半導體微觀分析

SemiconductorMicro-analysis

電子科學與技術系天津工業大學半導體微觀分析

SemiconductorMicro-an1上節內容回顧重點內容：1、半導體光致發光的概念和原理2、PL（發射光譜）與PLE（激發光譜）的區別3、半導體光致發光譜的用途上節內容回顧重點內容：21.3半導體光吸收光譜1、吸收光譜有關概念光學吸收過程是材料的一個基本物理過程

吸收光譜可用來研究半導體電子能帶結構、光學躍遷、聲子行為等重要的物理性質，也是決定半導體和器件物理參數的重要依據。

吸收譜的能量范圍分布于紫外到紅外的光譜區間固體光吸收譜的概念當光通過半導體材料時，由于與材料中的電子，原子間的相互作用，可以發生光的吸收。光吸收過程中，具有一定能量的光子，將材料從低能態激發到高能態，或簡單地在單粒子近似情況下，將一個電子(或將某一晶格振動模式)從低能態激發到高能態。1.3半導體光吸收光譜1、吸收光譜有關概念3固體光吸收譜當光進入材料時，與材料發生相互作用產生交換能量，進入材料中的光被吸收，光強度的衰減遵守Bouguer-Lambert定律（布格爾-朗伯定律，它是均勻介質對光的吸收額和吸收介質厚度所遵循的關系）其中是從固體邊界沿光線到所研究點的距離，是吸收系數。吸收系數對頻率的依賴關系或對波長的依賴關系稱為固體的吸收光譜

對于半導體而言，Bouguer-Lambert定律所描述的吸收過程是半導體材料最重要的吸收過程，又叫做本征吸收。半導體的本征吸收是半導體吸收光譜最重要的部分，吸收系數高于104-105cm-1以上。固體光吸收譜4在本征吸收的低能端，吸收系數陡峭地下降3-4個數量級，這種陡峭的界限是吸收譜中最突出的一個特征。可以通過對本征吸收的研究區分直接帶隙和間接帶隙半導體。因為吸收邊大致對應于將電子從價帶頂激發到導帶底的最小光子能量。在本征吸收過程中，光子能量必須滿足下列條件:

為禁帶寬度。即對應著本征吸收，在低頻方面必然存在著一個吸收邊界，這個邊界稱為

本征吸收邊，亦稱為長波限。在本征吸收的低能端，吸收系數陡峭地下降3-4個數量級，這5多數絕緣體和半導體的本征吸收的波長落在紫外和可見光譜波段。它們的本征吸收相應于電子由價帶的能級到導帶的各能級之間的躍遷。

與原子或分子光譜相比，固體光譜有自己的特點:①固體的能帶是準連續能級，得到的光譜一般是連續的，所涉及的是連續譜的分析；②在本征吸收區，固體是吸收介質，光譜的分析是和光在介質中的傳播是分不開的。

多數絕緣體和半導體的本征吸收的波長落在紫外和可見光譜波段。它62、帶間吸收譜的實驗規律右圖表示GaAs在近紅外區的吸收光譜。1.4eV附近吸收曲線急劇的變化，即形成吸收邊實驗發現，對大多數半導體和絕緣體，吸收光譜在可見光區和近紅外區都存在這樣的吸收邊仔細研究吸收邊的結構，會發現一些規律性的東西：2、帶間吸收譜的實驗規律右圖表示GaAs在近紅外區的吸收光譜7實驗規律：①強吸收區，吸收系數為104cm-1–106cm-1，隨光子能量hω的變化為冪指數規律，其指數可能為：1/2，3/2，2等；②e指數吸收區，吸收系數為102cm-1左右，隨hω為e指數變化規律；③弱吸收區，吸收系數一般在102cm-1以下因此，一個吸收邊包含了豐富的信息實驗規律：83、冪指數式吸收邊的討論冪指數式吸收邊是一種簡單的情況，吸收系數與光子頻率ω的變化為1/2次方律，這種吸收被歸結為價帶中的電子吸收光子后，直接躍遷到導帶引起的允許的直接躍遷討論，以直接禁帶半導體GaN為例3、冪指數式吸收邊的討論冪指數式吸收邊是一種簡單的情況，吸收94、允許的直接躍遷討論

例:直接禁帶半導體GaNE=0Eg右圖為直接躍遷示意圖，價帶中能量為Ei的一個電子，吸收能量為hω的一個光子后，直接躍遷到能量為Ef的導帶以價帶頂為原點，這一過程的能量守恒的條件為：對于直接禁帶半導體，初態波矢為Ki的一個電子吸收一個光子，躍遷到波矢為Kf

的終態，其動量守恒條件為：Ki+k=Kf對于直接躍遷KiKf=K（也稱豎直躍遷）即：一個電子吸收一個光子的能量后，從波矢為K的價帶，直接躍遷至波矢相同的導帶，這中間沒有其他的過程參與4、允許的直接躍遷討論例:直接禁帶半導體GaNE=0Eg10吸收光譜的計算吸收系數與光子頻率ω的變化為1/2次方律，這一規律在許多半導體中被證實光吸收系數α與光子頻率ω有如下的關系式：

α（hω）≈2*104（hω-Eg）1/2cm-1由吸收光譜，作[α(ω)]2—hω圖，得到線性吸收邊。將吸收邊的線性關系延伸到與能量軸相交，即=0處，可得到帶隙Eg。用這種方法得到的帶隙叫做光學帶隙，該法與實際能隙可能有差別，但其是最常用的確定帶隙的方法吸收光譜的計算115、激子吸收譜固體吸收光后，會使其偏離基態，處于某種激發態。處于激發態的電子一方面發生前述的帶間躍遷；另一方面，電子和空穴也可能重新束縛在一起形成激子。激子是一種激發單元，也就是一種元激發態激子的吸收和發光光譜與帶間躍遷的光譜不同，具有特征的結構。實驗發現，在帶間躍遷吸收邊的低能方向，常會出現一系列分立的吸收峰，并且譜峰分布有一定的規律性。如下圖所示：5、激子吸收譜固體吸收光后，會使其偏離基態，處于某種激發態。12右圖為高純帶邊附近的吸收譜。其主要特征：在吸收邊低能方向出現一系列吸收峰，而且吸收強度比帶間躍遷吸收高得多。圖中標號為n=1、2、3…的吸收譜被歸結為自由激子吸收；而標號為D0—X的吸收峰為中性施主雜質上束縛激子的吸收右圖為高純帶邊附近的吸收譜。其主要特征：在吸收邊低能方13激子吸收譜與帶間躍遷的吸收光譜的不同：在激子吸收譜中這些分立的吸收峰不是由于價帶電子到導帶的躍遷引起的，很可能是價帶電子被激發到導帶底部以下某些分立能級引起的，由此提出激子躍遷的假設如何理解激子吸收譜：激子簡單的理解為束縛的電子空穴對。從價帶激發到導帶的電子，常是自由的。在價帶自由運動的空穴和在導帶自由運動的電子有可能重新束縛在一起，形成束縛的電子空穴對—激子。由于束縛，使激子的能量低于自由電子的能量。由此可理解，為什么激子吸收的能量低于帶隙Eg，以及激子吸收峰分布在帶間躍遷吸收邊的低能方向。激子吸收譜與帶間躍遷的吸收光譜的不同：146、吸收光譜的測量透射光譜方法是一種測量材料吸收光譜的比較直接的方法。要從測量到的透射譜對固體中的吸收過程進行分析，將透射譜轉換成吸收譜，得到薄膜材料的吸收系數（或吸收度）隨波長變化的依賴關系半導體薄膜的光譜測量經常會遇到光束在樣品薄層的表面和界面處的反射問題。原則上，樣品透射率T為；T=I/I0=(1-R)exp(-

αd)或寫為:αd=log(1/T)+C其中α為吸收系數，d為樣品厚度，R為樣品表面的反射率。I0和I分別為入射光和透射光的強度，C為常數。αd稱為吸收度，用透射率倒數的對數算出。6、吸收光譜的測量透射光譜方法是一種測量材料吸收光譜的比較直157、GaMnN的紫外—可見吸收光譜未摻雜GaN在3.4eV帶隙附近清晰顯示吸收邊

7、GaMnN的紫外—可見吸收光譜未摻雜GaN在3.4161.4拉曼散射及其應用1.4.1散射與光散射概念：1、散射：散射是存在于自然界的普遍現象。如下圖所示：當入射粒子以一個確定方向撞擊靶粒子時，入射粒子和靶粒子發生相互作用使得入射粒子偏離原入射方向，甚至能量都發生改變的現象，就是所謂的散射現象。入射束散射束散射束靶1.4拉曼散射及其應用1.4.1散射與光散射概念：入射束17利用散射現象研究物質的相互作用及其內部結構和運動，無論是在宏觀世界微觀世界，都已成為一種重要手段。例如：1911年揭示原子由一個帶正電荷的核構成的盧瑟福實驗；1920年證明光具有粒子性的康普頓實驗，分別是α粒子和光子與帶電粒子進行碰撞的散射實驗。如今，基本粒子的實驗研究幾乎都是利用不同入射粒子與靶粒子發生碰撞的散射實驗進行的。利用散射現象研究物質的相互作用及其內部結構和運182、光散射概念光散射是一種常見的現象，天空的藍色就是太陽光經過大氣散射造成的。一束準直的光線，照射到某種固體上，除了在光線傳播方向上能夠測量到光以外，在空間的4п立體角內原則上都可能探測到光，其中包括散射光，還可能有反射光和固體發光。固體的光散射是除吸收、反射、發光等之外固體中又一類重要的光學現象。原子和分子對光的散射作用是固體光散射的物理起源。研究認為，理想的、均勻的固體介質因來自各原子、分子的散射光之間的相干性，除折射定律規定的方向外，其他方向的散射光強為零。所以理想的均勻的固體不散射光。固體介質的光散射起因于固體介質的某種不均勻性，或起因于固體某種性質的起伏。例如：和聲波相聯系的密度起伏、固體中各種激元的激發引起的極化起伏、熱力學和統計物理現象引起的熵的起伏、分子取向起伏等等2、光散射概念光散射是一種常見的現象，天空的藍色就是太陽光經191、拉曼散射的研究進展：拉曼散射效應是印度物理學家拉曼（C.V.Raman）于1928年首次發現的，本人也因此榮獲1930年的諾貝爾物理學獎。1928~1940年，受到廣泛的重視，曾是研究分子結構的主要手段。這是因為可見光分光技術和照相感光技術已經發展起來的緣故；1940~1960年，由于拉曼效應太弱（約為入射光強的10-6），并要求被測樣品的體積必須足夠大、無色、無塵埃、無熒光等等。所以到40年代中期，紅外技術的進步和商品化更使拉曼光譜的應用一度衰落；1960年以后，激光技術的發展使拉曼技術得以復興。由于激光束的高亮度、方向性和偏振性等優點，成為拉曼光譜的理想光源。隨探測技術的改進和對被測樣品要求的降低，目前在物理、化學、醫藥、工業等各個領域拉曼光譜得到了廣泛的應用，越來越受研究者的重視。1.4.2拉曼散射1、拉曼散射的研究進展：1.4.2拉曼散射202、拉曼散射拉曼散射光譜是研究晶格振動的一種方法晶格振動是晶體原子在格點附近的熱振動晶格具有周期性，則晶格的振動模具有波的形式，稱為格波。一個格波就表示晶體所有原子都參與的一種振動模式。格波可區分為聲學波和光學波兩類—兩種模式。格波能量的量子稱為聲子，有聲學波聲子和光學波聲子之分。晶體的比熱、熱導、電導等都與晶格振動（或者聲子）有關。

）什么是拉曼散射？光子和物質的分子(電子)或晶格之間的作用可以是彈性碰撞,這就是瑞利散射,作用前后,光子能量不變;也可以是非彈性碰撞,這就是拉曼散射,作用之后的光子,其能量會減少一些,(斯托克斯散射),或者增加一些(反斯托克斯散射)2、拉曼散射拉曼散射光譜是研究晶格振動的一種方法21瑞利散射：

彈性碰撞；無能量交換，僅改變方向；拉曼散射：

非彈性碰撞；方向改變且有能量交換；Rayleigh散射Raman散射E0基態，

E1振動激發態；

E0+h0

，

E1+h0

激發虛態；獲得能量后，躍遷到激發虛態.

h

E0E1V=1V=0h0h0h0h0

+

E1+h0E0+h0h(0

-

)激發虛態3、拉曼散射基本原理拉曼效應的機制和熒光現象不同，并不吸收激發光，因此不能用實際的上能級來解釋，玻恩和黃昆用虛的上能級概念說明了拉曼效應。下圖是說明拉曼效應的一個簡化的能級圖。瑞利散射：Rayleigh散射Raman散射E0基態，E122拉曼散射基本原理h(0

+

)E0E1V=1V=0E1+h0E2+h0

h

h0h(0

-

)ANTI-STOKES0-

RayleighSTOKES0+

0瑞利散射Rayleigh斯托克反斯托克拉曼散射Raman散射的兩種躍遷能量差：

E=h(0-

)產生stokes線；強；基態分子多；

E=h(0+

)產生反stokes線；弱；Raman位移：Raman散射光與入射光頻率差；拉曼散射基本原理h(0+)E0E1V=1V=0E1230123e電子基態振動能級eeRayleigh散射eeeRaman散射Stocks線Anti-Stocks線溫度升高概率大！0123e電子基態eeRayleigh散射eeeRaman24設散射物分子原來處于基電子態，振動能級如圖所示。當受到入射光照射時，激發光與此分子的作用引起的極化可以看作為虛的吸收，表述為電子躍遷到虛態（Virtualstate），虛能級上的電子立即躍遷到下能級而發光，即為散射光。設仍回到初始的電子態，則有如圖所示的三種情況。因而散射光中既有與入射光頻率相同的譜線，也有與入射光頻率不同的譜線，前者稱為瑞利線，后者稱為拉曼線。在拉曼線中，又把頻率小于入射光頻率的譜線稱為斯托克斯線，而把頻率大于入射光頻率的譜線稱為反斯托克斯線。5、如何理解虛能級h(0

+

)E0E1V=1V=0E1+h0E2+h0

h

h0h(0

-

)設散射物分子原來處于基電子態，振動能級如圖所示。當受到入射光25拉曼位移為瑞利線與拉曼線的波數差，即散射光頻率與激發光頻之差Δν=|ν0–νs|,因此拉曼位移是分子振動能級的直接量度，Δv取決于分子振動能級的改變，與入射光波長無關。下圖給出的是一個拉曼光譜的示意圖。

需注意：①在示意圖中斯托克斯線和反斯托克斯線對稱地分布于瑞利線的兩側，這是由于在上述兩種情況下分別相應于得到或失去了一個振動量子的能量。

②反斯托克斯線的強度遠小于斯托克斯線的強度，這是由于波爾茲曼（Boltzmann）分布，處于振動基態上的粒子數遠大于處于振動激發態上的粒子數。6、拉曼位移拉曼位移為瑞利線與拉曼線的波數差，即散射光頻率與激發光頻之差26拉曼位移直接反映了分子或晶格的振動、轉動能級,由這些能級的知識可以深入地分析物質的結構及其內部運動，從而促進物質結構基礎科學的發展，進而推動材料科學的發展并導致新材料的研制成功與開發應用。任何兩種不同物質的拉曼譜線都不完全相同,人們就很自然地把拉曼譜作為物質的“指紋”，由這些“指紋”的特征對物質進行識別.拉曼位移直接反映了分子或晶格的振動、轉動277、拉曼光譜儀結構7、拉曼光譜儀結構28顯微鏡樣品雙瑞利濾光片狹縫光柵擴束器激光CCD檢測器1、采用CCD檢測器和限波濾波(NotchFilter)技術，中間的光程不到一米，信號強度提高，一般只需10mW小功率激光激發樣品2、采用激光擴束器技術，可以連續改變激光焦點處光斑大小（1-250微米）進而可以連續改變作用于樣品上的功率密度

顯微鏡樣品雙瑞利濾光片狹縫光柵擴束器激光CCD檢測器1、采用29激光器40MW半導體激光器532nm頻率高，拉曼光強大試樣室發射透鏡使激光聚焦在樣品上收集透鏡使拉曼光聚焦在單色儀的入射狹縫單色儀儀器心臟1個光柵，2個狹縫減少雜散收光激光器40MW半導體激光器試樣室發射透鏡單色儀儀器心臟30半導體微觀分析-第二章ppt課件31半導體微觀分析-第二章ppt課件32拉曼光譜分析技術是以拉曼效應為基礎建立起來的分子結構表征技術，其信號來源于分子的振動和轉動.拉曼分析的方向：定性分析:不同的物質具有不同的特征光譜，因此可以通過光譜進行定性分析。結構分析：對光譜譜帶的分析，又是進行物質結構分析的基礎。定量分析：根據物質對光譜的吸光度的特點，可以對物質的量有很好的分析能力。8、拉曼分析的依據、特點及方向拉曼光譜分析技術是以拉曼效應為基礎建立起來的分子結構表征技術33拉曼光譜的信息characteristicRamanfrequencies拉曼頻率的確認compositionofmaterial物質的組成e.g.MoS2,MoO3changesinfrequencyofRamanpeak拉曼峰位的變化stress/strainState張力/應力

e.g.Si10cm-1shiftper%strainpolarizationofRamanpeak拉曼偏振crystalsymmetryandorientation晶體對稱性和取向e.g.orientationofCVDdiamondgrainswidthofRamanpeak拉曼峰寬qualityofcrystal晶體質量e.g.amountofplasticdeformationintensityofRamanpeak拉曼峰強度amountofmaterial物質總量e.g.thicknessof