摘 要

本文利用Matlab软件针对双光子时间分辨光致发光（TRPL）系统进行了仿真，通过求解与时间相关的扩散方程，进一步了解载流子的动力学特性与空间分布。分别讨论载流子不同运动过程以及不同边界条件下的分布。分析了影响PL信号变化的因素，模拟了PL信号的衰变，增强了对TRPL测量的解释。

论文主要研究了在光致发光条件下非平衡载流子的运输、外界注入光斑、表面复合以及半导体材料缺陷对于PL衰减信号的影响，并对载流子在二维平面的分布进行仿真。

研究结果表明：与寿命较长的载流子相比，寿命较短的载流子更容易受到扩散和表面复合的影响；较小的注入光斑有利于提高空间分辨率，但过小又会严重影响衰减；双光子的检测能较为准确反映载流子寿命，并能显著判断材料中的情况。

本文的特色：时间分辨光致发光体系对于载流子的分布模拟，通过PL衰减信号对半导体材料特性的探究。

关键词：光致发光；载流子浓度；时间分辨

Abstract

This paper uses Matlab software to simulate the two-photon time-resolved photoluminescence (TRPL) model. By solving the time-dependent diffusion equation, we can further understand the dynamic characteristics and spatial distribution of carriers. Discussed separately the movement process of carriers and the distribution under different boundary conditions. The factors affecting the change of the PL signal are analyzed, the decay of the PL signal is simulated, and the interpretation of the TRPL measurement is enhanced.

The thesis mainly studies the effects of non-equilibrium carrier transportation, external injection spot, surface recombination and semiconductor material defects on the PL attenuation signal under photoluminescence conditions, and simulates the distribution of carriers in the two-dimensional plane.

The results of the study indicate that carriers with a shorter lifetime are more susceptible to diffusion and surface recombination than carriers with a longer lifetime; a smaller injection spot is beneficial to improve the spatial resolution, but if it is too small, it will be serious Attenuation is affected; the two-photon detection can more accurately reflect the life of the carrier, and can significantly judge the situation in the material.

Features of this article: Time-resolved photoluminescence system simulates the distribution of carriers, and explores the characteristics of semiconductor materials through PL attenuation signals.

Key Words：Photoluminescence；Carrier concentration；Time-resolved

目录

摘要 i

Abstract ii

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 光致发光的应用 2

1.2.1 荧光传感方向 2

1.2.2 光电池检测方向 2

1.2.3 生物科学方向 3

1.3 本文的主要研究内容 3

第2章 时间分辨光致发光原理 5

2.1 光致发光原理 5

2.2非平衡载流子的运动和分布 6

2.2.1 非平衡载流子 6

2.2.2 非平衡载流子的复合 7

2.2.3载流子的扩散运动 9

2.2.4载流子的连续性方程 11

2.3 时间分辨技术 11

第3章 时间分辨光致发光系统的仿真 12

3.1仿真模型的介绍 12

3.2载流子空间分布的求解方法 12

3.2.1载流子空间分布模型 12

3.2.2载流子分布数值求解 13

第4章 光致发光信号衰变的影响条件 14

4.1扩散运动对PL信号的影响 14

4.2注入光斑对PL信号的影响 16

4.3表面复合与PL信号的关联 18

第5章 总结与展望 20

参考文献 21

致谢 23

第1章 绪论

• 1. 研究背景

在人类现代文明的发展中，半导体材料起着至关重要的作用, 在信息时代的今天, 它更广泛地应用于各类高科技领域及人们的日常生活中。半导体光学则是研究半导体的一门重要学科，与半导体一样应用于诸多领域，并产生了很多发明，像半导体发光二极管、半导体激励激光器等。

光致发光是半导体光学研究的重点。其是指发光材料在吸收了注入光子后重新辐射出光子的一种过程。这样的过程就能描述为物质在吸收了光子从而跃迁到较高能级的激发态，而后回到低能级上时多余的能量以光子的形式释放出来。当前国内外对于光致发光的研究主要集中于以材料实验为导向的应用上，如用来探测半导体材料中的缺陷及测定载流子寿命和表面复合速度等。

光致发光材料的研究可以追溯到一个较长的时间跨度中。早到十九世纪中叶，来自法国的Sidot制备了ZnS : Cu，这是第一个具有实际意义能够应用的长余辉蓄光材料；到了二十世纪初，Lenard制备出了ZnS : Mg等发光材料，并研究了荧光衰减曲线，提出了“中心论”^[1]，但在当时的这类材料常被人们引入放射性物质来延长发光寿命与提高发光的亮度，有着严重的缺陷，迫使人们在其他发光材料中进行研究；1934年，人们在研究的CaF₂结构时发现，当Eu² 占据中Ca² 的位置时，会引起材料发出蓝光；二十世纪六十年代，关于Eu² 发光材料有了进一步的发展，使彩色电视机得到广泛的推广。二十世纪八十年代，我国也在稀土元素光谱图中有了突破，在Eu² 的电子跃迁过程中有了很大的发现。进入九十年代以来，得益于p型掺杂技术的突破，对GaN的研究全球范围内迅速发展，取得了丰硕的。1992年高质量InGaN的外延和量子阱结构生长取得突破性进展，接着制作出InGaN异质结和量子阱结构的高亮度发光二极管^[2]。

时间分辨光致发光技术可以提供发光材料的结构与成分，是一种非破坏性的非接触式测量，用于确定电子材料和设备中的复合率。重组过程的分析对于优化光伏（PV）电池，发光二极管，半导体激光器，辐射探测器和其他电子设备的性能至关重要^[3][4]。在激光应用的蓬勃发展之后，光致发光的探索可以进入到更深层次的研究中，作为一个研究重点在光化学、材料学以及生物学等领域都有着重要的应用，突出了利用光致发光谱分析材料的特性的优势与重要性。例如在1990年叶新民通过时间分辨技术研究GaP : (Bi，N)的光致发光谱，证实了在GaP : (Bi，N)晶体中,存在着由孤立N中心和NN_i中心向Bi中心的能量转移过程^[5]。