光激螢光光譜

光激螢光光譜(Photoluminescence spectra)，是非破壞性檢測半導體光 學特性的方法。當雷射光打在半導體樣品上時，若是雷射光的能量大於或 是等於樣品能隙，則在價電帶(Valance band)的電子會吸收雷射光子所給的 足夠能量，而能夠從價電帶躍遷到傳導帶(Conduction band)上。在導電帶 的電子和價電帶的電洞會透過聲子與載子間的相互作用，在能帶邊緣 (Band-edge)附近重新分布，最後電子落回基態與電洞復合發出螢光，這發 出光子的行為就是所謂的輻射躍遷(Radiative transition)。一般雷射入射光 子的能量可以代表價電帶頂端到導電帶底部的能量差。但若是樣品中有缺 陷(Defect)與雜質(Impurity)，則此入射光子能量就代表缺陷之間的能量差。

不同的躍遷情況會直接在光激螢光光譜上呈現，由於缺陷和雜質有可能成 為非輻射復合中心(Non-radiative centers)。電子與電洞在非輻射復合中心復 合時不會產生光子，固發光效率會降低當電子電洞以此方式復合。接下來 便描述一些會影響光激螢光光譜的主要輻射與非輻射復合過程。

(一) 輻射躍遷 (Radiative transition)：

如同前面所說，電子由高能態落至低能態與電洞結合時會放出光子，

這就稱為輻射躍遷。而不同的輻射躍遷方式會產生不同能量的光子，以下 說明三種輻射躍遷方式。

(1) 帶間躍遷 (Band to band transition)

帶間躍遷通常發生在能帶結構為直接能隙(Direct bandgap)的半導體上， 電常數(Dielectric constant)。

(3) 自由-束縛態躍遷 (Free-to-bound transition)

自由載子(電子或電洞)與被束縛或捕獲的載子(電子或電洞)產生在結 合的過程稱為自由-束縛態躍遷。在高載子濃度獲高摻雜的半導體中，因為 雜質濃度在空間中分布不均勻會導致導電帶與價電帶的能帶邊緣在空間的 分佈產生差異。因而使導電帶與價電帶的狀態密度(Density of State)產生帶

尾(Band tail)，如下圖(2.2-2)。

圖(2.2-1) 直接能隙躍遷圖

圖(2.2-2) 氮化鎵载子複合行為圖

(二) 非輻射躍遷 (Non-radiative transition)

當發生非輻射躍遷，由於不會放出光子，故對發光效率是負面的影響，

下面說明一些造成非輻射躍遷的原因。

(1) 聲子放射 (Phonon emission)

電子與電洞的復合不一定以產生光子來放出能量，有可能是由聲子的 方式放出能量，這種由聲子放出能量的方式，會始晶體發熱，稱之為聲子 放射。

(2) 表面複合 (Surface recombination)

在長晶過程，表面與介面容易形成缺陷，電子在移動時有機會被這些 缺陷能階所捕捉，使得電子電洞在表面復合，並且經由電子在缺陷周圍的 大量震動釋放出熱能。

(3) 歐傑效應 (Auger effect)

一般歐傑效應主要分為三種，分別如下：

1. 在導電帶(C)裡的兩個電子與價電帶(H)裡的一個電洞所進行的複合過程 (CCCH)，如圖(2.2-3)。CCCH 過程主要發生在導電帶裡的電子 1(C)由於庫 倫交互作用力撞擊另一個電子 2(C)，電子 1(C)本身因為反作用力彈向高能 階處 1’(C)，另一電子 2 被撞擊後跑到價帶 2’(H)與電洞進行複合，所以稱 為 CCCH。而在高能階處 1’的電子由於位能高，容易在導電帶中將能量轉

換為聲子，而掉至導電帶的基態，這釋放給聲子的能量稱之為歐傑臨界能 量(Threshold energy)。

2. 在導電帶裡的一個電子與重電洞帶裡的兩個電洞進行複合，可以是 (CHHS)以及(CHHL)兩種。CHHL 過程與 CCCH 相反，在價電帶裡的兩個 電洞 1(H)與電洞 2(H)由於庫倫交互作用力，會互相碰撞，帶能量的電洞 2’(L) 跑至輕電洞帶(Light hole band)，而電洞 1(H)吸引導電帶的電子 1’(C)與被 撞擊的電洞進行復合，所以稱為 CHHL。再轉換能量回到價電帶的基態，

此轉換能量也是歐傑臨界能量，此能量與能隙成正比。CHHS 與 CHHL 相 似，只是將輕電洞帶換為分離帶。同樣的，專換過程中所放出的能量是歐 傑臨界能量，與能隙成正比，與分離帶分離能量(_SO)成反比。

圖(2.2-3) 歐傑效應圖