CN101975766A - 一种利用差谱法收集激光诱导反射光谱的方法 - Google Patents

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季振国
李铁强
席俊华
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本发明公开了一种利用差谱法收集激光诱导反射光谱的方法，本发明通过比较激光器开启前后接收到的反射光谱的信号的变化，得出两者的之间的差谱信号，由此获得激光诱导紫外-可见反射光谱。本发明的方法省略了锁相放大器和斩波器，使得设备体积缩小，成本降低；使用了基于线性CCD的微型光谱仪，动态范围极大，而且可以同时测量所有波长的强度，测试速度大大提高；收集到的差谱呈现的是强度谱的形式，而利用光调制和锁相放大器技术获得的反射光谱的微分形式，因此数据处理和机理分析更加方便、直观。

Description

一种利用差谱法收集激光诱导反射光谱的方法
技术领域
本发明涉及一种光谱分析技术，尤其涉及一种激光诱导紫外-可见反射光谱的测试方法。
背景技术
紫外-可见光谱仪是半导体材料表征的重要工具，常常用来测量半导体材料的禁带宽度、薄膜厚度、折射率等主要参数。然而，紫外-可见光谱仪对禁带宽度的测量需要通过数学方程(Tauc方程)的拟合才能获得半导体材料的禁带宽度，精度不高。特别是在测量纳米或非晶半导体材料时，由于散射以及杂质吸收等因素的存在，吸收边附近的谱线往往存在很大的拖尾，导致数学方程拟合时误差较大，因此得不到精确的禁带宽度值。又如，薄膜样品的光谱中往往存在强烈的光干涉现象，以致对谱线造成很大的干扰，使得通过拟合得到的禁带宽度精度较差。再者，半导体材料的杂质和缺陷以及它们的能级位置对材料的光电性能有着重要的影响，但是由于紫外-可将光谱仪的灵敏度和波长分辨率的限制，一般很难通过紫外-可见光谱仪测量半导体材料中杂质和缺陷引起的能级。虽然可以通过其他方法如荧光光谱法和载流子浓度-温度变化法测量半导体材料中的杂质和缺陷能级，但是，这种测量一般需要在很低的温度下进行，导致仪器设备结构复杂，同时，漫长的冷却时间也使得测试时间大大延长，测试成本增加。
激光诱导紫外-可见反射光谱可以在很大程度上解决上述缺点。该测试技术于1960年代被提出，并于1985年首次用来分析半导体材料的微结构。该系统与一台普通的反射光谱仪十分相似，只不过增加了一台附带斩波器的激光器和一台锁相放大器。光子能量大于材料禁带宽度的激光器以周期性的脉冲方式工作，导致半导体材料表面载流子浓度的周期性变化，因而使得材料表面激光照射区的折射率也发生相应的变化。由于反射率与折射率相关，因此折射率的变化又导致反射率的变化。通过对激光强度的调制并用锁相放大器检出微弱的信号，即可得到材料的禁带宽度以及杂质和缺陷的电离能。
由于激光诱导产生的反射率变化很小，强度的相对变化值仅为没有激光照射时反射率的万分之一，甚至百万分之一。因此，普通的紫外-可见光谱仪由于受数据动态范围的限制和检测灵敏度低的制约无法用于激光诱导反射光谱的测量，因而传统的激光诱导反射光谱仪均采用斩波器结合锁相放大器的方法采集数据，例如“基于步进扫描的光调制反射光谱方法及装置”(CN200610023427.9)。但是这样一来，仪器设备相对复杂，而且光谱数据只能一个波长点一个波长点进行采集，因此数据采集速度较慢。更加严重的时通过锁相放大器采集到的数据是微分信号，在后续的数据处理以及对材料的机理分析方面显得很不直观、方便。
发明内容
本发明的目的是根据现有激光诱导紫外-可见反射光谱技术的不足，提供一种利用差谱法收集激光诱导反射光谱的方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种利用差谱法收集激光诱导反射光谱的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在没有开启激光器的情况下收集反射谱作为参考光谱R0；
(2)在开启激光器的情况下收集带有激光诱导成分的反射谱R1；
(3)把上述两条谱线利用相减获得的差谱ΔR＝R1-R0就是激光器开启前后紫外-可见反射光谱的变化情况，即激光诱导紫外-可见反射光谱。ΔR即反映出了激光照射前后因为电子跃迁引起的样品紫外-可见反射光谱变化。
本发明的有益效果是：本发明与传统的光调制结合锁相放大器的激光诱导紫外-可见反射光谱仪相比，具有以下技术效果：
1、省略了锁相放大器和斩波器，使得设备体积缩小，成本降低；
2、使用了基于线性CCD的微型光谱仪，动态范围极大，而且可以同时测量所有波长的强度，测试速度大大提高；
3、收集到的差谱呈现的是强度谱的形式，而利用光调制和锁相放大器技术获得的反射光谱的微分形式，因此数据处理和机理分析更加方便、直观。
附图说明
图1为利用差谱法测量激光诱导紫外-可见反射光谱的仪器结构原理图；
图2为实验测得的激光诱导紫外-可见反射光谱；
图3为实验测得的激光诱导紫外-可见反射光谱；
图中，1、激光器，2、紫外-可见光源，3、样品，4、CCD微型光谱仪。
具体实施方式
本发明的激光诱导紫外-可见反射光测量方法是一种全新的方法，它的特点是不使用光调制技术，不需要斩波器和锁相放大器，而且采用线性CCD微型光谱仪直接把激光照射前后的两条紫外-可见反射谱相减，并利用两者的差谱获得激光诱导反射光谱。简单说，就是利用一台可同时检测各种波长的线性CCD微型光谱仪、一个紫外-可见光源和一台激光器就可以构成激光诱导反射光谱。
如图1所示，本发明基于线性CCD的激光诱导反射光谱仪包括：激光器1、紫外-可见光源2和CCD微型光谱仪4，其中紫外-可见光源发出的光线与CCD微型光谱仪的接收光线相对于样品3表面的法线5对称。
本发明利用差谱法收集激光诱导紫外-可见反射光谱的方法，包括以下步骤：
1、在没有开启激光器的情况下收集反射谱作为参考光谱R0；
2、在开启激光器的情况下收集带有激光诱导成分的反射谱R1；
3、把上述两条谱线利用相减获得的差谱ΔR＝R1-R0就是激光器开启前后紫外-可见反射光谱的变化情况，即激光诱导紫外-可见反射光谱。ΔR即反映出了激光照射前后因为电子跃迁引起的样品紫外-可见反射光谱变化。
实施例：
激光器采用YAG高能脉冲激光器，基频光波长1064nm，倍频光波长532nm，脉冲频率为每秒10次，脉宽10nS，单一脉冲能量100mJ。实验时采用倍频532nm作为激光光源，氙灯作为紫外-可见反射光谱的光源，微型光谱仪为美国海洋光学的HR4000微型光谱仪，分辨率为0.2nm，谱线的收集时间为50秒，总计数接近107/秒。图2为实际测得的GaP晶片的激光诱导反射谱ΔR，图3为把横坐标转换成光子能量后的反射谱，图中的强峰为激光光源倍频对应的峰(532nm)。在ΔR谱中可见，在光子能量为2.262eV和2.145eV处出现了明显的正峰，而在2.218eV出现了一个负峰。其中2.262eV的峰与GaP的禁带宽度2.261eV非常一致，因此2.262eV峰对应的为6aP材料的禁带宽度，即电子的本征跃迁引起的。另外两个峰分别与2.262eV峰相差0.123eV和0.044eV，从能量看，应该与GaP中杂质和缺陷相关。可见利用本发明所述的方法，可以在室温下非常精确地测量出GaP材料的禁带宽度和杂质、缺陷的电离能。

Claims (1)

1.一种利用差谱法收集激光诱导反射光谱的方法，基于线性CCD的激光诱导反射光谱仪包括激光器、紫外-可见光源和CCD微型光谱仪，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在没有开启激光器的情况下收集反射谱作为参考光谱R0。
(2)在开启激光器的情况下收集带有激光诱导成分的反射谱R1。
(3)把上述两条谱线利用相减获得的差谱ΔR＝R1-R0就是激光器开启前后紫外-可见反射光谱的变化情况，即激光诱导紫外-可见反射光谱。ΔR即反映出了激光照射前后因为电子跃迁引起的样品紫外-可见反射光谱变化。
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