光致发光光谱
一、定义
 光致发光：物体依赖外界光源进行照射，从而获得能量，产生激发导
致发光的现象，它大致经过吸收、能量传递及光发射三个主要阶段，
光的吸收及发射都发生于能级之间的跃迁，都经过激发态。而能量传
递则是由于激发态的运动。
 PL:光致发光光谱（Photoluminescence,简称PL)，指物质吸收光子（或
电磁波）后重新辐射出光子（或电磁波）的过程。从量子力学理论上，
这一过程可以描述为物质吸收光子跃迁到较高能级的激发态后返回低
能态，同时放出光子的过程。光致发光是多种形式的荧光
（Fluorescence）中的一种。
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
S
2
S1
T1 T2
能
量
发
射
荧
光
吸
收
S0
l1
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振动弛豫内转换
系间窜
越
l2
l 2
外转换
l3
发
射
振动弛豫
磷
光
二、基本原理
 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；
 （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；
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二、基本原理
 （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。
 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。
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二、基本原理
 光致发光是从量子力学的观点分析的一种发光机制。因为物质是由分
子组成的，不同的物质具有不同的分子结构。当光照射物质时，电子
吸收能量从某一个能级跃迁到一个较高能级上而形成处于激发态的电
子，处于激发态的电子是不稳定的，它必然会在很短的时间内由高能
态降至低能态，然后再降至基态，同时把光照时吸收的能量以光的形
式释放出来，从而形成了光。
 半导体中光致发光的物理过程大致可以分为三个步骤：首先是光吸收。
在此过程中通过光激发在半导体中产生电子—空穴对，形成非平衡载
流子；一般来说，当光子能量大于半导体禁带宽度 Eg时，发生本征
吸收，光的吸收系数大，才能有效地产生电子空穴对。其次是光生非
平衡载流子的驰豫、扩散。在此过程中载流子有可能产生空间扩散和
能量上的转移。一般来说，绝大部分载流子将在复合前驰豫到能带底
部。最后，是电子—空穴辐射复合产生发光。在光致发光实验中，当
入射光子能量大于半导体禁带宽度时，由于激发光在半导体中被强烈
吸收，晶体中绝大多数激发仅限于光照表面以下光透入深度的范围内。
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三、光谱仪基本构造
斩波器
反射
镜
真空泵
激光器
激光器电源
透镜
光电倍增管
滤光
片
光谱仪
样品室
样品
制冷仪
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透镜
锁相放大器
计算机
三、光谱仪基本构造
 斩波器：斩波器的作用其实是为锁相放大器提供一个参比信号，锁相
只接收与斩波器同一频率的信号，而自然光等其他噪声信号则被滤掉
了。
 真空泵：使样品处于真空状态，减少外界条件的影响。
 制冷仪：使样品处于低温的环境下，测量样品该状态下的光致发光光
谱。
 滤光片：过滤掉激光照在样品上反射出来的光。
 光谱仪：通过调节探测器，测量不同波长光信号的强度。
 锁相放大器：对接收到的信号进行放大，并将其以电信号的形式传输
到电脑进行处理。
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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。
 光致发光光谱可以应用于：带隙检测，杂质等级和缺陷检测，复合机
制以及材料品质鉴定。
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四、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
 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
 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
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五、优缺点
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。
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。
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