一種紅外光調製光致發光譜的測量方法和裝置的製作方法

2023-08-07 15:28:06 3

專利名稱：一種紅外光調製光致發光譜的測量方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種紅外半導體光電材料測試技術，具體的說，主要是基於傅立葉變換紅外(FTIR)光譜儀的步進掃描功能進行光調製光致發光的測量方法以及裝置。
背景技術：
光致發光(Photoluminescence， PL)光譜作為一種有效的無損檢測手段，被廣泛應用於半導體材料光學性質與物理過程的研究，增進了對相關材料特性的認識。PL光譜方法不但可以揭示材料帶隙、帶邊態等電子能帶結構方面的信息，還能用於對於材料中雜質和缺陷等的研究。
對於分子束外延(MBE)和金屬有機化學沉積方法生長的低維結構樣品而言，樣品比較均勻，質量比較好，獲得的PL信號的半高全寬比較窄，PL信號中的單個發光峰基本對應著一種光躍遷。例如，對於GalnP/AlGalnP多量子阱樣品，在1.8K下PL信號的半高全寬小於10meV。此時，利用600-700nm波段傅立葉變換光致發光譜方法和裝置(專利申請號200610023426.4)，可以獲得高信噪比的PL光譜。對於窄禁帶中、遠紅外材料，例如MBE生長的碲鎘汞(Hgl—xCdxTe)樣品，利用基於步進掃描的紅外調製光致發光譜的方法和裝置(專利號ZL200610023133.6)，可以有效的消除室溫輻射，顯著提高探測靈敏度，獲得高信噪比的PL光譜。然而，對於碲鎘汞樣品，其中的雜質和缺陷對材料的PL信號有比較大的影響。例如，對於組分x=0.235的Hgl.xCdxTe樣品，77K下PL信號中的發光峰半高全寬大於20meV，其中包括了多種光躍
4遷的貢獻，對相應的躍遷機制進行確定比較困難。傳統上使用線形擬合的方法來確定相應的躍遷的數目和相應能級位置，從而判定相應的光躍遷機制。但是，
由於預先並不知道PL信號究竟包含多少種不同能級之間光躍遷，藉此進行的線形擬合往往具有很大不確定性。導數譜方法已經被證明是解決這類問題的一種可能途徑。通過對光譜取數學微分操作，往往可以清楚觀察到樣品中發生的各類光躍遷，從而確定相應的躍遷能量，為開展相關研究奠定基礎。但是，數學微分受光譜信噪比限制，相應的數學平滑過程不可避免地導致細微光譜特徵的丟失。若能通過物理手段實現調製方法，直接獲得PL光譜的物理導數譜，即光調製光致發光譜(PhotomodulatedPhotoluminescence,PMPL)，將能更為可靠獲得光躍遷的數目和對應躍遷能量，這對於測試樣品的PL光譜中弱信號躍遷能量的確定尤為有效。

發明內容
綜上所述，如何克服已有基於FTIR光譜儀的調製PL光譜方法在分析能量相近的多躍遷過程所導致PL光譜所面臨困難，直接通過物理微分手段測定不同躍遷過程PL發光峰對應的能量，乃是本發明所要解決的關鍵技術問題，因此，本發明的目的在於提供一種基於步進掃描的紅外傅立葉變換的PMPL光譜方法及其裝置，使之能夠實現物理微分，顯著提高分辨多躍遷過程的靈敏度和可靠性、增強確定光躍遷能量的準確性，從而為紅外半導體材料的光譜分析提供一種有效途徑。
根據本發明的一種基於步進掃描的光調製光致發光譜裝置，包括—雷射器系統，其包括雷射器和外置分束器，其產生兩路連續雷射;一 傅立葉變換紅外光譜測量系統，其具有傅立葉變換紅外光譜儀和控制臺計算機，與測試樣品的發光信號構成光路的光幹涉部件，該光幹涉部件聯結的探測器以及該計算機連接電路控制板；-光調製裝置，其包括成電路聯結的第一鎖相放大器2-l、第二鎖相放大器2-3和第一斬波器2-2、第一斬波器2-4，斬波器將該雷射器系統發出的兩束連續雷射斬波形成調製泵浦和探測雷射，其入射至測試樣品而產生紅外PL信號以及PL信號強度的變化，另外這兩束調製雷射還作為鎖相放大器的參照信號饋入其參考信號輸入端。第二鎖相放大器2-3的信號輸入端連接探測器的輸出端；其輸出端一路和低通濾波器的輸入端相連接；其輸出端的另一路和第一鎖相放大器2-1的輸入端相連接;第一鎖相放大器2-1的輸出端與電路控制板的輸入端相連接。
所述的第一和第二鎖相放大器為Standford SR830 DSP型鎖相放大器；所述的第一和第二斬波器為Standford SR540型機械斬波器；所述的雷射器為Spectra-Physics 2065型氬離子雷射器；所述的傅立葉變換紅外譜儀為BrukerIFS 66v/S型FTIR光譜儀；以及所述的測試樣品為所有紅外半導體材料，例如HgCdTe材料。
本發明的技術構思的核心是使用具有連續和步進掃描功能的FTIR光譜儀，還包括雷射器系統、斬波器和雙通道鎖相放大器等組件。泵浦雷射經過外置分束器，半透半反成為兩路雷射。透射和反射的兩路雷射分別經過斬波器調製成正弦波，照射到測試樣品上，分別產生PL信號和PL信號強度的變化。同時斬波器的調製頻率作為參考信號進入到相應的鎖相放大器。由測試樣品發出的信號經由探測器轉換為電信號，饋入第二鎖相放大器2-3。第二鎖相放大器2-3輸出的一路饋入低通濾波器103，獲得PL信號(/pl);另一路饋入第一鎖相放大器2-l，獲得光調製PL信號(A/pl)。然後將兩路信號輸出到電路控制板，最後通過傅立葉變換得到PMPL光譜(A/pl與/pl的比值)。與基於FTIR步進掃描的調製PL光譜方法相比，利用PMPL光譜方法可同時獲得調製PL信號和PL信號強度的變化兩路信號，進而獲得樣品的PMPL光譜。相對於調 制PL光譜，PMPL光譜能夠有效的去除光譜中的幹擾信號，準確確定PL信號 中多個光躍遷的躍遷能量位置。
通過選擇KBr分束器和液氮製冷的光伏或光導型碲鎘汞探測器，可以實現 對1.3 10pm或9 22 pm波段範圍PMPL光譜的測量。
根據發明構思，本發明的一種基於步進掃描傅立葉變換紅外光譜儀的紅外 光調製光致發光譜方法，其步驟包括
51、 在雷射的反射和透射光路中接入兩個斬波器，實現對入射到測試樣品 的泵浦光和探測光進行幅度調製；並在傅立葉變換紅外光譜儀的探測器和電路 控制板之間接入相對應的兩個鎖相放大器，進行相敏檢測；
52、 將傅立葉變換紅外光譜儀置於步進掃描狀態，適當選取兩個斬波器的 調製頻率、兩個鎖相放大器的靈敏度和採樣積分時間，開始測量紅外調製光致 發光信號以及光致發光信號的變化。
53、 光致發光信號和光致發光信號的變化輸出到傅立葉變換紅外光譜儀的 電路控制板，而後進入控制臺的計算機，在同一時間獲得所有波段的光調製光 致發光譜信息，縮短光譜採集所需時間。
另外，所述的測試樣品為所有紅外半導體材料，例如HgCdTe材料。 本發明的最大優點是
1、 探測靈敏度高、非常有利於紅外波段半導體光電材料特性測量，尤其 對於PL信號較寬情況下各種光學躍遷的指認；
2、 同一時間獲得所有波段PMPL信號變化的光譜信息，實驗時間縮短；
3、 得益於傅立葉變換頻率與雷射調製頻率的截然分開，鎖相放大器採樣 時間常數的選取上限不再受限，因此既簡便易行，又能夠保證儘可能高的譜信噪比，尤其有利於對弱發光半導體材料PMPL過程的檢測。


圖1給出了光調製光致發光譜(PMPL)測量的實驗裝置的示意圖。圖中1 是傅立葉變換紅外光譜測量系統，1-1是傅立葉變換紅外光譜儀，101是光幹 涉部件，102是探測器，103是低通濾波器，104是電路控制板，l-2是控制臺 計算機；圖中2是光調製裝置，2-1是第一鎖相放大器，2-3是第二鎖相放大器，
2- 2是第一斬波器和2-4是第二斬波器；圖中3是雷射器系統，3-1是雷射器，
3- 2是外置分束器；4是測試樣品。
圖2給出了光調製光致發光譜(PMPL)測量的簡要流程圖。
具體實施例方式
下面根據圖l和圖2給出本發明的較好實施例，並予以詳細描述，能更好 地說明本發明的技術特徵和功能特點，而不是用來限定本發明的範圍。
具體實施方案如圖1所示，光調製光致發光譜測量裝置包括-雷射器3-l 出射的雷射束經過外置分束器3-2，半透半反成為兩路雷射；在該光譜儀l-l、 樣品4和計算機1-2之間接入光調製裝置2中的第一鎖相放大器2-1和第二鎖 相放大器2-3，以及在雷射器系統3發出的兩路雷射入射於測試樣品4的通路 上設置第一斬波器2-2和第二斬波器2-4，使之形成調製入射雷射。更具體地 說，本發明的步進掃描光調製光致發光譜測量裝置，包括-雷射器系統3，其 中雷射器3-1產生連續雷射，外置分束器3-2將雷射束半透半反成為泵浦和探 測兩束雷射；-傅立葉變換紅外光譜系統1，其上具有傅立葉變換紅外光譜儀 1-1和控制臺計算機1-2，接受測試樣品4的PL信號的幹涉儀部件101，信號 經過幹涉儀部件101傅立葉變換後送入的探測器102，以及與該計算機1-2相 連接的電路控制板104;-光調製裝置2，其包括成電路聯結的第一鎖相放大器2-1、第二鎖相放大器2-3和第一斬波器2-2、第二斬波器2-4，第一斬波器2-2、 第二斬波器2-4分別位於經過外置分束器3-2後的兩路雷射和測試樣品4之間， 將連續雷射調製成調製雷射入射到測試樣品4上使PL信號強度發生變化，兩 路調製雷射的調製頻率還作為參照信號饋入第一鎖相放大器2-1和第二鎖相放 大器2-3的參考信號輸入端。第二鎖相放大器2-3的輸入端連接探測器102， 其輸出端分別連接低通濾波器103和第一鎖相放大器2-1的輸入端，第一鎖相 放大器2-1的輸出端連接電路控制板104。
其測試原理-如圖1所示，使用了第一斬波器2-2、第二斬波器2-4和第一 鎖相放大器2-l、第二鎖相放大器2-3，第一斬波器2-2的頻率(Q,)和2-4的 頻率(Q2)滿足Q,〈A。進入第二鎖相放大器2-3的信號為
,(。=/,凡④sin + /2凡(3) sin Qj + A/屍丄(5) sin Q,. sin Q J ( 1 )
式中右邊三項分別和泵浦雷射產生的PL信號、探測雷射光產生的PL信 號，泵浦光和探測光導致的PL信號強度的變化相關。探測器的輸出信號通過 AC耦合饋入第二鎖相放大器2-3，然後信號乘以第二鎖相放大器2-3的相敏探 測器的參考信號w^sinQ,"
7 W = "Ref2、C
A Pi (5) sin . sin Q2/ +丄/2 & (5)—丄72化(^) cos 2Q2,
-, 2:2, (2)
+ ，") sin - cos 2Q力
輸出信號的一路通過DC耦合進入低通濾波器(0 < Q < ),得到直流輸出 信號為( /pJ
m/2,m(外K")= RefA2c D) (3)
通過選擇適當的時間常數r，滿足Q,〈Q〈A，就可以濾除信號中^和2^ 的成份。輸出信號的另一路通過AC耦合饋入第一鎖相放大器2-1，信號為A復:
2
sin
(4)
然後信號乘以第一鎖相放大器2-1的相敏探測器的參考信號"^sin^
r翩
、W — WReQWRefl c A爿c
丄—丄cos2Q" 2 2
丫
(5)
通過選擇適當的時間常數r，滿足(KQ〈Q,並保證較大差值，就可以濾除 信號中Q,和2Q,的成份。最後進入電路控制板的信號為
/朋(。=Re。 Re":化 (A/pi (。
(6)
在所考慮的頻率範圍中，尺〗f和/^，可以作為常數。通過傅立葉變換得到
的光譜為
"" W" jt濕
5，(o") = "rA"，c ~c
(7)
式子右邊為PL信號的變化( A5pl)，即光調製PL信號。根據式(3)和 (7)，我們就可以得到PL信號的導數譜，即光調製光致發光譜(PMPL)A5.
2iCDC《
屍丄一 ""/x:
(8)
我們可以發現基於步進掃描的PMPL光譜中包含著PL光譜的變化，通過 這種物理導數譜可以直接判定半導體材料中光躍遷的數目以及確定對應的躍 遷能量。
基於上述思路，在本實施例中，第一鎖相放大器2-1和第二鎖相放大器2-3 採用Standford SR830 DSP鎖相放大器、第一斬波器2-2和第二斬波器2-4採用 Standford SR540機械斬波器、雷射器3-l採用Spectra-Physics 2065氬離子激 光器、FTIR光譜儀1-1採用Bruker IFS 66v/S型FTIR光譜儀進行本發明提出 新方法的實施。其光路仍如圖l所示，圖2中給出了簡要的操作流程，具體操
10作過程如下
數據獲取首先移除第一斬波器2-2和第二斬波器2-4，並將探測器102 的電輸出信號直接饋送到電子控制部分。將FTIR光譜儀1-1置於連續掃描的 信號監控狀態，通過調整、優化測試樣品4相關部分光路，使FTIR光譜儀1-1 監測到的PL信號達到極大。然後獲取基於步進掃描FTIR的PMPL光譜，本 發明在保持測試樣品4相關光路不變的前提下，移入並開啟第一斬波器2-2和 第二斬波器2-4，並將探測器102輸出信號通過AC耦合饋送到第二鎖相放大 器2-3的輸入端，其輸出信號再饋入第一鎖相放大器2-l的輸入端，第一鎖相 放大器2-1的輸出接到FTIR光譜儀1-1的電路控制板104的輸入通道上。設 定第一斬波器2-2和第二斬波器2-4的調製頻率以後，用其參考信號分別鎖定 第一鎖相放大器2-l和第二鎖相放大器2-3。然後，將FTIR光譜儀1-1置於步 進掃描狀態，並試運行光譜掃描過程，適當選取第一鎖相放大器2-l和第二鎖 相放大器2-3的靈敏度，既保證整個掃描過程不致出現過載，又有儘可能高的 微弱信號放大能力。選擇第一鎖相放大器2-1和第二鎖相放大器2-3的採樣積 分時間，以保證其在步進掃描過程中始終處於鎖定狀態。再根據採樣積分時間， 設定FTIR光譜儀1-1步進等待時間。同時將第二鎖相放大器2-3的輸出信號 通過DC耦合饋送到低通濾波器103。至此，可以正式開始PMPL光譜的測量。
數據處理本發明提出的基於步進掃描FTIR的PMPL光譜也可以利用 FTIR系統操控軟體來完成傅立葉變換工作，因此便於實施。根據方程(3)、 (7) 和(8)即可獲得步進掃描的PMPL光譜。
在上述二方面中包含的本發明的關鍵發明點是(1)通過對泵浦和探測激 光進行幅度調製，並結合相敏檢測技術，探測靈敏度高，非常有利於紅外波段 半導體光電材料特性測量，尤其對於PL信號較寬情況下各種光學躍遷的指認；(2)同一時間獲得所有波段的PMPL光譜信息，增強紅外波段微弱光信號的 探測能力，縮短光譜採集所需時間；(3)利用FTIR光譜儀的步進掃描功能， 消除傅立葉頻率，從而放鬆對外調製頻率選取的苛刻限制，使紅外波段PMPL 光譜方法真正可行。
權利要求
1.一種紅外光調製光致發光譜的裝置，包括-雷射器系統(3)，其中雷射器(3-1)產生連續雷射，外置分束器(3-2)將雷射束半透半反成為泵浦和探測兩束雷射；-傅立葉變換紅外光譜測量系統(1)，其具有傅立葉變換紅外光譜儀(1-1)和控制臺計算機(1-2)，與傅立葉變換紅外光譜儀(1-1)中光幹涉部件(101)聯結的探測器(102)，與控制臺計算機(1-2)相連接的電路控制板(104)，以及與電路控制板相連接的低通濾波器(103)；-光調製裝置(2)，其包括雷射反射光路所對應的第一鎖相放大器(2-1)、第一斬波器(2-2)和雷射透射光路所對應第二鎖相放大器(2-3)、第二斬波器(2-4)；第二鎖相放大器(2-3)的信號輸入端連接探測器(102)的輸出端；其輸出端一路和低通濾波器(103)的輸入端相連接；其輸出端的另一路和第一鎖相放大器(2-1)的輸入端相連接；第一鎖相放大器(2-1)的輸出端與電路控制板(104)的輸入端相連接；由雷射器系統(3)出射的泵浦和探測雷射照射到測試樣品(4)上產生的信號進入光譜儀的光幹涉器件(101)，第一斬波器(2-2)、第二斬波器(2-4)將該雷射器系統(3)發出的兩束雷射斬波形成調製雷射，其入射至測試樣品(4)而產生紅外光致發光信號，同時導致光致發光信號強度發生變化，另外調製雷射的斬波器參考信號還作為第一鎖相放大器(2-1)、第二鎖相放大器(2-3)的參考信號饋入它們參考信號的輸入端。光致發光信號和光致發光信號強度的變化輸出到傅立葉變換紅外光譜儀(1-1)的電路控制板(104)，而後進入控制臺的計算機(1-2)，從而獲得樣品的光調製光致發光譜。
2、根據權利要求1所述的紅外光調製光致發光譜裝置，其特徵在於，所述的測試樣品(4)為紅外半導體材料。
3、 一種利用權利要求1所述裝置的紅外光調製光致發光譜測量方法，其步驟包括S1、 在雷射的反射和透射光路中移入兩個斬波器，實現對入射到測試樣品的泵浦光和探測光進行幅度調製；並在傅立葉變換紅外光譜儀的探測器和電路控制板之間接入相對應的兩個鎖相放大器，進行相敏檢測；S2、 將傅立葉變換紅外光譜儀置於步進掃描狀態，適當選取兩個斬波器的調製頻率、兩個鎖相放大器的靈敏度和採樣積分時間，開始測量紅外調製光致發光信號以及光致發光信號的變化；S3、光致發光信號和光致發光信號的變化輸出到傅立葉變換紅外光譜儀的電路控制板，而後進入控制臺的計算機，在同一時間獲得所有波段的光調製光致發光譜信息，即光致發光信號強度的變化與光致發光信號強度的比值，縮短光譜採集所需時間，增強紅外波段微弱信號的探測能力。
全文摘要
本發明公開了一種紅外光調製光致發光譜的方法和裝置，該裝置包括傅立葉變換紅外光譜測量系統、作為泵浦和探測光源的雷射器系統、以及聯結傅立葉變換紅外光譜儀中探測器與電路控制板的鎖相放大器和低通濾波器、置於測試樣品與雷射器系統之間光路上的兩個斬波器。該方法使用上述裝置進行光調製光致發光光譜測量，能準確確定光致發光信號中多個光躍遷的能量位置。由於紅外光調製光致發光譜是光致發光光譜物理微分，可以更為確切分析發光過程，因而可作為一種可靠測定涉及多光躍遷機制光致發光信號的有效手段。本發明具有快速、便捷的優點，適用於富含雜質和缺陷的紅外半導體光電材料微弱發光特性的檢測。
文檔編號G01N21/64GK101493412SQ20091004699
公開日2009年7月29日 申請日期2009年3月4日 優先權日2009年3月4日
發明者翔 呂, 褚君浩, 軍 邵, 郭少令, 衛 陸 申請人:中國科學院上海技術物理研究所