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1、半导体微观分析第二章节第一页，讲稿共三十一页哦例：下例：下图为边长图为边长等于等于1的立方体晶格，写出下的立方体晶格，写出下 面各晶面和晶向的密勒指数面各晶面和晶向的密勒指数晶面：晶面：晶向：晶向：、x y z D A C B A C B x D 第二页，讲稿共三十一页哦晶向：晶向：表示晶列的方向表示晶列的方向 表示晶向，从一个阵点表示晶向，从一个阵点O沿某个晶列到另一阵点沿某个晶列到另一阵点P作作 位移矢量位移矢量R，则，则 R=l1a+l2b+l3c l1:l2:l3 m:n:p 化为互质整数化为互质整数晶向指数晶向指数【mnp】：晶向矢量在三晶轴上投影的互质指数晶向矢量在三晶轴上投影的互
2、质指数在立方晶体中，同类晶向记为在立方晶体中，同类晶向记为 例：例：代表了代表了100、00、010、00、001、00六个同类晶向；六个同类晶向；代表了立方晶胞所有空间对角线的代表了立方晶胞所有空间对角线的 8个晶向；个晶向；表示立方晶胞所有表示立方晶胞所有12个面对角线个面对角线 的晶向的晶向 第三页，讲稿共三十一页哦晶面：晶面：点阵中的所有阵点全部位于一系列点阵中的所有阵点全部位于一系列相互相互 平行、等距平行、等距的平面上，这样的的平面上，这样的平面系平面系称称 为为晶面晶面，（，（100）晶面族）晶面族晶面指数（晶面指数（hkl）：）：h、k、l 是晶面与三晶轴的是晶面与三晶轴的 截
3、距截距 r、s、t 的倒数的互质整数，也称的倒数的互质整数，也称 为密勒指数为密勒指数.(r,s,t 为晶面在三个晶轴上的截长为晶面在三个晶轴上的截长,h、k、l为晶面指标为晶面指标.)xyz(553)abc晶面指标为（553）第四页，讲稿共三十一页哦第二章第二章 光学性质检测与分析光学性质检测与分析n光学性质的检测与分析光学性质的检测与分析在半导体物理的研究中非常有用，例如：X射线的波长与固体晶格常数为同一数量级，被直接用于研究固体中原子或原子团组成的晶格的结构性质；波长为紫外、可见光、红外范围的光谱适合用来检测分析半导体材料的物理性质，研究半导体的电子能带和晶格振动。n测量的内容包括测量的
4、内容包括：半导体的各种基本光学性质，如：吸收、反射、发光、拉曼散射等n研究的对象包括研究的对象包括：半导体中的电子、空穴的性质，能带状态，能带结构，能隙中的杂质缺陷态，载流子输运以及与半导体中声子有关的物理性质第五页，讲稿共三十一页哦光学性质检测与分析的光学性质检测与分析的重要性重要性：n可以测量分析半导体的许多可以测量分析半导体的许多结构性质和物理性结构性质和物理性质质，帮助我们，帮助我们获取材料基本的结构和物理参数获取材料基本的结构和物理参数，加深对这些性质的认识和理解。加深对这些性质的认识和理解。n光学性质检测与分析和半导体光电子器件的应光学性质检测与分析和半导体光电子器件的应用有紧密关
5、系，有望直接对光电子器件（用有紧密关系，有望直接对光电子器件（LED、激光器、光电探测器等）的研究和开发提供必激光器、光电探测器等）的研究和开发提供必要的信息要的信息，有利于新材料、新器件的研制，有利于新材料、新器件的研制第六页，讲稿共三十一页哦n2.1 半导体光致发光的基本原理和概念半导体光致发光的基本原理和概念n2.2 半导体阴极荧光原理半导体阴极荧光原理n2.3 半导体吸收光谱半导体吸收光谱n2.4 拉曼散射及其应用拉曼散射及其应用本章主要内容本章主要内容第七页，讲稿共三十一页哦2.1 半导体光致发光的基本原理和概念半导体光致发光的基本原理和概念2.1.1 发光现象概念发光现象概念n当物
6、质受到诸如光照、外加电场或电子束轰击等的当物质受到诸如光照、外加电场或电子束轰击等的激发激发后，后，吸收了外界能量吸收了外界能量，其，其电子处于激发状态电子处于激发状态，物质只要不，物质只要不因此而发生化学变化，当外界激发停止以后，处于因此而发生化学变化，当外界激发停止以后，处于激发激发状态的电子总要跃迁回到基态状态的电子总要跃迁回到基态。在这个过程中，一部分。在这个过程中，一部分多余多余能量通过光或热的形式释放能量通过光或热的形式释放出来。如果这部分能量是以出来。如果这部分能量是以光的电磁波形式发射出来，就称为光的电磁波形式发射出来，就称为发光现象发光现象。n概括地说，发光就是物质内部以某种
7、方式吸收能量以后，概括地说，发光就是物质内部以某种方式吸收能量以后，以除以除热辐射以外热辐射以外的光辐射形式发射出多余的能量的过程的光辐射形式发射出多余的能量的过程第八页，讲稿共三十一页哦半导体发光：半导体发光：n半导体发光是指半导体中电子从高能态（非平衡状态）跃迁到低能态时，伴之以发射光子的辐射复合跃迁的过程n光发射的过程是电子从低能态到高能态的光吸收过程的一种逆效应n产生光发射的先决条件：先将电子激发到非平衡状态n这种激发可以通过光吸收、电流注入、电子束激发等激励方法实现的第九页，讲稿共三十一页哦发光可以根据激励方法的不同划分为如下发光可以根据激励方法的不同划分为如下发光类发光类型：型：n
8、光致发光（光致发光（Photoluminescence）：）：以光子或光为激发光源，常用的有紫外光作激以光子或光为激发光源，常用的有紫外光作激发源。发源。n电致发光（电致发光（Electroluminescence）：）：以电能作激发源。以电能作激发源。n阴极致发光（阴极致发光（Cathodoluminescence）：）：使用阴极射线或电子束为激发源。使用阴极射线或电子束为激发源。第十页，讲稿共三十一页哦半导体的光致发光及其物理过程：半导体的光致发光及其物理过程：n用用光光激发半导体材料激发半导体材料而产生的发光现象，即为半导体的而产生的发光现象，即为半导体的光致发光，是对半导体材料物理性质
9、进行检测的常用手光致发光，是对半导体材料物理性质进行检测的常用手段之一。段之一。n半导体光致发光的物理过程半导体光致发光的物理过程大致可以分为大致可以分为3个步骤个步骤:n首先，是光吸收首先，是光吸收。在此过程中通过光激发在半导体。在此过程中通过光激发在半导体 中产生电子一空穴对，形成非平衡载流子中产生电子一空穴对，形成非平衡载流子;即当光子即当光子 能量大于半导体禁带宽度能量大于半导体禁带宽度Eg时，发生时，发生本征吸收本征吸收，光，光 的的 吸收系数大，才能有效地产生电子空穴对。吸收系数大，才能有效地产生电子空穴对。n其次，是光生非平衡载流子的驰豫、扩散其次，是光生非平衡载流子的驰豫、扩散
10、。在此过。在此过 程中载流子有可能产生空间扩散和能量上的转移。程中载流子有可能产生空间扩散和能量上的转移。一般来说，绝大部分载流子将在复合前驰豫到能带一般来说，绝大部分载流子将在复合前驰豫到能带 底部。底部。n最后，是电子一空穴辐射复合产生发光最后，是电子一空穴辐射复合产生发光。第十一页，讲稿共三十一页哦2.1.2 半导体的光吸收半导体的光吸收n1、本征半导体的光吸收本征半导体的光吸收n2、激子吸收、激子吸收n3、非本征半导体的光吸收、非本征半导体的光吸收第十二页，讲稿共三十一页哦2.1.2 半导体的光吸收半导体的光吸收1、本征半导体的光吸收本征半导体的光吸收右图为半导体中电子的能带结构，右图
11、为半导体中电子的能带结构，其中价带完全被电子填满。导带其中价带完全被电子填满。导带和价带之间存在一定宽度的能隙和价带之间存在一定宽度的能隙（禁带）。在能隙中不能存在电（禁带）。在能隙中不能存在电子的能级。本征半导体受到光辐子的能级。本征半导体受到光辐射时，当辐射光子的能量大于禁射时，当辐射光子的能量大于禁带宽度，使电子由价带跃迁至导带宽度，使电子由价带跃迁至导带，这时出现半导体的光吸收现带，这时出现半导体的光吸收现象。象。导带价带能隙 （禁带）第十三页，讲稿共三十一页哦导带价带能隙(禁带）激子能级 2、激子吸收、激子吸收 除除本本征征吸吸收收外外，还还有有一一类类吸吸收收，其其能能量量低低于于
12、能能隙隙宽宽度度，它它对对应应于于电电子子由由价价带带向向稍稍低低于于导导带带底底处处的的的的能能级级的的跃跃迁迁。这这些些能能级级可可视视为为电电子子-空空穴穴（或或称称激激子子）的的激激发发能能级级。处处于于这这种种能能级级上上的的电电子子与与价价带带中中的的空空穴穴耦耦合合成成电电子子-空空穴穴对对，作作为为一一个个整体在半导体中存在着或运动着。整体在半导体中存在着或运动着。第十四页，讲稿共三十一页哦3、非本征半导体的光吸收、非本征半导体的光吸收n掺入半导体的杂质有3类：施施主主杂杂质质、受受主主杂杂质质和和等等电电子子杂杂质质。这些杂质的能级定域在能隙中，就构成了下图所示的各种光吸收跃
13、迁方式。第十五页，讲稿共三十一页哦n等等电电子子杂杂质质的存在可能成为电子和空穴复合的中心，会对材料的发光产生影响。单独的施主和受主杂质不会影响到材料的光学性质。这是因为只有当激发态电子越过能隙与空穴复合时，才会发生半导体的发光。n例如，n型半导体可以向导带提供足够的电子，但在价带中没有空穴，因此不会发光。同样，p型半导体价带中有空穴，但其导带中却没有电子，因此也不会发光。如果将n型半导体和p型半导体结合在一起形成一个p-n结，那么可以在p-n结处促使激发态电子（来自n型半导体导带）和空穴（来自p型半导体价带）复合。当在p-n结处施加一个正偏向压，可以将n区的导带电子注入到p区的价带中，在那里
14、与空穴复合，从而产生光子辐射。这种发光是发生在p-n结上，故称作注入结型发光。这是一种电致发光，是发光二极管工作的基本过程。第十六页，讲稿共三十一页哦2.1.3 半导体材料发光的基本原理半导体材料发光的基本原理n半导体材料吸收光能，电子由基态跃迁至激发态，产生非平半导体材料吸收光能，电子由基态跃迁至激发态，产生非平衡载流子（电子衡载流子（电子-空穴对）。然后，电子会再从激发态跃空穴对）。然后，电子会再从激发态跃迁到基态，可能迁到基态，可能将吸收的能量以光的形式辐射出来将吸收的能量以光的形式辐射出来，这一，这一过程为过程为辐射复合辐射复合，即发光。，即发光。n体系也可以以体系也可以以无辐射的形式
15、无辐射的形式(如发热如发热)将吸收的能量散发出将吸收的能量散发出来，这一过程即为来，这一过程即为无辐射复合无辐射复合。n辐射复合包括：带辐射复合包括：带-带间复合发光带间复合发光 能带与杂质能级间的辐射复合能带与杂质能级间的辐射复合 激子复合激子复合n无辐射复合包括：阶段地放出声子的复合无辐射复合包括：阶段地放出声子的复合 俄歇过程俄歇过程 表面复合表面复合第十七页，讲稿共三十一页哦1、辐射复合、辐射复合n带带-带间复合发光：带间复合发光：n这种复合可分为这种复合可分为直接跃迁直接跃迁（不通过声子的复合）和（不通过声子的复合）和间接间接跃迁跃迁（必须通过声子为媒介的复合）两种。（必须通过声子为
16、媒介的复合）两种。n在这类复合中，导带底的电子跃迁至价带，与空穴复合，在这类复合中，导带底的电子跃迁至价带，与空穴复合，初态与终态的能量差以光的形式辐射，其跃迁模型如图初态与终态的能量差以光的形式辐射，其跃迁模型如图 （a）直接跃迁）直接跃迁 （b）间接跃迁）间接跃迁第十八页，讲稿共三十一页哦对于直接跃迁对于直接跃迁，初态与终态的动量相同，光子动量与电子，初态与终态的动量相同，光子动量与电子的能量相比可以忽略，辐射光的频率的能量相比可以忽略，辐射光的频率v表现表现 为：为：hv=E2-E1 对于间接跃迁对于间接跃迁，初态与终态的动量不相同，必须借助晶，初态与终态的动量不相同，必须借助晶格振动转
17、移一部分能量，此时，该部分动量以声子形式格振动转移一部分能量，此时，该部分动量以声子形式表现出来。在此情况下，辐射光的频率表现出来。在此情况下，辐射光的频率v表现量为：表现量为：hv=E2-E1-K（K为声子的能量）为声子的能量）由于间接跃迁时部分能量被声子消耗，辐射能量相应变由于间接跃迁时部分能量被声子消耗，辐射能量相应变小。小。第十九页，讲稿共三十一页哦1、辐射复合、辐射复合n能带与杂质能级间的复合：能带与杂质能级间的复合：半导体导带或价带与禁带中杂质能级之间的辐射复合跃迁主要是指，半导体导带或价带与禁带中杂质能级之间的辐射复合跃迁主要是指，能带与中性杂质能级之间的跃迁，即：能带与中性杂质
18、能级之间的跃迁，即：电子电子受主能级的跃迁过程受主能级的跃迁过程与与空穴空穴施主能级间的跃迁过程，施主能级间的跃迁过程，文献中常称为文献中常称为“自由到束缚自由到束缚”跃迁跃迁n四个微观过程：四个微观过程：俘获电子过程。复合中心能级俘获电子过程。复合中心能级Et从导带俘获电子。从导带俘获电子。发射电子过程。复合中心能级发射电子过程。复合中心能级Et上的电子被激发到导带上的电子被激发到导带(的逆过的逆过程程)。俘获空穴过程。电子由复合中心能级俘获空穴过程。电子由复合中心能级Et落入价带与空穴复合。也落入价带与空穴复合。也可看成复合可看成复合 中心能级从价带俘获了一个空穴。中心能级从价带俘获了一个
19、空穴。发射空穴过程。价带电子被激发发射空穴过程。价带电子被激发 到复合中心能级到复合中心能级Et上。也可以看成上。也可以看成 复合中心能级向价带发射了复合中心能级向价带发射了个空个空 穴穴(的逆过程的逆过程)。第二十页，讲稿共三十一页哦n激子复合：激子复合：在半导体中，除了固定在晶格原子上的电子在半导体中，除了固定在晶格原子上的电子(满带电子满带电子)和和能自由地在晶体中运动的电子能自由地在晶体中运动的电子(导带电子导带电子)外，还可能存外，还可能存在在一种处于激发态的电子一种处于激发态的电子。这种电子处于高能激发态，活动。这种电子处于高能激发态，活动于原子的外轨道，与原子结合力较弱，易于脱离
20、原子而转于原子的外轨道，与原子结合力较弱，易于脱离原子而转移到相邻的原子上去，从而形成移到相邻的原子上去，从而形成电子电子空穴空穴对，这种对，这种电电子子空穴空穴对复合时也会以光的形式辐射能量。激子复对复合时也会以光的形式辐射能量。激子复合通常具有较高的复合效率。这种合通常具有较高的复合效率。这种激子发光是低温时的激子发光是低温时的主要发射机理主要发射机理。第二十一页，讲稿共三十一页哦2、非辐射复合、非辐射复合n非辐射性复合主要是非辐射性复合主要是由于跃迁能量转换为低能声子而形成由于跃迁能量转换为低能声子而形成。这。这种复合主要有以下几种形式种复合主要有以下几种形式:n阶段地放出声子的复合：阶
21、段地放出声子的复合：若在禁带中含有若干能量不同的杂质或缺陷能级，能级间能若在禁带中含有若干能量不同的杂质或缺陷能级，能级间能量差很小，则在复合过程中，导带电子可能会量差很小，则在复合过程中，导带电子可能会 在这些在这些能级间发生阶段性跃迁能级间发生阶段性跃迁，通过一系列声子的产生实，通过一系列声子的产生实现复合过程。现复合过程。第二十二页，讲稿共三十一页哦n俄歇过程：俄歇过程：载流子从高能级向低能级跃迁，发生电子载流子从高能级向低能级跃迁，发生电子空穴复合时，空穴复合时，把把多余的能量传给另一个载流子多余的能量传给另一个载流子，使这个载流子被激发到，使这个载流子被激发到能量更高的能级上去，当它
22、重新跃迁回低能级时，多余的能能量更高的能级上去，当它重新跃迁回低能级时，多余的能量常以声量常以声 子形式放出，这种复合称子形式放出，这种复合称 为俄歇复合。为俄歇复合。显然这是一显然这是一 种无辐射复合种无辐射复合。图中（。图中（a）（b）为带间俄歇复合，余）为带间俄歇复合，余 者为与杂质和缺陷有关的者为与杂质和缺陷有关的 俄歇复合。俄歇复合。第二十三页，讲稿共三十一页哦n表面复合：表面复合：表面复合是指在半导体表而发生的复合过程。表面复合是指在半导体表而发生的复合过程。表面处的杂质和表面处的杂质和表面特有的缺陷也在禁带形成复合中心能级表面特有的缺陷也在禁带形成复合中心能级，因而，就复合，因而
23、，就复合机构讲，机构讲，表面复合是无辐射复合表面复合是无辐射复合。第二十四页，讲稿共三十一页哦2.1.4 光致发光的测量装置及光谱种类光致发光的测量装置及光谱种类第二十五页，讲稿共三十一页哦1、光致发光谱的研究意义、光致发光谱的研究意义n光致发光光致发光(photoluminescence,PL)是对半导体材是对半导体材 料物理性质进行检测的常用手段之一。料物理性质进行检测的常用手段之一。n研究半导体材料的光致发光可以加深对材料性能研究半导体材料的光致发光可以加深对材料性能 的认识，探寻发光机理改善材料的发光性能，从的认识，探寻发光机理改善材料的发光性能，从 而根据需要选择制备技术，控制制备条
24、件和适用而根据需要选择制备技术，控制制备条件和适用 条件。条件。n光致发光的光致发光的优点：优点：在于其灵敏度，尤其是它在光吸在于其灵敏度，尤其是它在光吸 收实验灵敏度差的频段内有较高的灵敏度，使得发收实验灵敏度差的频段内有较高的灵敏度，使得发 光和光吸收实验互为补充在半导体电子态研究中起着重要作光和光吸收实验互为补充在半导体电子态研究中起着重要作用。用。第二十六页，讲稿共三十一页哦2、光致发光谱的基本测试步骤、光致发光谱的基本测试步骤n由由激光器激光器发出一束激光，激发光源大于被测材料的禁带发出一束激光，激发光源大于被测材料的禁带宽度宽度Eg、且流密度足够高的光子流去入射被测样品，经、且流密
25、度足够高的光子流去入射被测样品，经过光束过光束转折器转折器(平面镜平面镜)后，使光束射向后，使光束射向滤波器滤波器。滤波器。滤波器的作用是滤掉干扰波长的光的作用是滤掉干扰波长的光n通通过透镜系统过透镜系统(一般为：两个透镜，一个用于准直，一般为：两个透镜，一个用于准直，一个用于聚焦一个用于聚焦)聚焦在样品上，样品被激发，发出荧聚焦在样品上，样品被激发，发出荧光，光，再通过透镜系统收集样品发出的光聚焦在光谱仪上，再通过透镜系统收集样品发出的光聚焦在光谱仪上，n然后通过光电倍增管把光信号转换为电信号，最后把得到然后通过光电倍增管把光信号转换为电信号，最后把得到的电信号通过数据采集系统在计算机上输出
26、，的电信号通过数据采集系统在计算机上输出，n相应得到的谱线为光致发光谱。相应得到的谱线为光致发光谱。第二十七页，讲稿共三十一页哦3、光致发光谱的种类、光致发光谱的种类n半导体光致发光光谱测量可分为半导体光致发光光谱测量可分为激发光谱（激发光谱（PLE）和和发发射光谱（射光谱（PL）两种。两种。n激发光谱：激发光谱：指发光的某一谱线或谱带的强度随激发光波指发光的某一谱线或谱带的强度随激发光波长（或频率）的变化时所发生的改变。由此可知，激发长（或频率）的变化时所发生的改变。由此可知，激发光谱反映不同波长的光激发材料的效果。光谱反映不同波长的光激发材料的效果。n因此，激发光谱表示对某一频率发光起作用
27、的激发光的频率因此，激发光谱表示对某一频率发光起作用的激发光的频率特征，因而对分析特征，因而对分析发光的激发过程发光的激发过程、激发机制和提高发光效激发机制和提高发光效率有重要意义率有重要意义n激发光谱的激发光谱的横轴横轴代表所用的激发光波长，代表所用的激发光波长，纵轴纵轴代表发光代表发光的强弱，可以用能量或发光强度表示。的强弱，可以用能量或发光强度表示。第二十八页，讲稿共三十一页哦第二十九页，讲稿共三十一页哦n发光光谱发光光谱是在一个固定频率入射光激发下，半导体发光能量是在一个固定频率入射光激发下，半导体发光能量按频率的分布，显示一定频率光激发下半导体发光的光谱特按频率的分布，显示一定频率光激发下半导体发光的光谱特征，征，n用来研究与用来研究与激发及辐射复合过程有关激发及辐射复合过程有关的半导体电子态、辐的半导体电子态、辐射发光的物理过程及半导体杂质发光中心的状态与位置等。射发光的物理过程及半导体杂质发光中心的状态与位置等。n测量光致发光光谱时，一般将测量光致发光光谱时，一般将激发光波长固定激发光波长固定，扫描探测光，扫描探测光的波长，记录样品在不同波长下的发光强度。的波长，记录样品在不同波长下的发光强度。第三十页，讲稿共三十一页哦第三十一页，讲稿共三十一页哦