光致发光(PL)光谱.ppt

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1 半半导导体体中中各各种种复复合合过过程程示示意意图图（a）带带间间跃跃迁迁（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 在在这这个个过过程程中中，有有六六种种不不同同的的复复合合机机构构会会发发射射光光子，它们是：子，它们是：（1）自自由由载载流流子子复复合合 导导带带底底电电子子与与价价带带顶顶空空穴穴的复合；的复合；（2）自自由由激激子子复复合合 晶晶体体中中原原子子的的中中性性激激发发态态被被称称为为激激子子，激激子子复复合合也也就就是是原原子子从从中中性性激激发发态态向向基基态态的的跃跃迁迁，而而自自由由激激子子指指的的是是可可以以在在晶晶体体中中自自由由运运动动的的激子，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）束束缚缚激激子子复复合合 指指被被施施主主、受受主主或或其其他他陷陷阱阱中中心心(带带电电的的或或不不带带电电的的)束束缚缚住住的的激激子子的的辐辐射射复复合合，其其发光强度随着杂质或缺陷中心的增加而增加；发光强度随着杂质或缺陷中心的增加而增加；（4）浅浅能能级级与与本本征征带带间间的的载载流流子子复复合合即即导导带带电电子子通通过过浅浅施施主主能能级级与与价价带带空空穴穴的的复复合合，或或价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；（5）施施主主-受受主主对对复复合合专专指指被被施施主主-受受主主杂杂质质对对束束缚缚着着的的电电子子-空空穴穴对对的的复复合合，因因而而亦亦称称为为施施主主-受主对受主对(D-A对对)复合；复合；（6）电电子子-空空穴穴对对通通过过深深能能级级的的复复合合即即SHR复复合合，指指导导带带底底电电子子和和价价带带顶顶空空穴穴通通过过深深能能级级的的复合，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。在在上上述述辐辐射射复复合合机机构构中中，前前两两种种属属于于本本征征机机构构，后后面面几几种种则则属属于于非非本本征征机机构构。由由此此可可见见，半半导导体体的的光光致致发发光光过过程程蕴蕴含含着着材材料料结结构构与与组组份份的的丰丰富富信信息息，是是多多种种复复杂杂物物理理过过程程的的综综合合反反映映，因因而而利利用用光光致致发发光光光光谱谱可可以以获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 测测量量半半导导体体材材料料的的光光致致发发光光光光谱谱的的基基本本方方法法是是，用用激激发发光光源源产产生生能能量量大大于于被被测测材材料料的的禁禁带带宽宽度度Eg、且且电电流流密密度度足足够够高高的的光光子子流流去去入入射射被被测测样样品品，同同时时用用光光探探测测器器接接受受并并识识别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）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谱谱的的主主峰峰为为中中性性施施主主的的束束缚缚激激子子峰峰（D0,X）。而而CdTe和和Cd0.96Zn0.04Te在在该该区区域域内内的的主主发发光光峰峰则则通通常常为为受受主主束束缚缚激激子子峰峰（A0,X）。在在Cd0.9Zn0.1Te晶晶体体的的近近带带边边区区的的PL谱谱除除此此之之外外，还还可可以以看看到到基基态态自自由由激激子子峰峰（X1）、上上偏偏振振带带峰峰（Xup）以以及及第第一一激激发发态态自自由由激激子子峰峰（X2）。对对于于质质量量较较差差的的CZT晶晶体体，无无法法看看到到其其自自由由激激子子峰峰（X1）和和一一次次激激发发态态自自由由激激子子峰峰（X2）。低低温温PL谱谱可可以以用用来来比比较较全全面面的的评评价价CZT晶晶体体的的质质量量，并并由由此此来来推推断断晶晶体的探测性能。体的探测性能。