CN112557863A - 一种载流子转换效率测量平台和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种载流子转化率测量平台和方法，包括真空腔体，真空腔体内有电子束发生系统，电子束发生系统配有电子束流量检测装置。电子束发生系统前方有阳极靶面，阳极靶面为带中心圆孔的环形导体，中心圆孔置有薄圆柱型半导体发光材料，半导体材料的柱侧与中心孔之间设有粘结层，电子束正好完全覆盖半导体的圆形表面。中心孔外侧的阳极靶面表面设有环形半导体控温装置。背对电子束一侧的半导体材料前方设有光功率测量装置和光谱测量装置；电子束入射至半导体材料后，积累的电子从半导体材料经粘结层、阳极靶面与电子束发射端形成回路。本发明可为基于电子束激发半导体发光的半导体光源选择发光效率高的电子束激发参数和半导体发光材料。

Description

一种载流子转换效率测量平台和方法

技术领域

本发明涉及一种测量平台，尤其是一种载流子转化率测量平台，还涉及该载流子转化率的测量方法。

背景技术

电子束入射至半导体材料时，入射电子与原子内部的电子和原子核之间的相互作用主要是库仑相互作用。关于电子入射至半导体内部后的激发机理，目前有两种理论：一种理论认为，入射电子首先通过非弹性散射激发材料表面附近原子的内层电子，由于入射电子能量很大，电子将被激发成高能量自由电子，称之为高速“次级”电子。高速“次级”电子会激发其它价电子至导带，成为能量较低的“次级”电子，这样不断地增殖下去。“次级”电子能量不足以激发其它电子时，会与晶格电子相互作用，通过声子释放多余的能量。最终结果是把大量价电子激发到导带；另一种理论认为，高能入射电子的75-90％的能量首先产生大量不同能量的等离激元(入射电子引起的大量正负电荷的量子化震荡)，等离激元再产生不同能量的“次级”电子，“次级”电子再激发其它价电子，一直到不能激发其它价电子，成为最终状态的低能“次级”电子，低能“次级”电子位于导带的不同能级。例如电子束加速电压为1keV时，一个电子可产生几十至上百个低能“次级”电子，不能激发其它价电子的低能“次级”电子和价带中的空穴可称为为电子束激发产生的载流子，类似于光生载流子。最终状态的低能“次级”电子能量衰减落到导带底时，会跃迁到价带与价带空穴复合发出光子，由于半导体材料不可避免存在各种缺陷，还会产生其它电子能级跃迁发光。一定程度上可认为，电子束激发产生的载流子越多，载流子辐射复合产生的光子越多，发光能力越强。能量为E_p电子束进入有源层后，只有部分能量E_e最终转化并存储在载流子中，E_e/E_p的比值称之为载流子转化率η。电子束不断地把价电子激发到导带，把电子束能量存储在载流子中。电子束激发半导体处于稳定状态下，半导体中的载流子数量是基本稳定的。即单位时间内产生载流子的数量与载流子复合的数量是大致相等的。

电子束激发产生的载流子中，只有一部分通过辐射复合转化为光子。半导体材料发出光子数与电子束激发半导体材料产生的载流子数的比值，称为电子束激发半导体材料的内量子效率，记为IQE。一般情况下，内量子效率主要取决于半导体材料种类、生长质量和结构等半导体材料的固有属性，与电子束参数关系较小。载流子转化率则与电子束的电子能量、电子束流量密度、电子束空间分布均匀性等参数紧密相关。载流子转化率大小从根本上主导了半导体发光效率的潜力上限。半导体材料的载流子转化率越高，其发光效率的潜力越大。不同的电子束参数，具有不同的载流子转化率。目前尚未调研到测量电子束激发半导体材料的载流子转化率的方法。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种载流子转化率测量平台和方法，本发明的技术方案具体如下：

一种载流子转化率测量平台，包括真空腔体，真空腔体内有电子束发生系统，电子束发生系统配有电子束流量检测装置。电子束发生系统前方有阳极靶面，阳极靶面为带中心圆孔的环形导体，中心圆孔置有薄圆柱型半导体发光材料，半导体材料柱侧与中心孔之间设有粘结层，电子束正好完全覆盖半导体的一个圆形端面。中心孔外侧的阳极靶面安装有环形半导体控温装置。半导体材料的另一个圆形端面前方设有光功率测量装置和光谱测量装置；电子束入射至半导体材料后，积累的电子从半导体材料经粘结层、阳极靶面与电子束发射端形成回路。

进一步地，粘结层为导热导电硅胶或银焊层。

进一步地，环形半导体控温装置的环形半导体制冷片通过导热且电绝缘硅胶贴于阳极靶面中心孔周围。

进一步地，光功率测量装置的感光面靠近半导体材料的圆形端面且大于端面。

本发明还涉及一种载流子转化率测量方法，包括如下步骤：

步骤(1)、测量入射至半导体表面电子束功率

环形半导体控温装置的控温值设定为温度T，电子束激发半导体发光材料稳定发光后，测量单位时间内入射至半导体表面的电子数量，进而给出电子束流量值I，按下式计算电子束功率W：W＝U*I；其中，U为电子枪的加速电压；

步骤(2)、测量单位时间内半导体发光的总光子数

电子束激发半导体材料稳定发光后，首先采用工作波段覆盖发光光谱范围的光功率测量装置测量半导体一个圆形端面的发光功率P1，总发光功率P约为P1 的两倍；然后采用经光谱辐射照度校准的光谱测量装置，测量不同波长处的单位波长间隔内的光辐射产生的辐照度；结合测量的半导体总发光功率，依序计算发光光谱范围内不同波长处1nm波长间隔内的光功率值，依序共获得J个参数组合，每个参数组合中包含一个功率值和发光波长，构成一个数列，记为{M(λ_k， P_k)}，k＝1，2，3，…，J；

对于数列{M(λ_k，P_k)}中的每一项，计算对应的光子数Nk＝P_k*λ_k/(h*c)，其中h为普朗克常量，c是光速；一共获取J个光子数N_k并求和获得总光子数N；

步骤(3)、测量半导体发光材料的内量子效率

测量半导体发光材料在温度T时的内量子效率IQE：采用PL法测内量子效率，通过测量温度T与极低温时的半导体发光材料的光致发光的强度，两者的之比值即为内量子效率，该方法属于传统成熟方法；

步骤(4)、计算电子束激发半导体稳定发光后，单位时间内存储在载流子中的能量

载流子包括半导体材料导带中的电子与价带的空穴；单位时间内产生的载流子数量M等于总光子数与内量子效率的比值的2倍，即M＝2N/IQE；入射电子把半导体材料的价电子激发到导带并在价带中留下空穴，形成电子-空穴对，存储在电子-空穴对的能量约等于禁带宽度Eg；电子-空穴对的总数量为N/IQE，存储在载流子的总能量为Eg*N/IQE；

步骤(5)、计算温度T时，电子束激发半导体材料的载流子转化率η

电子束激发半导体材料发光时，载流子转化率等于单位时间内存储在载流子的总能量与电子束功率的比值，即η＝Eg*N/(IQE*W)。

进一步地，步骤(2)中，测量光谱时需要移开光功率测量装置，把光谱测量装置的探头指向出光面。

进一步地，极低温度为30K以下。

与现有技术相比，本发明的有益效果具体如下：

本发明首次提供了一种测量电子束激发半导体发光材料的载流子转化率方法，载流子转化率是电子束激发半导体发光的一个重要参数，本质上决定了电子束激发半导体发光效率的上限，本发明解决了载流子转化率的实测问题，可为基于电子束激发半导体发光的光源选择出发光效率高的电子束激发参数和半导体发光材料。

附图说明

图1是本发明的载流子转化率测量平台的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对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。

除非另外定义，本申请实施例中使用的技术术语或者科学术语应当为所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。“上”、“下”、“左”、“右”、“横”以及“竖”等仅用于相对于附图中的部件的方位而言的，这些方向性术语是相对的概念，它们用于相对于的描述和澄清，其可以根据附图中的部件所放置的方位的变化而相应地发生变化。

如图1所示，本实施例的载流子转化率测量平台，包括真空腔体1、采集控制器2、配有电子光学系统的轴向电子枪3、电子束流量检测装置4、阳极靶面6、半导体控温装置7、光功率测量装置8、光谱测量装置9和真空泵11。采集控制器2与轴向电子枪3、阳极靶面6、光功率测量装置8、半导体控温装置7、电子束流量检测装置4、光谱测量装置9连接，对上述设备进行数据采集和控制。本领域技术人员可以知晓，该平台还包括供电装置，通过真空腔体1上的真空插头 10与上述需要供电的装置电连接。

真空腔体1一端设有配有电子光学系统的轴向电子枪3，电子束流量检测装置4用于测量电子束的流量值。轴向电子枪3前端设有阳极靶面6，阳极靶面6 为中心有圆孔的环形高导热金属板。半导体材料5加工为薄圆柱型，厚度为毫米量级。半导体材料5柱侧使用导电、导热硅胶或银焊安装于阳极靶面的中心孔。

环形半导体控温装置7的环形半导体制冷片通过导热且电绝缘硅胶贴于阳极靶面5的中心孔周围。半导体材料端面前方设有光功率测量装置8和光谱测量装置9。

真空腔体1提供测量所需的高真空环境，配套腔内设备的采集控制器2、供电装置通过真空插头10与腔内设备连接。配有电子光学系统的轴向电子枪3可发出亮度大致均匀、粗细可调的电子束且可正好完全覆盖半导体材料的一个圆形端面。电子光学系统为现有技术，由电磁透镜、光阑等组成。

本实施例的平台可以大范围调节电子束流量值(单位：A)、电子束流量密度(单位：A/m²)和入射到的阳极靶面的电子能量(单位：eV)。电子能量是电子经电子枪加速电压加速后所获得的动能，不考虑电子的静止能量。

本实施例中，电子束从一个圆形端面(激发面)入射至半导体材料5，积累的电子从半导体材料5经导电、导热硅胶(或银焊的金属)流至金属板阳极，与阴极的电子束发射构成回路。

本实施例根据所用的半导体发光材料的禁带宽度及对应发光波长，选择波长范围包含禁带宽度对应发光波长的宽光谱光谱仪。宽光谱光谱仪经光谱辐射照度校准，可测量出半导体发光的光谱辐照度曲线，即不同波长处的单位波长间隔内的光辐射产生的辐照度。根据光谱辐照度曲线，选择出半导体发光的光辐射能量主要集中波长范围,记为λ1～λ2(一个例子是能量占比不小于95％)。根据此范围选择光功率测量装置的波长范围为λa～λb，λa和λb都是以nm为单位的正整数。波长范围λ1～λ2包含于波长范围λa～λb，波长范围λa～λb包含于宽光谱光谱仪的波长范围。波长范围λa～λb的范围大小(λb-λa)为J(nm)，J为一个正整数。

光功率测量装置8的感光面大于半导体材料5的端面且靠近端面进行光功率测量。由于半导体材料为薄圆柱型，很大程度上，我们可认为出光面的出射光功率，等于半导体材料总出光的一半。结合光功率测量装置8的测量值，可计算出半导体材料在电子束激发发光时不同波长处的单位波长间隔内，单位时间内发射的辐射功率值。测量光谱时需要移开光功率测量装置8，把光谱测量装置9的感光面指向出光面。采用法拉第杯及配套的电流表组成电子束流量检测装置4，测量照射至样品表面的电子束流量值，结合面积给出电子束流量密度值。测量时把法拉第杯移入电子束路径，测量完成后，从电子束路径上移开。

本实施例的载流子转化率测量方法，包括如下步骤：

步骤(1)、测量入射至半导体表面电子束功率

环形半导体控温装置的控温值设定为温度T，电子束激发半导体发光材料稳定发光后，测量单位时间内入射至半导体表面的电子数量，进而给出电子束流量值I，按下式计算电子束功率W：W＝U*I；其中，U为电子枪的加速电压；

步骤(2)、测量单位时间内半导体发光的总光子数

半导体控温装置的控温值设定为温度T，电子束激发半导体材料稳定发光后，首先采用波长范围为λa～λb光功率测量装置测量半导体出光面的发光功率 P1(单位：瓦)，半导体总发光功率P约为P1的两倍。测量光谱时需要移开光功率测量装置，把光谱测量装置的探头指向出光面。

光谱测量装置经光谱辐射照度校准，测量λa～λb范围内的光谱辐照度曲线，即不同波长处的单位波长间隔内的光辐射产生的辐照度。结合测量的半导体总发光功率，依序计算λa～λb范围内不同波长处1nm的波长间隔内，单位时间内发射的光功率值(单位：瓦)，依序共获得J个参数组合，每个参数组合中包含一个功率值和发光波长，构成一个数列，记为{M(λ_k,P_k)}(k＝1，2，3，…，J)。

对于数列{M(λ_k,P_k)}中的每一项，计算对应的光子数N_k＝P_k*λ_k/(hc)，其中h 为普朗克常量，c是光速。一共获取J个光子数N_k并求和获得总光子数N。

步骤(3)、测量发光半导体材料在某温度T下的内量子效率

基于半导体发光材料在极低温度(30K以下)时内量子效率为100％的假设，即忽略极低温度下所有的非辐射复合。采用测量半导体发光材料内量子效率的传统方法测量半导体材料在温度T时的内量子效率IQE。

测量某温度T与极低温时的半导体发光材料光致发光(PL)的强度，两者的比值即为内量子效率值。

步骤(4)、计算电子束激发半导体稳定发光后，单位时间内存储在载流子中的能量

半导体控温装置的控温值设定为温度T时，电子束激发半导体稳定发光后，单位时间内电子束激发产生载流子和复合的载流子数量大致相等。一定精度上，认为一个电子和一个空穴复合只产生一个光子。

载流子包括半导体材料导带中的电子与价带的空穴。单位时间内产生的载流子数量M等于总光子数与内量子效率的比值的2倍，即M＝2N/IQE。电子束中的电子把半导体材料的一个价电子激发到导带并在价带中留下一个空穴时，形成一个电子-空穴对，存储在电子-空穴对的能量约等于禁带宽度Eg。电子-空穴对的总数量为N/IQE，存储在载流子的总能量为Eg*N/IQE。

步骤(5)、计算温度T时，电子束激发半导体材料的载流子转化率η

电子束激发半导体材料发光时，载流子转化率等于单位时间内存储在载流子的总能量与电子束功率的比值，即η＝Eg*N/(IQE*W)。

本实施例的方法可用于测量不同电子束参数激发下不同半导体发光材料的载流子转化率，载流子转化率决定了电子束激发半导体发光效率的上限。不仅可用于基于电子束激发半导体发光的半导体光源的电子束参数的优选，还有助于研究并选择出发光效率潜力大的半导体发光材料。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种载流子转化率测量平台，其特征在于：包括真空腔体，真空腔体内有电子束发生系统，电子束发生系统配有电子束流量检测装置；

电子束发生系统前方有阳极靶面，阳极靶面为带中心圆孔的环形导体，中心圆孔置有薄圆柱型半导体发光材料，半导体材料柱侧与中心孔之间设有粘结层，电子束正好完全覆盖半导体的一个圆形端面；

中心孔外侧的阳极靶面安装有环形半导体控温装置；

半导体材料的另一个圆形端面前方设有光功率测量装置和光谱测量装置；电子束入射至半导体材料后，积累的电子从半导体材料经粘结层、阳极靶面与电子束发射端形成回路。

2.根据权利要求1所述的载流子转化率测量平台，其特征在于：粘结层为导热导电硅胶或银焊层。

3.根据权利要求1所述的载流子转化率测量平台，其特征在于：环形半导体控温装置通过导热且电绝缘硅胶贴于阳极靶面中心孔周围。

4.根据权利要求1所述的载流子转化率测量平台，其特征在于：光功率测量装置的感光面靠近半导体材料的圆形端面且大于端面。

5.一种载流子转化率测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤（1）、测量入射至半导体表面电子束功率

环形半导体控温装置的控温值设定为温度T，电子束激发半导体发光材料稳定发光后，测量单位时间内入射至半导体表面的电子数量，进而给出电子束流量值I，按下式计算电子束功率W：W=U*I；其中，U为电子枪的加速电压；

步骤（2）、测量单位时间内半导体发光的总光子数

电子束激发半导体材料稳定发光后，首先采用工作波段覆盖发光光谱范围的光功率测量装置测量半导体一个圆形端面的发光功率P1，总发光功率P约为P1的两倍；然后采用经光谱辐射照度校准的光谱测量装置，测量不同波长处的单位波长间隔内的光辐射产生的辐照度；结合测量的半导体总发光功率，依序计算发光光谱范围内不同波长处1nm波长间隔内的光功率值，依序共获得J个参数组合，每个参数组合中包含一个功率值和发光波长，构成一个数列，记为{M(λ_k，P_k)}，k＝1，2，3，…，J；

对于数列{M(λ_k，P_k)}中的每一项，计算对应的光子数Nk= P_k*λ_k/(h*c)，其中h为普朗克常量，c是光速；一共获取J个光子数N_k并求和获得总光子数N；

步骤（3）、测量半导体发光材料在温度T的内量子效率

测量半导体材料在温度T时的内量子效率IQE：测量某温度T与极低温时的半导体发光材料光致发光的强度，两者的比值即为内量子效率；

步骤（4）、计算电子束激发半导体稳定发光后，单位时间内存储在载流子中的能量

载流子包括半导体材料导带中的电子与价带的空穴；单位时间内产生的载流子数量M等于总光子数与内量子效率的比值的2倍，即M=2N/IQE；入射电子把半导体材料的一个价电子激发到导带并在价带中留下一个空穴，形成一个电子-空穴对，存储在电子-空穴对的能量约等于禁带宽度Eg；电子-空穴对的总数量为N/IQE，存储在载流子的总能量约为Eg*N/IQE；

步骤（5）、计算电子束激发半导体材料的载流子转化率η

电子束激发半导体材料发光时，载流子转化率等于单位时间内存储在载流子的总能量与电子束功率的比值，即η=Eg*N/（IQE*W）。

6.根据权利要求5所述的载流子转化率测量方法，其特征在于：步骤（2）中，测量光谱时需要移开光功率测量装置，把光谱测量装置的探头指向半导体薄片材料的端面。

7.根据权利要求5所述的载流子转化率测量方法，其特征在于：极低温度为小于30K。

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