激发光光谱分析.ppt

激發光光譜分析 曾樺玲 前言 晶體結構：單晶、多晶、非晶質固體 晶體之電子能帶結構：電子分佈、電子密度和能階的占有與能量的函數關係 激發光的種類 激發光是原子、分子、高分子晶體的能階由非熱激發所產生的光輻射。 芳香族分子：染料、油漆、紙光亮劑 無機晶體：鑽石、紅寶石、硫化鋅 惰性氣體：放電式燈泡、氣體雷射 簡單無機分子：N2、I2、CO2 無機離子：稀土元素 生物分子：vitamins 脂芳族分子：paraffins（鍊烷） 激發模式 光子激發光：光線激發（PL） 陰極激發光：電子束或X光激發（CL） 輻射激發光：高能粒子激發 電激發光：電場激發 熱激發光：熱活化離子結合激發 化學激發光：化學反應激發 生物激發光：生物製程激發 磨潤激發光：磨擦力和靜力激發 聲激發光：音波激發 重要的光譜參數 波峰之波長（λpeak）及強度（Ipeak） 波峰強度降至一半時之波長 波峰半高寬 這些參數跟試片之缺陷密度、組成、結晶度有關。 固有和非固有激發光 電子由高能階轉換到低能階，可能放射出光子，電子由低能階轉換到高能階，再轉換到另外的低能階也可能放射出光子。 固有的激發光：原有的固體內部能階轉換而來。 非固有的激發光：由一些雜質或缺陷所引起。 非固有的激發光之光度在室溫往往比固有激發光強很多。 陰極激發光之原理 藉加速的電子束或雷射光撞擊材料表面所放出的光子訊號 激發放出的光子能量一定低於其激發的電子能量，利用加速的電子束做發光源，電子能量或波長易於控制。 雷射光的波長所能變化的範圍相當有限，且CL較PL不會有選擇性激發，所以有較廣之激發光。 當加速電子束或X光撞擊材料，將價帶中的電子激發到傳導帶中，因而產生電子/電洞對；如果沒有偏壓存在，電子電洞對會再結合，放出光子，光子能量等於能帶間隙的能量。 常用於檢測具能帶間隙的材料，亦可用於偵測元擴散情形（密度、大小及分佈）、晶體缺陷（種類、大小及分佈）和化學鍵結狀態……。 陰極激發光之激發電子源 5~50keV 激發光波峰強度會隨照射時間增加，直到飽合 光子激發光原理 入射光能量被材料吸收後，將價帶中的電子激發到傳導帶中，因而產生電子/電洞對，這些電子/電洞對可能依循：(1)非放射結合路徑或(2)放射結合路徑，放射光子。 放射的PL光譜之分佈，跟結合的路徑與過程有關，對於半導體材料，在室溫其PL波峰較寬且能量略高於其能帶間隙；在低溫，則波峰較窄且另有其他較長波長之波峰，其波峰位置和強度與雜質種類有關。 降低溫度可以增進波峰解析度，及增強PL信號強度（亦即減小非放射結合路徑）。 圖為在室溫和12K時，GaAs多層量子井之PL光譜比較 光子激發光之激發光源 激發光源之選用需要考慮下列因素：波長是否為連續波、強度、和聚焦之面積 光源之能量必須高於欲發射出的光子能量 光源強度則決定訊號的強度 聚焦之面積則決定空間解析力 紅色ＨeNe雷射、Ar+雷射、高壓直流氙氣狐燈、和低壓水銀蒸汽燈等 光譜分析儀器 一般有兩組感光器，加裝在掃描式電子顯微鏡之試片腔周圍，可觀察CL影像和分析光譜。 CL光譜分析是將光子訊號反射入光導管再經透鏡引導進單色器加以分光，再由感光器量測其強度。 圖為代表性CL光譜儀之光學安排示意圖。 光子激發光用雷射光當激發光，所以不用電子顯微鏡。 圖為代表性PL光譜儀之光學安排示意圖 分光儀主要設備包括單色器、準直器、感光器、低溫系統，及一些電子訊號放大器。 CL影像需要配合電子顯微鏡之掃瞄器，由螢幕上觀察之。 感光器包括感光倍增管，可感測範圍約為250nm~900nm，及銦砷化鎵感光二極管，可感測範圍約為800nm~1800nm。也有裝設鍺感光器，用以感測紅外線範圍之光子訊號。 低溫系統是為增進感測靈敏度，減少雜訊，並控制試溫度。 校正分光儀可以使用美國國標準1000W石英鹵素燈，觀察光譜圖之反應。 熱源所產生之白熱光可能到達感光器、背向散射電子也可能照射在分光儀本身產生一些非試片訊號。這些假像可以利用電子阻斷器配合鎖鎖定放大器（有些假訊號是由於真訊號經吸收和內部全反射再發射出來）。 CL和PL光譜分析技術應用實例 圖為塑變矽晶之激發光譜(a)PL光譜；(b)在滑移線上之CL光譜；(c)在滑移線間之CL光譜 D1和D2帶：差排紐折、疊差或點缺陷在差排之應變場所造成的電子轉換 D3和D4帶：差排心造成之電子轉換 圖為Si1-xGex薄膜激發光譜：(a)PL光譜；(b)CL光譜 在高的加速電壓下，PL較CL靈敏，但在低的加速電壓下，PL雖波峰較尖銳，CL在低能量部位則有較多的特性波峰 CL和PL光譜分析是很好的缺陷結構分析技析 CL訊號可以經由改變加速電壓得到較多特性波峰 圖為兩種分子磊晶法長成的GaAs量子井，其CL光譜比較 在電子元件設計與分析上的應用 圖為鑽石膜滲硼，在三種不同