等领域，逐步出现新的 边缘学科。
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制冷仪
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光致发光光谱测量装置示意图
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13
测试步骤：
1. 放置样品(晶片，粉体，薄膜)
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
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三、PL谱的应用
• 由于PL谱与晶体的电子结构（能带结 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。
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谢谢！
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间 的 载
合
复
合
D-h 流
子
复
合
施 主 e-D+ 受 主 对 符 合
(a)
(b)
电 子 空 穴 对 通 过 深
D-A 能
级 的 复 合
(c)
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
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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。
应用领域举例：
LED外延片，太阳能电池材料，半导体晶 片，半导体薄膜材料等检测与研究。
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在IIK温度下,用很弱的激光激发GaN所测量 光致发光的光谱图示如。通过高斯型分峰拟 合得到A、B、C、D四个谱峰。
用MOCVD技术在Al2O3衬底上外延GaN的光致发光研究 中国科学院长春物理研究所 高瑛、缪国庆a等人
• 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。
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PL可以应用于：
（1）带隙检测、（2）缺陷检测、（3）复合机 制以及材料品质鉴定、（4）对少子寿命的研究、（ 5）测定半导体固溶体的组分、（6）测定半导体中 浅杂质的浓度、（7）半导体中杂质补偿度的测定、 （8）对半导体理论问题的研究等。
A对应自由激子谱区,其峰值能 量为3.57eV,大于体GaN材料的带隙 能量,说明GaN和衬底间大的失配( 晶格失配为13.8,热失配为25.5)虽 经过渡层仍未将其压缩应力完全消 除。13.8meV的半峰宽是谱峰交叠 的结果。无法确定自由激子从导带 到三个不同价带跃迁的精细结构。
B和C对应于束缚激子区。B对应 于束缚于N空位相关的中心施主[Dº 、x],C对应束缚于深受主的[ Aºd 、x],其峰值能量分别为 3.476eV 和3.467eV。其半峰宽分别为 10.8meV和15.6meV。
D是氧杂质作用于替位受主的结 果,峰值能量为3.419eV,半峰宽度 为500meV。由于深能级与晶格间较 强的耦合会使光谱宽度明显增加。 这与氧产生峰值能量在3.414 ～ 3.422eV光谱的结果一致，B-C确定 了NH3中的氧和离子注入的氧所形 成光谱的峰值能量为 3.424eV(4.2K)。这些数据证实了 在样品中存在着氧的影响。
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• 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， 将其中电子的能量提高到一个非平衡 态，也就是所谓的“激发态”；
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。
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• 光致发光：通过光 照射使系统跃迁到 E6 激发态，再通过非 E5
平衡辐射发光
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• 光致发光光谱（Photoluminescence,简称 PL)，指物质吸收光子（或电磁波）后重新 辐射出光子（或电磁波）的过程。从量子 力学理论上，这一过程可以描述为物质吸 收光子跃迁到较高能级的激发态后返回低 能态，同时放出光子的过程。光致发光是 多种形式的荧光（Fluorescence）中的一 种。
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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，用紫外、可见或红外辐射 等激发光源产生能量大于被测材料的 禁带宽度Eg、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 ，分析该材料的光学特性。
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TRIAX550 Pa L谱仪
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样品架
光致发光光谱PL
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主要内容：
• 光致发光基本原理 • 仪器及ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ试 • 应用
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一、光致发光的基本原理
• 1. 定义：光致发光(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。
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• 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，因此在材 料表面约1μm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。
• 基本原理：设系统 的能级结果如图所 E2 示，E0是基态， E1-E6是激发态， 受到激发后，系统 从低能级被激发到 高能级，再从高能 E0 级跃迁到低能级， 其中，E2 到E1或 E0有可能发光
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束
缚
浅
自
激
由 载 流
e-h 自 e-h 由 声子参与
子 复 e-A 合
能 级 与 本 征 带
子激 复子