CN112748093A - 一种激子分子产生率的测量平台和测量方法 - Google Patents

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    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited

Abstract

本发明涉及一种激子分子产生率的测量平台和测量方法，该平台包括真空腔体，真空腔体内置有电子束发生系统，电子束发生系统前端设有阳极靶面，阳极靶面为中心有圆孔的金属板，阳极靶面中心孔装有水平放置的圆柱形液氮冷却装置，装置一个圆形端面设有凹井结构，凹井深度与阳极靶面金属板厚度相同。凹井外侧使用导电、导热硅胶安装于阳极金属板的中心孔内且凹井端面与阳极靶面金属板表面平齐。半导体材料柱侧和背面采用导热/导电硅胶固定在凹井内。电子束发生系统产生的电子束正好完全覆盖半导体材料的圆形表面，且配有电子束流量检测装置。本发明提出一种激子分子产生率的测量平台和测量方法，能够实测半导体发光材料的激子分子产生率。

Description

一种激子分子产生率的测量平台和测量方法
技术领域
本发明涉及一种测量平台，尤其是一种激子分子产生率的测量平台，还涉及其测量方法。
背景技术
电子束入射至半导体材料后，会把大量半导体晶格原子的外层价电子激发到导带，并在价带留下空穴，形成电子-空穴对。被激发到导带的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。部分电子和空穴受库仑力影响还可能在空间上束缚在一起形成激子，产生激子发光。
一般情况下，半导体材料的禁带宽度越大、局域化限制越强，激子结合能就越大。当激子结合能大于室温热离化能kBT(26meV)时，室温下也会出现大量激子。激子结合能越大，半导体材料温度越低，激发强度越大，半导体中的激子密度越大。激子密度增加到一定程度时，两个激子可能结合成一个激子分子(又称双激子)。激子分子的总能量等于两个激子的能量减去激子分子的结合能。激子分子的发光可以理解为其中一个电子-空穴对复合，剩下一个仍保持为激子。激子分子发光的能量为自由激子能量减去激子分子结合能，比自由激子复合发射的光子能量要低一点，如果伴随声子发射，还要减去声子的能量。激子特征峰和激子分子特征峰均位于禁带宽度对应发光峰的低能方向，激子分子最低。
激子的发光强度大致与激子(主要是自由激子)密度成正比，而激子密度大致正比于激发强度。激发强度为Iex，激子密度为n，激子发光的发光强度Ix∝n∝Iex。一定范围内，激子分子发光强度与激子分子中激子的密度平方成正比，也与激发强度的平方成正比。出现激子分子光谱峰后，激发强度每增加一倍，激子分子发光强度变为原来的四倍，是一种超线性发光。
宽禁带半导体材料，尤其是低维结构的宽禁带半导体材料中，激子束缚能一般比较大，部分已经远超室温热离化能，目前已经实现了以激子复合发光效应为主的半导体发光器件。半导体材料被激发产生同样的激子密度时，形成的激子分子密度越大(数量越多)，发光能力越强。激子分子数量(密度)与激子数量 (密度)的比值称之为激子分子产生率。一定程度上，激子分子产生率越高，发光能力也越高。目前只能理论估算激子分子产生率，尚未有实测激子分子产生率的方法。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种激子分子产生率的测量平台和测量方法。本发明是通过以下技术方案实现的：
一种激子分子产生率的测量平台，包括真空腔体，真空腔体内置有电子束发生系统，电子束发生系统前端设有阳极靶面，阳极靶面为中心有圆孔的金属板，阳极靶面中心孔装有水平放置的圆柱形液氮冷却装置，装置一个圆形端面设有凹井结构，凹井深度与阳极靶面金属板厚度相同。
凹井外侧使用导电、导热硅胶安装于阳极金属板的中心孔内且凹井端面与阳极靶面金属板表面平齐。
圆柱形薄片半导体材料柱侧和背面采用导热/导电硅胶固定在凹井内。
电子束发生系统产生的电子束正好完全覆盖半导体材料的圆形表面，且配有电子束流量检测装置。
电子束发生系统与阳极靶面之间上侧倾斜设有光谱测量装置；电子束入射至半导体材料表面后，积累的电子从半导体材料经导热/导电硅胶、凹井壁面流至阳极靶面，与阴极的电子束发射构成回路。
进一步地。液氮冷却装置上侧与液氮注入管连接，液氮注入管伸出真空腔体外。
进一步地，电子束发生系统、阳极靶面、光谱测量装置、电子束流量检测装置与采集控制器连接。
进一步地，所述半导体材料厚度与凹井结构深度相同，半径略小于凹井内径。
基于上述的测量平台的激子分子产生率测量方法，包括如下步骤：
步骤(1)、计算激子和激子分子发光特征峰的中心波长
根据所用半导体材料的禁带宽度Eg、激子结合能Eb和激子分子结合能Em，计算激子和激子分子发光特征峰谱带中心波长：
激子发光的特征峰谱带中心波长
Figure BDA0002856120550000021
激子分子发光的特征峰谱带中心波长
Figure BDA0002856120550000022
步骤(2)、获取电子束激发半导体材料的激子和激子分子发光特征峰
液氮冷却装置的腔内注满液氮后，圆柱形薄片半导体材料被制冷，启动轴向电子枪，使用电子束激发半导体材料发光；
采用经光谱辐射照度校准后的光谱仪测量出半导体发光的光谱辐照度数据；结合光谱辐照度的实测数据，调节电子束参数(改变激发强度)，直至出现激子发光特征峰和激子分子发光特征峰。
步骤(3)、获取激子和激子分子发光特征峰的高斯型谱带
对激子和激子分子发光特征峰谱带进行高斯拟合，获取激子发光特征峰的高斯型谱带Vb和激子分子发光特征峰的高斯型谱带Vm；Vb的峰值波长记为λb，峰值记为Pb，半峰全宽记为Fb，同样，Vm的峰值波长记为λm，峰值记为Pm，半峰全宽记为Fm；
步骤(4)、根据激子和激子分子发光特征峰的高斯型谱带Vb和Vm，获得激子分子产生率
光谱仪收集的光子中对应激子的数量Nb约为：
Nb≈Pb*Fb*1.064*λb/(hc)；h为普朗克常数，c为光速；
光谱仪收集的光子中对应激子分子的数量Nm约为：
Nm≈(Pm*Fm*1.064*λm/(hc))1/2；
激子分子产生率为：Nm/Nb。
与现有技术相比，本发明的有益效果具体如下：
本发明解决了目前只能理论估算激子分子产生率，没有实测激子分子产生率的方法的难题，提出了一种激子分子产生率的测量平台和测量方法，能够实测激子分子产生率，可用于评估发光半导体材料的超线性发光能力。
附图说明
图1是本发明的激子分子产生率的测量平台的结构示意图；
图2是本发明的液氮冷却装置的结构示意图；
图3是本发明液氮冷却装置与阳极靶面配合的结构示意图；
图4是本发明的液氮冷却装置的制冷凹井与半导体材料配合的结构示意图。
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，本实施例的电子束轰击宽禁带半导体材料时激子分子产生率的测量平台，包括真空腔体1，真空腔体1内设有电子束发生系统3。真空腔体1 提供实验所需的高真空环境，配套腔体内设备的采集控制器2通过真空插头11 与腔内设备连接。电子束发生系统3为配有电子光学系统的轴向电子枪3，轴向电子枪3可发出亮度大致均匀的电子束且可正好完全覆盖半导体材料的圆形表面。电子光学系统为现有技术，由电磁透镜、光阑等组成。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11与上述需要供电的装置电连接。
电子束发生系统3前端有阳极靶面6，阳极靶面6为带中心有圆孔的金属板，
阳极靶面6中心孔装有水平放置的圆柱形液氮冷却装置7，液氮冷却装置7 的一个圆形端面设有凹井结构7.1，凹井结构7.1作为半导体材料的容纳腔。
如图2、3所示，凹井结构7.1深度与阳极靶面6厚度相同。凹井结构7.1 外侧使用导电、导热硅胶安装于阳极靶面6的中心孔内且凹井结构7.1端面与阳极靶面6表面平齐。半导体材料5为圆柱形薄片，厚度与凹井结构7.1深度相同，半径略小于凹井结构7.1内径，半导体材料5柱侧和背面采用导热/导电硅胶固定在凹井结构7.1内，如图3所示。半导体材料5可以是AlGaN/AlN量子阱等半导体发光材料。电子束发生系统3产生的电子束正好完全覆盖半导体材料5的圆形表面，且配有电子束流量检测装置4。电子束流量检测装置4由法拉第杯及配套的电流表组成。测量照射至半导体材料表面的电子束流量值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，结合半导体材料面积给出电子束流量密度值。
电子束发生系统3与阳极靶面6之间上侧倾斜设有光谱测量装置9；电子束入射至半导体材料5后，积累的电子从半导体材料5经导热/导电硅胶、凹井结构7.1壁面流至阳极靶面，然后与阴极的电子束发射构成回路。
液氮冷却装置7上侧与液氮注入管8连接，液氮注入管8伸出真空腔体1 外。液氮通过液氮注入管8注入到液氮制冷腔内，两者为一个整体，采用高导热金属材质。液氮注入管8注入口朝上，激子分子产生率测量期间，保持液氮冷却装置7发热液氮液面始终高过半导体材料。由于半导体材料很薄，一定程度上可认为半导体材料的温度与液氮温度相等。
真空腔体1设有真空泵连接口10。电子束发生系统3、阳极靶面6、光谱测量装置9、电子束流量检测装置4与采集控制器2连接。
本实施例的测量平台的激子分子产生率测量方法，包括如下步骤：
步骤(1)、计算激子和激子分子发光特征峰的中心波长
根据所用半导体材料的禁带宽度Eg、激子结合能Eb和激子分子结合能Em，计算激子和激子分子的发光特征峰谱带中心波长
激子发光的特征峰谱带中心波长
Figure BDA0002856120550000051
激子分子发光的特征峰峰谱带中心波长
Figure BDA0002856120550000052
步骤(2)、获取电子束激发半导体材料的激子和激子分子发光特征峰。
液氮冷却装置的腔内注满液氮后，圆柱形薄片半导体材料被制冷，启动轴向电子枪，使用电子束激发半导体材料发光。根据半导体材料的禁带宽度及对应发光波长，选择光谱范围包含禁带宽度对应发光波长和激子分子发光特征峰中心波长的高光学分辨率的光谱仪(FWHM<0.25nm)。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数据，光谱辐照度数据表示不同波长处的单位波长间隔内的光辐射产生的辐照度，为离散数据点构成的集合。采用经光谱辐射照度校准后的光谱仪测量出半导体发光的光谱辐照度数据。
结合光谱辐照度的实测数据，调节电子束参数(改变激发强度)，直至出现激子发光特征峰和激子分子发光特征峰。
步骤(3)、获取激子和激子分子发光特征峰的高斯型谱带
半导体发光的光谱辐照度数据是由若干个单峰谱带相互叠加形成的，为消除相近单峰谱带的叠加和声子伴线的影响，把握激子和激子分子发光特征峰的本质特征。需要对光谱辐照度数据进行高斯拟合：即用高斯函数系作为基函数，对光谱辐照度数据进行函数逼近拟合。通过对激子和激子分子发光特征峰谱带进行高斯拟合，获取激子分光特征峰的高斯型谱带Vb和激子分子发光特征峰的高斯型谱带Vm。Vb的峰值波长记为λb，峰值记为Pb，半峰全宽记为Fb，同样，Vm 的峰值波长记为λm，峰值记为Pm，半峰全宽记为Fm；
步骤(4)、根据激子和激子分子发光特征峰的高斯型谱带Vb和Vm，获得激子分子产生率
光谱仪收集的光子中对应激子的数量Nb约为：
Nb≈Pb*Fb*1.064*λb/(hc)；h为普朗克常数，c为光速；
光谱仪收集的光子中对应激子分子的数量Nm约为：
Nm≈(Pm*Fm*1.064*λm/(hc))1/2；
激子分子产生率为：Nm/Nb。
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 (5)

1.一种激子分子产生率的测量平台，其特征在于：包括真空腔体，真空腔体内置有电子束发生系统，电子束发生系统前端设有阳极靶面，阳极靶面为中心有圆孔的金属板，阳极靶面中心孔装有水平放置的圆柱形液氮冷却装置，所述装置一个圆形端面设有凹井结构，凹井结构深度与阳极靶面金属板厚度相同；
凹井结构外侧使用导电、导热硅胶安装于阳极金属板的中心孔内且凹井端面与阳极靶面金属板表面平齐；
圆柱形薄片半导体材料柱侧和背面采用导热/导电硅胶固定在凹井内；
电子束发生系统产生的电子束正好完全覆盖半导体材料的圆形表面，且配有电子束流量检测装置；
电子束发生系统与阳极靶面之间上侧倾斜设有光谱测量装置；电子束入射至半导体材料表面后，积累的电子从半导体材料经导热/导电硅胶、凹井壁面流至阳极靶面，与阴极的电子束发射构成回路。
2.根据权利要求1所述的激子分子产生率的测量平台，其特征在于：液氮冷却装置上侧与液氮注入管连接，液氮注入管伸出真空腔体外。
3.根据权利要求1所述的激子分子产生率的测量平台，其特征在于：电子束发生系统、阳极靶面、光谱测量装置、电子束流量检测装置与采集控制器连接。
4.根据权利要求1所述的激子分子产生率的测量平台，其特征在于：所述半导体材料厚度与凹井结构深度相同，半径略小于凹井内径。
5.基于权利要求1-4之一的测量平台的激子分子产生率测量方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤（1）、计算激子和激子分子发光特征峰的中心波长
根据所用半导体材料的禁带宽度Eg、激子结合能Eb和激子分子结合能Em，计算激子和激子分子发光特征峰谱带中心波长：
激子发光的特征峰谱带中心波长
Figure DEST_PATH_IMAGE001
；
激子分子发光的特征峰谱带中心波长
Figure 567761DEST_PATH_IMAGE002
；
步骤（2）、获取电子束激发半导体材料的激子和激子分子发光特征峰
液氮冷却装置的腔内注满液氮后，圆柱形薄片半导体材料被制冷，启动轴向电子枪，使用电子束激发半导体材料发光；
采用经光谱辐射照度校准后的光谱仪测量出半导体发光的光谱辐照度数据；结合光谱辐照度的实测数据，调节电子束参数，直至出现激子发光特征峰和激子分子发光特征峰；
步骤（3）、获取激子和激子分子发光特征峰的高斯型谱带
对激子和激子分子发光特征峰谱带进行高斯拟合，获取激子发光特征峰的高斯型谱带Vb和激子分子发光特征峰的高斯型谱带Vm；Vb的峰值波长记为λb，峰值记为Pb，半峰全宽记为Fb，同样，Vm的峰值波长记为λm，峰值记为Pm，半峰全宽记为Fm；
步骤（4）、根据激子和激子分子发光特征峰的高斯型谱带Vb和Vm，获得激子分子产生率
光谱仪收集的光子中对应激子的数量Nb约为：
Nb≈Pb*Fb*1.064*λb/ (hc)；h为普朗克常数，c为光速；
光谱仪收集的光子中对应激子分子的数量Nm约为：
Nm≈ (Pm*Fm*1.064*λm/(hc))1/2；
激子分子产生率为：Nm/Nb。
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