半导体微观分析 第二章ppt课件.ppt

半导体微观分析Semiconductor Micro-analysis,电子科学与技术系,天津工业大学,上节内容回顾,重点内容：1、半导体光致发光的概念和原理2、PL（发射光谱）与PLE（激发光谱）的区别3、半导体光致发光谱的用途,1.3 半导体光吸收光谱,1、吸收光谱有关概念光学吸收过程是材料的一个基本物理过程 吸收光谱可用来研究半导体电子能带结构、光学跃迁、声子行为等重要的物理性质，也是决定半导体和器件物理参数的重要依据。 吸收谱的能量范围分布于紫外到红外的光谱区间固体光吸收谱的概念当光通过半导体材料时，由于与材料中的电子，原子间的相互作用，可以发生光的吸收。光吸收过程中，具有一定能量的光子，将材料从低能态激发到高能态，或简单地在单粒子近似情况下，将一个电子(或将某一晶格振动模式)从低能态激发到高能态。,固体光吸收谱当光进入材料时，与材料发生相互作用产生交换能量，进入材料中的光被吸收，光强度的衰减遵守 Bouguer-Lambert 定律（布格尔-朗伯定律，它是均匀介质对光的吸收额和吸收介质厚度所遵循的关系 ）其中 是从固体边界沿光线到所研究点的距离， 是吸收系数。吸收系数对频率的依赖关系 或对波长的依赖关系 称为固体的吸收光谱 对于半导体而言，Bouguer-Lambert 定律所描述的吸收过程是半导体材料最重要的吸收过程，又叫做本征吸收。半导体的本征吸收是半导体吸收光谱最重要的部分，吸收系数高于104-105cm-1以上。,在本征吸收的低能端，吸收系数陡峭地下降 3-4 个数量级，这种陡峭的界限是吸收谱中最突出的一个特征。 可以通过对本征吸收的研究区分直接带隙和间接带隙半导体。因为吸收边大致对应于将电子从价带顶激发到导带底的最小光子能量。在本征吸收过程中，光子能量必须满足下列条件: 为禁带宽度。即对应着本征 吸收，在低频方面必然存在着 一个吸收边界，这个边界称为 本征吸收边，亦称为长波限。,多数绝缘体和半导体的本征吸收的波长落在紫外和可见光谱波段。它们的本征吸收相应于电子由价带的能级到导带的各能级之间的跃迁。 与原子或分子光谱相比，固体光谱有自己的特点: 固体的能带是准连续能级，得到的光谱一般是连续的，所涉及的是连续谱的分析； 在本征吸收区，固体是吸收介质，光谱的分析是和光在介质中的传播是分不开的。,2、带间吸收谱的实验规律,右图表示GaAs在近红外区的吸收光谱。1.4eV附近吸收曲线急剧的变化，即形成吸收边实验发现，对大多数半导体和绝缘体，吸收光谱在可见光区和近红外区都存在这样的吸收边仔细研究吸收边的结构，会发现一些规律性的东西：,实验规律： 强吸收区，吸收系数 为104cm-1 106cm-1， 随光子能量h的变化为幂指数规律，其指数可能为：1/2，3/2，2等；e指数吸收区，吸收系数为102cm-1左右， 随h为e指数变化规律；弱吸收区， 吸收系数一般在102cm-1以下因此，一个吸收边包含了丰富的信息,3、幂指数式吸收边的讨论,幂指数式吸收边是一种简单的情况，吸收系数 与光子频率的变化为1/2次方律，这种吸收被归结为价带中的电子吸收光子后，直接跃迁到导带引起的允许的直接跃迁讨论，以直接禁带半导体GaN为例,4、允许的直接跃迁讨论 例:直接禁带半导体GaN,右图为直接跃迁示意图，价带中 能量为Ei 的一个电子，吸收能量 为h的一个光子后，直接跃迁 到能量为Ef 的导带以价带顶为原点，这一过程的能 量守恒的条件为：对于直接禁带半导体，初态波矢 为Ki 的一个电子吸收一个光子， 跃迁到波矢为Kf 的终态，其动量守恒条件为： Ki + k = Kf 对于直接跃迁 Ki Kf =K（也称竖直跃迁）即：一个电子吸收一个光子的能量后，从波矢为K的价 带，直接跃迁至波矢相同的导带，这中间没有其他的 过程参与,吸收光谱的计算吸收系数 与光子频率的变化为1/2次方律，这一规律在许多半导体中被证实光吸收系数与光子频率有如下的关系式： （h）2*104（h-Eg）1/2cm-1 由吸收光谱，作()2h图，得到线性吸收边。将吸收边的线性关系延伸到与能量轴相交，即 =0处，可得到带隙Eg。用这种方法得到的带隙叫做光学带隙，该法与实际能隙可能有差别，但其是最常用的确定带隙的方法,5、激子吸收谱,固体吸收光后，会使其偏离基态，处于某种激发态。处于激发态的电子一方面发生前述的带间跃迁；另一方面，电子和空穴也可能重新束缚在一起形成激子。激子是一种激发单元，也就是一种元激发态激子的吸收和发光光谱与带间跃迁的光谱不同，具有特征的结构。实验发现，在带间跃迁吸收边的低能方向，常会出现一系列分立的吸收峰，并且谱峰分布有一定的规律性。如下图所示：,右图为高纯带边附近的吸 收谱。其主要特征：在吸收边低能方向出现一系列吸收峰，而且吸收强度比带间跃迁吸收高得多。图中标号为n=1、2、3的吸收谱被归结为自由激子吸收；而标号为D0X的吸收峰为中性施主杂质上束缚激子的吸收,激子吸收谱与带间跃迁的吸收光谱的不同： 在激子吸收谱中这些分立的吸收峰不是由于价带电子到导带的跃迁引起的，很可能是价带电子被激发到导带底部以下某些分立能级引起的，由此提出激子跃迁的假设如何理解激子吸收谱： 激子简单的理解为束缚的电子空穴对。从价带激发到导带的电子，常是自由的。在价带自由运动的空穴和在导带自由运动的电子有可能重新束缚在一起，形成束缚的电子空穴对激子。由于束缚，使激子的能量低于自由电子的能量。由此可理解，为什么激子吸收的能量低于带隙Eg，以及激子吸收峰分布在带间跃迁吸收边的低能方向。,6、吸收光谱的测量,透射光谱方法是一种测量材料吸收光谱的比较直接的方法。要从测量到的透射谱对固体中的吸收过程进行分析，将透射谱转换成吸收谱，得到薄膜材料的吸收系数（或吸收度）随波长变化的依赖关系半导体薄膜的光谱测量经常会遇到光束在样品薄层的表面和界面处的反射问题。原则上，样品透射率T为；T=I/I0=(1-R)exp(- d) 或写为: d=log(1/T)+C其中为吸收系数， d为样品厚度，R为样品表面的反射率。I0和I分别为入射光和透射光的强度，C为常数。 d称为吸收度，用透射率倒数的对数算出。,7、GaMnN的紫外可见吸收光谱,未掺杂 GaN 在 3.4eV 带隙附近清晰显示吸收边,1.4 拉曼散射及其应用,1.4.1 散射与光散射概念：1、散射： 散射是存在于自然界的普遍现象。如下图所示：当入射粒子以一个确定方向撞击靶粒子时，入射粒子和靶粒子发生相互作用使得入射粒子偏离原入射方向，甚至能量都发生改变的现象，就是所谓的散射现象。,利用散射现象研究物质的相互作用及其内部结构和运 动，无论是在宏观世界微观世界，都已成为一种重要手段。例如：1911年揭示原子由一个带正电荷的核构成的卢瑟福实验；1920年证明光具有粒子性的康普顿实验，分别是粒子和光子与带电粒子进行碰撞的散射实验。如今，基本粒子的实验研究几乎都是利用不同入射粒子与靶粒子发生碰撞的散射实验进行的。,2、光散射概念,光散射是一种常见的现象，天空的蓝色就是太阳光经过大气散射造成的。一束准直的光线，照射到某种固体上，除了在光线传播方向上能够测量到光以外，在空间的4立体角内原则上都可能探测到光，其中包括散射光，还可能有反射光和固体发光。固体的光散射是除吸收、反射、发光等之外固体中又一类重要的光学现象。原子和分子对光的散射作用是固体光散射的物理起源。研究认为，理想的、均匀的固体介质因来自各原子、分子的散射光之间的相干性，除折射定律规定的方向外，其他方向的散射光强为零。所以理想的均匀的固体不散射光。固体介质的光散射起因于固体介质的某种不均匀性，或起因于固体某种性质的起伏。例如：和声波相联系的密度起伏、固体中各种激元的激发引起的极化起伏、热力学和统计物理现象引起的熵的起伏、分子取向起伏等等,1、拉曼散射的研究进展：拉曼散射效应是印度物理学家拉曼（C.V.Raman）于1928年首次发现的，本人也因此荣获1930年的诺贝尔物理学奖。19281940年，受到广泛的重视，曾是研究分子结构的主要手段。这是因为可见光分光技术和照相感光技术已经发展起来的缘故；19401960年，由于拉曼效应太弱（约为入射光强的10-6），并要求被测样品的体积必须足够大、无色、无尘埃、无荧光等等。所以到40年代中期，红外技术的进步和商品化更使拉曼光谱的应用一度衰落；1960年以后，激光技术的发展使拉曼技术得以复兴。由于激光束的高亮度、方向性和偏振性等优点，成为拉曼光谱的理想光源。随探测技术的改进和对被测样品要求的降低，目前在物理、化学、医药、工业等各个领域拉曼光谱得到了广泛的应用，越来越受研究者的重视。,1.4.2 拉曼散射,2、拉曼散射,拉曼散射光谱是研究晶格振动的一种方法晶格振动是晶体原子在格点附近的热振动晶格具有周期性，则晶格的振动模具有波的形式，称为格波。一个格波就表示晶体所有原子都参与的一种振动模式。格波可区分为声学波和光学波两类两种模式。格波能量的量子称为声子，有声学波声子和光学波声子之分。晶体的比热、热导、电导等都与晶格振动（或者声子）有关。 ）什么是拉曼散射？ 光子和物质的分子(电子)或晶格之间的作用可以是弹性碰撞,这就是瑞利散射,作用前后,光子能量不变; 也可以是非弹性碰撞,这就是拉曼散射,作用之后的光子,其能量会减少一些, (斯托克斯散射),或者增加一些(反斯托克斯散射),瑞利散射： 弹性碰撞；无能量交换，仅改变方向；拉曼散射： 非弹性碰撞；方向改变且有能量交换；,Rayleigh散射,Raman散射,E0基态， E1振动激发态； E0 + h0 ， E1 + h0 激发虚态；获得能量后，跃迁到激发虚态.,3、拉曼散射基本原理,拉曼效应的机制和荧光现象不同，并不吸收激发光，因此不能 用实际的上能级来解释，玻恩和黄昆用虚的上能级概念说明了 拉曼效应。下图是说明拉曼效应的一个简化的能级图。,拉曼散射基本原理,瑞利散射Rayleigh,斯托克,反斯托克,拉曼散射Raman散射的两种跃迁能量差： E=h(0 - )产生stokes线；强；基态分子多； E=h(0 + )产生反stokes线；弱；Raman位移：Raman散射光与入射光频率差；,e,电子基态振动能级,e,e,Rayleigh 散射,e,e,e,Raman 散射,温度升高概率大！,设散射物分子原来处于基电子态，振动能级如图所示。当受到入射光照射时，激发光与此分子的作用引起的极化可以看作为虚的吸收，表述为电子跃迁到虚态（Virtual state），虚能级上的电子立即跃迁到下能级而发光，即为散射光。设仍回到初始的电子态，则有如图所示的三种情况。因而散射光中既有与入射光频率相同的谱线，也有与入射光频率不同的谱线，前者称为瑞利线，后者称为拉曼线。在拉曼线中，又把频率小于入射光频率的谱线称为斯托克斯线，而把频率大于入射光频率的谱线称为反斯托克斯线。,5、如何理解虚能级,拉曼位移为瑞利线与拉曼线的波数差，即散射光频率与激发光频之差=| 0 s |, 因此拉曼位移是分子振动能级的直接量度， v取决于分子振动能级的改变，与入射光波长无关。下图给出的是一个拉曼光谱的示意图。,需注意： 在示意图中斯托克斯线和反斯托克斯线对称地分布于瑞利线 的两侧，这是由于在上述两种情况下分别相应于得到或失去 了一个振动量子的能量。 反斯托克斯线的强度远小于斯托克斯线的强度，这是由于波 尔兹曼（Boltzmann）分布，处于振动基态上的粒子数远大 于处于振动激发态上的粒子数。,6、拉曼位移,拉曼位移直接反映了分子或晶格的振动、转动 能级,由这些能级的知识可以深入地分析物质的 结构及其内部运动，从而促进物质结构基础科学的发展，进而推动材料科学的发展并导致新材料的研制成功与开发应用。任何两种不同物质的拉曼谱线都不完全相同,人们就很自然地把拉曼谱作为物质的“指纹”，由这些“指纹”的特征对物质进行识别.,7、拉曼光谱仪结构,1、采用CCD检测器和限波滤波(Notch Filter)技术，中间的光程 不到一米，信号强度提高，一般只需10mW小功率激光激发样 品2、采用激光扩束器技术，可以连续改变激光焦点处光斑大小 （1-250微米）进而可以连续改变作用于样品上的功率密度,激光器,40MW半导体激光器 532nm频率高，拉曼光强大,试样室,发射透镜 使激光聚焦在样品上收集透镜 使拉曼光聚焦在单色仪的 入射狭缝,单色仪,仪器心脏1个光栅，2个狭缝减少杂散收光,拉曼光谱分析技术是以拉曼效应为基础建立起来的分子结构表征技术，其信号来源于分子的振动和转动.拉曼分析的方向：定性分析: 不同的物质具有不同的特征光谱，因此可以通过光谱进行定性分析。结构分析： 对光谱谱带的分析，又是进行物质结构分析的基础。定量分析： 根据物质对光谱的吸光度的特点，可以对物质的量有很好的分析能力。,8、拉曼分析的依据、特点及方向,拉曼光谱的信息,9、拉曼光谱仪的发展,共振拉曼光谱RRS激发频率等于或接近电子吸收带频率时共振拉曼强度增万至百万倍，高灵敏度，宜定量高选择性可调染料激光器表面增强拉曼光谱SERS试样吸附在金属表面上，增103106表面与共振联用检测限1091012 mol/L,10、拉曼测试的优点,拉曼散射光谱在研究物质结构特别是晶体结构与相变以及分子振动、转动光谱方面是一种非常有力的分析和研究手段。其优点如下: 拉曼散射光谱对样品制备没有特殊要求，无论 气、液、固体都可以进行拉曼光谱测量； 拉曼散射采用光子探针，对样品是无损伤探测， 适合对稀有或珍贵的样品进行分析； 由于在可见光区域拉曼散射光不会被玻璃吸收， 所以散射样品可以放在玻璃制成的各种样品池 中，这给测量带来了很多便利； 因为水是很弱的拉曼散射物质，因此可以直接测 量水溶液样品的拉曼光谱，无需考虑水分子振动 的影响。,11、实例：GaMnN的拉曼光谱,GaN 和不同 Mn 浓GaMnN的室温 Raman 光谱 GaN 相比除保留GaN的特征模E2（low），E2（high）和A1（LO）峰外，还出现一些新的拉曼峰，峰位中心分别位于300cm-1 和669cm-1处，这两个峰随 Mn 浓度增加而增强，但峰位没有移动。 GaMnN 中E2（high）模随Mn浓度增加表现非对称展宽；随Mn浓度增加A1（LO）模向低频侧展宽，在高频侧观察到750 cm-1附近的肩峰,