CN1062073C

CN1062073C - 光束扫描空间微分反射光谱的方法及其装置

Info

Publication number: CN1062073C
Application number: CN 97106256
Authority: CN
Inventors: 戴宁
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 1997-01-28
Filing date: 1997-01-28
Publication date: 2001-02-14
Anticipated expiration: 2017-01-28
Also published as: CN1166596A

Abstract

这是一种利用人为方法在样品上产生某个物理量梯度，如温度梯度、应力梯度、电场和磁场等，并利用光束在样品上作一维扫描获得空间微分反射光谱的方法及其装置。相应的装置由光源、单色仪、振动反射镜、硅探测器、锁相放大器等组成。数据采集、处理、图象显示等由计算机控制。本发明方法简便、操作容易，对样品无破坏性，获得的信号强度大、灵敏度和分辨率高，可以作为半导体材料、量子阱、超晶格和薄膜研究的有效手段，并可在电子工业中广泛应用于材料生长和芯片质量监测。

Description

光束扫描空间微分反射光谱的方法及其装置

本发明是一种空间微分(调制)光谱的方法及其装置。

调制光谱是近二十年来发展起来的一种动态光谱测量技术，其基本原理是：给被测材料外加一个随时间作周期性变化的驱动(例如光、电场、磁场、应力、热等)，使材料(样品)的参数(如介电常数、能隙等)随外加驱动作周期性变化。当一束探测光经样品反射后，反射光强也将随材料参数的周期性变化而改变。利用锁相技术可将周期性变化的光强放大。因此，当探测光在一定的波长范围内连续变化时，就能获得所谓的调制光谱。

由于外加的驱动均是时间周期性的，因此，我们称这种传统的调制光谱为时间调制光谱。调制光谱的特点是，对应于能隙或超晶格、量子阱子能级跃迁的波长附近显示很尖锐的峰，这些峰同静态光谱(吸收、反射光谱)的一阶至三阶微商相联系。因此其灵敏度、分辨率以及信噪比可以提高2-3个数量级，是半导体材料、异质结(量子阱、超晶格)研究的一种有效手段。但是，时间调制光谱方法往往需要制备样品(例如，做电极)这就给实验带来很多不便，并给样品带来破坏性。而且，对样品施加的各种驱动，有时时间调制光谱难以都能做到。例如，由于传热装置和样品本身热容量及热辐射引起的波动，真正做到热调制有一定困难，即该方法的主动性或适应性较差。又如光调制往往受到泵光源波长的限制而无法用于宽禁带材料。这些都是时间调制光谱方法局限性。

本发明的目的在于提供一种对样品无需加上制备，对各种调制光谱研究有更强适应性的调制光谱的方法及其装置。

本发明提出的调制光谱，或称为微分光谱方法，不是给被测样品外加周期性驱动，而是利用被测样品材料固有的不均匀性或者人为地施加物理作用使样品的某个物理量产生不均匀性，再利用单色探测光在样品表面作周期性往复扫描来获得调制光谱。这里人为施加的物理作用可以是对样品施加热、应力、电、磁等作用，使样品在空间范围内产生相应的温度、应力梯度或电场、磁场梯度等，即使样品物理参数产生不均匀性。这种不均匀性一般不需要很大即可获得很好的测量效果。例如，温度梯度达到10℃/mm左右，应力梯度达到应变为10^-4-10^-3，电场10⁴伏/cm以上，均可测得很强的信号，而且这种施加物理作用的方法比较简便。例如，施加热作用只需将样品的一端连到散热片上，另一端接热源，于是样品两端即产生温差，从而在样品上产生温度梯度。又如，施加应力作用一般可以夹紧样品的一端，用顶针顶样品的另一端使其发生形变，这样就从固定端到被顶处之间形成了一应力梯度。施加电场或磁场同样很方便。

实现上述方法的装置如图1所示。它由光源1、单色仪2、扫描振动机构3、硅探测器4、锁相放大器5、计算机6及透镜依次按光路连接组成，被测样品7放置光路中间。其中的扫描振动机构3由低频信号发生器8、振动驱动器9和振动反射镜10连接构成。本装置中光源采用白光光源，可提供波长范围从200到1100mm的连续光谱。单色仪将输入的白光变成单色光输出，低频信号发生器是振动驱动器的电源，振动驱动器与振动反射境连接，振动驱动器带动反射镜作周期性平行振动，从而使入射到样品表面的光在样品表面作周期性扫描。通过样品反射的光经过透镜，由硅探测器将其转换成电信号，锁相放大器将探测器输入的光强信号中的直流信号阻断，只将交流信号放大。计算机控制信号的采集、显示、存储和处理，控制单色仪工作。

本装置中，光束在样品上的扫描范围和周期由加在电磁振动驱动器上的电压和频率决定，振动频率一般避开50Hz交流电及其倍频的频率，例如选择10-22，28-45Hz等。振幅在0-15mm可调。一般我们采用振动频率22Hz，扫描范围5mm。

本装置中，操作反射镜作平行振动的驱动器可采用频率、功率可调的低频电源驱动套在永久磁铁杆上的线圈，使之作往复平行运动，从而使反射镜作周期性平行振动。反射镜面法线同入射光线成45°角，以形成光45°反射后空间平行扫描。样品表面法线同入射光线也成45°角。光束在样品上的扫描频率等于低频驱动器的输出频率，扫描范围最大可达1．5厘米，以满足靠样品材料参数不均匀分布获得调制信号的要求。如果对样品施加物理作用，以产生相应物理量梯度，可配置相应的部件。例如，见图1中的加热器11、电源12、散热片13。

本装置工作过程如下：光源的白光经单色仪分光并经透镜聚焦后入射到振动反射镜上。振动反射镜在电磁振动驱动器的作用下作平行振动，经过其反射后的光束便形成了空间平行扫描。到达样品表面的光点是聚焦的且作一维往复扫描。经样品反射后的光由硅探测器接收后转换成电信号，并经锁相放大器放大后输入到计算机。样品两端形成温度梯度(或其他物理量梯度)以获得微分光谱信号。

上述调制光谱技术测到的谱线直接包含如下信息：峰的能量位置、半宽度和相位，这些量反映了半导体材料和量子阱、超晶格中的本征态、子带间跃迁的能量、能带类型、材料的组分和质量等。

利用本发明获得微分反射差光谱的基本原理如下：

设入射到样品表面的探测光光强为I_O，反射后的光强为I_L，反射率为R，则有关系

I_L=RI_O这里R是被测样品的参数集合P和入射光波长λ的函数，即R=R(λ，P)。为简单起见，令I_O=1(即入射光强是归一化的)，则有

I_L=R(λ，P)显然反射光强同波长λ和材料参数P有密切关系。下面以温度微分反射谱为例，进一步具体说明其原理。

如图2所示，假定在样品一端加一热源，保持另一端温度不变，这就在样品上产生了一个温度梯度。让光束延温度梯度方向作周期性扫描，由于光点在样品上的位置是时间的函数，于是有

I_L=R(λ，P(t))即当光束扫描到O点时，I_L=R(λ，P_O)，A点时，I_L=R(λ，P_A)。如果A，O两点处P的变化不大，可以用微分形式将I_L中的直流和交流分量分开：

I_L=R(λ，P(t))

=R(λ，P_O+P(t)-P_O)

=R(λ，P_O)+(R/P)[(P(t)-P_O]这里I_d=R(λ，P_O)为直流部分，I_t=(R/P)[P(t)-P_O]为交流部分，是时间t的函数，P_O为样品上的固定点(参考点，可任意选择)的参数集合。由于光在样品上的扫描是周期性的，所以交流部分I_t也是周期性变化的。

探测器将I_L=I_d+I_t变成电信号送入锁相放大器。锁相放大器的功用是将直流成份去掉，将交流信号的振幅部分放大而去掉时间因子(P(t)-P_O)。所以，锁相放大器输出的是

I_E ∝R(λ，P_O)/P_OI_E对应于交流光强振幅的电信号。如果让单色仪输出光(探测光)的波长在一定范围内变化，我们就得到了I_E作为λ函数的谱。重要的是，在一些物理上感兴趣的地方R(λ，P_O)/P_O将出现极大。例如，当P_O对应于量子阱、超晶格子带间的能隙，即P=E₁，E₂，……，E_n时，而入射光波长对应的光子能量在变化中分别等于E₁，E₂，……，E_n时，R的变化很快，如图3所示。而微分反射谱中得到的是微分谱，即I_E∝R(λ，P_O)/P_O。所以，在R(λ，P)变化快的地方将出现尖峰，如图4所示。因此，微分反射谱比普通的反射谱灵敏度和分辨率均要高得多。

由于本发明是通过对被测样品施加某一物理作用，从而使样品的某些物理参数在空间上产生不均匀性，经光束扫描获得微分反射光谱。因此称本发明为光束扫描空间微分反射光谱。

本发明只需人为地使材料物理参数形成分布梯度，甚至可以利用样品本身固有的不均匀性，就能获得反射差光谱。使材料产生物理量梯度的较方便和直接的手段有：加热、加应力及电场、磁场等。这些手段都不破坏样品。因此，本发明技术简单而具有非破坏性，不使操作复杂化。而且可以进行各种各样的特征光谱研究，具有很广泛的适应性，不象时间调制光谱，有些调制手段在一般条件下较难实现。

本发明的调制信号强度也较大，一般时间调制的信号强度都小于10^-3而空间调制信号强度可以大于10^-3量级。由于本发明的上述特点，可使其在许多新的领域得到应用。比如，利用光学窗口对分子束外延及其他晶体生长过程进行原位研究和测量。以前曾有人用光调制技术作分子束外延生长的原位监测，但由于要求光子能量要大于材料能隙(否则无法将载流子激发到导带)和有些材料难以用激光激发使其改变参数，因而无法用于能隙大的或某些特殊材料的生长监测。由此可见，本发明可以作为半导体量子阱、超晶格和薄膜研究的有效手段，而且可在工业特别是电子工业中广泛用于材料生长和芯片质量的监测。

图1．本发明装置结构示意图

图2．探测光扫描样品示意图

图3．静态光谱

图4．与图3对应的微分光谱

Claims

1．一种光束扫描空间微分反射光谱方法，其特征在于利用被测样品材料固有的不均匀性或者人为地对被测样品施加热、应力等物理作用使其相应的物理量产生不均匀性，再利用单色探测光在样品表面形成周期性往复扫描来获得调制光谱。

2．根据权利要求1所述的光束扫描空间微分反射光谱方法，其特征在于对被测样品施加热作用的步骤为将样品一端连到散热片上，另一端接热源，使样品两端产生温差而形成温度梯度，并使温度梯度达到10℃/mm。

3．根据权利要求1所述的光束扫描空间微分反射光谱方法，其特征在于对被测样品施加应力作用的步骤为将样品一端夹紧，用顶针顶样品的另一端使其发生形变，从而在样品两端之间形成应力梯度，并使应变达到10^-4-10^-3。

4．一种利用光束扫描获得空间微分反射光谱的装置，由光源1，单色仪2，扫描振动机构3，硅探测器4，锁相放大器5，计算机6及透镜依次按光路连接组成，被测样品7放置于光路中间，其特征在于扫描振动机构3由低频信号发生器8，振动驱动器9和振动反射镜10连接构成，低频信号发生器为振动驱动器的电源，振动驱动器与振动反射镜连接，并带动反射镜作周期性平行振动，反射镜面法线同入射光线成45°角，以形成光45°度反射后空间平行扫描，样品表面法线同入射光线也成45°角。