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、實驗測試系統(tǒng)以及實驗儀器的選用和應(yīng)用

在實驗測試系統(tǒng)以及實驗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，一個是邁克爾遜干涉儀，一個則是計算機(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，我們就可以得到一個干涉光束的函數(shù)圖像，這個圖像中將包含所射光束的所有頻率信息和強(qiáng)度信息。此時再利用儀器的另外一部分，利用計算機(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、不會受到其他因素干擾的準(zhǔn)直單色光從光源處射入，這時我們假設(shè)從光源處射進(jìn)來的光束振幅為a，波數(shù)為v，當(dāng)它被投射到不會對光束產(chǎn)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(yùn)動的鏡片上。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出現(xiàn)兩個無限循環(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(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(guān)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(shù)，反復(fù)的通過傅立葉變換運(yùn)算來實現(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(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，因為多晶硅內(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、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)過一定的動量變換，也就是與晶格進(jìn)行能量的交換來實現(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。考慮到這樣的情況，我們假設(shè)在電子進(jìn)行躍遷的過程中令其吸收一個動量或者發(fā)射出一個聲子來完成躍遷。

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，同時還有利于經(jīng)濟(jì)水平的提高。

參考文獻(xiàn)

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