半導体用語集
フォトルミネセンス法
英語表記：photoluminescence spectroscopy
フォトルミネセンス法とは禁制帯幅より大きなエネルギーの光を半導体に照射し，それを励起光として過剰の電子および正孔を発生させ，それらが再結合する際に放出する光を分光しスペクトルとして観測する方法である。電子および正孔の再結合過程には帯間遷移・自由励起子再結合・束縛励起子再結合・ドナー・アクセプタ再結合などがある。このうち，帯間遷移・自由励起子再結合以外のすべての再結合は，不純物または構造欠陥と関連している。したがって，フォトルミネセンス法を用いることにより，不純物および構造欠陥に関する評価が可能である。
半導体中に存在する不純物のエネルギー準位はもちろん，赤外光吸収法を用いても評価できる。しかし半導体中における赤外光の吸収係数は小さく，光の侵入長は長い。したがって，半導体基板の上に堆積した半導体薄膜では，薄膜内部で十分な光吸収が生じず，かつ半導体基板で大きな吸収が生じることとなる。すなわち，薄膜層内部の不純物状態を精度よく評価することは困難である。一方，フォトルミネセンス法では励起光に吸収係数の大きな光を用いているために，薄膜層の厚さが1µm程度あればスペクトル測定が可能である。したがって，半導体基板の上に形成したエピタキシャル膜の評価によく用いられている。反面，フォトルミネセンス法では，スペクトルの強度から不純物濃度を直接的に算出することはできない。したがって，各種の計測法を相補的に用いることが必要である。
フォトルミネセンス法の励起光源にはArレーザ，He-Neレーザ，Krレーザなどが用いられる。励起光以外の光を遮断するために光源と試料の間には光学フィルタを挿入する。試料から発生したフォトルミネセンスはレンズにより集光され分光器に導入される。ラマン散乱法とは異なり分光器はシングルモノクロメータでよい。フォトルミネセンスは室温でも生じるがスペクトルを分離し明瞭に観察するには液体窒素温度以下での測定が必要である。半導体に含まれている通常の不純物についてはそのエネルギー準位がよく知られている。したがってえられたフォトルミネセンス・スペクトルのピーク波長から半導体薄膜層に含まれる不純物を同定することができる。
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