各位朋友好，大家好。

在上一期，我们针对于GaAs与InP的Raman光谱测试进行了综合性的介绍。

在本期，开始我们GaAs与InP光谱测试系列的第三辑：近红外 PL 测试助力 GaAs 与 InP 材料与晶圆的光学特性研究。

在本期中，我们会和大家分享近红外PL如何用于GaAs与InP测试以及相关的意义。

一、引言

背景介绍

半导体材料在现代科技中扮演着关键角色，尤其是在光电子和微电子领域。砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）作为重要的 III - V 族化合物半导体，因其独特的物理特性，如高电子迁移率、高光电转换效率以及优异的抗辐射性能，被广泛应用于激光器、发光二极管（LED）、太阳能电池、光纤通信器件和射频器件等高科技领域。

随着器件性能要求的不断提高，对材料光学特性的精准表征和深入理解变得日益重要。近红外光致发光（PL）测试作为一种强有力的光谱分析手段，在研究这些材料的光学特性方面发挥着不可替代的作用。

近红外 PL 测试的重要性

近红外 PL 测试主要关注材料在近红外波段的发光特性，这对于 GaAs 和 InP 材料具有特殊意义，因为它们的带隙对应的发光波长均位于近红外区域。通过分析近红外 PL 光谱，可以获取材料的带边发光、缺陷态发光、载流子复合机制以及光学质量等关键信息，从而为材料生长工艺的优化、器件性能的提升以及新型器件的研发提供重要的理论支持和实验依据。

二、近红外 PL 测试基本原理

光致发光效应基础

光致发光（PL）是指物质吸收光子后，由于电子跃迁而产生发光的现象。当光照射到半导体材料时，光子能量被吸收，电子从价带跃迁到导带，形成电子 - 空穴对即激子。这些激子在复合过程中会以光子的形式释放能量，产生光致发光。PL 过程涉及到电子 - 空穴对的产生、迁移和复合三个主要阶段。

在半导体材料中，PL 发光的波长范围主要取决于材料的能带结构。对于直接带隙半导体如 GaAs 和 InP，电子跃迁主要发生在同一位置，因此其 PL 发光波长与其带隙能量相对应，且发光效率较高。具体来说，GaAs 的带隙约为 1.43 eV（室温下），对应的发光波长约为 870 nm，处于近红外波段；而 InP 的带隙约为 1.35 eV，对应的发光波长约为 920 nm，同样位于近红外区域。近红外 PL 测试通过检测这些特定波长范围内的发光信号，能够直接反映材料的能带结构和光学特性。

近红外 PL 测试原理

近红外 PL 测试系统主要由激发光源、单色仪或光谱仪以及探测器组成。常用的激发光源包括激光器和闪光灯，其中激光器因其单色性好、能量集中且可调谐范围广，成为近红外 PL 测试的主要光源。在测试过程中，激光照射到半导体材料表面，产生的 PL 光经过光学系统收集后，通过单色仪或光谱仪对光子能量进行分光，再由探测器检测不同波长的光强，最终得到 PL 光谱。

近红外 PL 光谱的特征参数包括发光峰位、峰强、峰宽和谱线形状等。发光峰位与材料的能带结构密切相关，是确定材料带隙和杂质能级的重要依据；峰强则反映了发光效率，与材料的载流子复合速率、缺陷密度以及样品的光学质量等因素有关；峰宽和谱线形状则与材料中的载流子散射、缺陷态分布以及温度等条件密切相关。通过对这些参数的详细分析，可以深入探究材料的光学特性和载流子行为。

三、近红外 PL 测试在 GaAs 材料与晶圆表征中的应用

带边发光特性研究

在 GaAs 材料中，近红外 PL 光谱中的带边发光主要对应于电子从导带直接跃迁到价带的辐射复合过程，反映了材料的本征光学特性。高质量的 GaAs 晶圆通常展现出较强的带边发光强度和较窄的发光峰宽，而晶格缺陷、杂质引入或应力应变的存在会导致带边发光峰的红移（向长波长方向移动）、展宽或强度降低。

例如，当 GaAs 晶圆中存在受主杂质（如锌、镉等）或施主杂质（如硅、锗等）时，会在禁带中引入相应的杂质能级，导致激子与杂质之间的相互作用增强，从而影响带边发光特性。杂质的存在会使得 PL 光谱中出现额外的发光峰或使带边发光峰发生不对称变化，这些变化可以通过高分辨率的近红外 PL 测试精确检测。通过对带边发光特性的深入分析，可以确定杂质的类型和浓度，为材料的掺杂工艺优化提供重要指导。

此外，温度对 GaAs 材料的带边发光也有显著影响。随着温度的升高，载流子的热运动加剧，导致激子的束缚能降低，带边发光峰会发生红移，同时发光强度也会相应减弱。通过测量不同温度下的近红外 PL 光谱，可以研究 GaAs 材料中载流子的热激发和复合过程，深入理解材料的温度依赖性特性，这对于高温环境下器件的设计和应用具有重要意义。

缺陷态发光分析。

除了带边发光外，GaAs 材料中的缺陷态发光也是近红外 PL 测试的重要研究内容。缺陷态发光通常与材料中的晶格缺陷、界面态以及表面态等有关，其发光波长和强度因缺陷的类型、浓度和分布而异。

在近红外 PL 光谱中，缺陷态发光峰会出现在带边发光峰的长波长一侧或短波长一侧，且通常具有较宽的谱线宽度和较低的发光强度。例如，GaAs 晶圆中的位错、晶界和堆垛层错等结构缺陷会引入深能级缺陷态，导致非辐射复合速率增加，从而降低材料的发光效率。通过分析缺陷态发光峰的强度、位置和形状变化，可以评估材料中的缺陷密度和缺陷类型，进而推断材料的晶体质量和生长工艺对缺陷形成的影响。

此外，缺陷态发光也可以提供关于材料表面和界面特性的信息。在半导体器件中，表面和界面处的缺陷态往往会成为载流子的复合中心，影响器件的性能和可靠性。通过对 GaAs 晶圆表面和界面的近红外 PL 微区扫描测量，可以绘制出表面和界面缺陷态发光的空间分布图，为优化表面处理工艺和界面工程提供直观依据。

载流子复合动力学研究

近红外 PL 测试还可以用于研究 GaAs 材料中的载流子复合动力学。通过测量 PL 强度随温度、激发光强度和波长等因素的变化，可以深入分析载流子的辐射复合、非辐射复合以及俄歇复合等不同复合机制的相对贡献，从而揭示载流子的复合行为与材料微观结构之间的内在联系。

例如，在低温下，载流子的非辐射复合过程相对较弱，带边发光强度较高；而随着温度的升高，非辐射复合过程增强，带边发光强度逐渐降低，缺陷态发光相对增强。通过建立 PL 强度与温度之间的关系模型，可以定量评估材料中的非辐射复合系数和载流子寿命，进而为改进材料的光学和电学性能提供理论支持。同时，调节激发光强度也可以影响载流子的注入浓度，进而改变载流子的复合动力学特性。在高强度激发光照射下，激子密度增加，激子 - 激子相互作用和俄歇复合等过程可能变得更加显著，导致 PL 光谱发生相应变化。通过对这些变化的分析，可以深入理解 GaAs 材料中的载流子相互作用机制，为设计高效发光器件提供重要参考。

图1. SF900晶圆级荧光光谱测试系统

主要可测试功能如下：

375nm激发的稳态PLMapping，最长到1000nm

405nm激发的TRPLMapping，最长到900nm

532nm激发的PLMapping，最长到1000nm

532nm激发的NIR PLMapping，最长到1700nm

四、近红外 PL 测试在 InP 材料与晶圆表征中的应用

带边发光特性与光学质量评估

InP 材料的近红外 PL 特性同样受到广泛关注。其带边发光波长位于 1.3 - 1.7 μm 近红外波段，与光纤通信中的低损耗传输窗口（如 1.31 μm 和 1.55 μm 窗口）相匹配，这使得 InP 材料在光纤通信器件领域具有重要应用。通过近红外 PL 测试，可以精确测量 InP 晶圆的带边发光效率和缺陷态发光特性，从而评估材料的光学质量。

高质量的 InP 晶圆在近红外 PL 光谱中通常展现出明亮且纯净的带边发光峰，而对于存在缺陷或杂质的晶圆，会在光谱中出现额外的发光峰或使带边发光峰减弱、展宽。例如，InP 材料中的施主杂质（如硫、硒等）和受主杂质（如锌、镉等）会在禁带中形成杂质能级，导致激子与杂质之间的相互作用，从而在 PL 光谱中产生特征的杂质发光峰。通过对这些杂质发光峰的分析，可以确定杂质的类型和浓度，为材料的掺杂工艺控制提供重要反馈。

此外，InP 晶圆的表面质量和界面特性对器件性能也有显著影响。利用近红外 PL 微区扫描技术，可以对晶圆表面和界面进行高分辨率的光学质量表征，检测局域缺陷和界面态分布。例如，在异质外延生长的 InP 基光电子器件中，界面处的缺陷态会导致载流子泄漏和复合效率降低，通过 PL 微区扫描可以直观地展示界面缺陷态的空间分布，为优化外延生长工艺和提高器件性能提供指导。

载流子复合机制与器件性能优化

近红外 PL 测试为研究 InP 材料中的载流子复合机制提供了有效手段。在 InP 晶圆中，载流子的复合过程包括辐射复合、非辐射复合以及俄歇复合等多种机制，这些机制的相对强度直接影响材料的发光效率和器件性能。

通过分析近红外 PL 光谱随温度和激发光强度的变化，可以深入探究载流子复合机制的温度依赖性和激发依赖性。例如，在低温下，辐射复合在载流子复合过程中占主导地位，PL 发光效率较高；而随着温度升高，非辐射复合过程逐渐增强，PL 发光效率降低。通过建立 PL 强度与温度之间的关系模型，可以定量评估材料中的非辐射复合系数和载流子寿命，进而为优化器件工作温度范围和提高器件热稳定性提供理论依据。

在激发光强度方面，高强度激发光会导致载流子浓度增加，从而增强激子 - 激子相互作用和俄歇复合过程。通过对 PL 光谱在不同激发光强度下的变化进行分析，可以研究俄歇复合对材料发光效率的影响，为设计高效率的 InP 基光发射器件提供指导。例如，在制作量子点激光器时，通过控制激发光强度和优化器件结构，可以有效抑制俄歇复合，提高激光器的发光效率和阈值电流。

应用于光电子器件研发

近红外 PL 测试在 InP 基光电子器件的研发过程中发挥着关键作用。以 InP 基光探测器为例，其性能主要取决于吸收层材料的光学质量和载流子迁移率。通过近红外 PL 测试，可以评估吸收层材料的带边发光效率和缺陷态密度，从而预测光探测器的响应速度和灵敏度。在光探测器的制备过程中，利用 PL 测试对材料进行实时监测，可以快速确定最佳的生长参数和加工工艺条件，提高器件的性能和可靠性。

此外，在 InP 基光放大器的研发中，近红外 PL 测试能够评估有源区材料的增益特性。通过分析 PL 光谱中的带边发光强度和谱线宽度，可以推断材料的激发态载流子浓度和辐射复合速率，进而预测光放大器的增益系数和噪声特性。结合其他表征手段，如波长扫描吸收光谱和电光调制特性测量，可以全面优化光放大器的性能，推动光纤通信技术的发展。

五、近红外 PL 测试技术的最新进展与挑战

技术进展

1.高灵敏度探测器和低噪声光谱仪的发展 ：近年来，探测器和光谱仪技术的不断进步显著提高了近红外 PL 测试的灵敏度和分辨率。例如，新型的制冷型 InGaAs 探测器和高灵敏度的单光子计数探测器的应用，使得微弱的 PL 信号能够被更精准地检测，尤其是在低激发功率或低温度条件下。同时，高分辨率的光谱仪配备先进的衍射光栅和高精度的光学系统，能够分辨出更精细的光谱特征，为深入研究材料的光学特性提供了更强大的工具。例如，现在可以检测到由于晶体对称性变化或微小能量位移引起的细微 PL 峰变化，这有助于揭示材料中的微观结构和缺陷态分布。

2.时间分辨 PL 技术与空间分辨 PL 技术的融合 ：时间分辨 PL（TRPL）技术的发展使得研究人员能够同时获取载流子寿命和扩散动力学等信息，这对于深入理解载流子行为至关重要。当与空间分辨 PL 技术结合时，可以在微米甚至纳米尺度上观察载流子动力学的空间变化。例如，在半导体异质结构或纳米器件中，载流子的生成、传输和复合过程受到空间限制，这种结合技术能够揭示这些过程中的细节，为优化器件设计提供关键数据。通过这种融合技术，研究者可以在同一实验平台上对材料的光学特性和载流子动力学进行综合分析，极大地提高了研究效率和数据的相关性。

3.多维度 PL 测试技术的出现 ：多维度 PL 测试技术，如偏振分辨 PL、温度分辨 PL 和压力分辨 PL 等，提供了从不同角度研究材料光学特性的能力。偏振分辨 PL 测试可以揭示材料中电子 - 空穴对的各向异性特性，这对于研究具有各向异性结构的材料（如某些纳米线或层状材料）具有重要意义。温度分辨 PL 测试则有助于理解载流子复合机制随温度的变化规律，而压力分辨 PL 测试可以研究材料在不同压力条件下的光学响应，这对于探索材料在极端环境下的应用潜力具有重要价值。这些多维度 PL 测试技术为全面深入地研究材料的光学特性提供了丰富的手段和方法。

面临的挑战

1.复杂的光谱解析与定量分析 ：近红外 PL 光谱通常包含多个重叠的发光峰，这些峰可能来源于不同的发光机制、缺陷态或杂质能级。准确解析这些复杂的光谱并进行定量分析是一项具有挑战性的任务。目前，尽管已经发展了多种光谱解析算法，如高斯 - 洛伦兹拟合、主成分分析等，但在面对复杂的多组分发光体系时，仍然难以完全分离各个发光峰并准确确定其对应的物理来源和相对强度。例如，在掺杂半导体材料中，杂质发光峰与带边发光峰可能部分重叠，如何精确区分并定量分析它们的相对贡献是一个亟待解决的问题。

2.表面和界面效应的影响 ：在微纳尺度下，材料的表面和界面效应变得越来越显著，这对近红外 PL 测试的准确性和可靠性提出了更高的要求。表面等离子体共振、表面缺陷态以及界面复合等现象可能会影响 PL 信号的强度和光谱特征，甚至导致误判。例如，在测量低维纳米结构（如量子点、纳米线）的 PL 光谱时，表面效应可能会主导发光特性，而如何区分表面发光与体相发光并准确提取材料的本征光学特性是一个尚未完全解决的问题。此外，对于一些具有复杂界面结构的异质结或超晶格材料，界面处的复合过程和能量转移机制也难以通过常规的 PL 测试手段进行精确表征。

3. 与其他表征技术的数据融合与一致性问题 ：尽管近红外 PL 测试能够提供丰富的光学特性信息，但它通常需要与其他表征技术（如 X 射线衍射、透射电子显微镜、电子顺磁共振等）结合使用，才能全面理解材料的物理和化学性质。然而，在实际应用中，如何实现这些不同表征技术之间的数据融合和一致性是一个重大挑战。不同技术的测试条件、样品制备方法以及数据表征方式可能存在差异，导致数据之间的对比和整合困难。例如，PL 测试通常是在特定的激发光强度和温度条件下进行的，而 X 射线衍射和透射电子显微镜等技术则是在不同的样品状态下进行测量，如何将这些数据进行合理关联和综合分析，以建立材料微观结构与宏观性能之间的准确联系，是需要进一步研究和解决的问题。

六、结论

近红外 PL 测试作为一种关键的光谱分析技术，在 GaAs 与 InP 材料与晶圆的光学特性研究中发挥着不可或缺的作用。通过对带边发光、缺陷态发光以及载流子复合动力学的深入分析，可以全面评估材料的光学质量和载流子行为，为优化材料生长工艺、提升器件性能以及推动光电子器件的研发提供坚实的理论基础和实验支持。

随着探测器、光谱仪等仪器设备的不断升级以及时间分辨、空间分辨和多维度 PL 测试技术的融合发展，近红外 PL 测试技术在微纳尺度材料表征和载流子动力学研究方面展现出了巨大的潜力。尽管目前仍面临复杂的光谱解析、表面和界面效应影响以及跨技术数据融合等挑战，但随着研究方法的创新和多学科交叉合作的深入，这些问题有望逐步得到解决。未来，近红外 PL 测试技术将在 GaAs 和 InP 材料与晶圆的研究中持续发挥重要作用，助力半导体光电子领域的技术创新和产业发展，为实现更高性能的光电子器件和系统提供关键的表征手段和科学依据。