光激發螢光

光激發螢光（Photoluminescence, PL）是一個物質吸收光子產生電子電洞對、

輻射復合再放出光子的過程，可以用來檢測材料內部特性。此過程牽涉了包含光 子、電子、電洞、聲子、材料參雜以及缺陷的參與，藉由分析幅射光子的光譜，

可以直接得到物質發光強度、發光波段範圍、奈米結構密度、奈米結構品質、參 雜雜質種類等資訊，對於檢測砷化鎵、磷化銦等光電材料而言是一種直接觀測對 物質又無破壞的技術。除此之外，搭配空間精密度更高的光學系統、時脈更短的 脈衝式雷射，或是連續式可調波長的雷射，更可以針對單一半導體奈米結構量 測，觀察電子在結構中的能階、生命週期、電子電洞對的復合機制等，因此，光 激發螢光通常被用來做為檢測光電材料發光特性，以及觀測電子電洞在半導體奈 米結構中行為的重要依據。

半導體內光激發螢光過程如【圖 二-二】。當物質吸收光子的能量，若入射 光子能量高於物質能帶間能量的差異，位於價帶（Valance Band）的電子將被激

(a) FvdM Mode (b) SK Mode (c) VW Mode Epitaxy Layer

Substrate

2D 3D

發到導帶（Conduction Band）上，留下的位子則形成電洞；接著藉由聲子的作用，

電子與電洞釋放部分能量分別回到導帶與價帶中較低的能量；最後，電子與電洞 輻射復合（Radiative Recombination）發光。根據能帶結構，材料可分為直接能 隙（Direct Bandgap）與間接能隙（Indirect Bandgap）。在直接能隙半導體中，例 如砷化鎵，導帶能量最低點與價帶能量最高點的波向量相同，電子與電洞可以直 接輻射復合放出光子；而在間接能隙半導體中，例如矽，由於導帶能量最低點與 價帶能量最高點的波向量不同，根據能量守恆，電子與電洞必須經由聲子的幫助 才能夠輻射復合放出光子，因此，電子在間接能隙中的材料生命週期較長，間接 能隙材料發光效率也比直接能隙材料來得低。電子除了藉由輻射復合釋放能量 外，尚有其他非幅射過程如聲子放射（Phonon Radiation）、缺陷捕捉（Defect Traps）

及歐傑效應（Auger Effect）等機制存在，在不同溫度、不同材料下將由不同機 制主導[7]。

【圖 二-三】為我們所使用的光激發螢光系統，包含的物件有：

1. 氬雷射線（Argon Laser）：激發光源，波長為 515nm，可將電子由價帶激 發至導帶。

2. 中性光衰減片，搭配激發光源調整所需激發光強度。

3. 致冷座（Cryostat）：可搭配液態氮、壓縮機等溫度控制系統，於不同溫 度下進行實驗。

4. 單光儀（Triax-320）：分析入射光源的頻譜。

5. 截波器（Chopper）與鎖相放大器（Lock-in Amplifier）：利用截波器使激 發光源擁有一週期性強度變化，樣品受激激發出週期性強度之光；由鎖 相放大器根據截波器之週期，濾掉進入單光儀之非週期性之背景光源，

留下樣品週期性之激發光。

圖 二-二 光激發螢光機制

第四節 實驗與數據觀察