PL谱

光致发光(PL)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。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。e-he-h声子参与e-AD-he-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。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。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。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。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)制冷仪真空泵TRIAX550PL谱仪放大器控温仪测试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.关机三、PL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，而复合过程与材料的能带结构、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，因此光致发光光谱在很多研究领域得到广泛应用。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3CZT晶体在4.2K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1.4eV的缺陷发光带；（4）Te空位引起的中心位于1.1eV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（D0,X）。而CdTe和Cd0.96Zn0.04Te在该区域内的主发光峰则通常为受主－束缚激子峰（A0,X）。在Cd0.9Zn0.1Te晶体的近带边区的PL谱除此之外中，还可以看到基态自由激子峰（X1）、上偏振带峰（Xup）以及第一激发态自由激子峰（X2）。对于质量较差的CZT晶体，无法看到其自由激子峰（X1）和一次激发态自由激子峰（X2）。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。图5Cd1-xZnxTe:In晶体的典型PL谱深入研究大量Cd1-xZnxTe:In晶片的PL谱后发现，对于高质量的探测器级Cd1-xZnxTe:In和低质量的非探测器级Cd1-xZnxTe:In，一个最为直观的区别就是：前者近带边区内的主峰为施主束缚激子(D0,X)发光，而后者多为受主束缚激子(A0,X)发光，并且(D0,X)的峰形越明锐，质量就越好。