凝聚態(tài)光譜在半導(dǎo)體材料和器件中的應(yīng)用

傅嘯坤 傅金明

摘 要：自很久以前，人們就學(xué)會(huì)了通過物質(zhì)顏色的變化來判定物質(zhì)的含量，直到現(xiàn)在，比色法也是一項(xiàng)重要的化學(xué)方法。隨著量子力學(xué)研究的不斷深入和相關(guān)理念、技術(shù)的不斷成熟，我們對于光與物質(zhì)之間的關(guān)系也有了較為深度的認(rèn)知，這些認(rèn)識(shí)被我們運(yùn)用在了日常的生活當(dāng)中，為許多材料和器件提供了新的發(fā)展趨勢，在質(zhì)量和功能上都得到了大量的提升。

關(guān)鍵詞：多晶硅;激子極化激元;半導(dǎo)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(zhì)身上發(fā)生的反射、散射、吸收等物理變化，其本質(zhì)上其實(shí)都是光和物質(zhì)分子發(fā)生了一定的作用而導(dǎo)致的，當(dāng)我們將物質(zhì)吸收、散射這些光的頻率和強(qiáng)度等內(nèi)容通過機(jī)器的協(xié)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(dǎo)體材料和器件的相關(guān)屬性來研究半導(dǎo)體材料。

一、實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)以及實(shí)驗(yàn)儀器的選用和應(yīng)用

在實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)以及實(shí)驗(yàn)儀器的選用上我們選用的是傅立葉光譜學(xué)以及傅立葉紅外光譜儀器。

（一）傅立葉紅外光譜儀的相關(guān)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(gè)，一個(gè)是邁克爾遜干涉儀，一個(gè)則是計(jì)算機(jī)。首先是通過邁克爾遜干涉儀來使射進(jìn)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(fù)合來使光束產(chǎn)生干涉的物理現(xiàn)象，這時(shí)，我們就可以得到一個(gè)干涉光束的函數(shù)圖像，這個(gè)圖像中將包含所射光束的所有頻率信息和強(qiáng)度信息。此時(shí)再利用儀器的另外一部分，利用計(jì)算機(jī)來將干涉光束的函數(shù)圖像進(jìn)行一定的處理、分析和計(jì)算，最終可以像人們展示出原光束的頻率信息以及強(qiáng)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(jìn)行理解。首先是一束理想的、不會(huì)受到其他因素干擾的準(zhǔn)直單色光從光源處射入，這時(shí)我們假設(shè)從光源處射進(jìn)來的光束振幅為a，波數(shù)為v，當(dāng)它被投射到不會(huì)對光束產(chǎn)生任何損耗的分束片上時(shí)就會(huì)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(huì)被干涉到一塊前后運(yùn)動(dòng)的鏡片上。兩束光在反射到達(dá)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(jìn)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(gè)光束的頻率信息以及強(qiáng)度信息，并且還能夠通過一定的公式計(jì)算出兩條被分開的光束的相位差，進(jìn)而繪制出相關(guān)的函數(shù)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(xiàn)，如果是一條不會(huì)受到任何因素影響的準(zhǔn)直單色光，在經(jīng)過邁克爾遜干涉儀的處理后將會(huì)形成一條不斷循環(huán)的余弦函數(shù)，其光譜圖將呈現(xiàn)出左右對稱的垂直形狀。如果有兩條不會(huì)受到任何因素影響的準(zhǔn)直單色光，在經(jīng)過邁克爾遜干涉儀的處理后理論上來將將會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)無限循環(huán)的余弦函數(shù)，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?yàn)閮蓷l光束的速度不盡相同。

在通過不斷地變換實(shí)驗(yàn)中我們可以認(rèn)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(dāng)我們對所有的波數(shù)進(jìn)行積分后就能得出這樣的一個(gè)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(hào)以及與另一束返回到光源處的光束的光程差的關(guān)系。想要得到一個(gè)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(gè)波數(shù)，反復(fù)的通過傅立葉變換運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)。

（二）真空紫外光譜儀的相關(guān)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(jìn)行測量和分析的。利用這套儀器，我們能夠較為準(zhǔn)確的對有機(jī)化合物的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行測定，能夠?qū)^大部分的半導(dǎo)體材料的凝聚態(tài)光譜進(jìn)行測量和研究。在儀器的內(nèi)部有兩個(gè)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?qū)崿F(xiàn)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(dǎo)體材料的相關(guān)性質(zhì)

如何利用凝聚態(tài)光譜來研究半導(dǎo)體材料的相關(guān)性質(zhì)，本文主要以多晶硅為例子，對多晶硅的帶尾性質(zhì)進(jìn)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(jīng)濟(jì)效益的半導(dǎo)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(yīng)管的電阻等等。我們知道，多晶硅的組成是分為兩個(gè)部分的，一個(gè)是由晶格組合在一起的晶粒，一個(gè)則是沒有固定形態(tài)的二維的晶界勢壘區(qū)域。這樣的結(jié)構(gòu)構(gòu)成導(dǎo)致利用多晶硅制成的半導(dǎo)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(dá)到許多原材料使用的標(biāo)準(zhǔn)。在多晶硅中導(dǎo)致多晶硅呈現(xiàn)這些缺陷的源頭是與形變和晶界效應(yīng)有著很大聯(lián)系的，因?yàn)槎嗑Ч鑳?nèi)部結(jié)構(gòu)中無序的原子和其中的載流子互相影響，就導(dǎo)致多晶硅出現(xiàn)了帶尾的現(xiàn)象，也是多晶硅的帶尾性質(zhì)。出現(xiàn)帶尾的現(xiàn)象主要是與多晶硅的溫度，結(jié)構(gòu)中載流子的濃度，參雜物質(zhì)的多少有較大的關(guān)系，所以我們可以從這些方面入手對多晶硅半導(dǎo)體材料的帶尾性質(zhì)進(jìn)行研究。弄清楚這些性質(zhì)，能夠?qū)Σ捎枚嗑Ч铻樵牧系钠骷脑O(shè)計(jì)、生產(chǎn)制作都有很大的幫助。

對帶尾性質(zhì)的研究，我們可以通過理論首先設(shè)置出一個(gè)理論的模型，以理想型的光源和傳播等作為基本設(shè)置進(jìn)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(dǎo)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(jīng)過一定的動(dòng)量變換，也就是與晶格進(jìn)行能量的交換來實(shí)現(xiàn)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(dòng)量還不夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)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?？紤]到這樣的情況，我們假設(shè)在電子進(jìn)行躍遷的過程中令其吸收一個(gè)動(dòng)量或者發(fā)射出一個(gè)聲子來完成躍遷。

三、結(jié)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(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行良好的分析和研究，能夠幫助我們對這些材料的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、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(zhì)提純這一領(lǐng)域較于其他發(fā)達(dá)國家還有一定的不足，并不能夠滿足現(xiàn)代軍事、工業(yè)現(xiàn)金產(chǎn)品的需求，許多原材料都需要從發(fā)達(dá)國家進(jìn)口。若是我們自己能夠?qū)@些物質(zhì)有更加深入的研究，并對相關(guān)技術(shù)有進(jìn)一步的提高，那么就能夠在出口和進(jìn)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(xué)技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)還有利于經(jīng)濟(jì)水平的提高。

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