CN108844926B - 磁光光致发光光调制反射和光调制透射光谱联合测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种磁光光致发光光调制反射和光调制透射光谱联合测试系统。该系统包括宽波段红外光源和傅立叶变换部件、具有红外光学窗口的低温强磁场系统、用于宽波段光入射和收集的反射/透射光路子模块、泵浦/调制两用的交流输出激光器及其引导光路、计算机控制的多功能光谱测试切换部件、光谱信号探测与解调模块、以及控制系统运行的计算机。本发明能够针对半导体材料的同一特定光斑位置实现磁光光致发光、光调制反射和光调制透射的联合测量，形成材料不同磁场光谱特性的可靠比对。本发明具有全面、无损和高灵敏优点，非常适用于半导体光学性质、电子结构和磁效应特性的光谱学检测。
Description
技术领域：
本发明涉及一种多调制光谱联合测试光学系统。具体涉及磁光光致发光、光调制反射和光调制透射的联合测试。其主要基于针对低温强磁场环境的激光泵浦/调制、反射和透射光路的共光学焦点耦合，通过系列反射镜组合的光谱切换部件，结合步进扫描傅立叶变换光谱探测和相敏检测等技术，实现磁光光致发光、光调制反射和光调制透射的联合测试。可用于半导体材料多维度磁光光谱特性测量，从而对决定材料光、电、磁性能的参数(如禁带宽度、缺陷能级、自旋等)进行表征，保证多角度光谱参数的可靠比对。
背景技术：
磁光光谱能够揭示半导体材料电子结构、光学特性和磁场之间的关联，反映材料能级移动、自旋分裂等能态结构变化，获取载流子有效质量、库伦结合等信息，是半导体材料物性分析和光电磁器件性能检测不可或缺的技术手段。在光谱技术中，光致发光(英文Photoluminescence，缩写PL)、光调制反射(英文Photoreflectance，缩写PR)和光调制透射(英文Phototransmittance，缩写PT)是研究半导体精细电子结构和光学特性的重要技术方法。
PL敏感于半导体的带边浅杂质态电子结构和光生载流子辐射复合特性；PR可获取半导体禁带上的激发态尤其是量子结构分立能级的分布；而PT则可清晰分辨半导体禁带下的能级缺陷细致特征。这三种光谱技术在功能上互为补充，极大地丰富了相关材料，尤其是半导体材料光电特性和物理过程的认识。
但是，目前一方面在对半导体检测中PL、PR和PT是作为独立的光谱技术加以测试的，这就很容易受到样品，尤其是电子结构均匀性差的样品空间位置影响，导致不同测量技术所反映的物理参数存在涨落；另一方面，PL、PR和PT没有与磁场结合成磁光光谱技术，缺少了所研究材料的磁场相关信息，从而导致材料光电性质的若干内禀信息未能得到破解，使得相关材料和器件的机理分析受到限制。
针对半导体独立PL、PR和PT光谱测试的不足和磁光调制光谱技术的空白，我们公开一种磁光光致发光、光调制反射和光调制透射光谱联合测试光学系统。具体地，基于针对低温强磁场环境的激光泵浦/调制、反射和透射光路的共光学焦点耦合，通过由系列反射镜组合所建立的PL、PR和PT光路切换，结合步进扫描傅立叶变换红外光谱探测和相敏检测等技术，实现宽波段磁光PL、PR和PT光谱的联合测试，可用于半导体多维度磁光光谱特性表征和光、电、磁性能的参数测量。
发明内容：
本发明实现宽波段磁光PL、PR和PT光谱的联合测试，非常适用于半导体多维度磁光光谱表征和光电磁物性参数测量。其关键技术包括：光路设计与优化、泵浦/调制交变激光长时控制、共焦点可见泵浦/调制与探测、高灵敏宽波段探测与相敏解调、组合反射镜工作状态精细切换、电信号的传输与反馈等。本发明主要包括以下模块部件和子系统：
-宽波段光源和傅立叶变换部件。其具有宽波段红外光源和迈克尔逊干涉仪，该干涉仪具有由计算机控制的可步进扫描动镜；
-光学低温强磁场系统。包括能够提供低温强磁场环境的杜瓦硬件和光学窗口，其中杜瓦中包含具有透射功能的样品架；
-反射/透射光路的光入射和收集子模块。包括宽波段光的入射子光路、反射收集子光路和透射收集子光路，这些子光路由抛物面反射镜和平面反射镜有机组合构成；
-激光及其引导光路。包括能够输出交变强度激光的激光器、激光聚焦系统和反射引导部件；
-光谱切换部件。包括一个带小孔抛物面反射镜、四个平面反射镜和一个位置控制单元，其中反射镜均具有独立的位置状态切换功能；
-光谱探测/解调模块。包括宽波段探测器和锁相放大器，其中探测器具有AC/DC双输出通道；
-系统控制台。包括一台能够控制干涉仪部件的运行、处理锁相放大器输出信号和探测器DC输出信号以及控制位置控制单元状态的多功能计算机。
所述的宽波段光源可以但不限于卤素灯和碳硅棒光源的组合。需要理解，此处涉及具体光源仅仅为了便于描述，而非限制本专利权利保护范围，实际上只要能提供长时稳定宽波段光信号输出的光源，就可以用于实施本发明专利。
所述的光学窗口可以但不限于硒化锌窗口。需要理解，此处涉及具体材料仅仅为了便于描述，而非限制本专利权利保护范围，实际上只要具有大透射率且耐低温和耐强磁场环境的窗口，就可以用于实施本发明专利。
所述的激光器的输出激光波长为532纳米，强度周期性交变频率处于音频范围。需要理解，此处涉及具体激光器参数仅仅为了描述需要，而非限制本专利权利保护范围，实际上只要能够提供光子能量大于待测样品禁带宽度、交变频率处于音频范围内、且平均功率不低于20毫瓦，就可以用于实施本发明专利。
所述的锁相放大器可以但不限于Stanford SR830DSP型锁相放大器。需要理解，此处涉及具体锁相放大器厂家和型号仅仅为了描述需要，而非限制本专利权利保护范围，实际上只要能够实现对音频范围内周期性幅度调制信号进行锁相放大，就可以用于实施本发明专利。
本发明显著优点是：
1与磁场结合的调制PL、PR和PT能够全面、无损地测量半导体材料的光电磁(如载流子有效质量、激子束缚能、自旋等)物理参数；
2基于激光泵浦/调制、反射和透射光路的共光学焦点耦合，利用光谱切换实现针对半导体材料的同一特定光斑位置的多维度调制光谱联合测试，避免由于样品不均、环境涨落等原因造成的测量结果误差，保障多维度光谱技术的可靠比对；
3结合步进扫描傅立叶红外变换光谱和幅值调制/相敏解调技术，既可弥补长程光路造成的信号下降，又可抑制传统双调制所引入的频率相互干扰噪声，从而实现弱信号的磁光光谱检测；
4根据前述优点，本发明解决多维度PL、PR和PT光谱的共光学焦点和多光谱技术间可靠切换问题，使得磁光PL、PR和PT光谱联合测试成为可能。
附图说明：
图1为磁光光致发光、光调制反射和光调制透射光谱联合测试光学系统示意图。图中101是宽波段光源，102为具有步进扫描功能的迈克尔逊干涉仪部件；201为待测样品，202为能够提供低温强磁场环境的杜瓦，203为一对光学窗口；301为入射子光路，302为反射收集子光路，303为透射收集子光路；401为具有交变强度输出功能的激光器系统，402为聚焦系统，403为略大于激光光斑尺寸的反射镜引导部件；501为带小孔抛物面第一反射镜，502为宽波段平面第二反射镜，503为宽波段平面第三反射镜，504为宽波段平面第四反射镜，505为宽波段平面第五反射镜，506为位置控制单元；601是AC/DC双通道探测器，602为锁相放大器；7为系统控制计算机。
具体实施方式：
具体的实施方案如附图所示。下面根据附图对本发明予以详细描述，能更好地说明本发明的技术特征和功能特点。
本发明的主要模块部件/子系统包括：
宽波段光源和傅立叶变换部件：傅立叶变换由迈克尔逊干涉仪部件102实现，其动镜具有步进扫描功能，光源101的光信号经过干涉仪部件102实现傅立叶变换调制；
光学低温强磁场系统：由待测样品201、低温强磁场杜瓦202和一对光学窗口203组成；待测样品201安装在杜瓦202的透射式样品架上，光学窗口203平行于待测样品201表面并位于其前后两侧；
反射/透射光路的光入射和收集子模块：入射子光路301、反射收集子光路302和透射收集子光路303分别由一个抛物面反射镜和若干平面反射镜组成，入射子光路301将干涉仪部件102输出的宽波段光信号汇聚并辐照至待测样品201表面；反射收集子光路302与入射子光路301在光路上关于待测样品法线对称，透射收集子光路303接收来自待测样品201背面的透射光，与入射子光路301在光路上关于宽波段光的汇聚焦点对称，以实现反射和透射信号的有效收集；
激光及其引导光路：激光器401输出光子能量大于待测样品201禁带宽度的强度交变激光，经聚焦系统402汇聚后由反射镜403引导辐照至待测样品201表面，激光光斑与入射子光路301所汇聚的宽波段光光斑重合，激光器401具有输出交变激光强度的功能，其频率位于音频范围内；
光谱切换部件：包括带小孔抛物面第一反射镜501、宽波段平面第二反射镜502、平面第三反射镜503、平面第四反射镜504、平面第五反射镜505以及位置控制单元506；第一反射镜501、第二反射镜502、第三反射镜503、第四反射镜504和第五反射镜505均分别具有处于工作光路的“开”状态和离开光路的“关”状态，其状态分别由位置控制单元506控制，抛物面第一反射镜501在处于“开”状态时其小孔能够通过反射镜403所引导的激光；
光谱探测/解调模块：包括AC/DC双通道探测器601和锁相放大器602，探测器601的AC通道与锁相放大器602输入端相连，DC通道与计算机相连，同时锁相放大器602信号输出端与计算机相连，而参考端与激光器系统401频率输出端相连；
系统控制台：一台控制迈克尔逊干涉仪部件102运行、处理锁相放大器602和探测器601输出以及控制位置控制单元506的计算机7。
实际运行时：
首先将待测样品201安装至低温强磁场杜瓦202的样品架上，设置测量所需的初始温度和磁场强度并保持稳定；
开启位置控制单元506和计算机7，将光谱切换部件第一反射镜501、第二反射镜502、第三反射镜503、第四反射镜504和第五反射镜505均设到“关”状态，开启激光器401，将输出激光经反射镜403引导辐照至待测样品201表面；
开启干涉仪部件102，使其工作于步进扫描状态，开启宽波段光源101，将光源信号导入干涉仪部件102，然后通过入射子光路301将干涉仪部件102输出口的宽波段光信号汇聚，并引导至待测样品201表面，保障宽波段光斑与激光光斑重合；
开启锁相放大器602，连接激光器系统401的频率输出端和锁相放大器602的信号参考，同时将探测器601的AC通道与锁相放大器602输入端相连，DC通道与计算机7相连；
开始磁光PL谱测量，第一反射镜501、第二反射镜502、第三反射镜503、和第五反射镜505设为“开”状态，第四反射镜504设为“关”状态，注意保证激光完全从抛物面第一反射镜501的小孔穿过；待测样品201的PL信号经由抛物面第一反射镜501收集，通过平面第二反射镜502进入迈克尔逊干涉仪部件102后由第三反射镜503和第五反射镜505馈入探测器601转化为电信号，输出到锁相放大器602进行相敏解调并最终通过计算机7获得PL谱；
切换至磁光PR谱测量，将第四反射镜504设为“开”状态而第一反射镜501、第二反射镜502、第三反射镜503和第五反射镜505均为“关”状态，经过傅立叶变换的宽波段信号通过入射子光路301入射样品表面，其反射强度受到交变激光的周期性调制，反射信号通过反射收集子光路302收集，由第四反射镜504汇入探测器601，探测器601的AC信号依次通过锁相放大器602相敏解调和计算机7处理得到调制谱ΔR，而DC信号直接通过计算机7处理得到静态谱R，二者相除获得PR光谱ΔR/R；
切换至磁光PT谱测量，将第一反射镜501、第二反射镜502、第三反射镜503、第四反射镜504和第五反射镜505均设为“关”状态，待测样品201的透射信号由透射收集子光路303收集并汇入探测器601，类似于上述PR的过程，获得待测样品PT谱；
根据需要改变待测样品201的测试磁场强度或者温度，重复执行PL、PR和PT测量步骤，由此即可获得用于样品磁、光、电特性研究检测的系列磁光PL、PR和PT谱。
Claims (2)
1.一种磁光光致发光光调制反射和光调制透射光谱联合测试系统，包括宽波段光源和傅立叶变换部件、光学低温强磁场系统、反射和透射光路的光入射和收集子模块、激光及其引导光路、光谱切换部件、光谱探测/解调模块和系统控制台，其特征在于：
所述的宽波段光源和傅立叶变换部件包括宽波段光源(101)和具有步进扫描功能的迈克尔逊干涉仪部件(102)，对光源(101)的光信号经过干涉仪部件(102)实现傅立叶变换调制；
光学低温强磁场系统由位于其中的待测样品(201)、能够提供低温强磁场环境的杜瓦(202)硬件和一对光学窗口(203)组成；杜瓦(202)带有透射式的样品架，光学窗口(203)平行于待测样品(201)表面并位于待测样品(201)两侧；
所述的反射和透射光路的光入射和收集子模块由若干抛物面反射镜和平面反射镜组成，包括入射子光路(301)、反射收集子光路(302)和透射收集子光路(303)；入射子光路(301)将经过干涉仪部件(102)输出的宽波段光信号汇聚，经过光学窗口(203)辐照至待测样品(201)表面；反射收集子光路(302)与入射子光路(301)在光路上关于待测样品法线对称，透射收集子光路(303)接收来自待测样品(201)背面的透射光，与入射子光路(301)在光路上关于光汇聚焦点对称，以实现反射和透射信号的有效收集；
所述的激光及其引导光路包括具有交变强度输出功能的激光器系统(401)、聚焦系统(402)和略大于激光光斑尺寸的反射镜引导部件(403)；激光器(401)输出光子能量大于待测样品(201)禁带宽度的强度交变激光，该激光经聚焦系统(402)汇聚后由反射镜(403)引导辐照至待测样品(201)表面，辐照光斑与入射子光路(301)所汇聚的宽波段光光斑重合；激光器(401)具有输出交变强度激光的功能；
所述的光谱切换部件包括带小孔抛物面第一反射镜(501)、宽波段平面第二反射镜(502)、平面第三反射镜(503)、平面第四反射镜(504)、平面第五反射镜(505)以及位置控制单元(506)；第一反射镜(501)、第二反射镜(502)、第三反射镜(503)、第四反射镜(504)和第五反射镜(505)位置均具有电动移动功能，分别具有处于工作光路的“开”状态和离开光路的“关”状态，第一反射镜(501)在处于“开”状态时其小孔能够通过反射镜(403)所引导的激光，每个反射镜的位置状态独立通过电路由位置控制单元(506)控制；通过这些反射镜状态的有效组合，能够实现磁光光致发光、光调制反射和光调制透射测试的自由切换；
所述的光谱探测/解调模块包括用于探测光谱信号的AC/DC双通道探测器(601)和用于解调和信号放大的锁相放大器(602)；探测器(601)将光信号转为电信号，其中交变信号由AC通道馈入锁相放大器(602)输入端，而直流信号通过DC通道馈入计算机；同时锁相放大器(602)与激光器系统(401)相连，接收激光器系统(401)的频率信号作为参考频率，锁相放大器(602)的输出信号输到计算机；
所述的系统控制台是一台计算机(7)，其能够控制迈克尔逊干涉仪部件(102)的运行、处理锁相放大器(602)输出信号和探测器(601)DC输出信号以及控制位置控制单元(506)；
本系统结合磁光光致发光、光调制反射和光调制透射光谱测试光路模式，通过光谱切换部件中系列光学元件状态的组合，针对半导体材料同一特定光点实现磁光光致发光、光调制反射和光调制透射光谱的联合测试，保障不同光谱响应特征的可靠比较。
2.一种基于权利要求1所述磁光光致发光光调制反射和光调制透射光谱联合测试系统的磁光光致发光、光调制反射和光调制透射光谱测量方法，其特征在于包括以下步骤：
[1].将待测样品(201)安装至低温强磁场杜瓦(202)的样品架上，并设置测量所需的初始温度和磁场强度；
[2].打开干涉仪部件(102)并使其工作于步进扫描状态；
[3].将光谱切换部件第一反射镜(501)、第二反射镜(502)、第三反射镜(503)、第四反射镜(504)和第五反射镜(505)均设到“关”状态，激光器系统(401)的输出激光经反射镜部件(403)引导辐照至待测样品(201)表面；
[4].通过入射子光路(301)将干涉仪部件(102)输出的宽波段光信号汇聚并引导至待测样品(201)表面，使宽波段光斑与激光光斑重合；
[5].连接激光器系统(401)的频率输出和锁相放大器(602)的信号参考，同时将探测器(601)的AC通道与锁相放大器(602)输入端相连，DC通道与计算机(7)相连；
[6].开始磁光光致发光测量，将第一反射镜(501)、第二反射镜(502)、第三反射镜(503)和第五反射镜(505)设为“开”状态，第四反射镜(504)设为“关”状态，待测样品(201)的光致发光信号经由抛物面第一反射镜(501)收集，通过第二反射镜(502)进入步进扫描迈克尔逊干涉仪部件(102)进行傅立叶变化调制，然后由第三反射镜(503)和第五反射镜(505)馈入探测器(601)转化为电信号，输出到锁相放大器(602)进行相敏解调并最终通过计算机(7)获得待测样品(201)的光致发光谱；
[7].切换至磁光光调制反射测量，将第四反射镜(504)设为“开”状态而第一反射镜(501)、第二反射镜(502)、第三反射镜(503)和第五反射镜(505)均为“关”状态，经过傅立叶变换的光源(101)信号通过入射子光路(301)入射样品表面，其反射强度受到交变激光的周期性调制，反射信号通过反射收集子光路(302)收集，由第四反射镜(504)汇入探测器(601)，探测器(601)的AC信号依次通过锁相放大器(602)相敏解调和计算机(7)处理得到调制谱，而DC信号直接通过计算机(7)处理得到静态谱，二者相除获得光调制反射；
[8].切换至磁光光调制透射测量，将第一反射镜(501)、第二反射镜(502)、第三反射镜(503)、第四反射镜(504)和第五反射镜(505)均设为“关”状态，待测样品(201)的透射信号由透射收集子光路(303)收集并汇入探测器(601)，获得待测样品(201)光调制透射谱；
[9].根据需要改变待测样品(201)的测试磁场强度或者温度，重复执行以上步骤[6]-[8]，由此即可获得用于样品磁、光、电特性研究检测的系列磁光光致发光、光调制反射和光调制透射光谱。
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