姓名:嚴(yán)欣陽? ? ? 學(xué)號:21009102224? ? 學(xué)院:海棠一號書院
【嵌牛導(dǎo)讀】
光致發(fā)光光譜用于探測材料的電子結(jié)構(gòu)，是一種非接觸、無損傷的測試方法。從原理上講，光照射到樣品上，被樣品吸收，產(chǎn)生光激發(fā)過程。光激發(fā)導(dǎo)致材料躍遷到較高的電子態(tài)，然后在馳豫過程后釋放能量，（光子）回到較低的能級。該過程中的光輻射或者發(fā)光就稱為光致發(fā)光，即PL。
基本說來，光致發(fā)光是分子受光子激發(fā)后發(fā)生的一種去激發(fā)過程。在吸收紫外和可見電磁輻射的過程中，分子受激躍遷到激發(fā)電子態(tài)。多數(shù)分子將通過與其他分子的碰撞，以熱的形式散發(fā)掉多余的這部分能量；部分分子則以光的形式釋放出這部分能量，放射出光的波長不同于所吸收輻射的波長。后一種過程稱為光致發(fā)光。從本質(zhì)上講，光致發(fā)光是一種涉及光子的激發(fā)－去激發(fā)過程。
【嵌牛鼻子】光致發(fā)光（PL）在半導(dǎo)體測試中的應(yīng)用探索
【嵌牛提問】光致發(fā)光可以干什么?
【嵌牛正文】
一、光致發(fā)光的定義
? 光致發(fā)光是指半導(dǎo)體材料在光的激發(fā)下，使電子從價帶躍遷至導(dǎo)帶，并在價帶留下空穴，電子和空穴各自在導(dǎo)帶和價帶中占據(jù)最低激發(fā)態(tài)，即導(dǎo)帶底和價帶頂，成為準(zhǔn)平衡態(tài)，也是一種暫態(tài)，不穩(wěn)定狀態(tài)，準(zhǔn)平衡態(tài)下的電子和空穴復(fù)合發(fā)光，產(chǎn)生特定波長的光子，通過探測光的強度或能量分布得到曲線，形成光致發(fā)光譜(Photoluminescence Spectroscopy，簡稱PL譜)。
二、光致發(fā)光光譜的衰減時間常數(shù)有什么物理意義
? 在實驗測試中，熒光發(fā)光光譜包括激發(fā)譜和發(fā)射譜兩種。激發(fā)譜是使用不同波長激發(fā)光測試發(fā)光材料在某一波長處熒光強度的變化情況，即不同波長激發(fā)光的相對效率；發(fā)射譜則是在某一固定波長激發(fā)光作用下的熒光強度在不同波長處的分布情況，即熒光中不同波長的光成分的相對強度。一般情況下，光致發(fā)光光子的能量小于激發(fā)光子的能量（斯托克斯位移），在特定條件下發(fā)射光子的能量也可以超過激發(fā)光子的能量（反斯托克斯位移）。
由于光致發(fā)光(熒光或磷光)的特點是寬激發(fā)窄發(fā)射，所以測試時，需要選取一個能反映出所測材料發(fā)光效率的激發(fā)光波長。激發(fā)光波長的選擇一般沒有定論，簡單而常用的方法有兩種：1）激發(fā)譜：將熒光發(fā)光峰波長固定為發(fā)射波長（EM），然后做激發(fā)波長（EM）掃描，激發(fā)波長范圍要小于發(fā)射波長。一般選取激發(fā)譜最高峰位置對應(yīng)的波長作為激發(fā)光波長。2）紫外-可見光吸收測試：一般以最大吸收波長或等吸收點處的波長作為激發(fā)波長。
三、PL有什么運用
根據(jù)光學(xué)理論可知，能量常采用J為單位，一個光子的能量可以表示為：
E=hν
光子頻率ν可以表示為：
ν =c/λ
所以當(dāng)電子-空穴對在輻射復(fù)合產(chǎn)生光子時，電子處于導(dǎo)帶底，空穴處于價帶頂，則光子能量等于禁帶寬度Eg，禁帶寬度單位為eV， 此時禁帶寬度與波長之積為常數(shù)hc，所以
Egλ=hc
式中h為普朗克常數(shù)，其值為4.136×10-15eV·s，c為光速，其值為3×10^8m/s。
藍光和綠光LED的發(fā)光核心區(qū)域是InGaN，是由GaN和InN按一定配比形成的合金，GaN和InN形成三元合金InxGa(1-x)N的禁帶寬度Eg(x) 與 In 組分x的關(guān)系滿足下式：
Eg InGaN =(1-x)Eg(GaN)+xEg(InN)-bx(1-x)
其中Eg (GaN) =3.42eV；Eg (InN) =0.70eV；x是 InN 的摩爾分?jǐn)?shù)； b為耦合系數(shù)。（可以取常用的b 為 1 .43 eV）。因此可以通過對光致發(fā)光譜的測量計算得到InxGa(1-x)N的In組份x。
從光譜中獲取波長信息從而確定盡帶寬度和In 組份。
在激發(fā)光能量不是非常大的情況下，PL測試是一種無損的測試方法，可以快速、便捷地表征半導(dǎo)體材料的缺陷、雜質(zhì)以及材料的發(fā)光性能。
1、組分測定:對三元系或四元系合金，如InxGa1-xN等，通過PL峰位確定半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，進而確定材料組分x；
2、雜質(zhì)識別:通過光譜中的特征譜線位置，可以識別材料中的雜質(zhì)元素；
3、雜質(zhì)濃度測定
4、變溫Pl可以測試材料/器件的發(fā)光效率；
5、半導(dǎo)體材料的少數(shù)載流子壽命；
6、位錯等缺陷的相關(guān)作用研究。
