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张永刚，顾溢，马英料 著

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出版社： 科学出版社

ISBN：9787030472229

商品编码：29775235118

包装：圆脊精装

出版时间：2016-03-01

基本信息

书名：半导体光谱测试方法与技术

定价：128.00元

作者：张永刚,顾溢,马英料

出版社：科学出版社

出版日期：2016-03-01

ISBN：9787030472229

字数：

页码：

版次：1

装帧：圆脊精装

开本：16开

商品重量：0.4kg

编辑推荐

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《半导体光谱测试方法与技术》可供从事半导体光谱分析的研究生、研究人员及工程技术人员阅读，也可作为其他涉及此领域人员的参考书。

内容提要

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《半导体光谱测试方法与技术》在回顾光谱学和光谱仪器的发展过程后，对半导体中涉及的主要光学过程以及半导体材料、器件及应用研究中需要哪些光谱分析手段和方法作了简要介绍，然后以分光（色散）和傅里叶变换两种方法为基础讨论了光谱分析的基本原理、测试仪器、关键部件、系统构成以及限制因素等，并结合一系列测量实例对吸收谱类、光电谱类和发射谱类测量方法与技术及相关细节进行了详细说明。此外，《半导体光谱测试方法与技术》还对半导体研究中涉及的一些拓展的光谱分析方法（如拉曼光谱、微区光谱、扫描成像光谱、时间分辨瞬态光谱及调制光谱等）也结合实例进行了介绍。

目录

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目录
前言
章光谱学和光谱仪器的发展概况1
1.1引言1
1.2光谱学及其发展一瞥2
1.3光谱学仪器及测量方法发展简述9
1.4小结14
参考文献14
第2章半导体中的光学过程15
2.1引言15
2.2半导体的基本光学参数15
2.2.1折射率和吸收系数15
2.2.2反射系数和透射系数18
2.3半导体中的光吸收19
2.3.1带间本征跃迁光吸收20
2.3.2其他类型光吸收23
2.4半导体的发光26
2.4.1辐射复合与非辐射复合26
2.4.2自发辐射与受激辐射32
2.4.3发光效率34
2.5半导体中的光散射35
2.5.1半导体中的光散射解释35
2.5.2拉曼散射与拉曼光谱36
2.5.3布里渊散射37
2.6小结38
参考文献39
第3章半导体研究中的光谱测试需求40
3.1引言40
3.2半导体材料研究中的光谱测试需求40
3.3半导体器件研究中的光谱测试需求43
3.4应用研究中的光谱测试需求46
3.5小结48
参考文献49
第4章分光光谱仪的组成部件及测量系统50
4.1引言50
4.2分光元件50
4.2.1棱镜分光元件及光学材料的特性50
4.2.2光栅分光元件及其主要参数54
4.2.3其他类型的分光元件59
4.3光源60
4.3.1热光源61
4.3.2气体放电光源64
4.3.3同步辐射光源与自由电子激光器70
4.3.4激光光源72
4.4光电探测器82
4.4.1热辐射型探测器84
4.4.2量子型探测器87
4.4.3阵列型探测器93
4.5电子学部件及计算机95
4.6样品的冷却及温度控制装置101
4.7基于分光光谱仪的测量系统实例105
4.8小结107
参考文献107
第5章傅里叶变换光谱仪及其组成部件和测量系统109
5.1引言109
5.2迈克耳孙干涉仪与傅里叶变换光谱仪109
5.3傅里叶变换光谱仪的主要部件119
5.3.1分束器119
5.3.2光源121
5.3.3光电探测器123
5.3.4分束器、光源及光电探测器的组合搭配及外光路配置129
5.4电子学部件、计算机及样品冷却装置132
5.5小结132
参考文献133
第6章透射、吸收与反射光谱测量方法及实例134
6.1引言134
6.2基于分光光谱仪的透射、吸收与反射光谱测量系统134
6.3分光法测量实例139
6.4基于傅里叶变换光谱仪的透射、吸收与反射光谱测量系统141
6.5傅里叶变换测量方法及实例146
6.6小结157
参考文献158
第7章光电光谱测量方法及实例160
7.1引言160
7.2基于分光光谱仪的光电光谱测量系统161
7.3分光法光电光谱测量实例163
7.4基于傅里叶变换光谱仪的光电光谱测量系统168
7.5傅里叶变换光电光谱测量实例170
7.6宽光谱范围光电响应光谱的校正174
7.7小结184
参考文献184
第8章发射光谱测量方法、实例及综合测量系统186
8.1引言186
8.2基于分光光谱仪的发射光谱测量系统186
8.3分光法发射光谱测量实例192
8.4基于傅里叶变换光谱仪的发射光谱测量系统及测量实例203
8.5傅里叶变换光谱综合测量系统的配置及实例233
8.6宽波数范围发射光谱的强度校正238
8.7小结244
参考文献245
第9章拉曼光谱测量方法及实例248
9.1引言248
9.2拉曼光谱原理及应用对象248
9.3测试方法及仪器要求250
9.4测试实例及限制因素254
9.4.1利用拉曼光谱测试半导体材料组分254
9.4.2利用拉曼光谱测试半导体材料应力情况257
9.4.3利用拉曼光谱测试半导体材料掺杂情况261
9.4.4利用拉曼光谱测试半导体多层材料结构263
9.5小结264
参考文献264
0章微区及扫描成像光谱测量方法及实例266
10.1引言266
10.2微区及扫描成像光谱应用对象266
10.3测试方法及仪器要求267
10.4测试实例及限制因素269
10.4.1微区光致发光谱269
10.4.2微区光致发光谱与显微X射线衍射的联用270
10.4.3微区拉曼光谱271
10.4.4扫描成像光致发光谱273
10.4.5扫描成像拉曼光谱275
10.4.6扫描成像电致发光谱277
10.4.7扫描成像时间分辨光致发光谱278
10.5小结279
参考文献279
1章时间分辨光谱测量方法及实例281
11.1引言281
11.2时间分辨光谱的基本原理282
11.3基于时间相关单光子计数法的时间分辨光谱测量系统287
11.3.1系统结构与工作过程287
11.3.2仪器考虑和限制因素288
11.4基于泵浦-探测法的时间分辨光谱测量系统289
11.4.1系统结构与工作过程289
11.4.2仪器考虑和限制因素293
11.5基于条纹相机法的时间分辨光谱测量系统294
11.5.1系统结构与工作过程294
11.5.2仪器考虑和限制因素297
11.6半导体时间分辨光谱测试实例298
11.6.1InxGa1.xN/GaN多量子阱材料的光学性质研究298
11.6.2InMnAs铁磁薄膜中的载流子弛豫时间研究301
11.6.3光子晶体纳米腔激光器的超快光谱测试304
11.7小结306
参考文献306
2章调制光谱测量方法及实例308
12.1引言308
12.2光调制反射光谱的测量原理309
12.3光调制反射光谱的测试系统搭建312
12.3.1基于光栅光谱仪的光调制反射光谱测试系统312
12.3.2基于FTIR光谱仪的光调制反射光谱测试系统313
12.3.3仪器考虑与限制因素314
12.4半导体光调制反射光谱应用实例316
12.4.1GaAs1.xSbx单层薄膜材料的禁带宽度316
12.4.2GaSb基中红外波段II型量子阱的能级结构318
12.4.3GexSn1.x薄膜的直接跃迁特性321
12.5小结325
参考文献325
结束语327
汉英对照索引328
《半导体科学与技术丛书》已出版书目333
彩图

作者介绍

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文摘

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序言

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《半导体光谱测试方法与技术》：揭示材料深层奥秘的钥匙 在现代科技飞速发展的浪潮中，半导体材料扮演着至关重要的角色，它们是集成电路、光电器件、传感器等众多高科技产品的基石。而要深入理解和有效利用这些神奇的材料，精准的测试与分析手段必不可少。本书《半导体光谱测试方法与技术》正是聚焦于这一核心领域，为读者提供了一套全面、系统、深入的光谱学测试理论与实践指南。 本书并非一本枯燥的技术手册，而是一次引领读者探索半导体材料微观世界奥秘的旅程。它深入浅出地讲解了光谱学在半导体研究中的强大应用，从基础的光与物质相互作用原理，到各种先进光谱技术的原理、仪器设备、样品制备、数据采集与处理，以及最终的谱图解析与信息提取，都进行了详尽的阐述。我们相信，通过掌握书中所介绍的知识与方法，研究人员、工程师以及对半导体材料科学感兴趣的读者，将能够更精准地评估材料的质量、理解其性能差异、优化器件设计，并加速新材料的开发与应用。 光影之下，洞悉半导体真章 光谱学，顾名思义，是通过分析物质与电磁波的相互作用来获取其信息的科学。在半导体领域，光谱测试方法以其无损、快速、灵敏等特点，成为了研究半导体材料结构、组分、电子能带、载流子动力学、缺陷以及光学特性的强大工具。本书将带您领略光谱学如何在“光影”的舞蹈中，揭示半导体材料隐藏的“真章”。 第一篇：光谱学基础与半导体特性 在正式进入光谱测试方法之前，我们首先需要建立坚实的基础。本篇内容将从最基本的概念出发，为读者构建起理解后续内容的知识框架。 第一章：光与物质的相互作用 我们将从经典电磁波理论出发，回顾光的波动性和粒子性，以及其与物质相互作用的基本模式：吸收、透射、反射、散射和发光。 重点阐述了量子力学在理解物质光谱性质中的核心作用，包括原子、分子和固体的能级结构，以及电子跃迁的物理机制。 针对半导体材料的特殊性，我们将深入讨论其特殊的电子能带结构，如价带、导带、禁带宽度，以及这些结构如何决定了其对不同波长光子的吸收和发射特性。 还会介绍半导体中的主要光致发光（PL）和光吸收（PA）过程，为后续深入理解相关光谱技术奠定基础。 第二章：半导体材料的光学特性 本章将聚焦于半导体材料特有的光学性质，这些性质是其在光电器件中发挥作用的关键。 我们将详细讲解折射率、吸收系数、反射系数、透射率等基本光学参数的物理意义，以及它们如何随波长、温度、掺杂浓度和材料晶体结构而变化。 重点介绍半导体材料的色散关系，即折射率随波长的变化，以及它对光信号传输的影响。 还会讨论半导体材料的非线性光学效应，例如二次谐波产生（SHG）、三次谐波产生（THG）等，这些效应在某些特殊应用中具有重要意义。 此外，本章还将简要介绍半导体材料的带隙能量与其光学吸收边缘之间的关系，这是理解许多光谱测试结果的关键。 第二篇：主流半导体光谱测试方法 本篇是本书的核心内容，将逐一介绍当前在半导体研究和应用中最常用、最有效的光谱测试技术。每种技术都将从其基本原理、仪器构成、实验操作、数据解析以及典型应用等方面进行详细阐述，力求使读者能够理论与实践兼顾。 第三章：光致发光（Photoluminescence, PL）光谱 原理与机理： 深入解析PL的激发、辐射复合和非辐射复合过程，重点关注不同发光中心（如本征缺陷、杂质、掺杂原子）的形成及其在PL谱中的表现。 仪器与设备： 介绍PL谱仪的基本组成部分，包括光源（激光器、LED）、样品台、光谱仪（单色器、探测器）等，并讨论不同组件的选择原则。 实验操作与样品制备： 详细指导读者如何进行PL实验，包括样品准备、温度控制（低温、高温）、激发波长选择、测量参数设置等。 谱图解析与应用： 讲解如何从PL谱中提取关键信息，如发光峰的位置（对应能级）、强度（反映载流子数量和复合效率）、半高宽（反映载流子扩散和缺陷分布）等。重点阐述PL在确定半导体材料禁带宽度、评估材料纯度、表征缺陷类型和密度、研究载流子动力学等方面的广泛应用。 第四章：吸收光谱（Absorption Spectroscopy, AS） 原理与机理： 阐述光子被半导体材料吸收的物理过程，特别是与电子跃迁相关的吸收机制，如带间跃迁、缺陷吸收等。 仪器与设备： 介绍典型的吸收光谱仪，包括宽带光源（卤素灯、氙灯）、光谱仪、探测器等，以及样品池或透射/反射附件。 实验操作与样品制备： 指导读者进行吸收光谱的测量，包括样品厚度、透光性要求，以及如何进行透射和反射模式的测量。 谱图解析与应用： 讲解如何从吸收谱中确定材料的带隙能量，识别吸收边缘的精细结构（如斯塔克效应、激子吸收），以及利用吸收谱评估材料的均匀性和均匀性。AS在确定半导体材料基本光学参数、检测禁带宽度变化、研究掺杂和缺陷效应方面具有重要作用。 第五章：反射光谱（Reflectance Spectroscopy, RS） 原理与机理： 探讨光在半导体材料表面的反射现象，包括菲涅尔反射、布拉格反射等，以及材料的折射率和消光系数如何影响反射率。 仪器与设备： 介绍反射光谱仪的配置，通常与吸收光谱仪类似，但需要专门的反射附件。 实验操作与谱图解析： 说明如何进行反射光谱的测量，并解释如何从反射谱中提取信息，如确定材料的德拜频率、等离子体频率，以及通过拟合模型来获得光学常数。 应用： RS在研究表面态、界面特性、薄膜厚度测量、材料成分分析等方面具有独特优势。 第六章：拉曼散射（Raman Scattering）光谱 原理与机理： 解释拉曼散射的本质是光子与晶格振动（声子）的非弹性散射过程，从而获得材料的振动信息。 仪器与设备： 介绍拉曼光谱仪的组成，通常使用高功率激光器作为激发源，并配备高分辨率光谱仪和灵敏的探测器。 实验操作与样品制备： 指导读者如何进行拉曼光谱的采集，包括激光功率控制、焦距调整、样品表面清洁等。 谱图解析与应用： 讲解如何识别拉曼峰的位置（对应声子频率）、强度（反映晶体有序度）、半高宽（反映声子寿命）和偏振行为。拉曼散射是研究半导体材料晶格动力学、晶体对称性、缺陷、应力、温度以及相变等的重要手段，尤其在碳材料、III-V族和II-VI族化合物半导体研究中应用广泛。 第七章：椭圆偏振光谱（Ellipsometry） 原理与机理： 阐述椭圆偏振法的基本原理，即通过测量样品反射或透射光时偏振态的变化来获得材料的光学常数和厚度信息。 仪器与设备： 介绍椭圆偏振仪的结构，包括偏振器、波片、样品台、分析器和探测器。 实验操作与数据拟合： 指导读者如何进行椭圆偏振数据的采集，并强调数据分析的重要性，通常需要建立物理模型进行拟合。 应用： 椭圆偏振光谱法是一种非常强大的无损测量技术，能够精确测量薄膜的厚度、折射率、消光系数等光学参数，广泛应用于半导体薄膜的生长监控、厚度均匀性检测、材料表征以及界面研究。 第八章：红外（Infrared, IR）光谱 原理与机理： 解释材料中分子和晶格振动在红外区域的吸收，用于识别分子结构、官能团和晶格模式。 仪器与设备： 介绍傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）的工作原理和主要部件。 实验操作与样品制备： 指导读者进行IR谱的测量，包括样品制备（如KBr压片、液体池、ATR等），以及如何选择合适的测量模式。 应用： IR光谱在半导体材料中主要用于检测晶格振动模式、掺杂原子的存在、表面吸附的分子、以及聚合物衬底的成分。 第九章：紫外-可见-近红外（UV-Vis-NIR）吸收与反射光谱 原理与机理： 结合前面章节的吸收和反射原理，重点关注UV-Vis-NIR波段的光与物质相互作用，这涵盖了半导体材料的电子跃迁和光学带隙。 仪器与设备： 详细介绍UV-Vis-NIR分光光度计的组成，包括光源、单色器、样品室、探测器等。 实验操作与谱图解析： 强调在UV-Vis-NIR区域进行吸收和反射测量的注意事项，以及如何通过谱图分析来确定材料的光学带隙、检测杂质能级、研究激子效应和颜色特性。 应用： UV-Vis-NIR光谱广泛应用于可见光电器件（如LED、太阳能电池）、光学滤波器、荧光材料等的研发和质量控制。 第三篇：高级光谱技术与应用 在掌握了基础光谱技术后，本篇将介绍一些更高级、更具挑战性的光谱方法，以及如何将这些技术应用于解决实际的半导体科研与工程问题。 第十章：时间分辨光谱技术 原理与机理： 引入时间维度，讲解如何通过测量光信号随时间的变化来研究半导体材料中的瞬态过程，如载流子寿命、弛豫过程、能量转移等。 技术介绍： 介绍诸如瞬态吸收光谱（TAS）、时间分辨光致发光（TRPL）、荧光寿命成像（FLIM）等关键技术。 仪器与设备： 概述这些技术所使用的特殊设备，如飞秒/皮秒激光器、延迟线、高速探测器等。 应用： 时间分辨光谱技术在研究半导体中的激子动力学、载流子输运、能量弛豫过程、缺陷的形成与衰减等方面具有不可替代的作用，对于理解和优化高速光电器件至关重要。 第十一章：表面与界面光谱技术 原理与机理： 针对半导体材料的表面和界面区域，介绍能够提高表面敏感度的特殊光谱技术。 技术介绍： 重点介绍表面拉曼散射（SRRS）、二次谐波产生（SHG）和二次离子质谱（SIMS）与光谱技术的结合，以及X射线光电子能谱（XPS）等。 应用： 这些技术能够有效表征半导体材料的表面形貌、表面化学状态、界面能带弯曲、吸附物种以及微量的表面杂质，对于理解器件性能和提高器件稳定性至关重要。 第十二章：多光谱与高光谱成像技术 原理与机理： 将光谱信息与空间信息相结合，实现对材料的空间分布进行化学和物理性质的表征。 技术介绍： 介绍多光谱成像仪和高光谱成像仪的工作原理，包括其空间分辨率和光谱分辨率的权衡。 数据处理与分析： 讲解如何对海量的多光谱/高光谱数据进行处理、降维和分析，以提取有用的化学或物理信息。 应用： 在半导体制造过程中，可用于晶圆缺陷检测、材料均匀性评估、光刻工艺监控、器件失效分析等。 第十三章：半导体光谱测试的实践与案例分析 综合应用： 通过具体的实例，演示如何根据不同的半导体材料特性和研究目的，选择合适的光谱测试方法，并进行多手段的联合测试。 案例分析： 选取了几个典型的半导体材料研究和应用案例，例如： GaN材料的带隙宽度和缺陷表征。 SiC功率器件的载流子输运与缺陷分析。 有机半导体的光物理过程研究。 钙钛矿太阳能电池的光电转换机理。 微纳结构半导体器件的光学特性。 常见问题与对策： 总结在实际光谱测试中可能遇到的问题，如信号弱、噪声干扰、谱图重叠、模型拟合困难等，并提供相应的解决方案和建议。 结语 《半导体光谱测试方法与技术》旨在为广大读者提供一个全面、深入、实用的学习平台。我们希望通过对各种光谱测试方法原理的深入剖析，对仪器设备的操作指导，以及对谱图解析的详细阐述，帮助读者掌握洞察半导体材料微观世界奥秘的“钥匙”。无论是基础科学研究，还是材料设计与器件开发，抑或是生产过程的质量控制，光谱测试都将是您不可或缺的强大工具。 本书内容丰富，理论与实践相结合，力求满足不同层次读者的需求。我们诚挚地希望，本书能激发您对半导体光谱测试领域的更多兴趣，并为您的研究和工作带来实质性的帮助。

评分☆☆☆☆☆

从语言风格上来说，这本书的处理非常到位，它成功地在保持学术高标准的同时，避免了过度晦涩难懂的术语堆砌。作者的行文节奏张弛有度，讲解复杂理论时，会先用一句高度概括性的语言定下基调，然后再层层剥茧地展开数学推导和物理图像的构建。特别是对于那些涉及量子力学和固体物理交叉的概念，作者采用了类似“情景再现”的描述手法，将抽象的能量交换过程具象化，大大降低了理解门槛。我特别喜欢书中对一些经典实验的“幕后故事”的描述，比如某个著名光谱仪的最初设计理念是如何受到当时材料学限制而做出的妥协与创新。这种人性化的叙事，让原本冰冷的技术书籍充满了温度。它让人感觉作者不仅精通技术，更对这门科学充满热情，并希望将这份热情传递给读者。阅读这本书的过程，更像是一次与领域内顶尖专家的深入对话，而不是枯燥的知识灌输。它成功地激发了我对光谱技术更深层次的好奇心，促使我不仅仅停留在“如何做”，更要去思考“为什么是这样”。

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这本书的学术严谨性是毋庸置疑的，但更让我感到惊喜的是，它在信息获取便利性方面的优化。作者非常巧妙地在每章节的末尾，设置了一个“前沿综述与文献索引”的版块。这不像一般教科书那样，仅仅罗列一堆参考文献，而是对这些文献的核心贡献进行了简短的精炼总结，并指明了它们与当前章节内容的关联性。这对于希望深入挖掘某个特定子领域，但又不想浪费时间在无效信息筛选上的读者来说，简直是最高效的学习工具。通过这个版块，我很快锁定了几篇关于纳米尺度光谱响应的新论文，这些信息在其他主流教材中是难以追踪到的。此外，书中对一些历史发展脉络的梳理也做得非常到位，比如对光电导效应光谱仪从诞生到成熟的几个关键技术转折点的回顾，让人清晰地看到了技术迭代的内在逻辑。这种“立足当前，展望未来”的结构布局，使得阅读过程既有历史的厚重感，又不失对最新动态的敏感性。整体感觉，这本书仿佛是一位经验丰富、知识渊博的导师，在为你精心筛选和导航信息。

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评分☆☆☆☆☆

这本书的内容深度和广度，确实超出了我原本的预期。我原以为它会更侧重于理论的复述，但实际上，它在实验方法论上的探讨极为深入和细致。特别是关于样品制备和环境控制的部分，作者花了大篇幅进行阐述，这对于任何一个严肃的光谱测试工作者来说，都是至关重要的知识点。例如，对于高真空环境下的光子收集效率校准，书中不仅列举了标准的步骤，还探讨了不同真空度对测试结果波动性的影响机制，甚至给出了不同温度下设备稳定性的实测数据对比图表。这表明作者的知识体系并非纸上谈兵，而是基于大量的实际操作经验积累而成。我特别欣赏作者敢于指出行业内一些“约定俗成”但却可能存在误差的测试盲点，并提供了更严谨的替代方案。这种批判性思维贯穿全书，使得这本书不仅仅是一本“操作手册”，更像是一部“方法论的哲学指南”。书中提及的几种前沿的非标测试技术，虽然难度较高，但其原理分析得十分透彻，为我们拓展研究边界提供了清晰的路线图。对于有一定基础的研究人员来说，这本书无疑是提升测试精度和可靠性的“宝典”。