CN101949844A - 一种改善半导体材料光致发光测试效果的测试系统 - Google Patents

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本发明涉及一种改善半导体材料光致发光测试效果的测试系统，包括激光器、光谱测量系统和光路部件，光路部件包括反射镜、透镜和抛物面镜，并构成测试光路。激光器激发的激光经过反射镜转换方向后由透镜聚焦直接照射在被测样品上，被测样品反射的激光通过抛物面镜收集转向准直后以宽光束形式送达光谱测量系统。本发明中的激光器根据半导体材料的特性选择合适的发射波长，从而获得较高的光致发光强度，提升光致发光测试能力及改善测试的灵敏度，并且本发明对光谱测量系统也没有限制和特殊要求，实现方式相当灵活。

Description

一种改善半导体材料光致发光测试效果的测试系统
技术领域
本发明涉及半导体材料、半导体测试及光谱技术领域，特别是涉及一种改善半导体材料光致发光测试效果的测试系统。
背景技术
自上世纪六十年代半导体激光器发明以来，各种半导体光电材料发展迅速，其结构已由简单的体材料发展到复杂的、异质结、量子阱、超晶格等微结构材料，涉及的波长范围由早期在近红外的狭窄波段拓展到整个紫外、可见、近红外、中红外乃至远红外波段，材料体系也包含VI、III-V、II-VI、IV-VI及有机化合物等，不一而足。半导体激光器已包括分布反馈、面发射以及量子级联等等多种形式，其基本结构也已由双极型扩展到单极型，激射波长由近红外、可见波段拓展到中红外、远红外以及紫外波段，很多种类的激光器已实现了商品化并应用于众多领域。随着半导体激光器理论及材料生长技术的进步，一些新型的半导体激光器在近十年中有了长足的发展。
对于半导体光电材料，评价其性能及了解其内部各种机理的重要和不可替代的手段是光致发光测量。光致发光测量测量中采用波长小于所测材料带隙或特征结构对应波长的光源进行激发，同时用光谱学方法测量材料在此激发下的发光性能及其谱特征，据此获得被测材料的相关信息。此种方法在半导体材料和半导体物理研究领域已广泛应用数十年，取得了很好的效果，但仍存在一些不足之处。例如：传统的光致发光测量中仍延续采用早期针对近红外短波端材料的激发光源，如可见光波段的He-Ne、Ar+、YAG及紫外波段的He-Cd等种类的气体或固体激光器，这些激光器虽然发展较早较为成熟，但都存在体积大、效率低、价格偏高以及使用不太方便等方面问题，特别是随着材料的发光波长不断向长波方向延伸及各种复杂结构材料的出现，这些激光器的激发效率会受到很大限制，因而降低光致发光方法的测试灵敏度，进而限制这种有效方法的测试表征能力。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种改善半导体材料光致发光测试效果的测试系统，可以改善半导体材料光致发光测试效果，并能适用于现有的常用光谱仪器如光栅光谱仪、傅立叶变换光谱仪。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种改善半导体材料光致发光测试效果的测试系统，包括激光器、光谱测量系统和光路部件，所述的光路部件包括反射镜、透镜和抛物面镜，并构成测试光路；所述的激光器激发的激光经过所述的反射镜转换方向后由所述的透镜聚焦直接照射在被测样品上，所述的被测样品反射的激光通过抛物面镜收集转向准直后以宽光束形式送达光谱测量系统；所述的激光器根据半导体材料的特性确定发射波长；所述的发射波长小于被测样品产生的光致发光波长，并在近红外波段内选取。
所述的半导体材料的特性包括半导体材料的带隙和外延结构。
所述的激光器为功率半导体激光器或全固态半导体激光器。
所述的抛物面镜的口径大于2.5cm。
所述的光谱测量系统为光栅光谱仪或傅立叶变换光谱仪。
所述的被测样品包括发光波长大于所述激光器的发射波长的InP基的InGaAs、InGaAsP、InAlGaAs以及GaSb/InAs基的InGaAsSb、AlInAsSb、InAsPSb的体材料和微结构材料。
所述的光路部件和激光器均安装在光学面包板上构成一体化部件，并利用采用硅CCD/CMOS的普通数码相机、摄像头或荧光卡进行光路调节。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明根据被测材料的种类和特性来选择合适的发射波长从而获得较高的光致发光强度，从而提升光致发光测试能力及改善测试灵敏度，并且整个测试系统用一体化的简单高效的光路便可实现，光路的调节可通过应用硅CCD/CMOS的普通数码相机、摄像头或荧光卡等加以实现，十分方便。另外，本发明对光谱测量系统也没有限制和特殊要求，即可以选用光栅光谱仪，也可以选用傅立叶变换光谱仪，实现方式相当灵活。
附图说明
图1是本发明的系统结构图；
图2是本发明的测试结果图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种改善半导体材料光致发光测试效果的测试系统，包括激光器、光谱测量系统和光路部件，所述的光路部件包括反射镜、透镜和抛物面镜，并构成测试光路；所述的激光器激发的激光经过所述的反射镜转换方向后由所述的透镜聚焦直接照射在被测样品上，所述的被测样品反射的激光通过抛物面镜收集转向准直后以宽光束形式送达光谱测量系统。
所述的激光器的发射波长的范围根据半导体材料的特性(如构成材料的带隙、不同的外延结构等)进行选定。众所周知，半导体材料的吸收系数及吸收长度是与波长密切相关的，一般波长越短吸收系数越高，因而吸收长度越短；光致发光测量中一方面希望激发光在要测量的区域或结构中产生较强的吸收从而提高其激发效率，另一方面又希望在其他区域(如一些不包含有效光致发光信息的表面层)有尽量小的吸收或较深的透入深度。而对光致发光测量而言，理论上讲发射波长只要小于被测材料的带隙或特征结构对应的波长就可进行激发。综合这几点，在发射波长的选择上就存在一个优化问题。另一方面，光致发光测量一般希望用于光激发的激光器有较高的输出功率(或者说有较大的功率调节范围)，这样对发光较弱的材料也能进行测量，或者在较大的激发功率范围内进行测量获得相关信息，从而提高测试表征能力。根据前述原则，在满足被测材料的带隙或特征结构对应的波长要求的前提下，本发明选取适当长些的发射波长进行激发，如发射波长可选择在近红外波段范围，但较小于样品光致发光波长的某个特定波长。这样一方面激发光有较深的透入深度以避开或减弱不包含有效光致发光信息的表面层的影响(这些表面层在器件结构材料中是普遍存在的)，另一方面在要测量的区域或结构中也可产生较强的吸收从而提高其激发效率。
传统光致发光测量中激发激光器常用的是可见光波段的He-Ne、Ar+、YAG及紫外波段的He-Cd等种类的气体或固体激光器，随着激光技术的发展，现在则有了更大的选择余地。因此可以根据选定的发射波长范围以及测试中应用不同激光器的可行性(如激光器的相关性能参数、可靠性、稳定性以及性价比等)来确定合适种类的激光器。本发明中选取功率半导体激光器或DPSS激光器等作为激发激光器，一方面这些种类的激光器与传统的可见光波段He-Ne、Ar+、YAG及紫外波段的He-Cd等种类的气体或固体激光器相比，具有体积小、效率高、使用较方便等优点，另一方面在较长的工作波长上也有较大的波长选择余地，可达到较高的综合性价比。例如：808nm、980nm及1450nm的大功率半导体激光器已广泛用于各种泵浦源，采用半导体激光器泵浦的各种二极管泵浦固体激光器已有了较多的波长选择范围，如475nm、532nm、594nm及1064nm等等。
本发明中对光谱测量系统并无限制和特殊要求，即换用光激发激光器后原有光谱测量系统仍可使用，因此普遍适用于现有的常用光谱仪器如光栅光谱仪、富立叶变换光谱仪等。
下面以一种基于1064nm DPSS激光器和傅立叶变换光谱仪的光致发光测量系统进一步说明本发明。如图1所示，激光器1通过激光器电源10提供电压激发激光，激发的激光经反射镜31转换方向后通过透镜32聚焦直接照射在被测样品4上，被测样品4反射的激光直接出射而不进入傅立叶变换光谱2，样品的发光采用口径大于2.5cm(有利于光的收集)的抛物面镜33收集转向准直后以宽光束形式送达傅立叶变换光谱仪2，光束经麦克尔逊干涉仪21进入探测器23，再由前置放大器24放大和电子学系统25的采样进入计算机26，经过傅立叶变换可得到最终的光致发光谱。测试步骤具体如下：
(1)选择最大输出功率为2W的1064nm DPSS激光器1作为此光致发光测量系统的激发光源。此发射波长适合的材料体系，包括发光波长大于约1100nm的InP基InGaAs、InGaAsP、InAlGaAs和GaSb/InAs基的InGaAsSb、AlInAsSb、InAsPSb等体材料和微结构材料。最高2W的输出功率也可满足绝大多数测量要求。对此系列的DPSS激光器而言，由于1064nm是其泵浦效率最高的基频激射，因此具有最高性价比。
(2)采用Nicolet 860型傅立叶变换光谱仪2进行光谱测量，测量中麦克尔逊干涉仪21中的分束器211选用CaF2分束器、探测器23选用InSb探测器，以此适应此光谱测量波段。麦克尔逊干涉仪21中的定镜212为普通定镜，动镜213与伺服系统22相连。
(3)将被测样品4放置于X-Y调节平台上，采用图1所示由反射镜31、透镜32和口径5厘米左右的抛物面镜33构成的简单高效测试光路，所有光路部件和DPSS激光器均安装在30cm×30cm的光学面包板上构成一体化部件，并通过采用硅CCD/CMOS的普通数码相机或摄像头对光路进行调节，光路调节完成后便可开始测试。采用硅CCD/CMOS的普通数码相机、或摄像头不仅能够对可见光进行调节，还对人眼不可见的近红外波段有很好的响应。
(4)采用此测试系统对InP基InGaAs外延材料样品进行测试，测试中1064nm DPSS激光器的输出功率设定为200mW，测试结果如图2粗实线所示。为验证此发明对光致发光测量效果的改善，在同一光路下用波长为514.5nm的Ar+激光器在同样200mW的输出功率下对同一样品进行了测试，测试结果如图2框划线所示。不难发现，比较采用514.5nm的Ar+激光器和1064nm的DPSS激光器进行激发的测试效果可见，用较长波长进行激发后的信号强度和信噪比都有一个数量级的改善，且使用十分方便。
需要说明的是，本实施例中的光谱测量系统还可以使用光栅光谱仪，当使用光栅光谱仪时，需要在抛物面镜和光栅光谱仪之间再加装一块透镜使由抛物面镜准直后的宽光束经聚焦后送入光栅光谱仪。本实施例中的激光器还可以选择近红外波段的其他种类激光器，由于近红外波段的激光器的激发光对人眼不可见，故还可采用荧光卡片或红外寻像器等对光路进行调节。
由此可见，本发明根据被测材料的种类和特性来选择合适的发射波长从而获得较高的光致发光强度，从而提升光致发光测试能力及改善测试灵敏度，并且整个测试系统用一体化的简单高效的光路便可实现，光路的调节可通过应用硅CCD/CMOS的普通数码相机、摄像头或荧光卡加以实现，十分方便。另外，本发明对光谱测量系统也没有限制和特殊要求，即可以选用光栅光谱仪，也可以选用傅立叶变换光谱仪，实现方式相当灵活。

Claims (7)

1.一种改善半导体材料光致发光测试效果的测试系统，包括激光器(1)、光谱测量系统(2)和光路部件(3)，其特征在于，所述的光路部件(3)包括反射镜(31)、透镜(32)和抛物面镜(33)，并构成测试光路；所述的激光器(1)发射的激光经过所述的反射镜(31)转换方向后由所述的透镜(32)聚焦直接照射在被测样品(4)上，所述的被测样品(4)产生的激光通过抛物面镜(33)收集转向准直后以宽光束形式送达光谱测量系统(2)；所述的激光器(1)根据半导体材料的特性确定发射波长；所述的发射波长小于被测样品产生的光致发光波长，并在近红外波段内选取。
2.根据权利要求1所述的改善半导体材料光致发光测试效果的测试系统，其特征在于，所述的半导体材料的特性包括半导体材料的带隙和外延结构。
3.根据权利要求1或2所述的改善半导体材料光致发光测试效果的测试系统，其特征在于，所述的激光器(1)为功率半导体激光器或全固态半导体激光器。
4.根据权利要求1所述的改善半导体材料光致发光测试效果的测试系统，其特征在于，所述的抛物面镜(33)的口径大于2.5cm。
5.根据权利要求1所述的改善半导体材料光致发光测试效果的测试系统，其特征在于，所述的光谱测量系统(2)为光栅光谱仪或傅立叶变换光谱仪。
6.根据权利要求1所述的改善半导体材料光致发光测试效果的测试系统，其特征在于，所述的被测样品(4)包括发光波长大于所述激光器的发射波长的InP基的InGaAs、InGaAsP、InAlGaAs以及GaSb/InAs基的InGaAsSb、AlInAsSb、InAsPSb的体材料和微结构材料。
7.根据权利要求1-6中任一权利要求所述的改善半导体材料光致发光测试效果的测试系统，其特征在于，所述的光路部件(3)和激光器(1)均安装在光学面包板上构成一体化部件，并利用采用硅CCD/CMOS的普通数码相机、摄像头或荧光卡进行光路调节。
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