CN103278507A - 一种测量半导体材料弹光系数的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量半导体材料弹光系数的装置及方法，该装置沿光路依次包括光源、斩波器、起偏器、相位调制器、检偏器、光谱仪、光电探测器、信号采集系统和计算机控制系统，光源发出的光经过斩波器后变成强度周期性调制的光、经过起偏器后变成线偏振光，线偏振光经过相位调制器后照在样品上，确保近垂直入射，反射光经过检偏器后经过光谱仪最后被光电探测器接收，通过信号采集系统利用计算机控制系统进行控制和数据采集。本发明采用反射差分光谱，对样品施加连续可调的单轴应变；根据半导体材料平面内两个互相垂直的晶向反射系数的差异，从而得到折射率和吸收系数差异；利用晶体弹光系数矩阵和施加的单轴应变，得到弹光系数随光波波长的变化。

Description

一种测量半导体材料弹光系数的装置及方法

技术领域

本发明涉及半导体材料弹光系数测量技术领域，特别是一种测量半导体材料弹光系数的装置及方法。

背景技术

纤锌矿半导体材料被称为第三代半导体材料，因为较宽的带隙可以制作覆盖从近紫外到近红外的光波导，研究应变对波导光学性质主要是对折射率的影响，以及利用弹光效应研制声光调制的集成器件需要测量材料的弹光系数随波长的变化。

目前对于测量材料的弹光系数常用的测试方法为棱镜耦合法，通过测量应变不同的样品来确定弹光系数，测量过程中对入射角的精度有严格的要求，光源要有很好的准直性，所选用的光源往往是单波长的激光光源，探测器也需要相应的移动。测量的过程比较复杂，只能通过更换激光器进行不同波长的测量。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种测量半导体材料弹光系数的装置及方法，以解决弹光系数测量测量装置复杂、测量过程复杂的问题，达到通过一次测量得到不同波长对应的弹光系数目的。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种测量半导体材料弹光系数的装置，该装置沿光路依次包括光源、斩波器、起偏器、相位调制器、检偏器、光谱仪、光电探测器、信号采集系统和计算机控制系统，光源发出的光经过斩波器和起偏器后变成线偏振光，线偏振光经过相位调制器后照在样品上，确保近垂直入射，反射光经过检偏器后经过光谱仪最后被光电探测器接收，通过信号采集系统利用计算机控制系统进行控制和数据采集，其中：光源，用于提供波长连续光波，使半导体材料产生反射；斩波器，用于将光源发出的光调制成特定频率的交流信号，以提高测量精度；起偏器是高消光比的偏振棱镜，用于产生偏振度较高的线偏振光；相位调制器，用于在光波两个互相垂直振动方向上产生固定的位相差；检偏器是高消光比的偏振棱镜，用于检测特定偏振方向上光波的振幅；光谱仪是单色仪，用于将复色光变成单色光按波长输出；光电探测器，用于将光信号转变为电信号并输出；信号采集系统，用于将光电探测器输出的电信号经过三台锁相放大器分别提取出经过斩波器、相位调制器一倍频和相位调制器二倍频调制的信号，通过连接在计算机上的数据采集卡转变为数字信号被计算机记录下来；计算机控制系统，用于控制单色仪和相位调制器的波长变化。

上述方案中，所述样品放置于相位调制器与检偏器之间，所测量的样品为纤锌矿氮化镓样品，表面特征取向为c([0001])向。

上述方案中，所述光源是波长连续的光源，采用氙灯或者是由氘灯和溴钨灯组成的复合光源。

上述方案中，所述作为起偏器和检偏器的偏振棱镜能够达到5000∶1的消光比，保证测量精度。

上述方案中，所述起偏器的偏振方向与水平方向成45度，所述相位调制器的调制方向为水平方向，所述检偏器的方向为垂直于水平方向，通过调节偏振镜架实现上述角度配置。

上述方案中，所述光谱仪采用的光栅能够达到0.1nm的光谱分辨率。

上述方案中，所述光电探测器为光电倍增管，用来将接收的高频、微弱信号中的光强信息变成电流或电压信号并传输给锁相放大器，锁相放大器将斩波器和相位调制器调制的信号提取出来输出模拟信号给模拟/数字数据采集卡，并传送到计算机记录数据。所述光电探测器的响应时间与所述相位调制器的调制频率相匹配。

上述方案中，所述信号采集系统包括第一、第二及第三锁相放大器和数据采集卡，其中第一锁相放大器用于接收来自斩波器控制器的参考信号，斩波器控制器连接于斩波器，用于对斩波器的斩波频率进行控制；第二及第三锁相放大器分别接收来自相位调制器控制器的一倍频和二倍频信号，相位调制器控制器连接于相位调制器，用于对相位调制器的调制波长和位相延迟量进行控制；数据采集卡，用于将锁相放大器输出的模拟信号转变为数字信号传输给计算机进行记录。所述第一锁相放大器用来接收斩波器调制的普通反射率信号，所述第二锁相放大器用来接收相位调制器的一倍频调制的信号，用来测量反射率差异的虚部，所述第三锁相放大器用来接收相位调制器二倍频调制的信号，用来测量反射差分率Δr/r的实部。

上述方案中，所述计算机控制系统是一台计算机，通过串口连接并控制光谱仪和相位调制器控制器。

上述方案中，从光源发出的复色光通过调整光源自身的反射镜和透镜将光源发出的光变成平行光，光斑要小于通光孔径以保证偏振度，然后该平行光依次经过斩波器、起偏器、相位调制器、样品和检偏器，在斩波器、起偏器、相位调制器、样品和检偏器这几个元件中间不加入任何非保持偏振的光学元件以免影响测量结果。

上述方案中，所述样品设置于一个施加应变装置上，该施加应变装置由固定样品可旋转的样品槽和一个分厘卡或千分尺的螺旋测微器组成，该装置所使用的螺旋测微器能够达到0.01mm的单位行程，将样品安装在此装置上，通过该装置能够改变样品的应变状态。

上述方案中，该测量半导体材料弹光系数的装置利用起偏器得到线偏振光偏振方向为45度，经由相位调制器调制后得到的光的两个相互垂直的电场矢量具有位相差，然后照射在样品上，调制器主轴方向为0度，通过所述应变施加装置沿样品的m向或a向施加连续可调的单轴应变，样品反射的光经过检偏器得到反射差分光的强度，计算出反射差分率Δr/r。

为达到上述目的，本发明还提供了一种测量半导体材料弹光系数的方法，该方法包括：

步骤1：光路准直：利用He-Ne激光器或激光二极管调整光路，保证起偏器、相位调制器、样品，检偏器、光谱仪入射狭缝的中心在一条水平线上，调整光源的反射镜和出射透镜，保证输出平行光；

步骤2：系统校准：放置一个光学各向同性样品，反复调节起偏器和检偏器，使起偏器与相位调制器的光学主轴严格成45度，检偏器与相位调制器的光学主轴严格成90度，然后使用作为标准样品的(110)面Si或者非对称掺杂的GaAs/AlGaAs量子阱进行验证；

步骤3：反射差分光谱测量：将待测样品切割成20mm×5mm的长条，将样品固定在施加应变装置的凹槽中心；使样品的特征边平行于x轴或y轴，施加连续的单轴应变，改变一次应变进行一次测量，得到不同应变下的反射差分光谱；

步骤4：弹光系数计算：利用得到的反射差分率Δr/r理论模型求出Δn，利用折射率的变化与所施加应变和弹光系数的关系求得弹光系数，求得一系列的弹光系数，取其平均值。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明还提供的这种测量半导体材料弹光系数的装置及方法，由于使用连续光源，所以可以测量弹光系数随波长的变化。

2、本发明还提供的这种测量半导体材料弹光系数的装置及方法，由于通过机械装置施加连续可调应变，所以测量不同应变下的折射率变化，多次求平均值得到的弹光系数的准确度较高。

3、本发明还提供的这种测量半导体材料弹光系数的装置及方法，由于测量的是复折射率随应变的变化，所以可以同时得到消光系数和应变的关系。

4、本发明还提供的这种测量半导体材料弹光系数的装置及方法，由于测试方法简便、移植性强，所以可以用来测量其他半导体材料的弹光系数。

附图说明

为进一步说明本发明的内容及特点，结合以下附图及实施实例对本发明进行进一步的描述，其中：

图1是本发明提供的测量半导体材料弹光系数的装置的示意图。

图2是本发明提供的施加应变装置的示意图。

图3是测量的蓝宝石衬底上生长的c面GaN的弹光系数随波长变化的光谱图。

图4是本发明提供的测量半导体材料弹光系数的方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案能够更加清楚明白，以下结合具体施例，并参照附图，对本发明进行进一步详细说明。

如图1所示，图1是本发明提供的测量半导体材料弹光系数的装置的示意图，该装置沿光路依次包括光源、斩波器、起偏器、相位调制器、检偏器、光谱仪、光电探测器、信号采集系统和计算机控制系统。其中：光源是波长连续的光源，一般采用氙灯或者是由氘灯和溴钨灯组成的复合光源，能够提供波长连续光波，使大多数的半导体材料产生反射；斩波器，用于将光源发出的光调制成特定频率的交流信号，以提高测量精度；起偏器是高消光比的偏振棱镜，用于产生偏振度较高的线偏振光；相位调制器，用于在光波两个互相垂直振动方向上产生固定的位相差；检偏器是高消光比的偏振棱镜，用于检测特定偏振方向上光波的振幅；光谱仪是单色仪，用于将复色光变成单色光按波长输出；光电探测器，用于将光信号转变为电信号并输出；信号采集系统，用于将光电探测器输出的电信号经过三台锁相放大器分别提取出经过斩波器、相位调制器一倍频和相位调制器二倍频调制的信号，通过连接在计算机上的数据采集卡转变为数字信号被计算机记录下来；信号采集系统包括第一、第二及第三锁相放大器和数据采集卡，其中第一锁相放大器用于接收来自斩波器控制器的参考信号，斩波器控制器连接于斩波器，用于对斩波器的斩波频率进行控制；第二及第三锁相放大器分别接收来自相位调制器控制器的一倍频和二倍频信号，相位调制器控制器连接于相位调制器，用于对相位调制器的调制波长和位相延迟量进行控制；数据采集卡，用于将锁相放大器输出的模拟信号转变为数字信号传输给计算机进行记录。计算机控制系统，用于控制单色仪和相位调制器的波长变化；计算机控制系统可以是一台计算机，通过串口连接并控制光谱仪和相位调制器控制器。

请参阅图1，样品放置于相位调制器与检偏器之间，所测量的样品为纤锌矿氮化镓样品，表面特征取向为c([0001])向。从光源发出的复色光通过调整光源自身的反射镜和透镜将光源发出的光变成平行光，光斑要小于通光孔径以保证偏振度，然后该平行光依次经过斩波器、起偏器、相位调制器、样品和检偏器，在斩波器、起偏器、相位调制器、样品和检偏器这几个元件中间不加入任何非保持偏振的光学元件以免影响测量结果。

光源发出的光经过起偏器后变成线偏振光，线偏振光经过相位调制器后照在样品上，确保近垂直入射(入射光线和反射光线的夹角小于10度)，反射光经过检偏器后经过光谱仪最后被光电探测器接收，通过信号采集系统利用计算机控制系统进行控制和数据采集。

光源为具有较高空间稳定性和时间稳定性波长连续的光源，光源的光谱范围能够保证大多数半导体样品产生反射。作为起偏器和检偏器的偏振棱镜能够达到5000∶1的消光比，保证测量精度。光谱仪所采用的光栅能够达到0.1nm的光谱分辨率。光电探测器为光电倍增管，能够用来将接收的高频、微弱信号中的光强信息变成电流或电压信号并传输给锁相放大器，锁相放大器将斩波器和相位调制器调制的信号提取出来输出模拟信号给模拟/数字数据采集卡，并传送到计算机记录数据。第一锁相放大器用来接收斩波器调制的普通反射率信号，第二锁相放大器用来接收相位调制器的一倍频调制的信号，用来测量反射率差异的虚部，第三锁相放大器用来接收相位调制器二倍频调制的信号，用来测量反射率差异的实部。

为了保证不引入光学元件带来的测量误差，在测量之前本发明先用标准样品对光路进行校准，另外本发明所用到的光电探测器的响应时间与相位调制器的调制频率相匹配。

起偏器的偏振方向与水平方向成45度，相位调制器的调制方向为水平方向，检偏器的方向为垂直于水平方向，通过调节偏振镜架实现上述角度配置。

图2为施加应变装置的示意图，设置于在图1所述样品处，该装置由固定样品可旋转的样品槽和一个分厘卡或千分尺的螺旋测微器组成，该装置所使用的螺旋测微器能够达到0.01mm的单位行程。将样品安装在此装置上，通过该装置能够改变样品的应变状态。图2中，该装置具有的刀口要求具有足够的硬度保证自身不发生弹性形变，一般采用比较硬的不锈钢。样品固定在样品槽内之后，通过旋转螺旋测微器推动前面的刀口挤压样品的中心，使样品发生微小的形变。测量过程中保证光斑照射在样品的中心，即刀口中心附近以保证单轴应变的施加量。对样品施加的应变通常为c面内的m([1010])或a([1120])晶向及其等价方向上的张应变。

应变施加装置在样品的长宽大于3时可以利用

计算所施加的应变，其中J_o是样品中心的形变(螺旋测微器的行程)，其中2a是样品的长度，其中h是样品整体的厚度，其中x’x’是施加应变的方向。

本发明提供的测量半导体材料弹光系数的装置使用连续光源，在近垂直入射下测量不同单轴应变下的反射差分光谱，反射差分光谱的灵敏度能够达到10^-5，测量精度比较高；通过应变施加装置可以实现应变的连续可调，能够通过测量不同应变下折射率的变化(Δn)得到Δn和所施加应变的关系，在保证测量的精度前提下，得到弹光系数随波长的变化。本发明提供的测量半导体材料弹光系数的装置利用起偏器得到线偏振光偏振方向为45度，经由相位调制器调制后得到的光的两个相互垂直的电场矢量具有位相差，然后照射在样品上，调制器主轴方向为0度，通过所述应变施加装置沿样品的m向或a向施加连续可调的单轴应变，样品反射的光经过检偏器得到反射差分光的强度，计算出反射差分率Δr/r。

图3为本发明测量的结果，通过分析晶格结构和样品的结构得到折射率的变化值与反射差分率的关系，通过已经测量的折射率，或建立折射率的模型来计算弹光系数，纤锌矿半导体材料一般具有很强的压电效应，分析过程中通过计算压电效应产生的折射率的变化排除压电效应对测量结果的影响。

基于图1所示的本发明提供的测量半导体材料弹光系数的装置，图4示出了本发明提供的测量半导体材料弹光系数的方法流程图，该方法包括以下步骤：

步骤1：光路准直：利用He-Ne激光器或激光二极管调整图1所示光路，保证图1所述起偏器、相位调制器、样品(用反射镜替代)，检偏器、光谱仪入射狭缝及其他光学元件的中心在一条水平线上，调整光源的反射镜和出射透镜，保证输出平行光；

步骤2：系统校准：按照图1所述装置示意图所示光路光学元件的配置调整光路，放置一个光学各向同性样品，反复调节起偏器和检偏器，使起偏器与相位调制器的光学主轴严格成45度，检偏器与相位调制器的光学主轴严格成90度，然后使用标准样品((110)面Si或者非对称掺杂的GaAs/AlGaAs量子阱)进行验证；

步骤3：反射差分光谱测量：将待测样品切割成20mm×5mm的长条，将样品固定在施加应变装置的凹槽中心，使样品的特征边平行于x轴或y轴，施加连续的单轴应变，改变一次应变进行一次测量，得到不同应变下的反射差分光谱；

步骤4：弹光系数计算：利用得到的反射差分率Δr/r理论模型求出Δn，利用折射率的变化与所施加应变和弹光系数的关系求得弹光系数，求得一系列的弹光系数，取其平均值。

基于图4所示的本发明提供的测量半导体材料弹光系数的方法流程图，以下结合一个具体的实施例来详述本发明提供的测量半导体材料弹光系数的方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：使用He-Ne激光器或市售可见激光二极管进行光路准直保证各个元器件的中心和样品的中心在一条水平线上。

步骤2：按照光路图中标称的配置调整各个光学元件主轴的方位角，可以在样品位置处先放一个各向同性样品验证光路本身是否存在各向异性。如果存在各向异性精细调节光学元件的主轴角度使之消除。

步骤3：用标准样品(通常为(110)面Si或者非对称掺杂的GaAs/AlGaAs量子阱)自然解理边平行与x轴和y轴，进行验证。

步骤4：按照施加应变装置的凹槽的尺寸，将样品沿着c面内的a轴或m轴的方向切割成20mm×5mm的长条，将样品固定在装置凹槽的中心。使样品的特征边平行于x轴或y轴。

步骤5：调整样品架的角度使探测器得到的反射信号最大。

步骤6：顺时针旋转螺旋测微器使样品产生单轴应变，观察到各向异性信号，然后把波长固定在各向异性信号(一倍频和二倍频信号)最大处，精调样品架的角度使各向异性信号最大，固定样品架的角度，逆时针旋转直到各向异性信号消失。

步骤7：逐渐增大单轴应变，测量特定应变下的反射差分光谱，得到一系列的反射差分光谱，分别减去无应变时的光谱，利用

的对应关系计算出复折射率的变化，再利用求出弹光系数(p₁₁-p₁₂)。将不同应变下的得到弹光系数求出平均值。

从上述实施例中可以看出，本发明可以对纤锌矿氮化镓的反射差分光谱进行精确测量从而得到弹光系数，本方法的实现和运行都比较方便，成本低精度高。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和成果进行了详尽说明，上述仅为本发明的具体实施例，并不限制本发明在其他材料弹光系数测量时的应用，凡在本发明的精神和原则之内所做的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种测量半导体材料弹光系数的装置，其特征在于，该装置沿光路依次包括光源、斩波器、起偏器、相位调制器、检偏器、光谱仪、光电探测器、信号采集系统和计算机控制系统，光源发出的光经过斩波器后变成强度周期性调制的光，经过起偏器后变成线偏振光，线偏振光经过相位调制器后照在样品上，确保近垂直入射，反射光经过检偏器后经过光谱仪最后被光电探测器接收，通过信号采集系统利用计算机控制系统进行控制和数据采集，其中：

光源，用于提供波长连续光波，使半导体材料产生反射；

斩波器，用于将光源发出的光调制成特定频率强度周期性变化的交流信号，以提高测量精度；

起偏器是高消光比的偏振棱镜，用于产生偏振度较高的线偏振光；

相位调制器，用于在光波两个互相垂直振动方向上产生固定的位相差；

检偏器是高消光比的偏振棱镜，用于检测特定偏振方向上光波的振幅；

光谱仪是单色仪，用于将复色光变成单色光按波长输出；

光电探测器，用于将光信号转变为电信号并输出；

信号采集系统，用于将光电探测器输出的电信号经过三台锁相放大器分别提取出经过斩波器、相位调制器一倍频和相位调制器二倍频调制的信号，通过连接在计算机上的数据采集卡转变为数字信号被计算机记录下来；

计算机控制系统，用于控制单色仪和相位调制器的波长变化。

2.根据权利要求1所述的测量半导体材料弹光系数的装置，其特征在于，所述样品放置于相位调制器与检偏器之间，所测量的样品为纤锌矿氮化镓样品，表面特征取向为c([0001])向。

3.根据权利要求1所述的测量半导体材料弹光系数的装置，其特征在于，所述光源是波长连续的光源，采用氙灯或者是由氘灯和溴钨灯组成的复合光源。

4.根据权利要求1所述的测量半导体材料弹光系数的装置，其特征在于，所述作为起偏器和检偏器的偏振棱镜能够达到5000∶1的消光比，保证测量精度。

5.根据权利要求1所述的测量半导体材料弹光系数的装置，其特征在于，所述起偏器的偏振方向与水平方向成45度，所述相位调制器的调制方向为水平方向，所述检偏器的偏振方向为垂直于水平方向，通过调节偏振镜架实现上述角度配置。

6.根据权利要求1所述的测量半导体材料弹光系数的装置，其特征在于，所述光谱仪采用的光栅能够达到0.1nm的光谱分辨率。

7.根据权利要求1所述的测量半导体材料弹光系数的装置，其特征在于，所述光电探测器为光电倍增管，用来将接收的高频、微弱信号中的光强信息变成电流或电压信号并传输给锁相放大器，锁相放大器将斩波器和相位调制器调制的信号提取出来输出模拟信号给模拟/数字数据采集卡，并传送到计算机记录数据。

8.根据权利要求7所述的测量半导体材料弹光系数的装置，其特征在于，所述光电探测器的响应时间与所述相位调制器的调制频率相匹配。

9.根据权利要求1所述的测量半导体材料弹光系数的装置，其特征在于，所述信号采集系统包括第一、第二及第三锁相放大器和数据采集卡，其中第一锁相放大器用于接收来自斩波器控制器的参考信号，斩波器控制器连接于斩波器，用于对斩波器的斩波频率进行控制；第二及第三锁相放大器分别接收来自相位调制器控制器的一倍频和二倍频信号，相位调制器控制器连接于相位调制器，用于对相位调制器的调制波长和位相延迟量进行控制；数据采集卡，用于将锁相放大器输出的模拟信号转变为数字信号传输给计算机进行记录。

10.根据权利要求9所述的测量半导体材料弹光系数的装置，其特征在于，所述第一锁相放大器用来接收斩波器调制的普通反射率信号，所述第二锁相放大器用来接收相位调制器的一倍频调制的信号，用来测量反射率差异的虚部，所述第三锁相放大器用来接收相位调制器二倍频调制的信号，用来测量反射率差异的实部。

11.根据权利要求1所述的测量半导体材料弹光系数的装置，其特征在于，所述计算机控制系统是一台计算机，通过串口连接并控制光谱仪和相位调制器控制器。

12.根据权利要求1所述的测量半导体材料弹光系数的装置，其特征在于，从光源发出的复色光通过调整光源自身的反射镜和透镜将光源发出的光变成平行光，光斑要小于通光孔径以保证偏振度，然后该平行光依次经过斩波器、起偏器、相位调制器、样品和检偏器，在斩波器、起偏器、相位调制器、样品和检偏器这几个元件中间不加入任何非保持偏振的光学元件以免影响测量结果。

13.根据权利要求1所述的测量半导体材料弹光系数的装置，其特征在于，所述样品设置于一个施加应变装置上，该施加应变装置由固定样品可旋转的样品槽和一个分厘卡或千分尺的螺旋测微器组成，该装置所使用的螺旋测微器能够达到0.01mm的单位行程，将样品安装在此装置上，通过该装置能够改变样品的应变状态。

14.根据权利要求1所述的测量半导体材料弹光系数的装置，其特征在于，该测量半导体材料弹光系数的装置利用起偏器得到线偏振光偏振方向为45度，经由相位调制器调制后得到的光的两个相互垂直的电场矢量具有位相差，然后照射在样品上，调制器主轴方向为0度，通过所述应变施加装置沿样品的m向或a向施加连续可调的单轴应变，样品反射的光经过检偏器得到反射差分光的强度，计算出反射差分率Δr/r。

15.一种测量半导体材料弹光系数的方法，其特征在于，该方法包括：

步骤1：光路准直：利用He-Ne激光器或激光二极管调整光路，保证起偏器、相位调制器、样品，检偏器、光谱仪入射狭缝的中心在一条水平线上，调整光源的反射镜和出射透镜，保证输出平行光；

步骤2：系统校准：放置一个光学各向同性样品，反复调节起偏器和检偏器，使起偏器与相位调制器的光学主轴严格成45度，检偏器与相位调制器的光学主轴严格成90度，然后使用作为标准样品的(110)面Si或者非对称掺杂的GaAs/AlGaAs量子阱进行验证；

步骤3：反射差分光谱测量：将待测样品切割成20mm×5mm的长条，将样品固定在施加应变装置的凹槽中心；使样品的特征边平行于x轴或y轴，施加连续的单轴应变，改变一次应变进行一次测量，得到不同应变下的反射差分光谱；

步骤4：弹光系数计算：利用得到的反射差分率Δr/r理论模型求出Δn，利用折射率的变化与所施加应变和弹光系数的关系求得弹光系数，求得一系列的弹光系数，取其平均值。

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