半导体微观分析 第二章ppt课件.ppt
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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、 = 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
7、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
8、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
9、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
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