CN110687052A - 一种测量光学带隙的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种测量光学带隙的方法和系统，包括采用椭偏仪对待测样品进行测量获得椭偏数据测量值；对椭偏数据进行建模及拟合计算，判断拟合计算得到的拟合值是否接近测量值，若是，利用拟合所得色散方程参数反推计算，获得待测样品的折射率和消光系数随波长变化的色散曲线；根据色散曲线以及吸收系数公式获得待测样品的吸收系数；根据吸收系数和Tauc公式求出待测样品的光学带隙。由于椭偏仪具有测量精度高、对衬底材料透明度没有要求的特点，因此，不仅能够精确地实现光学带隙的测量，而且能够极大地拓展光学带隙测量的适用范围，尤其针对不透明衬底或单面抛光衬底上的薄膜材料、不透明材料、多层或复杂膜结构材料等具有良好的测量效果。

Description

一种测量光学带隙的方法和系统
技术领域
本发明涉及半导体性能检测技术领域，更具体地说，涉及一种测量光学带隙的方法和系统。
背景技术
光学带隙是半导体材料的一个重要特征参量，其大小主要取决于半导体的能带结构，即与晶体结构和原子的结合性质等有关。它反映了价电子被束缚的强弱程度，也就是产生本征激发所需要的最小能量。无论是对于半导体材料性质的研究，还是新型光电器件的设计开发，光学带隙的测量都具有重要意义。
其中，半导体材料的光学带隙可以通过光谱方法测得，通常使用紫外-可见分光光度计通过透射或反射的方式，测量样品在不同波长下的吸光度，进而推算出光学带隙值。但是，紫外-可见分光光度计在实际使用中有许多限制：透射式测量仅适用于透明的样品，如液态样品、透明块体样品或镀在透明且双面抛光的衬底上的透明薄膜样品，并且，要求提供参考样品用于去除背底干扰，由于参考样品和实际样品存在加工精度误差以及衬底背面污染等问题，因此，薄膜样品的测量结果往往很难完全排除衬底的影响，测量误差较大；反射式测量多用于粉末样品测试，对于薄膜样品，由于其无法去除衬底反射的干扰，不能得到单纯的薄膜吸光度，因此，也无法准确推算出光学带隙值。
诸如此类，由于采用紫外-可见分光光度计测量半导体材料的光学带隙存在以上诸多问题，因此，导致许多新型材料(如不透明材料、镀在不透明衬底上的薄膜材料等)的光学带隙无法得到有效、精确测量，阻碍了半导体材料性质的研究。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种测量光学带隙的方法和系统，以精确、有效地实现材料光学带隙的测量。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种测量光学带隙的方法，包括：
采用椭偏仪对待测样品进行光学测量，获得椭偏数据测量值；
对椭偏数据进行建模及拟合计算，判断拟合计算得到的椭偏数据拟合值是否接近所述椭偏数据测量值，若是，利用拟合所得色散方程参数反推计算，获得所述待测样品的折射率和消光系数随波长变化的色散曲线；
根据所述色散曲线以及吸收系数公式获得所述待测样品的吸收系数；
根据所述吸收系数和Tauc公式求出所述待测样品的光学带隙。
可选地，所述椭偏数据包括：不同波长下，入射到所述待测样品上的光线与所述待测样品反射出的光线的振幅之比和相位差。
可选地，对椭偏数据进行建模及拟合计算，包括：
根据所述待测样品的结构建立样品结构模型；
根据所述待测样品的不同材料特征选择合适的色散方程和拟合算法；
将所述色散方程和拟合算法代入所述样品结构模型中对椭偏数据进行拟合计算。
可选地，所述吸收系数公式为：
α＝4πκ/λ；
其中，α为吸收系数，κ为消光系数，λ为波长。
可选地，所述Tauc公式为：
αhν＝A(hν-Eg)n/2；
其中，α为吸收系数，hν为光子能量，Eg为光学带隙。
一种测量光学带隙的系统，应用于如上任一项所述的方法，包括椭偏仪和处理器；
所述椭偏仪用于对待测样品进行光学测量，获得椭偏数据测量值；
所述处理器用于对椭偏数据进行建模及拟合计算，判断拟合计算得到的椭偏数据拟合值是否接近所述椭偏数据测量值，若是，利用拟合所得色散方程参数反推计算，获得所述待测样品的折射率和消光系数随波长变化的色散曲线，根据所述色散曲线以及吸收系数公式获得所述待测样品的吸收系数，根据所述吸收系数和Tauc公式求出所述待测样品的光学带隙。
可选地，所述椭偏数据包括：不同波长下，入射到所述待测样品上的光线与所述待测样品反射出的光线的振幅之比和相位差。
可选地，所述处理器用于根据所述待测样品的结构建立样品结构模型，将根据所述待测样品的不同材料特征选择的合适的色散方程和拟合算法代入所述样品结构模型中对椭偏数据进行拟合计算。
可选地，所述吸收系数公式为：
α＝4πκ/λ；
其中，α为吸收系数，κ为消光系数，λ为波长。
可选地，所述Tauc公式为：
αhν＝A(hν-Eg)n/2；
其中，α为吸收系数，hν为光子能量，Eg为光学带隙。
与现有技术相比，本发明所提供的技术方案具有以下优点：
本发明所提供的测量光学带隙的方法和系统，采用椭偏仪对待测样品进行光学测量获得椭偏数据，并通过对椭偏数据进行拟合计算等求出待测样品的光学带隙。由于椭偏仪具有测量精度高、对衬底材料透明度等没有要求的特点，因此，不仅能够精确、有效地实现光学带隙的测量，而且能够极大地拓展光学带隙测量的适用范围，尤其针对不透明衬底或单面抛光衬底上的薄膜材料、不透明块体材料、多层或复杂膜结构材料等具有良好的测量效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的测量光学带隙的方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的椭偏仪测量样品光学带隙的测量光路示意图；
图3为本发明实施例提供的TiO2薄膜样品的椭偏仪测量数据及拟合结果；
图4为本发明实施例提供的TiO2薄膜样品折射率n和消光系数κ随λ变化的色散曲线；
图5为本发明实施例提供的TiO2薄膜样品(αhν)1/2-hν关系图；
图6为本发明实施例提供的测量光学带隙的系统结构示意图。
具体实施方式
以上是本发明的核心思想，为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种测量光学带隙的方法，如图1所示，包括：
S101：采用椭偏仪对待测样品进行光学测量，获得椭偏数据测量值；
椭圆偏振光谱仪(简称椭偏仪)是一种无损检测光学设备，其基本原理是通过起偏器将一束椭圆偏振光照射于样品上，再利用检偏器对经过样品表面反射的反射光进行偏振态检测，计算出入射光与反射光的偏振态变化，包括振幅比与位相差，从而获得样品的内部信息。
由于椭偏仪采用偏振态检测的方式，对样品表面性质探测灵敏度高，因此，椭偏仪的测量精度较高，且可直接测量具有光滑表面的不透明样品，不需要参考样品，对衬底材料的透明性及加工精度等没有特殊要求。
本发明实施例中，如图2所示，将待测样品1的镀膜面10朝上、衬底11朝下放置于椭偏仪的样品台上，起偏臂2以固定角度θ(光与样品法线夹角)出射一束线偏振光，优选地，线偏振光的波长范围为190nm-1700nm。起偏臂2出射的光束在待测样品1表面发生反射，由于光与物质相互作用，因此，样品1反射的反射光的偏振态将发生改变，形成椭圆偏振光。
通过检偏臂3接收、检测并记录反射光偏振态对应不同波长的变化量，获得固定入射角度下宽光谱入射光的椭偏数据测量值，即获得在不同波长λ下，入射光与出射光的振幅之比Tan(Ψ)和相位差Cos(Δ)。也就是说，本发明实施例中的椭偏数据包括：不同波长下，入射到待测样品1上的光线与待测样品1反射出的光线的振幅之比和相位差。
S102：对椭偏数据进行建模及拟合计算，判断拟合计算得到的椭偏数据拟合值是否接近椭偏数据测量值，若是，进入S103；
S103：利用拟合所得色散方程参数反推计算，获得待测样品的折射率和消光系数随波长变化的色散曲线；
其中，对椭偏数据进行建模及拟合计算，包括：
根据待测样品的结构建立样品结构模型；
根据待测样品的不同材料特征选择合适的色散方程和拟合算法；
将色散方程和拟合算法代入样品结构模型中对椭偏数据进行拟合计算。
也就是说，在获得待测样品1的椭偏数据之后，即可根据待测样品1的结构建立样品结构模型，该结构模型包括衬底以及膜层结构等，以TiO2薄膜为例，包括硅衬底以及生长在硅衬底上的单层薄膜，之后即可针对不同材料特征选择合适的色散方程和拟合算法，如TiO2薄膜应选择Tauc-Lorentz模型和Drude模型，然后将色散方程和拟合算法代入样品结构模型中对椭偏数据进行拟合计算。
当椭偏数据拟合值与椭偏数据测量值最为接近时(拟合度R2>0.90)，认为待测样品1的实际光学性质符合拟合所得色散方程。图3为生长于硅衬底上的TiO2薄膜样品的椭偏仪测量数据及拟合结果，拟合度R2＝0.92。之后即可利用拟合所得色散方程参数反推计算，获得待测样品1折射率n和消光系数κ随λ变化的色散曲线，如图4所示。
S104：根据色散曲线以及吸收系数公式获得待测样品的吸收系数；
获得色散曲线之后，根据色散曲线以及吸收系数公式获得待测样品1的吸收系数，其中，吸收系数公式为：α＝4πκ/λ；α为吸收系数，κ为消光系数，λ为波长。由于色散曲线为消光系数κ随λ变化的曲线，因此，可以获得椭偏仪入射光波长λ下的消光系数κ，将其代入公式α＝4πκ/λ后，即可得到待测样品1的吸收系数α。
S105：根据吸收系数和Tauc公式求出待测样品的光学带隙。
获得吸收系数α后，即可根据Tauc公式求出待测样品1的光学带隙。其中，Tauc公式为：αhν＝A(hν-Eg)n/2；α为吸收系数，hν为光子能量，Eg为光学带隙。
对于直接带隙材料，n＝1，对于间接带隙材料，n＝4。因此，以hν为横坐标，以(αhν)2(直接带隙)或(αhν)1/2(间接带隙)为纵坐标做图，则其光学吸收边的切线与x轴交点的坐标值即为光学带隙Eg。
以TiO2薄膜为例，TiO2薄膜为间接带隙材料，因此，以hν为横坐标，以(αhν)1/2为纵坐标做图，如图5所示，其光学吸收边的切线与x轴(y＝0)交点坐标值即为光学带隙Eg。因此，可得TiO2薄膜的光学带隙约为3.3eV，与文献记载相符。
本发明实施例中仅以TiO2薄膜为例进行说明，并不局限于对于TiO2薄膜，其他各类薄膜、衬底、块体材料、复合膜结构等，只需更改步骤S102中的样品结构模型和色散方程，对椭偏数据进行相应拟合即可。
本发明实施例所提供的测量光学带隙的方法，采用椭偏仪对待测样品进行光学测量获得椭偏数据，并通过对椭偏数据进行拟合计算等求出待测样品的光学带隙。由于椭偏仪具有测量精度高、对衬底材料透明度等没有要求的特点，因此，不仅克服了常规紫外-可见分光光度计测量样品光学带隙时对样品条件的限制和测量准确性问题，能够精确、有效地实现光学带隙的测量，而且简单易行，能够极大地拓展光学带隙测量的适用范围，尤其针对不透明衬底或单面抛光衬底上的薄膜材料、不透明块体材料、多层或复杂膜结构材料等具有良好的测量效果。
本发明实施例还提供了一种测量光学带隙的系统，应用于如上实施例提供的方法，如图6所示，该系统包括椭偏仪20和处理器21。
其中，椭偏仪20用于对待测样品进行光学测量，获得椭偏数据测量值；
处理器21用于对椭偏数据进行建模及拟合计算，判断拟合计算得到的椭偏数据拟合值是否接近椭偏数据测量值，若是，利用拟合所得色散方程参数反推计算，获得待测样品的折射率和消光系数随波长变化的色散曲线，根据色散曲线以及吸收系数公式获得待测样品的吸收系数，根据吸收系数和Tauc公式求出待测样品的光学带隙。
对椭偏数据进行拟合计算之前，处理器21还用于根据待测样品的结构建立样品结构模型，将根据待测样品的不同材料特征选择的合适的色散方程和拟合算法代入样品结构模型中对椭偏数据进行拟合计算。
其中，吸收系数公式为：α＝4πκ/λ；α为吸收系数，κ为消光系数，λ为波长。Tauc公式为：αhν＝A(hν-Eg)n/2；α为吸收系数，hν为光子能量，Eg为光学带隙。
如图2所示，椭偏仪20包括样品台、起偏臂2和检偏臂3。将待测样品1的镀膜面10朝上、衬底11朝下放置于椭偏仪20的样品台上，起偏臂2以固定角度θ出射一束线偏振光，光束在待测样品1表面发生反射，反射光的偏振态发生改变，形成椭圆偏振光。
检偏臂3接收、检测并记录反射光偏振态对应不同波长的变化量，获得固定入射角度下宽光谱入射光的椭偏数据测量值，即获得在不同波长λ下，入射光与出射光的振幅之比Tan(Ψ)和相位差Cos(Δ)。也就是说，本发明实施例中的椭偏数据包括：不同波长下，入射到待测样品1上的光线与待测样品1反射出的光线的振幅之比和相位差。
进一步地，在获得待测样品1的椭偏数据之后，处理器21即可根据待测样品1的结构建立样品结构模型，该结构模型包括衬底以及膜层结构等，以TiO2薄膜为例，包括硅衬底以及生长在硅衬底上的单层薄膜，之后处理器21即可针对不同材料特征选择合适的色散方程和拟合算法，如TiO2薄膜应选择Tauc-Lorentz模型和Drude模型，然后将色散方程和拟合算法代入样品结构模型中对椭偏数据进行拟合计算。
当椭偏数据拟合值与椭偏数据测量值最为接近时(拟合度R2>0.90)，认为待测样品1的实际光学性质符合拟合所得色散方程，图3为生长于硅衬底上的TiO2薄膜样品的椭偏仪测量数据及拟合结果，拟合度R2＝0.92。之后处理器21即可利用拟合所得色散方程参数反推计算，获得待测样品1折射率n和消光系数κ随λ变化的色散曲线，如图4所示。
获得色散曲线之后，处理器21根据色散曲线以及吸收系数公式获得待测样品1的吸收系数，其中，吸收系数公式为：α＝4πκ/λ；α为吸收系数，κ为消光系数，λ为波长。由于色散曲线为消光系数κ随λ变化的曲线，因此，可以获得椭偏仪入射光波长λ下的消光系数κ，将其代入公式α＝4πκ/λ后，即可得到待测样品1的吸收系数α。
获得吸收系数α后，处理器21即可根据Tauc公式求出待测样品1的光学带隙。其中，Tauc公式为：αhν＝A(hν-Eg)n/2；α为吸收系数，hν为光子能量，Eg为光学带隙。
对于直接带隙材料，n＝1，对于间接带隙材料，n＝4。因此，以hν为横坐标，以(αhν)2(直接带隙)或(αhν)1/2(间接带隙)为纵坐标做图，则其光学吸收边的切线与x轴交点的坐标值即为光学带隙Eg。
以TiO2薄膜为例，TiO2薄膜为间接带隙材料，因此，以hν为横坐标，以(αhν)1/2为纵坐标做图，如图5所示，其光学吸收边的切线与x轴(y＝0)交点坐标值即为光学带隙Eg。因此，可得TiO2薄膜的光学带隙约为3.3eV，与文献记载相符。
本发明实施例所提供的测量光学带隙的方法和系统，采用椭偏仪对待测样品进行光学测量获得椭偏数据，并通过对椭偏数据进行拟合计算等求出待测样品的光学带隙。由于椭偏仪具有测量精度高、对衬底材料透明度等没有要求的特点，因此，不仅克服了常规紫外-可见分光光度计测量样品光学带隙时对样品条件的限制和测量准确性问题，能够精确、有效地实现光学带隙的测量，而且简单易行，能够极大地拓展光学带隙测量的适用范围，尤其针对不透明衬底或单面抛光衬底上的薄膜材料、不透明块体材料、多层或复杂膜结构材料等具有良好的测量效果。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种测量光学带隙的方法，其特征在于，包括：
采用椭偏仪对待测样品进行光学测量，获得椭偏数据测量值；
对椭偏数据进行建模及拟合计算，判断拟合计算得到的椭偏数据拟合值是否接近所述椭偏数据测量值，若是，利用拟合所得色散方程参数反推计算，获得所述待测样品的折射率和消光系数随波长变化的色散曲线；
根据所述色散曲线以及吸收系数公式获得所述待测样品的吸收系数；
根据所述吸收系数和Tauc公式求出所述待测样品的光学带隙。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述椭偏数据包括：不同波长下，入射到所述待测样品上的光线与所述待测样品反射出的光线的振幅之比和相位差。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对椭偏数据进行建模及拟合计算，包括：
根据所述待测样品的结构建立样品结构模型；
根据所述待测样品的不同材料特征选择合适的色散方程和拟合算法；
将所述色散方程和拟合算法代入所述样品结构模型中对椭偏数据进行拟合计算。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述吸收系数公式为：
α＝4πκ/λ；
其中，α为吸收系数，κ为消光系数，λ为波长。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述Tauc公式为：
αhν＝A(hν-Eg)n/2；
其中，α为吸收系数，hν为光子能量，Eg为光学带隙。
6.一种测量光学带隙的系统，其特征在于，应用于权利要求1～5任一项所述的方法，包括椭偏仪和处理器；
所述椭偏仪用于对待测样品进行光学测量，获得椭偏数据测量值；
所述处理器用于对椭偏数据进行建模及拟合计算，判断拟合计算得到的椭偏数据拟合值是否接近所述椭偏数据测量值，若是，利用拟合所得色散方程参数反推计算，获得所述待测样品的折射率和消光系数随波长变化的色散曲线，根据所述色散曲线以及吸收系数公式获得所述待测样品的吸收系数，根据所述吸收系数和Tauc公式求出所述待测样品的光学带隙。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述椭偏数据包括：不同波长下，入射到所述待测样品上的光线与所述待测样品反射出的光线的振幅之比和相位差。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述处理器用于根据所述待测样品的结构建立样品结构模型，将根据所述待测样品的不同材料特征选择的合适的色散方程和拟合算法代入所述样品结构模型中对椭偏数据进行拟合计算。
9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述吸收系数公式为：
α＝4πκ/λ；
其中，α为吸收系数，κ为消光系数，λ为波长。
10.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述Tauc公式为：
αhν＝A(hν-Eg)n/2；
其中，α为吸收系数，hν为光子能量，Eg为光学带隙。
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