光致发光(PL)光谱
光致发光(PL)光谱583课件
真空泵
透镜
反射镜
滤光片
激光器
激光器电源
样品室
样品
透镜
狭缝
光电倍增管
单色仪
锁相放大器 计算机
制冷仪
图2 光致发光光谱测量装置示意图
光致发光(PL)光谱583
三、光致发光特点
1、光致发光的优点
• 光致发光分析方法的实验设备比较简单、 测量本身是非破坏性的，而且对样品的尺 寸、形状以及样品两个表面间的平行度都 没有特殊要求。
5、 GaAs材料补偿度的测定 补偿度NA/ND（ND，NA分别为施主、受主杂质浓度）
是表征材料纯度的重要特征参数。
6、少数载流子寿命的测定
光致发光(PL)光谱583
7、均匀性的研究 测量方法是用一个激光微探针扫描样品，根据样
品的某一个特征发光带的强度变化，直接显示样品的 不均匀图像。 8、位错等缺陷的研究
光致发光（PL）光谱
光致发光(PL)光谱583
一、光致发光基本原理
• 1. 定义：所谓光致发(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
光致发光(PL)光谱583
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
光致发光(PL)光谱583
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。
PL操作说明
光致发光(PL)光谱测试操作规程(一)电源及机器启动方式1.打开电源配电箱后的电源开关，接通总电源。
2.按照正常开机顺序启动电脑。
3. PL光谱测试仪电源启动方式：a. 旋转紧急停止开关（红色按钮弹出状态）b. 按下电源启动开关（蓝色按钮、power指示灯为红色）。
c. 将开机开关打开到1的位置上（绿色按钮），机器启动（power灯为绿色，真空指示灯（V ACUUM）为红色）。
4.接通真空泵。
(二)操作软件菜单使用说明1.单击桌面菜单中的（）图标，等待软件初始化。
2.初始化完成后，进入登陆口令窗口对话框，在User level中选择Engineer选项，不用键入password，点击OK，进入操作菜单。
3.打开样品室盖，用镊子将所测样品放入到载物台中，注意放置时应将中央真空抽气孔完全覆盖。
按下抽真空按钮（绿色按钮），样品被吸附到载物台中，完成载物过程（此时抽真空提示灯由红色转为绿色）。
闭合样品室，确认样品室闭合指示灯为熄灭状态。
4.返回操作菜单，点击工具栏中的load wafer（）按钮，样品载入至测试仪器内，完成准备工作。
(三)具体实验测试过程说明A. Single Spectrum检测1.选择纵向工具栏中的Single Spectrum（）按钮，等待程序操作界面跳出。
2.在程序对话框中，首先选择range类型，其中包括single frame 和wide scan 两种模式：在single frame 模式中，首先确定mode模式为PL Spectrum和standard根据自己所测样品的理论数据修改center（发光中心谱线波长）和谱线测试的最大值和最小值。
wide scan模式中，只需改动min及max两值即可。
3.测试过程默认测试点为R,T=0，0mm，0，0deg，若期望测试样品其他点处的Single Spectrum，点击move stage按钮，得到操作对话框。
在右侧网格坐标图中直接点击选取期望测试点；或在左侧absolute position中输入相应值，单击go键可将测试点移动到期望位置。
PL简介PPT课件
二、基本原理
半导体受入射光 激发以后，电子 由于吸收光子的 能量而处于激发 态，由于激发态 是不稳定的，会 最终回到较低的 能量状态，在此 过程中产生无辐 射的弛豫和辐射 复合发光现象。
内转换 振动弛豫内转换
S
系间窜
2
越
S1 能
T1 T2
量
吸 收
发
发
射 荧
外转换
射磷振动弛豫
光
光
S0
l1
l2 l2
2、杂质识别
– 根据特征发光谱线的位置，可以识别GaAs和GaP中的微量杂质。
3、硅中浅杂质的浓度测定 4、辐射效率的比较
– 半导体发光和激光器件要求材料具有良好的发光性能，发光测 量正是直接反映了材料的发光特性。通过光致发光光谱的测定 不仅可以求得各个发光带的强度，而且也可以的到积分的辐射 强度。在相同的测量条件下，不同的样品间可以求得相对的辐 射效率。
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四、应用
光致发光光谱是一种探测材料电子结构的方法，它与材料无接触且不 损坏材料。光直接照射到材料上，被材料吸收并将多余能量传递给材 料，这个过程叫做光激发。这些多余的能量可以通过发光的形式消耗 掉。由于光激发而发光的过程叫做光致发光。光致发光的光谱结构和 光强是测量许多重要材料的直接手段。光激发导致材料内部的电子跃 迁到允许的激发态。当这些电子回到他们的热平衡态时，多余的能量 可以通过发光过程和非辐射过程释放。光致发光辐射光的能量是与两 个电子态间不同的能级差相联系的，这其中涉及到了激发态与平衡态 之间的跃迁。激发光的数量是与辐射过程的贡献相联系的。
2020/9/16
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三、光谱仪基本构造
反射
真空泵
镜
透镜
斩波器
光致发光(PL)光谱
e-D+
e-h e-h
e-A
声子参加
D-h
D-A
(a)
(b)
(c)
图1 半导体中多种复合过程示意图（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，有六种不同旳复合机构会发射光 子，它们是： （1）自由载流子复合 —— 导带底电子与价带顶空穴 旳复合； （2）自由激子复合 —— 晶体中原子旳中性激发态被 称为激子，激子复合也就是原子从中性激发态向基态 旳跃迁，而自由激子指旳是能够在晶体中自由运动旳 激子，这种运动显然不传播电荷； （3）束缚激子复合 —— 指被施主、受主或其他陷阱 中心(带电旳或不带电旳)束缚住旳激子旳辐射复合，其 发光强度伴随杂质或缺陷中心旳增长而增长；
）是表征材料纯度旳主要特征参数。
6、少数载流子寿命旳测定
7、均匀性旳研究 测量措施是用一种激光微探针扫描样品，根据样
品旳某一种特征发光带旳强度变化，直接显示样品旳 不均匀图像。
8、位错等缺陷旳研究
图3 CZT晶体在4.2K下经典旳PL谱。该PL谱涉及四个区域： （1）近带边区；（2）施主－受主对（DAP）区；（3）受主 中心引起旳中心位于1.4eV旳缺陷发光带；（4）Te空位引起旳
2、光致发光旳缺陷
它旳原始数据与主要感爱好旳物理现象之 间离得比较远，以至于经常需要进行大量 旳分析，才干经过从样品外部观察到旳发 光来推出内部旳符合速率。
光致发光测量旳成果经常用于相正确比较， 所以只能用于定性旳研究方面。
测量中经常需要液氦低温条件也是一种苛 刻旳要求。
对于深陷阱一类不发光旳中心，发光措施 显然是无能为力旳。
（4）浅能级与本征带间旳载流子复合——即导 带电子经过浅施主能级与价带空穴旳复合，或价 带空穴经过浅受主能级与导带电子旳复合； （5）施主-受主对复合——专指被施主-受主杂质 对束缚着旳电子-空穴正确复合，因而亦称为施 主-受主对(D-A对)复合； （6）电子-空穴对经过深能级旳复合——即SHR 复合，指导带底电子和价带顶空穴经过深能级旳 复合，这种过程中旳辐射复合几率很小。
通过光致发光光谱计算激子解离效率
光致发光光谱（photoluminescence spectrum, PL谱）是一种常用的表征半导体材料光学性质的手段。
通过激发光源照射样品，测量样品发射的光谱特性，可以得到样品的发光峰值、半导体材料的载流子寿命和激子解离效率等重要信息。
本文将通过光致发光光谱计算激子解离效率的相关理论及计算方法进行探讨。
1. 光致发光光谱的基本原理光致发光光谱是指当外界光照射到样品后，通过测量样品发射光的能谱和强度变化，研究样品内部载流子的复合和发光过程。
在激子体系中，激子解离是一个重要的过程，激子的解离效率对半导体材料的发光性能有着重要影响。
通过光致发光光谱可以间接的推断出激子解离效率，为进一步研究半导体材料的光学性质提供了重要手段。
2. 激子解离效率的计算方法激子解离效率可以通过光致发光光谱中的激子发光峰和自由载流子发光峰的位置和强度变化来计算。
在样品中，由于激发光源的作用，激子和自由载流子会产生发光，通过测量样品的光谱可以得到激子和自由载流子的发光峰值。
激子解离效率可以通过以下公式计算：激子解离效率 = (激子发光峰值 - 自由载流子发光峰值) / 激子发光峰值其中，激子发光峰值和自由载流子发光峰值分别为在样品发光光谱中激子和自由载流子的发光峰值。
通过测量样品的光致发光光谱，并进行激子解离效率的计算，可以直观的了解激子解离过程对样品发光性质的影响。
3. 激子解离效率的影响因素激子解离效率受到多种因素的影响，主要包括材料的结构和纯度、激子的束缚能和载流子的密度等。
在材料的结构和纯度方面，晶格缺陷和杂质的存在会损害激子的稳定性，导致激子解离效率的降低。
而激子的束缚能和载流子的密度则会影响激子的形成和解离过程，进而影响激子解离效率的大小。
在研究激子解离效率时，需要综合考虑以上因素的影响，以更准确的评估半导体材料的光学性能。
4. 光致发光光谱计算激子解离效率的应用光致发光光谱计算激子解离效率是一种非常有效的手段，可以为半导体材料的光学性能研究提供重要的参考。
光致发光(PL)光谱课件
图2 光致发光光谱测量装置示意图
真空泵
透镜
反射镜
滤光片
激光器
激光器电源
样品室
样品
透镜
狭缝
单色仪
光电倍增管
锁相放大器 计算机
制冷仪
三、光致发光特点
光致发光分析方法 的实验设备比较简 单、测量本身是非 破坏性的，而且对 样品的尺寸、形状 以及样品两个表面 间的平行度都没有
特殊要求。
1、光致 发光的优
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。
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，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。
三．硅中浅杂质的浓度测定
4、辐射效率的比较 半导体发光和激光器件要求材料具有良好的发光性能，
发光测量正是直接反映了材料的发光特性。通过光致发光光 谱的测定不仅可以求得各个发光带的强度，而且也可以的到 积分的辐射强度。在相同的测量条件下，不同的样品间可以 求得相对的辐射效率。
PL谱
激光器
激光器电源
狭缝
光电倍增管
锁相放大器 单色仪
样品室 样品 透镜
计算机
制冷仪 图2 光致发光光谱测量装置示意图
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 杜瓦瓶) 杜瓦瓶
制冷仪
真空泵
TRIAX550 PL谱仪 谱仪
放大器
) 放置样品(晶片，粉体，薄膜 晶片 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 关机
高质量CZT晶体 谱的近带边区 晶体PL谱的近带边区 图4 高质量 晶体
谱的主峰为中性施主的束缚激子峰（ 该PL谱的主峰为中性施主的束缚激子峰（D0, X）。 谱的主峰为中性施主的束缚激子峰 ） 而 CdTe和 Cd0.96Zn0.04Te在该区域内的主发光峰则通常为 和 在该区域内的主发光峰则通常为 受主－束缚激子峰（ 受主 － 束缚激子峰 （ A0,X） 。 在 Cd0.9Zn0.1Te晶体的近带 ） 晶体的近带 边区的PL谱除此之外中 ， 边区的 谱除此之外中， 还可以看到基态自由激子峰 谱除此之外中 （X1）、上偏振带峰（Xup）以及第一激发态自由激子峰 上偏振带峰（ 对于质量较差的CZT晶体， 无法看到其自由激 晶体， （ X2 ） 。 对于质量较差的 晶体 子峰（ 和一次激发态自由激子峰（ 低温PL谱 子峰（X1）和一次激发态自由激子峰（X2）。低温 谱 可以用来比较全面的评价CZT晶体的质量， 并由此来推 晶体的质量， 可以用来比较全面的评价 晶体的质量 断晶体的探测性能。 断晶体的探测性能。
10
IV
III
pl光致发光光谱测试条件
pl光致发光光谱测试条件一、测试目的光致发光（PL）光谱测试是一种用于研究材料发光特性的重要手段。
通过PL光谱测试，可以了解材料的发光性质、能级结构以及材料内部的缺陷和杂质等信息。
本测试条件旨在规范PL光谱测试的实验操作流程，确保测试结果的准确性和可靠性。
二、测试原理光致发光（PL）光谱是材料在吸收光子后，将能量转化为荧光发射的现象。
PL 光谱反映了材料内部能级结构、缺陷和杂质等信息。
通过对PL光谱的分析，可以了解材料的发光性质、能级结构以及材料内部的缺陷和杂质等信息。
三、测试条件1. 样品准备（1）样品应具有代表性，能够反映材料的整体性能。
（2）样品应清洁、干燥，无杂质和污染物。
（3）样品尺寸应适中，以便于测试和观察。
2. 测试环境（1）实验室温度应保持在20±5℃。
（2）实验室湿度应保持在50±5%。
（3）实验室应保持清洁、无尘，避免影响测试结果。
3. 光源选择（1）选择合适的激光光源，确保其波长、功率和稳定性满足测试要求。
（2）激光光源的波长范围应覆盖样品发光的主要波段。
4. 样品处理（1）对于固体样品，应将其研磨成粉末或薄片，以便于测试。
（2）对于液体样品，应将其稀释至适当浓度，以便于测试。
5. 测试参数设置（1）设置合适的激发波长和发射波长范围，以便于捕捉样品的PL光谱。
（2）设置合适的扫描速度和步长，以便于获得准确的PL光谱。
6. 数据处理与分析（1）对获得的PL光谱进行去噪、平滑等处理，以提高数据质量。
（2）对PL光谱进行拟合和分析，提取发光峰位、强度等信息。
四、注意事项1. 在进行PL光谱测试前，应对样品进行充分的了解和研究，以便选择合适的测试条件和方法。
2. 在测试过程中，应注意保护眼睛和皮肤，避免长时间暴露在激光光源下。
3. 在数据处理和分析过程中，应注意数据的准确性和可靠性，避免误导实验结果。
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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 ， 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。
真空泵
透镜
反射镜
滤光片
激光器
激光器电源
样品室
样品
透镜
狭缝
光电倍增管
单色仪
锁相放大器 计算机
制冷仪
图2 光致发光光谱测量装置示意图
三、光致发光特点
1、光致发光的优点
光致发光分析方法的实验设备比较简单、 测量本身是非破坏性的，而且对样品的尺 寸、形状以及样品两个表面间的平行度都 没有特殊要求。
它在探测的量子能量和样品空间大小上都 具有很高的分辨率，因此适合于作薄层分 析和微区分析。
）是表征材料纯度的重要特征参数。
6、少数载流子寿命的测定
7、均匀性的研究 测量方法是用一个激光微探针扫描样品，根据样
品的某一个特征发光带的强度变化，直接显示样品的 不均匀图像。
8、位错等缺陷的研究
图3 CZT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
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。
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。
（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。
四、光致发光分析方法的应用
1、组分测定 例如，GaAs1-xPx是由直接带隙的GaAs和间接带
隙的GaP组成的混晶，它的带隙随x值而变化。发光 的峰值波长取决于禁带宽度，禁带宽度和x值有关。 因此，从发光峰峰值波长可以测定组分百分比x值。
2、杂质识别 根据特征发光谱线的位置，可以识别GaAs和GaP
2、光致发光的缺点
它的原始数据与主要感兴趣的物理现象之 间离得比较远，以至于经常需要进行大量 的分析，才能通过从样品外部观测到的发 光来推出内部的符合速率。
光致发光测量的结果经常用于相对的比较， 因此只能用于定性的研究方面。
测量中经常需要液氦低温条件也是一种苛 刻的要求。
对于深陷阱一类不发光的中心，发光方法 显然是无能为力的。
e-D+
e-h e-h
e-A
声子参与
D-h
D-A
(a)
(b)
(c)
ห้องสมุดไป่ตู้
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；
光致发光（PL）光谱
一、光致发光基本原理
1. 定义：所谓光致发(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
中的微量杂质。
3、硅中浅杂质的浓度测定
4、辐射效率的比较 半导体发光和激光器件要求材料具有良好的发光性
能，发光测量正是直接反映了材料的发光特性。通过 光致发光光谱的测定不仅可以求得各个发光带的强度 ，而且也可以的到积分的辐射强度。在相同的测量条 件下，不同的样品间可以求得相对的辐射效率。
5、 GaAs材料补偿度的测定 补偿度NA/ND（ND，NA分别为施主、受主杂质浓度