CN101201324A - 砷化镓/铝镓砷红外量子阱材料峰值响应波长的检测方法 - Google Patents

Abstract

一种砷化镓/铝镓砷红外量子阱材料峰值响应波长的检测方法。利用拉曼光谱仪对红外量子阱材料进行背散射测试，得到材料的拉曼散射光谱图；把测得的最强峰值拉曼频移

换算成波长，即为该红外量子阱材料的峰值响应波长。本发明方法的优点是：省时省力；样品的处理过程简单，避免了繁琐复杂的处理过程；且不易造成材料的损坏和消耗浪费。

Description

砷化镓/铝镓砷红外量子阱材料峰值响应波长的检测方法

(一)技术领域：

本发明涉及红外量子阱材料的检测技术，特别涉及一种砷化镓/铝镓砷红外量子阱材料峰值响应波长的检测方法。

(二)背景技术：

量子阱红外探测器是上世纪八十年代出现的新型红外探测器，被广泛的用于国防、工业和医疗等领域。量子阱红外探测器的峰值响应波长是器件设计中应首先考虑的一个重要参数。而量子阱红外探测器的响应波长取决于砷化镓/铝镓砷(GaAs/Al_0.3Ga_0.7As)量子阱材料结构参数。在结构参数设计中，通过调节阱宽、垒宽以及AlGaAs中Al组分含量等参数，使量子阱子带输运的激发态被设计在阱内(束缚态)、阱外(连续态)或者在势垒的边缘或者稍低于势垒顶(准束缚态)，以便满足不同的探测器件的需要，获得最优化的探测灵敏度。因此.量子阱材料结构设计又称为“能带工程”。按设计要求生长出的多量子阱材料是否能制出预计响应波长的红外探测器，一般通过两种方法进行检测。第一种方法是将生成的材料制成红外器件，然后进行光电流谱的测试，得到器件的峰值响应波长，据此判断是否与理论设计一致。而器件制备需要采用有关器件工艺，经过一定时间才能完成，这样既消耗原材料，又浪费时间，极不经济实用；第二种方法是将生成材料样品的侧面进行切割并抛光处理形成与表面为45度的斜角，利用红外吸收测量可判断响应峰值波长，但处理样品的过程是相当繁琐复杂的，且造成材料的损坏和消耗浪费。

拉曼散射的应用涉及许多学科领域，例如：物理学，化学，材料科学等。它可以用于研究固体的元激发，包括极化声子，激子，磁振子，朗道能级等；研究薄膜小颗粒，薄膜，超晶格系统振动特性的尺寸效应，界面效应，应力效应，声子限制效应，介电限域效应，量子效应等；研究半导体键角，无序性，应变，应力效应，量子点，量子线以及应变层超晶格可靠性等。在研究砷化镓/铝镓砷红外量子阱材料时通常是利用拉曼散射来反映材料的晶格振动情况，而拉曼散射的应用从来就未涉及到红外量子阱材料的峰值响应波长。

(三)发明内容：

为克服现有技术的缺陷，解决传统方法在测量过程中所遇到的困难，本发明利用拉曼散射光谱方法研究量子阱红外材料子带间跃迁，提出一种砷化镓/铝镓砷红外量子阱材料峰值响应波长的检测方法。

一种砷化镓/铝镓砷红外量子阱材料峰值响应波长的检测方法，步骤如下：

a.把砷化镓/铝镓砷红外多量子阱材料切割成矩形样品；

b.将材料样品用固定夹固定，放置在拉曼光谱仪的样品测试台上；

c.打开拉曼光谱仪的电源开关，将拉曼光谱仪的激光器作为激发光源，选择波长为782nm的激光，调整入射激光光束使其聚焦成直径为1μm的光斑，将其汇集并照射在材料样品上；材料样品测试面放置应选择使量子阱层面平行于入射光束照射方向，在室温下采用背散射(即散射角180°)方式进行测试；

d.材料样品测试面的散射光线经透镜的汇聚返回拉曼光谱仪中，拉曼光谱仪中CCD探测器接收到光信号，经拉曼光谱仪中的计算机对光信号进行数据处理，得到材料的拉曼散射光谱图；

e.把拉曼散射光谱图中最强峰对应的拉曼频移

带入关系式 ${\mathrm{\λ}}_p=\frac{1}{\mathrm{\Δ}{\tilde{v}}_1}$ 中可换算成波长，该波长即为红外量子阱材料峰值响应波长。

本发明材料的量子阱结构为掺Si的砷化镓(GaAs)和铝镓砷(Al_0.3Ga_0.7As)按设计要求交替生长出的薄层结构，多量子阱结构为砷化镓/铝镓砷(GaAs/Al_0.3Ga_0.7As)薄层结构的周期性重复。

拉曼谱图的最强峰对应的频移

材料峰值响应波长λ_P之间的关系为 ${\mathrm{\λ}}_p=\frac{1}{\mathrm{\Δ}{\tilde{v}}_1},$ 因此本发明方法可通过对谱图的分析，利用最强峰对应的频移

通过上述公式求得材料的峰值响应波长λ_P。

本发明方法的工作过程如下：

拉曼光谱仪的激光束通过准直扩束后经由拉曼光谱仪的显微镜输出，并由透镜聚焦于样品表面，样品表面的散射光通过透镜的汇聚返回拉曼光谱仪中，经过拉曼光谱仪中的瑞利滤光片和光栅分光系统最后汇聚到CCD探测器上，计算机分析处理探测器采集的数据得到样品的拉曼光谱图，依据拉曼光谱图可得到材料的峰值响应波长。

利用本发明方法所测得被测材料的拉曼散射光谱，得到材料的峰值响应波长，与同一材料制作的红外探测器光电流谱所测得波长比较，精度相当。

本发明方法不仅适用于GaAs/Al_0.3Ga_0.7As量子阱红外材料，也可用于其他红外量子阱材料峰值响应波长的检测，如HgTe-CdTe超晶格材料等。

本发明方法的优点是：对材料峰值响应波长的检测即不用制作成器件，也不用切割并抛光处理材料表面，从而节约了时间，减少了劳动成本，省时省力；样品的处理过程相当简单，避免了繁琐复杂的处理过程；且不易造成材料的损坏和消耗浪费。

(四)附图说明

图1是本发明方法的测试光路示意图，图2是本发明材料样品的量子阱结构示意图，图3是本发明拉曼散射光谱图，图4是探测器响应峰值波长对应的电子跃迁示意图。

其中：1.材料样品，2.显微镜，3.瑞利滤光片，4.光栅，5.CCD探测器，6.扩束器  7.激光器，8.砷化镓(GaAs)衬底，9.铝镓砷(Al_0.3Ga_0.7As)薄层，10.砷化镓(GaAs)薄层，11.透镜。

(五)具体实施方式

实施例：

本发明实施例如图1和图2所示，所测砷化镓/铝镓砷红外多量子阱材料的砷化镓衬底8上生长1μm厚掺Si(n＝2×10¹⁸cm^-3)的砷化镓(GaAs)接触层，然后，在此基础上生长50个周期的GaAs/Al_0.3Ga_0.7As量子阱，其中砷化镓(GaAs)薄层10阱宽4.8nm.，掺Si浓度n＝1×10¹⁸cm^-3；铝镓砷(Al_0.3Ga_0.7As)薄层9垒宽为10nm。最后生长0.5μm的GaAs接触层(掺Si，浓度为：n＝2×10¹⁸cm^-3)。

砷化镓/铝镓砷红外量子阱材料峰值响应波长的检测方法，步骤如下：

a.把砷化镓/铝镓砷红外多量子阱材料切割成矩形材料样品1；

b.将材料样品1用固定夹固定，放置在拉曼光谱仪的样品测试台上；

c.打开拉曼光谱仪的电源开关，将拉曼光谱仪的激光器7作为激发光源，选择波长为782nm的激光，调整入射激光光束使其聚焦成直径为1μm，该激光光束经由拉曼光谱仪内的扩束器6和滤光片3，由拉曼光谱仪的显微镜2输出，将其汇集并照射在材料样品1上；材料样品1测试面放置应选择使量子阱层面平行于出射光束照射方向(如图1中虚线椭圆所括的放大图所示)，在室温下(300K)采用背散射(即散射角180°)方式进行测试；

d.材料样品1测试面的散射光线经透镜11的汇聚返回拉曼光谱仪中，拉曼光谱仪中CCD探测器5接收到光信号，经拉曼光谱仪中的计算机对光信号进行数据处理，得到材料的拉曼散射光谱图；

e.把拉曼散射光谱图中最强峰对应的拉曼频移带入关系式 ${\mathrm{\λ}}_p=\frac{1}{\mathrm{\Δ}{\tilde{v}}_1}$ 中可换算成波长，该波长即为红外量子阱材料峰值响应波长。

本实施例测试过程中所用拉曼光谱仪是英国Renishaw公司生产的RM2000型共聚焦显微拉曼光谱仪，该光谱仪的分辨率为2cm^-1，半导体激光器7的功率是25mW。

本实施例所测材料样品1的拉曼散射光谱如图3所示，图中纵坐标代表材料的光谱响应强度，横坐标代表拉曼频移，所测曲线的最强峰值处对应横坐标为 $\mathrm{\Δ}{\tilde{v}}_1=1171.2c{m}^{-1}.$

根据材料量子阱结构的阱宽，垒宽和阱深等参数可计算得到量子阱中的基态能级的能量E₀和阱口的第一激发态能级的能量E₁，由于GaAs/Al_0.3Ga_0.7As量子阱红外材料的峰值响应波长对应量子阱中基态电子向第一激发态跃迁，如图4所示，峰值响应波长可通过公式λ_p＝hc/(U₀-E₀)计算得到(U。是阱深)，这也是材料峰值响应波长的理论计算值。由此可知实施例中材料的峰值响应波长的理论计算值为：

λ_p＝hc/(U₀-E₀)＝hc/(227-78)＝8.33μm(hc为常数)。

谱图中的最强峰对应的拉曼频移 $\mathrm{\Δ}{\tilde{v}}_1=1171.2c{m}^{-1}$ 换算成波长为：

${\mathrm{\λ}}_p=\frac{1}{\mathrm{\Δ}{\tilde{v}}_1}=\frac{1}{1171.2}=8.53\mathrm{\μm},$

通过比较发现：材料的峰值响应波长的理论计算值和谱图中最强峰的拉曼频移对应的波长值符合得非常好，这说明了本发明方法得到的拉曼谱图的最强处峰值对应GaAs/Al_0.3Ga_0.7As量子阱红外材料的峰值响应。利用本发明的方法，通过GaAs/Al_0.3Ga_0.7As量子阱红外材料的拉曼光谱即可获得材料峰值响应波长。

Claims (1)

1.一种砷化镓/铝镓砷红外量子阱材料峰值响应波长的检测方法，步骤如下：

a.把砷化镓/铝镓砷红外多量子阱材料切割成矩形样品；

b.将材料样品用固定夹固定，放置在拉曼光谱仪的样品测试台上；

c.打开拉曼光谱仪的电源开关，将拉曼光谱仪的激光器作为激发光源，选择波长为782nm的激光，调整入射激光光束使其聚焦成直径为1μm，该激光光束经由拉曼光谱仪内的扩束器和滤光片，由拉曼光谱仪的显微镜输出，将其汇集并照射在材料样品上；材料样品测试面放置应选择使量子阱层面平行于出射光束照射方向，在室温下采用背散射方式进行测试；

d.材料样品测试面的散射光线经透镜的汇聚返回拉曼光谱仪中，拉曼光谱仪中CCD探测器接收到光信号，经拉曼光谱仪中的计算机对光信号进行数据处理，得到材料的拉曼散射光谱图；

e.把拉曼散射光谱图中最强峰对应的拉曼频移

带入关系式 ${\mathrm{\λ}}_p=\frac{1}{\mathrm{\Δ}{\tilde{v}}_1}$ 中可换算成波长，该波长即为红外量子阱材料峰值响应波长。

Images