凝聚态光谱在半导体材料和器件中的应用

傅啸坤 傅金明

摘 要：自很久以前，人们就学会了通过物质颜色的变化来判定物质的含量，直到现在，比色法也是一项重要的化学方法。随着量子力学研究的不断深入和相关理念、技术的不断成熟，我们对于光与物质之间的关系也有了较为深度的认知，这些认识被我们运用在了日常的生活当中，为许多材料和器件提供了新的发展趋势，在质量和功能上都得到了大量的提升。

关键词：多晶硅;激子极化激元;半导体材料;凝聚态光谱

凝聚态光谱是一种分子光谱。我们用肉眼看到的光照射在物质身上发生的反射、散射、吸收等物理变化，其本质上其实都是光和物质分子发生了一定的作用而导致的，当我们将物质吸收、散射这些光的频率和强度等内容通过机器的协助绘制成为一张图表后，就形成了一张凝聚态光谱图。本文主要将利用凝聚态光谱测量出的半导体材料和器件的相关属性来研究半导体材料。

一、实验测试系统以及实验仪器的选用和应用

在实验测试系统以及实验仪器的选用上我们选用的是傅立叶光谱学以及傅立叶红外光谱仪器。

（一）傅立叶红外光谱仪的相关介绍

傅立叶红外光谱仪也被称之为变换红外光谱仪，它的组成部分有两个，一个是迈克尔逊干涉仪，一个则是计算机。首先是通过迈克尔逊干涉仪来使射进来的光束分开成为两束具有一定光程差的光束，然后再通过复合来使光束产生干涉的物理现象，这时，我们就可以得到一个干涉光束的函数图像，这个图像中将包含所射光束的所有频率信息和强度信息。此时再利用仪器的另外一部分，利用计算机来将干涉光束的函数图像进行一定的处理、分析和计算，最终可以像人们展示出原光束的频率信息以及强度信息。

得到干涉光束图像的过程我们可以利用分为四部分来进行理解。首先是一束理想的、不会受到其他因素干扰的准直单色光从光源处射入，这时我们假设从光源处射进来的光束振幅为a，波数为v，当它被投射到不会对光束产生任何损耗的分束片上时就会被分成两束光，它们分别是振幅为ra的反射光束，这束光将被反射到一块固定的镜片上，以及振幅为ta的透射光束，这束光则会被干涉到一块前后运动的镜片上。两束光在反射到达镜片后又再次反射回来，其中一束光将直接的返回到光源处，但另一束则被第一次进行反射的镜片，以垂直的角度反射到探测器中，从而通过探测器来测量出这个光束的频率信息以及强度信息，并且还能够通过一定的公式计算出两条被分开的光束的相位差，进而绘制出相关的函数图像，将光谱图与干涉图放在一起对比和分析，我们可以发现，如果是一条不会受到任何因素影响的准直单色光，在经过迈克尔逊干涉仪的处理后将会形成一条不断循环的余弦函数，其光谱图将呈现出左右对称的垂直形状。如果有两条不会受到任何因素影响的准直单色光，在经过迈克尔逊干涉仪的处理后理论上来将将会出现两个无限循环的余弦函数，但是其干涉图则显示出的是一条一开一合的波纹图，这是因为两条光束的速度不尽相同。

在通过不断地变换实验中我们可以认为，在一般的情况下，我们可以将一条连续的光看成无限窄的单色光谱元的集合，那么，当我们对所有的波数进行积分后就能得出这样的一个式子：ID（x）=∫dlD（x，v）=∫0∞2RTB0（v）（1+cos2πvx）dv，其中的ID（x）表示的是探测器接收到的光束的轻度信号以及与另一束返回到光源处的光束的光程差的关系。想要得到一个完整的光谱，我们就需要针对我们需要测量的这段光束中的每一个波数，反复的通过傅立叶变换运算来实现。

（二）真空紫外光谱仪的相关介绍

除了傅立叶红外光谱仪，我们还需要利用的就是真空紫外光谱仪了。正如其名称的命名，这套光谱仪器是能够在真空的环境下对光束进行测量和分析的。利用这套仪器，我们能够较为准确的对有机化合物的分子结构进行测定，能够对绝大部分的半导体材料的凝聚态光谱进行测量和研究。在仪器的内部有两个光源，分别是三十瓦的氘灯和七十五瓦的卤钨灯，最短能够测量一百纳米的波长，能够实现十分小的分辨率，不仅能够测量可见光还能够测量紫外线光波。

二、利用凝聚态光谱来研究半导体材料的相关性质

如何利用凝聚态光谱来研究半导体材料的相关性质，本文主要以多晶硅为例子，对多晶硅的带尾性质进行一定的分析。

首先，正如引言所述，多晶硅是一种用途十分广泛，能够带来很大经济效益的半导体材料，是许多光电材料的原材料，例如太阳能电池的制作或是场效应管的电阻等等。我们知道，多晶硅的组成是分为两个部分的，一个是由晶格组合在一起的晶粒，一个则是没有固定形态的二维的晶界势垒区域。这样的结构构成导致利用多晶硅制成的半導体材料总是拥有来自不同方面的缺陷以及在纯度上不能达到许多原材料使用的标准。在多晶硅中导致多晶硅呈现这些缺陷的源头是与形变和晶界效应有着很大联系的，因为多晶硅内部结构中无序的原子和其中的载流子互相影响，就导致多晶硅出现了带尾的现象，也是多晶硅的带尾性质。出现带尾的现象主要是与多晶硅的温度，结构中载流子的浓度，参杂物质的多少有较大的关系，所以我们可以从这些方面入手对多晶硅半导体材料的带尾性质进行研究。弄清楚这些性质，能够对采用多晶硅为原材料的器件的设计、生产制作都有很大的帮助。

对带尾性质的研究，我们可以通过理论首先设置出一个理论的模型，以理想型的光源和传播等作为基本设置进行分析。我们知道，多晶硅是一种间接跃迁的晶体。以太阳能半导体为例，多晶硅需要吸收大量的光子能量知道大于了禁带的宽度，然后再经过一定的动量变换，也就是与晶格进行能量的交换来实现的跃迁。如果没有另外的粒子参与到跃迁中，那么但是多晶硅的能量，其动量还不够达到标准的数值，无法让这些电子跃迁到波矢空间中去，即使这些电子的跃迁已然满足了能量守恒定律。考虑到这样的情况，我们假设在电子进行跃迁的过程中令其吸收一个动量或者发射出一个声子来完成跃迁。

三、结束语

综上所述，利用凝聚态光谱作为测量工具，能够很好的对半导体材料的光学性质进行良好的分析和研究，能够帮助我们对这些材料的结构、性质、用途有更加深刻的了解，从而将其更加全面的投入到市场的使用中去。但是由于我国在物质提纯这一领域较于其他发达国家还有一定的不足，并不能够满足现代军事、工业现金产品的需求，许多原材料都需要从发达国家进口。若是我们自己能够对这些物质有更加深入的研究，并对相关技术有进一步的提高，那么就能够在出口和进口原材料这一块节省下更多的资金，不仅有利于我国科学技术的发展，同时还有利于经济水平的提高。

参考文献

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