光致发光测量       (photoluminescence measurement)

用一定能量的光子激发半导体材料，由其产生的特征发光谱线来分析半导体材料性能的一种光学半导体材料测量方法。具体而言，对于一种半导体材料，当用能量大于其禁带宽度的光照射到样品表面时，由于受到光的激发，使半导体材料价带上的电子被激发到导带中而形成电子一空穴对，这种光生的非平衡载流子在10-¹²s的弛豫时间内很快地与原子晶格振动相互作用，并把能量的一部分交给晶体，然后到达最小的能量位置（导带边）。由于这种非平衡载流子的寿命极短，约10^-6-10^-9 s，很快就发生电子与空穴的复合而发光。发光的波长λ由半导体材料的禁带宽度所决定，即λ=hc/E_g。以上发光过程只适用于纯净的半导体材料，实际上所有半导体材料都有意或无意地含有杂质和缺陷，使它们在禁带中形成局部能级E_i，它与带边有一个间隔△E_i，称为杂质的激活能。因此，发光过程往往是被激发到导带的电子先被这种局部能级所俘获，然后再发生电子与空穴的复合发光。这时的发光波长λ=hc/E_g-△E_i。不同的杂质具有不同的激活能△E_i,它表征杂质的特性。

半导体材料中不同的杂质所处的能态不同，引起发光的复合形式也各不相同，主要有如图1所示的6种形式。

光致发光测试系统如图2所示。由4部分组成：①光激发部分。包括激光器或其他光源、光斩波器、滤光片和透镜。②样品室。包括低温恒温器和温度控制器。⑧光检测部分。包括光栅单色仪、光探测器和锁相放大器。④记录和数据处理部分。包括x—y记录仪和数据处理系统。

 光致发光测试系统光致发光测量对鉴别半导体材料中引起复合发光的杂质和缺陷灵敏度高，已成为半导体领域中重要的测量方法。它用于：(1)识别杂质。对于轻掺杂的半导体材料，以这种杂质在禁带中形成受主能级为例，被激发到导带中的电子将与束缚于受主的空穴复合而放出一定波长的谱线，由波长值可以计算出该杂质的激活能ΔE_i，则就确定了杂质的种类(图3a)。如将样品温度降低到20K以下，由于半导体材料中的非辐射复合减到最小，而且杂质的基态基本上被占满，热离化和声子加宽效应也减至最小，使发射线最尖锐且强度大大增加，提高了谱线的分辨率和测试的灵敏度。对砷化镓来说，检测的灵敏度为Sn10¹²at／cm³ 、Cd或Zn10¹⁴at／cm³ 、Mn10¹⁵at／cm³，对硅来说，基硼为10¹¹at／cm^{3 。} 基磷为5×10¹¹at／cm³ 。(2)测定掺杂浓度。对于重掺杂的半导体材料，在禁带中束缚于受主的空穴相互作用形成杂质带，当电子与空穴复合时就发出具有一定峰值强度和半宽度的谱线。由于谱线的半宽度随着受主浓度的增加而加宽，因此，在只有一种受主占优势的情况下可以由谱线的半宽度来确定这种受主杂质的浓度(图3b)。

由于测量仪器的分辨率和灵敏度的提高，以及利用极低温条件，使光致发光测量的能力扩展到靠近禁带中心的深能级杂质或缺陷与杂质的络合物。利用光致发光扫描技术，可监视某个已能识别的杂质所产生的特征光谱线，可以显示出样品表面上掺杂的不均匀性，称为光致发光谱的准三维图。从激发与发射之间的光致发光衰减时间可以测量半导体材料中载流子的寿命。由带边发射线确定其禁带宽度，也可测定化合物半导体材料混晶的组分等。光致发光测量的应用范围很广，不仅适用于单晶材料，而且由于激发光的穿透深度只有1μm左右，入射光点也可以聚得很小，特别适用于外延薄层和微区分析。