光致螢光(Photoluminescence,PL)

2.3.1 基本原理

光致螢光為一種非破壞性的檢測技術，主要使樣品吸收外在較高能量的光源，

若原本價帶中的電子被激發躍至較高的導帶能階，則價帶就會產生一個電洞，假 使此電子以釋放出電磁輻射的方式與電洞重新複合，則此電磁輻射我們就稱之為 樣品的螢光，透過判讀樣品的螢光光譜，可以來了解材料的構造。半導體材料的 發光主要可以分為兩類，本質發光與非本質發光。本質發光為材料本身的特性；

非本質發光通常是含有缺陷的發光。以下是幾種半導體常見的發光介紹[10]

本質發光:

1. 導帶到價帶發光(Band to band, BB)

躍遷至導帶的電子以輻射的形式重新與價帶的電洞復合，此導帶與價帶的 能量差距就是材料的能隙(band gap)。

BB

valence band conduction band

圖 2-3 導帶價帶發光

2. 自由激子發光(Free exciton, FX)

導帶的電子與價帶的電洞以庫倫力結合，形成一個較穩定的束縛態，稱之為 自由激子。此電子與電洞復合後就是自由激子發光。

非本質發光:

1.束縛激子發光(Bound exciton, BX)

自由激子與材料中的雜質產生交互作用會形成束縛激子。以施子雜子為例，

電子會掉落低一點的能階，電子電洞再復合發光，此種稱為施子束縛激子發光 (donor-bound exciton, D^oX)。

FX

valence band conduction band E

D

X

valence band conduction band E

圖 2-4 自由激子發光

圖 2-5 施子束縛激子發光

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2.施子能階對電洞發光(Donor level to hole, D^oh)

因材料含有雜質，而導帶下方產生一能階，稱為施子能階，其能階高低會因 為雜質的不同而有所不同。當導帶的電子落至施子能階後，再與價帶的電洞復合 發光。

3. 電子對受子能階發光(Electron to acceptor level, eA^o)

因材料含有雜質，而價帶上方產生一能階，稱為受子能階，其能階高低會因 為雜質的不同而有所不同。當導帶的電子與受子能階的電洞復合發光，則稱為 eA^o發光。

D^oh

valence band conduction band E

eA^o

valence band conduction band

E

圖 2-62 施子能階對價帶發光

圖 2-73 電子對受子能階發光

4. 施子受子對發光(Donor acceptor pair, D^oA^oP)

受到多種雜質影響，導帶下方出現施子能階，價帶上方出現受子能階。當 施子能階的電子與受子能階的電洞復合時，發出的光稱之為 D^oA^oP。

ZnO 常見的缺陷有下列幾種:氧空缺(VO)、鋅空缺(VZn)、鋅間隙(Zni)、氧間 隙(Oi)與氧錯位(OZn)。其在 300K 下的螢光位置分別 1.62 eV、3.06eV、2.9eV、

2.28eV、2.38eV，而能隙位置為 3.36eV[11][12][13]。

2.3.2 實驗過程

實驗的裝置如圖 2-13，激發的光源為波長 325nm He-Cd 雷射，開機待其功 率穩定，才開始進行量測。雷射光源先經截光器(Chopper)過濾電子雜訊以及透 鏡聚焦後才打入樣品，樣品被激發出螢光後，經過兩個透鏡的聚焦入射光譜儀 (spectrometer)內，光譜儀利用分光儀將螢光分光後，經光電倍增管

(photomultiplier tude)以及鎖向放大器(Lock-in amplifier)放大轉換訊號後，由電腦 紀錄，以繪圖軟體將光譜圖繪出。

D^oA^oP

valence band conduction band

E

E

圖 2-8 施子受子對發光

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圖 2-9 PL 裝置示意圖