[发明专利]电子束激发半导体发光性能测试平台和激发参数优化方法

说明书

本发明涉及一种电子束激发半导体发光性能测试平台和激发参数优化方法，该方法包括确定入射电子能量和电子束流量密度范围、等间隔采样并获取电子束参数组合、计算不同电子束参数组合对应的“次级”电子数量、初选电子束参数组合、实测初选电子束参数组合的发光性能、获取发光性能全局最优的电子束参数组合。本发明可以针对不同的发光性能需求，给出全局最优的电子束参数组合。

技术领域

本发明涉及一种参数优化方法，尤其是一种一种电子束激发半导体发光性能的激发参数优化方法，还涉及电子束激发半导体发光性能测试平台，属于电子束激发半导体发光领域。

背景技术

电子束入射至一定厚度的半导体发光材料时，入射电子与原子内部的电子和原子核之间的相互作用主要是库仑相互作用。由于电子德布罗意波长与半导体晶格原子间距尺寸相当，电子与半导体相互作用中会出现电子相干散射，此时电子衍射效应不可忽略。

入射电子与原子之间可以进行动量和能量交换，被散射的电子将从散射中心以不同角度射出。根据散射时是否发射光子，为无辐射散射和有辐射散射两类。无辐射散射又分为弹性散射、非弹性散射和超弹性散射三种类型。弹性散射时两粒子的能量不发生变化，主要影响电子径迹的结构和分布。当入射电子转移给原子的能量能够激发靶原子内的电子时，称为非弹性散射，大部分情况导致原子内部的某些激发效应，包括生成光子、背散射电子、二次电子、俄歇电子、晶格点阵振动和晶体中正负电荷的等离子体震荡。

激发态原子与入射电子散射时，入射电子还可能得到能量，激发态原子回到较低能级这类散射被称为超弹性散射。有辐射散射是高能量电子入射至原子核近区域时，由于与原子核的强库仑场相互作用，运动方向发生偏折，并急剧减速还伴有辐射过程，电子的运动方向发生偏折，并急剧减速，能量转化成X射线辐射。

有辐射散射的碰撞截面远小于无辐射散射，无辐射散射中绝大部分是非弹性散射，弹性、超弹性散射只占极小的比例。入射电子经过很多次的散射后完全失掉方向性，最终向各个方向散射的几率大致相等，与物质的相互作用在一定体积范围内，称为相互作用体积。入射电子在径迹中的能量沉积主要是通过非弹性散射完成，是入射电子径迹附近介质囤积能量的主要方式，并呈现出不均匀的空间分布。入射电子侵入过程可简化为一系列非弹性碰撞和弹性碰撞的叠加。

Kingsley认为入射电子首先通过非弹性散射方式激发入射面附近原子的内层电子，由于初始入射电子能量大，内层电子多被激发成高能量自由电子，称之为高速“次级”电子。外层电子跃迁至内层空位时，多形成俄歇电子或X射线。高速“次级”电子会激发其它价电子至导带，成为能量较低的“次级”电子,这样不断地增殖下去。“次级”电子能量不足以激发其它电子时，会与晶格电子相互作用，通过声子释放多余的能量。另一种理论认为，入射电子的75-90％的能量首先产生大量不同能量的等离激元(入射电子引起的大量正负电荷的量子化震荡)，等离激元再产生不同能量的“次级”电子，“次级”电子再激发其它价电子，一直到不能激发其它价电子，成为最终状态的低能“次级”电子，低能“次级”电子位于导带的不同能级。例如电子束加速电压为1keV时，一个电子可产生几十至上百个低能“次级”电子，低能“次级”电子和价带中的空穴可称为电子束激发产生的载流子，类似于光生载流子。两个现有理论最终都是入射电子把相互作用体积内的大量价电子转化为无法激发其它电子的低能量“次级”电子，并在价带位置留下空穴。

一般情况下，入射电子能量超过材料禁带宽度2.8倍以上即有能力把半导体发光材料的价电子激发到导带。最终的低能“次级”电子能量衰减落到导带底时，会跃迁到价带与价带空穴复合发出光子，光子能量≤禁带宽度。当半导体发光材料中激子结合能大于室温下的k_BT(26meV)时，室温下一部分电子和空穴受库仑力影响可在空间上会束缚在一起形成激子，产生激子发光。