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* * 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-h e-h 声子参与 e-A D-h e-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 TRIAX550 PL谱仪 放大器 控温仪 测试 放置样品(晶片，粉体，薄膜) 抽真空 降温 激光器使用 光谱仪自检 校准 样品发光光谱测量 变温测量 变功率测量 关机 *