CN1135041A - 光激发半导体材料响应分析的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用光激发半导体材料响应分析的方法和装置。根据本发明，激励激光束用两个分立调制频率(Ω₁；Ω₂)进行强度-调制，由被测物(4)发出的荧光在差频(Ω₁-Ω₂)下测量，并且把荧光作为调制频率(Ω₁；Ω₂)算术平均值(Ω)的函数进行分析。本发明用于半导体工业中测量半导体材料的各种电学参数。

Description

光激发半导体材料 响应分析的方法和装置

本发明涉及光激发半导体材料响应分析的方法和装置，其中借助激光束在被测物中产生电子能量蓄积，并且以从样品发出荧光的形式测量其驰豫过程。

事实上，在固体中主要是在半导体中，以高局部分辨率分析复合沟道的任务，当前在测量技术上使用的是接触法或非接触法。

在使用简单的锁相检测调制(在频域情况)或简单的脉冲串积分调制(在时域情况)的电学的或光电方法的本质缺点在于需要接触。至于非接触法，光致发光的测量是描述辐射复合特征的最古老方法之一(例如，见W.D.Johnston，Appl.Phys.Lett.33(1978)992).如由J.Marek在Appl.phys.Lett.49(1986)1732.中的文章可知，调制激发可以保证所需的测量灵敏度和通过选择调制频率有可能实现高的局部分辨率。一般局部可分辨的光致发光是用低激发密度载流子波的调制激光所产生。用这种方法，光强计算带有很大误差，所以一般只进行光谱分析。此外，为了容易分离直流光分量，光强调制限于低频。

从以前测量技术中已知，许多用高激发能量的光热谱方法均是非接触测量法，其中例如US-PS4.579.463，DE4035266，和DE4223337作为代表。这些方法中的问题在于热波占主导地位，所以在所测参数中材料热特性的影响起主要作用，而具有载流子寿命小于1的载流子波的作用接近于零。这种情况极大地消弱了测量电学特性的能力。

因此，本发明的目的在于找到一种新的光激发半导体材料响应分析的方法，该方法还可以足够精确地测量较高激发功率和较短载流子寿命情况下的载流子波。

本发明的另一个目的是，借助光激发半导体测量载流子复合的光发射和非光发射沟道，并使这些沟道能够分别用于计算处理。

在光激发半导体材料的响应分析方法中，电子能量在被测物中的蓄积是用激光束来实现的，其驰豫过程是以被测物中发生荧光辐射的形式进行测量的，本发明的目的在于激励激光束是强度调制的，其中频率谱具有两个分立的调制频率，从被测物中发出的荧光以混频测量，即或者用调制频率的和频率或者用差频率进行测量，并且该荧光作为调制频率的数学平均值的函数进行分析。

在激励激光束中，产生两个调制频率是有利的，该激光束由两个分光束组成，每个分光束由一个调制频率进行强度调制。

为了从简单的荧光测绘中(局部分辨的荧光测量)获得测量数值，由这些数值可以通过以模型为基础的计算直接得到半导体的电学参数，激励激光束的调制频率可适当地在很宽的频率范围内(频率扫描)变化，其中调制频率之差保持恒定。

两个分光束最好相互呈直角偏振。另外这两个分光束最好聚焦于被测物上空间分离且很邻近的两个入射点上以便测量载流子寿命。为此目的，两个分光束聚焦于被测物上的距离最多为受激载流子预期扩散长度的两部是适宜的。

在激励激光束中产生两个分立调制频率的另一种有效的方法是利用适当的幅度调制提供的，其中激光束用载波频率f₁＝(Ω₁＋Ω₂)/2和基准时钟频率f₂＝(Ω₁－Ω₂)调制，其中基准时钟频率的一个分量与一个由载波频率和边带频率(f₁±f₂)所组成的混合频率相位相同，该分量被检测并通过反馈将其作为调制过程的干扰量予以消除。在激励激光束的双调制方案中，两个频制频率在保持固定的差频情况下，在宽的频率范围内适当变化(频率扫描)，以便能够测定被测物的电学参数。

通常，有三种有意义的方案(不考虑激励类型)，用于检测荧光辐射，一种常规的、便利的方案，尤其是用于具有相当厚度的半导体被测物，在于在被测物激励的一侧测量荧光。特别是由于对激励激光束自动地有利屏蔽，在被测物受激励一侧的背面记录荧光是适宜的。当然，相对于被测物的激励面也能够在任何侧表面方便地测量荧光，例如在半导体晶片的周围表面。

为了解决更多的问题，除了对荧光进行测量外，以有利的方式从与被测物作用后的激光束中记录光热响应，并对其进行了分析和相关性研究，以使非发光响应能与光热响应和荧光响应区分开。光热响应的检测是用已知方法进行的，如DE4035266和DE4223337中所述。

在光致发光响应和光热响应结合在一起的同步测量中，被测信号最好取自空间分离的位置，其中两个被测数值是在被测物的不同面上被检测的。由于被测物通常对激光的透明度较弱，光热响应在激发一侧检测是合适的，而荧光则在被测物的另一面接收是合适的(例如，背面和侧表面)。

在光激发半导体材料响应分析的装置中，激光束聚焦于被测物上产生电子能量蓄积，荧光检测器用于测量由被测物发出的荧光辐射。根据本发明，激光束是强度调制的，并且在调制频谱中含有两个分立的调制频率，荧光检测器与频率选择部件相连，其中只有发生在被测物中有频率转换的荧光辐射分量可以在调制频率的混合频率、和频率或差频率下被检测到，其中信号处理部件把以频率选择方式检测到的检测信号作为调制频率算术平均值的函数进行分析，该部件安装在荧光检测器的后面。

用一个激光源产生双调制的激光束是有利的，并且调制器元件组或调制器组件用两个调制频率调制激光源。产生双调制激光束的另一合理方案在于，激光束由两个分光束组成，每个分光束分别由调制频率之一调制，而调制是由调制组件进行控制的。

一方面，这两个分光束可以方便地由一个激光源经过一个分光器来产生，每个分光束配置一个光学调制器，分别以调制频率之一进行调制，在调制器后面安装光学部件把分光束汇集在一起。在分光束光路中设备偏振光学部件是适宜的，使分光束相互呈正交偏振。

另一方面，分光束可方便地由两个独立的激光源提供，每个激光源由两个调制频率之一驱动。在这种情况下使用两个激光二极管被证明是有利的，这两个二极管的偏振光构成偏振方向相互垂直的分光束。在最简单的例子中，以这种方式产生的分光束被导入一个共同的光学系统，使其相互平行并聚焦于被测物表面的一个点上。把两个分光束汇集一起使其重合是适宜的。

在一特殊装置中，分光束以不平行的方式便利地导入共同的光学系统中，使得在被测物上形成很邻近的、空间分离的分光束激发中心。受激载流子的扩散长度和迁移率可以这种方式进行测定。为了便于材料电学参数的计算，在准备双调制激光束过程中，将驱动部件与调制器组件相结合，该驱动部件使调制频率在很宽的频率范围内变动(频率扫描)，使调制频率的算术差值总保持恒定。半导体中的发光驰豫过程特征参数可由频率与荧光强度测量值的关系曲线来确定。

根据本发明在该装置的另一结构中，除荧光检测器外，再提供一个激光检测器，检测与被测物相互作用后的激光束是可行的。该装置根据由DE4035266和DE4223337已知的热波响应检测原理所扩充，这种装置可把受激载流子的荧光信号分量与总信号(由激光检测器提供)分离。该分离是以光热响应和荧光响应的测量为基础，这两种响应在被测物光激励的一个很宽的调制频率范围内是彼此相关的。分离的结果提供半导体中有关发光和非发光沟道部分的信息。

为了防止激励激光对荧光检测器中荧光信号的干扰，有两个可行的措施尤其适合于反射荧光和透射荧光的测量。其一是用二向色反射镜，而另一是用吸收滤光片将激光束分离。这两个措施也可联合使用，而当被测物足以屏蔽激光束时也可将其省略。

本发明的基本构思是以作为半导体中载流子发光弛豫机理的荧光知识为基础的，该知识同样可类似地应用于材料中所有其它可能的发光驰豫过程。

已知，有多种周期性调制和非周期性调制光激发材料的方法用于荧光测量，例如EP0545523。另一面，采用多个频率进行激发，最简单的情况是用两个频率Ω₁和Ω₂，从测量技术来说，能够提供从激发频率范围的频率转换获得一个测量技术上合宜的测量频率是具优点的，该测量频率是根据利用激发和驰豫过程中固有的非线性特性而获得。在最简单的情况下，当荧光强度与激发强度呈平方关系时，由被测物发出的荧光辐射不仅含有初始激发频率Ω₁和Ω₂而且还含有其和频率和差频率Ω₁±Ω₂。因此在很宽的激发频率范围内，以一种简单方式，在固定的差频率Ω₁－Ω₂下通过检测各分量进行驰豫分析是可能的，并且用此种方法也可以进入高频和超高频范围，而用已知方法只能困难地并损失部分精度才能进入该频率范围。发光驰豫过程的特性例如首先是其时间特性，可以由测量的荧光强度与频率的关系来确定。

在本发明基本构思的第一扩展中，有可能获得有关被测物中受激载流子的扩散长度和迁移率的信息。将两个分光束结合用于激发，两个分光束各用两个频率Ω₁和Ω₂之一进行强度调制并且引导通过光学部件使两个分光束射在被测物的空间分离的点上。在激发中心产生的载流子浓度与射入的分光束相一致，具有调制频率Ω₁或Ω₂。在这种情况下被差频Ω₁－Ω₂调制的荧光只出现在被Ω₁或Ω₂调制的载流子浓度重叠的空间区域。当激发位置的相互间距离最多等于受激载流子的两个扩散长度时可获得充分的重叠。因此激励激光束两个入射点之间距离的变化允许借助分析差频Ω₁－Ω₂下的荧光强度与分光束间距离和其平均调制频率(Ω₁＋Ω₂)/2间的关系以简单的方式来确定该空间区域的大小。

本发明构思的第二个扩展是发光驰豫(光致发光)的分析与光热响应信号的分析相结合。

众所周知，在光热测量中尤其是对半导体的测量，作为一个普遍的问题是受激载流子对被测物总的响应有显著贡献。利用分别测量由载流子复合产生的光，有可能把受激载流子的发光驰豫信号分量与总信号分开。这种分开建立在一个宽的光激发调制频率范围内测量被测物相关的光热响应和发光信号。在此测量过程中，光热响应分析同样在频率转换(光热外差作用)基础上进行，如在Meas.Sci.Technol.2(1991)1088-1093.中所述。

在离开被测物的激励光束部分中含有频率转换分量，这些分量带有非发光的和发光的驰豫过程相互作用的明显标记，而被测物荧光中的频率转换只来自发光过程。因此有可能利用两种响应类型的相关测量，把发光过程的响应分量分开，并得到非发光分量的信息。

利用本发明方法的基本方案，用高频激发和短的载流子寿命(小于1μs)的发光驰豫过程，可以简单方式由能带—到—能带跃迁范围得到空间的和关于信噪比方面的高分辨率荧光测量。这种测量也可以可靠地应用于处在高温下的被测物(例如，半导体衬底)。根据本发明方法的扩展方案和相应的特殊装置有可能完成载流子波的频率分析，以便得到关于受激载流子的扩散长度和迁移率的信息，和分开被测物的发光和非发光响应的信号分量，以便得到有关半导体中发光沟道和非发光沟道的信息和材料的各种电学参数。

下面借助实施例进一步阐述本发明。附图如下：

图1示出根据本发明的基本结构，在一个方案中，于被测物受激面的背面检测荧光；

图2示出根据本发明的基本结构，在一个方案中，于被测物的受激面检测荧光；

图3示出一种根据本发明的装置，用于组合的具有频率转换的荧光谱和光热谱，在该装置中激励激光束由两个偏振方向相互垂直的分光束组成；

图4示出一种根据本发明的装置，用于组合的具有频率转换的荧光谱和光热谱，在该装置中在被测物的受激面检测荧光；

图5示出一种根据本发明的装置，用于组合的荧光谱和光热谱，在该装置中，用一个时钟调制的激光束进行激发；

图6示出图5所示实施例的强度调制时间分布曲线；

图7示出根据本发明的装置，该装置具有两个分光束，这两个分光束在空间分开的激发中心来激发被测物；

图8示出根据本发明的另一种装置，该装置具有两个相互分开的激励分光束；

图9示出根据本发明的装置，该装置具有荧光的侧面检测；

图10示出荧光形状函数F_CL与平均调制频率Ω和过剩载流子平均寿命τ乘积的关系；

图11示出具有修正的、规一化参数的图10的荧光形状函数；

本发明方法在其基本方案中包括

●用具有两个分立调制频率Ω₁和Ω₂强度-调制的激光束向被测物输入能量，

●在和频率(Ω₁＋Ω₂)和差频率(Ω₁－Ω₂)下检测由被测物4发出的荧光，以及

●把检测到的荧光作为调制频率算术平均值的函数进行分析。该方法用图1所示装置实现。

用激光源1产生激光束，该激光束强度用调制器组件2调制成两个调制频率Ω₁和Ω₂。输入的调制频率Ω₁和Ω₂可以优先在100KHz到2MHz频率范围内选择，并且一般选择的两个频率彼此较接近(例如，(Ω₁－Ω₂)≈10KHz)。这种情况用调制器组件2附近的Ω₁和Ω₂的输入箭头表示。激光束用光学系统3聚焦并导向被测物4。用荧光检测器5检测由被测物4背面发出的荧光。因为荧光不是以平行的方式发出，为了减少信号损失该探测器应该检测尽可能大的空间角。由于这种原因该探测器被放置在尽可能靠近被测物4的背面。测量信号由荧光检测器5进入锁相放大器6，该放大器调整到差频(Ω₁－Ω₂)并且从调制器组件2获得参考信号。随后的信号处理用信号处理器7完成，该处理器检测锁相放大器6的输出信号并且记录并把此信号作为Ω₁和Ω₂的函数进行计算。

在图2装置中，用激光二极管1产生激光束，借助调制组件2用两个调制频率Ω₁和Ω₂对该二极管进行强度调制。用二向色反射镜8和光学系统3把激光束导向被测物4。二向色反射镜8对激光波长是透明的而对荧光却有较大的反射系数。由被测物4正面发出的荧光经光学系统3使成平行光，于二向色反射镜8处反射，并经光学系统10导向荧光检测器5。在二向色反射镜8不能充分有效地分离激光束的情况下，在光束路径中插入一个吸收滤光片9。测量信号还是由荧光检测器5送到锁相放大器6。信号的进一步处理与图1所述一致。

本发明方法的一种扩展是借助使用扫频来实现的，该扫频容易实现而不必对检测方法做任何改动。调制频率Ω₁和Ω₂可在宽的频率范围内变动，其中只需保证差频(Ω₁－Ω₂)保持恒定。用这种方法极大地扩展了计算测量值的范围，如下面将借助理论分析予以说明。

本发明的另一种实施结构在于，把荧光检测与光热响应的记录相结合，该记录从和被测物4相互作用后的激光束获得。两种响应过程是在同一时刻记录的，从而它们都与被测物4上的同一位置有关。下面将说明其计算模型。

根据本发明检测差频或基本时钟频率的发光响应，可以用改变激励频率束来对载流子波进行频率分析，该激励频率应在尽可能大的范围内，但无论如何应在复盖载流子寿命τ的倒数的范围内改变。信号S表示接收到的荧光功率，该信号可以经空间积分经检测器检测的所有荧光分量获得(理想情况下，检测半空间HS内的荧光辐射)： $S=L{E}_g\mathrm{\β}\underset{\mathrm{HS}}{\∫}{d}^3\stackrel{\→}{r}\{n\cos ({\mathrm{\Ω}}_{1}t+{\mathrm{\ψ}}_n)p\cos ({\mathrm{\Ω}}_{2}t+{\mathrm{\ψ}}_p)+n\cos ({\mathrm{\Ω}}_{2}t+{\mathrm{\ψ}}_n)p\cos ({\mathrm{\Ω}}_1+{\mathrm{\ψ}}_p)\}---\left(1\right)$ 其中各电子波n( t)或空穴波p( t)是幅度n或p(过剩载流子能带中的浓度)和相位φ_n或φ_p与位置的函数。根据公式(1)信号功率是由荧光衰减系数L、荧光的平均能量Eg和在荧光沟道中的复合率β＝σ_L ^V给出。这后一项是由发光复合俘获截面σ_L和在能带中载流子的热速度给出并且有量纲[m³s^-1]。

公式(1)中经少数n个三角函数变换后，信号分量s可表示如下，该分量仅由差频Ω₁₂＝Ω₁－Ω₂确定：

$S=L{E}_g\mathrm{\β}\cos \left({\mathrm{\Ω}}_{12}t\right)\·\underset{\mathrm{HS}}{\∫}{d}^3\stackrel{\→}{r}\left\{\mathrm{np}\cos ({\mathrm{\ψ}}_n-{\mathrm{\ψ}}_p)\right\}---\left(2\right)$ $=L{E}_g\mathrm{\β}\cos \left({\mathrm{\Ω}}_{12}t\right)\·\underset{\mathrm{HS}}{\∫}{d}^3\stackrel{\→}{r}\frac{1}{2}\{\widehat{n\·}{\hat{p}}^{*}+{\hat{n}}^{*}\hat{p}\}$ 其中载流子波(n，p)和相位(φ_n，φ_p)已被复数变量 ＝ce^iφ所取代(复数的共轭用^*表示)。

人们知道，关于相应波的相位信息是不能分开的，并且对过剩载流子(φ_n＝φ_p)相位等于零。但是仍然可以由

中提取材料的电参数，双极性扩散系数D、表面复合速度S和过剩载流子寿命τ。在理想的载流子波(球面波)的情况下，可以用简单的方法计算积分。假如在一个由激光光斑半径W所确定的吸收区内所蓄积的、调制激光功率为P，那么信号就可用下式计算： $S=L\·\frac{P^{2}w}{{\left(\mathrm{h\ωD}\right)}^2}-\frac{\mathrm{\β}\·E_g}{{|1+\frac{\mathrm{ws}}{D}+p|}^2}\frac{1}{\{p+p^{*}\}};p^2=(1+\mathrm{i\Ω\τ})\frac{w^2}{\mathrm{D\τ}}---\left(3\right)$

从中可以看出，比式以激光光斑半径W作为长度的度量进行绝对测量的计算。需要指出公式(3)中定义的变量p，如常规，表示载流子波的复数波数，因此不要与过剩空穴浓度p(

)混淆。现在引入下面得到的具有量纲[w^-1 m^-1]的变量作为在差频时荧光输出功率的转换效率K_L： $K_L=\frac{S}{P^{2}w}=L\·\frac{\mathrm{\β}\·E_g}{{\left(\mathrm{h\ωD}\right)}^2}\·F_{\mathrm{cL}}---\left(4\right)$

借助扫频利用平均调制频率Ω＝(Ω₁＋Ω₂)/2确定无量纲发光形状函数F_cL(Ω)。过剩载流子寿命τ根据下式： $\frac{1}{\mathrm{\τ}}=\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_L}+\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_s}---\left(5\right)$ 由荧光的(τ_L)和非发光的(τ_s)沟道所组成。图10和图11示出形状函数的几个函数关系。图10示出发光形状函数F_cL与平均调制频率Ω和过剩载流子平均寿命τ乘积的关系曲线。其曲线参数是在表面复合速度S＝0的情况下，用激光光斑半径W规一化的载流子扩散长度 $l_c=\sqrt{\left(2\mathrm{D\τ}\right).}$

图11示出发光形状函数F_cL与平均调制频率Ω和过剩载流子平均寿命τ乘积的关系曲线，其曲线参数是在固定的扩散长度l_c的情况下，用激光光斑半径W和扩散系数D规一化的表面复合速度S。

为了把荧光和光热响应结合在一起进行分析计算，在设备技术上有多种方案。

在图3的装置中，激励激光束由两个偏振方向相互垂直的分光束组成，其中一个是由激励二极管21，而另一个是由激光二极管22产生的。激光二极管21的光强由调制器组件2用频率Ω₁调制，激光二极管22的光强由调制器组件2用频率Ω₂调制。两个分光束经偏振开关19组合在一起，通过分光片12并用光学系统3聚焦到被测物4上。除由被测物4发出的荧光外，与被测物4相互作用后的激光束在该装置中也应被检测。从被检测物4出来的激光束用光学系统3使成平行，经分光片12反射后到达适于检测此激光的检测器13。在此激光检测器13的前面安置一个偏振滤光片26，其取向是只有由被测物4反回的两个激励分光束之一被激光检测器13检测。通过偏振滤光片的激光束分量含有所有关于经频率转换的光热响应的信息。在选用另一种的偏振滤光片26(例如，偏振开关)时，这个事实为把第二激光束分量用于其它目的(例如，参数检测器、自聚焦检测器等)提供了可能性，且不会对到达激光检测器13的响应信号产生不利影响。

特别是当缺少空间妨碍安置荧光检测器5使其直接靠近被测物表面时，把由被测物4背面发出的荧光用一个光波导11收集是有利的，并且把它输送到荧光检测器。在该实施例中，作为示例使用了一个光波导11，因为荧光检测器5(与其结构形状有关)不能总是足够近的接近被测物4的背面。例如，一个各面抛光的玻璃棒或者一束有足够输入截面的玻璃光纤可以用作光波导11。也可以用一个具有足够大的入光孔径的平行光学系统来检测强发散荧光代替光波导11。在被测物4对激励激光束的波长有明显的或者起干扰作用的透明度的情况下，在光路中另外插入一个对荧光是透明的而吸收激光的吸收滤光片9。测量信号由荧光检测器5和由激光检测器13到达上面已述锁相放大器6和另一锁相放大器14，因此放大器分析激光检测器13所提供的信号幅度和相位。这两个锁相放大器6和14被调到差频(Ω₁－Ω₂)并且由调制器组件2得到它们的参考信号。它们的输出信号送至信号处理器7，该处理器借助激励频率，用上述对测量信号的记录和计算建立起锁相放大器6和14提供测量信号的相关性。该处理器利用上述适当的理论模型算法提供被测物中有关各发光和非发光驰豫机构的信息。例如一个微计算机系统可以作为信号处理器用于这类大量信号的分析。

在图4的装置中，激光束用激光二极管1产生，其光强借助调制器组件2用两个调制频率Ω₁和Ω₂调制。激光束通过分光片12和二向色反射镜8并借助光学系统3导至被测物4上，从被测物4再出来的激光由光学系统3接收并使成平行，穿过二向色反射镜8，经分光片12反射后到达适合于接收此激光的激光检测器13。由被测物4正面发出的荧光经光学系统3使成平行，在二向色反射镜8处反射并经光学系统10导向荧光检测器5。结果二向色反射镜8不能足够有效地把激光分开，就在该光路中插入一个吸收滤光片9。测量信号由荧光检测器5到达锁相放大器6，和由激光检测器13到达锁相放大器14。信号的进一步处理与图3所述相当。

在图5的装置中，用激光二极管1产生激励激光束，其强度用调制器组件15调制。在图6中示出用此调制器组件15调制产生的激光束的强度与时间的关系曲线。经分光器16从激光束中耦合出一分光束并导向光学参考检测器17，此参考检测器17与锁相放大器18和调制器组件15组成调整回路。该调整回路导致由参考检测器17检测的激励激光束在频率f₂的分量调整到零。这种类型的调制在专利DE4223337中已有叙述。激励激光束在通过偏振开关19和一个

一片20后，由光学系统3导向被测物4。由被测物4出来的部分激光束再由光学系统3接收，再通过

一片20，并在偏振开关19处耦合出通向激光检测器13。用光波导11从被测物4的背面收集荧光并导向荧光检测器5。吸收滤光片9可以再次插入光路中，以便分离起干扰作用的透过被测物4的激励激光分量。测量信号由荧光检测器5和由激光检测器13到达锁相放大器6和14，这些放大器调到基准时钟频率f₂并由调制器组件15得到它们的参考信号。信号的进一步处理，根据图3所述，由信号处理器7完成。

在所有上述方案中，根据本发明对与被测物4相互作用后的荧光和激光束在差频(Ω₁－Ω₂)下进行分析。这种实施结构是特别有利的，因为可以以简单的方式在一宽的频率范围内，在保持频率差恒定的情况下，以相同的方向调节两个调制频率Ω₁和Ω₂来完成该分析。然后，这种方法有时是有缺点的，因为由检测的荧光得不到响应的相位信息，为了得到相位信息在和频率(Ω₁＋Ω₂)下进行分析是可取的。这种运行方式参照图7和图8所示装置是特别有利的，当然，本发明并不限于这些特定装置。

在图7所示装置中，两个激光二极管21和22产生两个激光束，其强度用调制器组件2调制，调制频率分别为Ω₁和Ω₂。两个激光束进入光学系统3，并且作为空间分开的激励分光束聚焦在被测物4上。入射点之间的距离可以借助两个可滑动的透镜23和24变动分光束的倾斜角来改变。用荧光检测器5检测由被测物4背面发出的荧光。测量信号由荧光检测器5到达锁相放大器6，该放大器调节到差频(Ω₁－Ω₂)并且由调制器组件2得到其参考信号。信号的进一步处理用信号处理器7完成，该处理器接收和记录锁相放大器6的输出信号，并且把这个信号作为Ω₁和Ω₂的函数和对分光束入射点的空间距离的依赖关系进行计算处理。

对调制频率Ω₁和Ω₂的和频率(Ω₁＋Ω₂)的测量值的频率-选择的记录方法，该方法实质上同样属于本发明，可以在这种结构方案中(以及在下面叙述的图8装置中)有利地予以实现，在该方案中，在固定调制频率Ω₁和Ω₂的情况下，把荧光作为激励分光束入射点间相互距离的函数进行分析。

在图8所示装置中，用激光二极管21和22产生两个激光束，它们的强度分别用频率Ω₁和Ω₂进行调制。信号强度的调制是用调制器组件2实现的，两个激光束通过偏振开关19和 一片20进入光学系统3，并且作为空间分离的激励分光束聚焦在被测物4上。入射点之间的距离可以借助两个滑动透镜23和24变动分光束的入射角来改变。离开被测物的部分激励光束重新被光学系统3接收，再通过 一片在偏振开关19处耦合出，并借助透镜25导向激光探测器13。从被测物背面发出的荧光用光波导11接收，并导向荧光检测器5，在有穿过被测物4的激励激光干扰透射分量的情况下，在光路中可以再插入一个吸收滤光片9。测量信号由荧光检测器5到达锁相放大器6，该放大器调节到差频(Ω₁－Ω₂)并由调制器组件2得到其参考信号。进一步的信号处理用处理7完成，该处理器接收和记录锁相放大器6的输出信号，并把这个信号作为Ω₁和Ω₂的函数，依据分光束入射点的空间距离进行计算处理，此外，与图3所示实施例相似完成对检测器5和13提供信号的相关分析。

图9示出图1所示基本装置的一种改型。这种改型的装置可以用于分析被测物，其中从被测物4的侧面发出一个较强的荧光分量，并且在此位置易被荧光检测器5接收。这样的情况是经常出现的，例如在分析抛光的半导体片时，在这些片子中由于光导效应荧光的较大部分可以在材料中传播。在图9所示装置中，用激光二极管1产生激光束，其强度用调制器组件2调制成具有Ω₁和Ω₂的两个频率。该激光束用光学系统3聚焦并导向被测物4。从被测物4侧面发出的荧光由透镜10收集并传给荧光检测器5。测量信号由荧光检测器5到达锁相放大器6，该放大器调节到差频(Ω₁－Ω₂)并由调制器组件2得到其参考信号。进一步的信号处理由信号处理器7完成。该处理器接收并记录锁相放大器6的输出信号并把该信号作为Ω₁和Ω₂的函数进行计算处理。

当然，图9示出的由被测物4侧面发出的荧光的检测，也可以用于图2至图8所示本发明基本装置的所有其它改型中。

Claims (32)

1.用于光激发半导体材料响应分析的方法，其中借助一个激光束在一被测物中产生电子能量蓄积，其驰豫过程以由被测物发出荧光辐射的形式被测量，其特征在于，

—激励激光束是强度调制的，其中调制频谱具有两个分立的调制频率(Ω₁；Ω₂)，

—由被测物(4)发出的荧光以调制频率(Ω₁；Ω₂)的差频(Ω₁－Ω₂)测量，以及

—荧光被作为调制频率(Ω₁；Ω₂)的算术平均值的函数进行分析。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于，

在入射激光束中的两个调制频率(Ω₁；Ω₂)是借助两个分光束组成的激光束产生的，这两个分光束各用一个调制频率(Ω₁；Ω₂)进行强度调制。

3.根据权利要求2的方法，其特征在于，

激励激光束的调制频率(Ω₁；Ω₂)是在宽的范围内变化的，其中调制频率(Ω₁；Ω₂)的差频保持不变。

4.根据权利要求2的方法，其特征在于，

两个分光束是相互呈直角偏振的。

5.根据权利要求2的方法，其特征在于，

两个分光束在被测物(4)上聚焦在空间分离的、很邻近的入射点上。

6.根据权利要求5的方法，其特征在于，

分光束以最多两倍于预期的受激载流子扩散长度的距离聚焦在被测物(4)上。

7.根据权利要求1的方法，其特征在于，

入射激光束中两个调制频率(Ω₁；Ω₂)是借助激光束用载频(f₁)和基准时钟频率(f₂)幅度调制产生的，其中载频(f₁)和基准时钟频率(f₂)根据下列规则调整：

       f₁＝(Ω₁＋Ω₂)/2

       f₂＝(Ω₁－Ω₂)以及基准时钟频率(f₂)的一个分量，该分量与由载频(f₁)和边频带(f₁±f₂)组成的混合频率同相位，被检测，并借助反馈此分量把它作为调制过程的干扰量予以消除。

8.根据权利要求7的方法，其特征在于，

调制频率(Ω₁；Ω₂)在保持恒定差频情况下，在宽的频率范围内变化。

9.用于光激发半导体材料响应分析的方法，其中借助一个激光束在一被测物中产生电子能量蓄积，其驰豫过程以由被测物发出荧光辐射的形式被测量，其特征在于，

—激励激光束是强度调制的，其中调制频率具有两个分立的调制频率(Ω₁；Ω₂)，

—由被测物(4)发出的荧光以调制频率(Ω₁；Ω₂)的和频率(Ω₁＋Ω₂)测量，以及

—荧光被作为调制频率(Ω₁；Ω₂)的算术平均值的函数进行分析。

10.根据权利要求9的方法，其特征在于，

在使用两个分光束、这两个分光束于被测物(4)上聚焦在空间分离的、很邻近的入射点的情况下，荧光作为具有固定调制频率Ω₁和Ω₂的激励激光束的入射点的相互距离的函数进行分析。

11.根据权利要求1的方法，其特征在于，

在被测物(4)受激光束激励的一面测量荧光响应。

12.根据权利要求1的方法，其特征在于，

在相对于被测物(4)受激励面的背面测量荧光响应。

13.根据权利要求1的方法，其特征在于，

在相对于被测物(4)受激励面的任意侧面测量荧光响应。

14.根据权利要求1的方法，其特征在于，

除测量荧光外，还由与被测物(4)相互作用后的激光束记录光热响应。并且完成两个响应过程的分析和相关性处理，以便能够分离被测物(4)的非发光响应。

15.根据权利要求14的方法，其特征在于，

两个测量过程在被测物(4)的不同侧面进行。

16.光激发半导体材料响应分析的装置，其中为了电子能量蓄积，把一个激光束聚焦在被测物上和设置一个荧光检测器测量从被测物发出的荧光辐射，其特征在于，

—激光束是强度调制的并且在其调制谱中含有两个分立的调制频率(Ω₁；Ω₂)，

—荧光检测器(5)与一个频率选择部件(6)连接在一起，其中仅只有调制频率(Ω₁；Ω₂)的差频(Ω₁－Ω₂)的荧光辐射分量可以被检测，这些分量是由在被测物中发生的频率转换所形成的，以及

—一个分析检测器信号的信号处理部件，检测器信号是以频率选择方式检测的，该信号作为调制频率(Ω₁；Ω₂)的算术平均值的函数进行分析，此处理部件安置在荧光检测器(5)的后面。

17.根据权利要求16的装置，其特征在于，

有一个用于产生双调制激光束的激光源(1)，和设置一个用两个调制频率(Ω₁；Ω₂)调制激光源(1)的调制器组件(2)。

18.根据权利要求16的装置，其特征在于，

激光束是由两个分光束组成的，每个分光束用调制频率(Ω₁；Ω₂)之一调制，并且这种调制是用调制器组件(2)控制的。

19.根据权利要求18的装置，其特征在于，

激光源(1)后面设置一个分光器用于产生两个分光束，其中在每一个分光束中安装一个光学调制器，以便分别用调制频率(Ω₁；Ω₂)之一对其进行调制，并且在调制器后面安装光学部件把分光束汇集在一起。

20.根据权利要求19的装置，其特征在于，

在分光束中设置偏振光学部件，使分光束的偏振方向相互呈直角。

21.根据权利要求18的装置，其特征在于，

有两个独立的激光源(21，22)，它们与调制器组件(2)连接，用调制频率(Ω₁；Ω₂)之一对每个激光源(21，22)进行调制。

22.根据权利要求21的装置，其特征在于，

两个激光二极管用作两个激光源(21，22)并且进行调整，使其偏振光成为相互呈直角偏振的分光束。

23.根据权利要求22的装置，其特征在于，

这两个分光束被导入一个共同的光学系统使其相互平行，并且聚焦在被测物表面的一点上。

24.根据权利要求22的装置，其特征在于，

分光束被聚在一起使其重合。

25.根据权利要求22的装置，其特征在于，

分光束以不平行的方式导入一个共同的光学系统，使在被测物(4)上形成靠的很近的、空间分离的分光束的入射点。

26.根据权利要求25的装置，其特征在于，

入射点被数值为最多两倍于预期的受激载流子扩散长度的距离所分开。

27.根据权利要求25的装置，其特征在于，

可以这样调整频率选择部件(6)，使选择性地为检测在差频率(Ω₁－Ω₂)下，只有从发生在被测物(4)中的频率转换所产生的荧光辐射分量，在调制频率(Ω₁，Ω₂)的和频率(Ω₁＋Ω₂)下才能检测到。

28.根据权利要求16的装置，其特征在于，

设置一个驱动部件用于在宽的范围内移动调制频率(Ω₁，Ω₂)，其中驱动部件与调制器组件(2)连接，并且调制频率(Ω₁，Ω₂)的算术差值总保持恒定。

29.根据权利要求16的装置，其特征在于，

除荧光检测器(5)外，设置一个激光检测器(13)检测与被测物(4)相互作用后的激光束。

30.根据权利要求30的装置，其特征在于，

荧光检测器(5)和激光检测器(13)的输出被送到各有关的锁相放大器(6；14)，其中两个锁相放大器(6；14)作为频率选择部件被调节到调制频率(Ω₁；Ω₂)的差频率(Ω₁－Ω₂)，并且与调制器组件(2)连接以便获得参考信息，以及信号处理部件是一个信号处理器(7)，用于对两个锁相放大器(6；14)的输出信号进行记录、计算和相关性处理，并提供被测物(4)中有关发光和非发光驰豫过程各自的信息。

31.根据权利要求16的装置，其特征在于，

设置一个二向色反光镜(8)，用于把激光与荧光辐射分开。

32.根据权利要求16的装置，其特征在于，

在荧光检测器(5)前面安装一个吸收滤光片(9)，用于把干扰激光与荧光辐射分开。

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