半導體中的光激螢光光譜

當雷射光打在半導體上時，可能會發出比入射光的波長還長的光 子 ， 而 這 種 光 子 是 藉 由 雷 射 光 子 激 發 所 得 ， 故 稱 為 光 激 螢 光

（Photoluminescense，PL）。這光子的產生原因在於入射雷射光子的能 量被價帶裡的電子吸收，而使得電子從價帶激發到傳導帶。而這激發態 的電子會再次落到基態而放出光子這就是所謂的輻射躍遷（radiative transitions）。這樣的光子能量可能代表的是傳導帶的底部，到價帶頂端 的能量差。如果存在缺陷或雜質，則此能量就可能代表兩缺陷位階

（defect level）的能量差。而這些差異都反映在材料發光的特性上，而 從光激螢光光譜，我們能得到電子躍遷的資訊。然而電子也可能藉由非 輻射的過程（non-radiative recombinations）與電洞復合，因為這樣的復 合不伴隨著光子的產生，因此非輻射的復合會減低發光的效率。

由於光激螢光光譜的分佈與電子電洞對的結合路徑有關，因此光激 螢光光譜的峰值能量（peak energy）、強度與半高寬（FWHM），都受缺 陷與雜質的種類與濃度影響，所以光激螢光光譜可作為樣品光學品質的 量測利器。以下我們會描述一些影響光激螢光光譜的主要輻射與非輻射 復合過程。

2.1.1 輻射過程

（I）帶間躍遷（band to band transition）

（II）施體與受體對的再結合（Donor acceptor pair recombination）

即是在施體位階上電子與受體位階上電洞的再復合。電子與電洞是

率下降的非輻射過程列舉如下：

（I）聲子放射（phonon emission）

經由雷射激發產生的電子電洞對，再復合時放出的能量可能不是以 光子的形式，而是以多個聲子的方式放出能量。所以傳導帶的電子與價 帶的電洞復合後，能量由多個聲子帶走，並且與晶格散射使晶體發熱﹐

這種過程稱為聲子放射

(Ⅱ) 表面復合（Surface recombination）

在長晶的過程中，表面與界面的斷鍵容易形成缺陷能階，而電子在 移動時可能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振動釋放出熱能。

(III) 歐傑效應（Auger effect）

ㄧ般歐傑效應主要分為三種，分別為: 在傳導帶（C）裡的兩個電 子與價帶（H）裡的ㄧ個電洞所進行的復合過程（CCCH），在傳導帶 裡的ㄧ個電子與重電洞帶裡的兩個電洞進行復合（CHHS）、（CHHL）。

如圖2-1-2，CCCH過程主要發生在傳導帶裡的電子1（C）由於庫倫交互 作用力撞擊另ㄧ個電子2（C），電子1本身因為反作用力彈向高能階處1’

（C），另ㄧ顆電子2被撞擊後跑到價帶2’（H）與電洞進行復合（所以 稱為CCCH）。而在高能階處1’的電子由於位能高，容易在傳導帶中將 能量轉換為聲子，而掉至傳導帶的基態，這釋放給聲子的能量稱之為歐 傑之臨界能量(threshold energy)。而CHHL過程與CCCH相反，在價帶裡 的兩個電洞1（H）與2（H）由於庫倫交互作用力，吸引傳導帶的電子1’

（C）與被撞擊的電洞進行復合，而本身帶能量的電洞2’(L)跑至輕電洞 帶（light hold band）（所以稱為CHHL），再轉換能量回到價電帶的基

態，此轉換能量亦是歐傑臨界能量，此能量與能隙成正比；然而CHHS 與CHHL相似，只是將輕電洞帶換為分離帶。而轉換過程中所放出的能 量亦是歐傑臨界能量，此能量與能隙成正比，與分離帶分離能量(△SO) 成反相關。

圖 2-1-1 直接能隙半導體材料的帶間躍遷示意圖

K K

E

Ec

Ev 激

發

復 合

放

出

光

子

hν

圖 2-1-2 ㄧ般 CCCH、CHHL 與 CHHS 的歐傑過程（Auger process）。C 代表傳導帶（conduction band），HH 代表重電洞帶（heavy hold band），LH 為輕電洞帶（light hold band），SO 為分離帶（split-off