CN101706428A - 碲镉汞材料光学激活深能级上载流子弛豫时间的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用脉冲激光泵浦-探测实验检测碲镉汞薄膜材料光学激活深能级上载流子弛豫时间的方法。在对碲镉汞薄膜材料的脉冲激光泵浦-探测实验中，由泵浦光脉冲激发的光生载流子首先被深能级俘获，之后通过复合逐渐恢复到平衡态。在此过程中深能级上部分载流子会被探测光脉冲重新激发进入导带，导致探测光子被大量吸收，使探测光透射强度小于不加泵浦光时的透射强度，造成在相对透射强度的延时变化曲线中出现一个数值为负的吸收谷。这种负的相对透射率随时间逐渐恢复到接近于零的平衡态时的情形，其恢复的时间过程反映出深能级上载流子浓度的变化，体现出深能级上非平衡载流子的弛豫时间。通过理论拟合能够提取出该弛豫时间的数值。

Description

碲镉汞材料光学激活深能级上载流子弛豫时间的检测方法

技术领域

本发明涉及半导体薄膜材料特性的检测技术，具体是指一种用脉冲激光泵浦-探测实验检测碲镉汞薄膜材料光学激活深能级上载流子弛豫时间的方法。

背景技术

碲镉汞(HgCdTe)红外探测器在军事及航天领域有着重要的应用价值。尽管碲镉汞材料的制备工艺日趋成熟，但是由分子束外延生长的碲镉汞薄膜材料仍然不可避免地存在缺陷，形成能隙中的深能级。由于深能级缺陷的存在，使器件的少子寿命、电学噪声等性质受到影响，从而也影响到器件性能，限制了它的应用。因此对碲镉汞材料中的深能级缺陷特性的研究就显得尤为重要。目前对于深能级特性的表征通常使用深能级瞬态谱(DLTS)等方法进行测试。作为一种电学方法，其给出的是深能级的电学特性，不能独立地分离性地给出对器件光电响应有影响的那部分深能级的信息。对于碲镉汞这样一种光电探测材料，人们最关心的往往是影响器件光电响应的那部分深能级的特性。因此，本发明中采用的光学激发(泵浦)-探测方法得到碲镉汞薄膜材料中光学活性深能级上非平衡载流子的弛豫时间特性对于碲镉汞红外探测器性能的优化具有更为重要的实际意义。

发明内容

由于现有检测深能级的常规方法会使所有的深能级信息全部包含在其中，本发明的目的是提出一种检测深能级缺陷的方法，能够直接表征光学活性的深能级，排除非光学激活深能级的干扰。

本发明采用的皮秒泵浦-探测实验技术使用脉冲宽度为30皮秒的脉冲激光，经分束器分光后形成泵浦光和探测光，通过两束光脉冲之间不同的延迟时间得到探测光相对透射率变化曲线。这种方法研究碲镉汞深能级优势在于：直接用光学方法进行检测，所考察是光学激活的深能级，也就是对于碲镉汞光电探测具有直接影响的深能级，这些都是探测器性能中最需要关注的深能级；与包含所有的深能级信息的常规深能级谱检测方法不同，本方法是只探测光学激活的深能级，探测信息来自于具有较大偶极矩，即对于载流子散射较大，对器件性能影响大的深能级，而把偶极矩小的，对器件影响小的深能级排除在外。因此本发明能够在深能级特性上为器件优化提供更明确的材料参数。

本发明的工作原理是：用一束光子能量大于碲镉汞禁带宽度并且相对较强的脉冲激光束作为泵浦光对碲镉汞半导体薄膜进行激发，用另一束相同光子能量但强度相对较弱的脉冲激光束作为探测光对泵浦光照射的点进行探测.两脉冲抵达样品表面的相对时间可以通过延迟线上反射镜的位置变化进行调节.泵浦光激发样品中的载流子跃迁到导带，在带隙中存在深能级的情况下，脉冲光激发结束后导带中的光生载流子将被深能级俘获，之后通过向价带释放电子形成电子-空穴复合，样品中的电子分布逐渐恢复到平衡时的状态.在整个载流子跃迁-复合过程中，光生载流子的浓度是随时间变化的.而这种浓度随时间的变化决定着探测光束的透过率.在载流子浓度最大时，如果探测光脉冲此时到达，则由于可供探测光激发跃迁的载流子数和状态数均为最小，探测光脉冲的光子被吸收得最少，因此其透射强度有一个极大值.在此之前和之后的时刻，由泵浦光激发的载流子浓度不在最大值，因此对探测光的吸收也要大于最小值，导致探测光脉冲的透射强度均小于极大值.尤其是对于探测光脉冲在泵浦光脉冲之后到达样品的时间段，探测光脉冲的透射强度随延迟时间的变化反映出导带中载流子浓度随时间的变化.因此，通过测量探测光脉冲透过率随延迟时间变化的关系能够得到光生载流子的复合时间常数，反映出载流子的复合寿命.

在带隙中深能级达到一定浓度的情况下，深能级参与载流子复合过程的作用变得相对更为重要，使得探测光脉冲的透射强度随延迟时间的变化关系变得较为复杂。在所测量的碲镉汞情形，导带中的光生载流子在泵浦结束之后将首先被深能级俘获，之后通过向价带释放电子而逐渐恢复到平衡态。在此过程中部分载流子会被探测光脉冲重新激发进入导带，导致探测光子被大量吸收，使得观察到的探测光透射强度甚至小于不加泵浦光时的透射强度T₀，造成在相对透射强度的延时变化曲线中出现一个数值为负的吸收谷，如图2所示。随着时间的推移，深能级上的载流子数目逐渐减小，探测光脉冲的透射强度因此也逐渐恢复到平衡态时的情形。这样的时间过程反映出深能级上载流子浓度的变化，体现了深能级上非平衡载流子的弛豫时间。

本发明专利的优势要点在于：

1.与包含全部深能级信息的深能级谱检测深能级常规方法不同，本发明所提出的方法是直接用光学方法检测光学激活的深能级，也就是对于碲镉汞探测器光电探测性能有直接影响的深能级，是探测器性能中最需要关注的深能级。探测信息来自于有较大偶极矩，即对于载流子散射较大，对器件性能影响大深能级，而把偶极矩小的，对器件影响小的深能级排除在外。因此本方法能够在深能级特性上给器件的优化设计和性能的改善提供更明确的帮助。

2.本方法不需要制作电极，直接用光学方法进行测试，简化了测试的工艺步骤。

附图说明

图1是本发明的泵浦-探测实验装置示意图。来自Nd:YAG脉冲激光器的波长为1064nm的激光脉冲，经反射镜M1之后到达分束片BS1，分成2束。一束为泵浦光，经图中透镜L1和L2调节光斑尺寸之后，再经格兰棱镜调节偏振方向和强度。之后经反射镜M2到达另一个分束片BS2，再分成2束。一束经透镜L4聚焦之后到达HgCdTe薄膜样品的表面，起到泵浦激发的作用，另一束通过偏振片P1之后到达探测器2，作为对泵浦光束能量的监控之用。在第一个分束片BS1被分出来的另一束光作为探测光，在经过置于一维可动平台上两个反射镜所形成的延迟线之后，再依次通过反射镜M3、偏振片P2和透镜L3之后被聚焦在HgCdTe薄膜样品上，并透射通过样品到达探测器1，作为探测光强的检测。通过改变延迟线上载有两个反射镜的平台的位置能够改变探测光脉冲的光程，从而改变探测脉冲与泵浦脉冲到达样品表面的相对次序和相对时间。

图2是采用泵浦能量为32.4μJ时所得到的探测光相对透过率随延迟时间变化的曲线，其中空心圆点为实验值，实线是理论拟合曲线。

具体实施方式

下面通过实例结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

采用皮秒泵浦-探测系统，如图1所示。激光脉冲由Nd:YAG激光器输出波长为1064nm的激光，脉冲持续时间30ps，重复频率为10Hz。输出光经过分束镜片(BS1)分成两束，一束经可变延迟线和透镜L3入射到样品上，作为探测光。另外一束透射光通过分光镜片(BS2)分出一束参考光，其余通过透镜L4聚焦在样品上作为泵浦光。通过调节格兰棱镜和偏振片的角度等可以调整泵浦光与探测光的强度比值大约为10∶1。对光路进行准直调节，使泵浦光与探测光在样品上相重合并且探测光光斑直径小于泵浦光，其中泵浦光直径大约160μm，探测光直径为50μm左右。探测光透射信号使用高灵敏度J3S-10硅光电二极管探测器(Coherent公司)，而参考光信号使用J4-09热电探测器(Coherent公司)。探测器的输出信号用高频数字存储示波器(Agilent Infiniium 54832B)采集，然后通过网线，与延迟线位置信息一起输入计算机处理。由于激光脉冲的重复频率为10Hz，即在单一光束中光脉冲的时间间隔为100ms。在此时间间隔中所测碲镉汞样品中由前一个脉冲激发所导致的状态变化都已经恢复到平衡态，对后续的脉冲激发过程不产生影响。因此在实验过程中为提高信噪比对每一个延迟时刻进行多次采样的累积和平均，采样数一般为150次。

具体实施步骤如下：

1.确定延迟线的零点位置。将一块KTP晶体放置在待测样品的位置上，使泵浦光和探测光以一个较小夹角入射到KTP晶体上面，后面放置一块白纸，调整延迟线的一维移动平台以改变光程差从而改变延迟时间。在延迟线零点附近(泵浦光和探测光同时到达KTP晶体)，在泵浦光与探测光的角平分线上将出现和频光，即一个绿色的斑点。

2.用待测碲镉汞薄膜样品取代KTP晶体，注意保持入射面位置与KTP晶体相一致。如图1所示，将样品放在固定架上面，固定架前后有孔，以利于透射。

3.阻挡泵浦光，将延迟线位置进行通过零点的扫描，测量只有探测光入射到样品的情况下的透射强度随着延迟线变化数据。测量完后，电脑中采集的数据有三列，分别为透射光强度G(来自探测器1)，参考光强度R(来自探测器2)和延迟线位置x。将透射光强度除以参考光强度得到经过校正的透射率数据T₀＝G/R。x可以换算成延迟时间τ＝2x/c，其中c为光速。

4.解除对泵浦光的阻挡，让泵浦光也照射在样品上，依照步骤3的方法，再次测量探测光透过样品之后的透射强度随着延迟线变化的数据T。

5.采用τ和(T-T₀)/T₀数据作图，得到的图2是室温下泵浦能量为32.4μJ时的探测光相对透过率随延迟时间的变化曲线。

6.使用计算机编程对探测光的相对透过率随延迟时间的变化关系进行拟合，得到如图2中实线所示的与实验数据相吻合的理论曲线。本实施例中，由相对透过率的最小值逐渐增加到接近零值的时间过程包含有两个时间常数，由物理机制分析，这两个时间常数对应于禁带中存在有两类深能级上非平衡载流子的不同弛豫时间过程，因此由理论拟合参数中对应于深能级上载流子复合过程的时间常数，得到相对应于两类深能级上载流子的弛豫时间，其中“快”的深能级上载流子弛豫时间为13.4ps，“慢”的深能级上载流子弛豫时间为902ps。

Claims (1)

1.一种用脉冲激光泵浦-探测实验检测碲镉汞材料光学激活深能级上载流子弛豫时间的方法，其特征在于包括以下具体步骤：

A.调节光路准直，使泵浦光和探测光光斑相重合并且泵浦光斑尺寸大于探测光斑；

B.放置KTP晶体在待测样品的位置，通过观察泵浦光与探测光同时透过KTP晶体之后的现象来确定泵浦光与探测光之间延迟时间为零时延迟线的位置，用波长为1064nm的激光作为泵浦光和探测光，调节延迟线位置，当在KTP晶体的后部观察到绿光的出现并且强度最大时，延迟线的位置即为泵浦光与探测光之间延迟时间为零的位置；

C.将待测样品替换为碲镉汞薄膜样品。阻挡住泵浦光，将延迟线位置在延迟时间零点附近进行扫描，用探测器1测量探测光脉冲透过样品之后的强度，得到一组在无泵浦光照射下的探测光透射强度随着延迟线位置变化的数据T₀；

D.解除对泵浦光的阻挡，将延迟线以与步骤C扫描位置完全相同的设置进行扫描，用探测器1测量探测光脉冲透过样品之后的强度，得到一组在有泵浦光照射下的探测光透射强度随着延迟线位置变化的数据T；

E.通过光速计算延迟线位置的变化，将位置变化量也就是光程的变化量转化成相对于位置零点的延迟时间，绘出(T-T₀)/T₀随延迟时间的变化关系曲线；

F.对所得到的(T-T₀)/T₀随延迟时间变化曲线进行计算机模拟，得到(T-T₀)/T₀数值由最小值逐渐增加到接近于零的整个过程的时间常数，其数值即对应于深能级上非平衡载流子的弛豫时间。

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