凝聚態(tài)光譜在半導體材料和器件中的應用

傅嘯坤 傅金明

摘 要：自很久以前，人們就學會了通過物質顏色的變化來判定物質的含量，直到現在，比色法也是一項重要的化學方法。隨著量子力學研究的不斷深入和相關理念、技術的不斷成熟，我們對于光與物質之間的關系也有了較為深度的認知，這些認識被我們運用在了日常的生活當中，為許多材料和器件提供了新的發(fā)展趨勢，在質量和功能上都得到了大量的提升。

關鍵詞：多晶硅;激子極化激元;半導體材料;凝聚態(tài)光譜

凝聚態(tài)光譜是一種分子光譜。我們用肉眼看到的光照射在物質身上發(fā)生的反射、散射、吸收等物理變化，其本質上其實都是光和物質分子發(fā)生了一定的作用而導致的，當我們將物質吸收、散射這些光的頻率和強度等內容通過機器的協助繪制成為一張圖表后，就形成了一張凝聚態(tài)光譜圖。本文主要將利用凝聚態(tài)光譜測量出的半導體材料和器件的相關屬性來研究半導體材料。

一、實驗測試系統以及實驗儀器的選用和應用

在實驗測試系統以及實驗儀器的選用上我們選用的是傅立葉光譜學以及傅立葉紅外光譜儀器。

（一）傅立葉紅外光譜儀的相關介紹

傅立葉紅外光譜儀也被稱之為變換紅外光譜儀，它的組成部分有兩個，一個是邁克爾遜干涉儀，一個則是計算機。首先是通過邁克爾遜干涉儀來使射進來的光束分開成為兩束具有一定光程差的光束，然后再通過復合來使光束產生干涉的物理現象，這時，我們就可以得到一個干涉光束的函數圖像，這個圖像中將包含所射光束的所有頻率信息和強度信息。此時再利用儀器的另外一部分，利用計算機來將干涉光束的函數圖像進行一定的處理、分析和計算，最終可以像人們展示出原光束的頻率信息以及強度信息。

得到干涉光束圖像的過程我們可以利用分為四部分來進行理解。首先是一束理想的、不會受到其他因素干擾的準直單色光從光源處射入，這時我們假設從光源處射進來的光束振幅為a，波數為v，當它被投射到不會對光束產生任何損耗的分束片上時就會被分成兩束光，它們分別是振幅為ra的反射光束，這束光將被反射到一塊固定的鏡片上，以及振幅為ta的透射光束，這束光則會被干涉到一塊前后運動的鏡片上。兩束光在反射到達鏡片后又再次反射回來，其中一束光將直接的返回到光源處，但另一束則被第一次進行反射的鏡片，以垂直的角度反射到探測器中，從而通過探測器來測量出這個光束的頻率信息以及強度信息，并且還能夠通過一定的公式計算出兩條被分開的光束的相位差，進而繪制出相關的函數圖像，將光譜圖與干涉圖放在一起對比和分析，我們可以發(fā)現，如果是一條不會受到任何因素影響的準直單色光，在經過邁克爾遜干涉儀的處理后將會形成一條不斷循環(huán)的余弦函數，其光譜圖將呈現出左右對稱的垂直形狀。如果有兩條不會受到任何因素影響的準直單色光，在經過邁克爾遜干涉儀的處理后理論上來將將會出現兩個無限循環(huán)的余弦函數，但是其干涉圖則顯示出的是一條一開一合的波紋圖，這是因為兩條光束的速度不盡相同。

在通過不斷地變換實驗中我們可以認為，在一般的情況下，我們可以將一條連續(xù)的光看成無限窄的單色光譜元的集合，那么，當我們對所有的波數進行積分后就能得出這樣的一個式子：ID（x）=∫dlD（x，v）=∫0∞2RTB0（v）（1+cos2πvx）dv，其中的ID（x）表示的是探測器接收到的光束的輕度信號以及與另一束返回到光源處的光束的光程差的關系。想要得到一個完整的光譜，我們就需要針對我們需要測量的這段光束中的每一個波數，反復的通過傅立葉變換運算來實現。

（二）真空紫外光譜儀的相關介紹

除了傅立葉紅外光譜儀，我們還需要利用的就是真空紫外光譜儀了。正如其名稱的命名，這套光譜儀器是能夠在真空的環(huán)境下對光束進行測量和分析的。利用這套儀器，我們能夠較為準確的對有機化合物的分子結構進行測定，能夠對絕大部分的半導體材料的凝聚態(tài)光譜進行測量和研究。在儀器的內部有兩個光源，分別是三十瓦的氘燈和七十五瓦的鹵鎢燈，最短能夠測量一百納米的波長，能夠實現十分小的分辨率，不僅能夠測量可見光還能夠測量紫外線光波。

二、利用凝聚態(tài)光譜來研究半導體材料的相關性質

如何利用凝聚態(tài)光譜來研究半導體材料的相關性質，本文主要以多晶硅為例子，對多晶硅的帶尾性質進行一定的分析。

首先，正如引言所述，多晶硅是一種用途十分廣泛，能夠帶來很大經濟效益的半導體材料，是許多光電材料的原材料，例如太陽能電池的制作或是場效應管的電阻等等。我們知道，多晶硅的組成是分為兩個部分的，一個是由晶格組合在一起的晶粒，一個則是沒有固定形態(tài)的二維的晶界勢壘區(qū)域。這樣的結構構成導致利用多晶硅制成的半導體材料總是擁有來自不同方面的缺陷以及在純度上不能達到許多原材料使用的標準。在多晶硅中導致多晶硅呈現這些缺陷的源頭是與形變和晶界效應有著很大聯系的，因為多晶硅內部結構中無序的原子和其中的載流子互相影響，就導致多晶硅出現了帶尾的現象，也是多晶硅的帶尾性質。出現帶尾的現象主要是與多晶硅的溫度，結構中載流子的濃度，參雜物質的多少有較大的關系，所以我們可以從這些方面入手對多晶硅半導體材料的帶尾性質進行研究。弄清楚這些性質，能夠對采用多晶硅為原材料的器件的設計、生產制作都有很大的幫助。

對帶尾性質的研究，我們可以通過理論首先設置出一個理論的模型，以理想型的光源和傳播等作為基本設置進行分析。我們知道，多晶硅是一種間接躍遷的晶體。以太陽能半導體為例，多晶硅需要吸收大量的光子能量知道大于了禁帶的寬度，然后再經過一定的動量變換，也就是與晶格進行能量的交換來實現的躍遷。如果沒有另外的粒子參與到躍遷中，那么但是多晶硅的能量，其動量還不夠達到標準的數值，無法讓這些電子躍遷到波矢空間中去，即使這些電子的躍遷已然滿足了能量守恒定律。考慮到這樣的情況，我們假設在電子進行躍遷的過程中令其吸收一個動量或者發(fā)射出一個聲子來完成躍遷。

三、結束語

綜上所述，利用凝聚態(tài)光譜作為測量工具，能夠很好的對半導體材料的光學性質進行良好的分析和研究，能夠幫助我們對這些材料的結構、性質、用途有更加深刻的了解，從而將其更加全面的投入到市場的使用中去。但是由于我國在物質提純這一領域較于其他發(fā)達國家還有一定的不足，并不能夠滿足現代軍事、工業(yè)現金產品的需求，許多原材料都需要從發(fā)達國家進口。若是我們自己能夠對這些物質有更加深入的研究，并對相關技術有進一步的提高，那么就能夠在出口和進口原材料這一塊節(jié)省下更多的資金，不僅有利于我國科學技術的發(fā)展，同時還有利于經濟水平的提高。

參考文獻

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