CN114002573B - 一种材料载流子弛豫时间检测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种材料载流子弛豫时间检测系统及方法，该系统可以检测材料的载流子的能量弛豫时间。该系统由光源、功分时延阵列模块、多路光检测模块及位置调节装置、数据处理模块组成。本发明还公开一种功分时延阵列模块结构，该模块由空心光子晶体光纤制备而成，包括光传输单元、功分单元、和时延阵列单元。相比现有的载流子弛豫时间检测方案，本系统可实现泵浦光斑内外的多点检测，由检测结果既可以得到带间弛豫时间，也可以提供有电场或无外加电场情况下的空间散射带内弛豫时间，同时提升了检测效率。
Description
技术领域
本发明属于检测技术领域，特别涉及一种对材料载流子弛豫时间检测系统及方法。
背景技术
随着信息化技术和产业高速发展，对于高速芯片的需求和要求不断提高，其中高速光电芯片如光电探测器、光学开关、光调制器等在光电系统中发挥着重要作用，而光生载流子的超快动力学过程在很大程度上决定了这些光电器件的高速性能。因此对于这一过程的全面深入理解，对于设计和优化相关器件的光电性能具有重要的指导意义。其中载流子弛豫时间是表征材料性能的重要参数，对其测量对于深入了解材料性能具有重要作用。
目前对于载流子弛豫时间的检测主要包括超快泵浦检测技术和角分辨光电子能谱技术等，其中角分辨光电子能谱技术可测量的物理量较多，但系统结构更为复杂，对激光器和光路设计的要求也更高，目前应用更为广泛的是超快泵浦检测技术。超快泵浦检测技术通过将一束超短脉冲激光分为两部分，一部分作为泵浦光束辐照到材料表面，材料吸收光子，产生光生载流子，导致材料性质出现变化。另一部分作为探测光，两束激光在材料表面重合，探测光束将检测到材料出现的变化。通过改变两束光之间光程差，脉冲之间的时间延迟效应能够使实验数据反映出光生载流子的演化过程进而用来表征材料的特性。但现有的超快泵浦检测技术仅对材料被光照部位的响应进行单点逐次检测，不能体现材料的载流子空间和带内弛豫特性。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种材料载流子弛豫时间检测系统及测试方法，该系统可对半导体、薄膜和二维材料等各类材料的载流子的带间及带内空间散射弛豫时间进行检测。
一种材料载流子弛豫时间检测系统，包括光源、功分时延阵列模块、样品载玻片和支架、泵浦光路调节模块、多路光检测模块器阵列、多路光检测模块、及数据处理模块。其中光源包括超短脉冲激光器，用于提供超短脉冲激光；功分时延阵列模块将光源的输出光进行传输、功率分割并以不同的时延传输到不同的输出端口；多路光检测模块用于对不同方向和位置的透射和反射光进行检测；数据处理模块用于对不同光检测器检测到的光电信号进行收集并综合处理。
上述的多路光检测模块包括由多个光检测器构成的光检测器阵列及相应的电路部分，该电路主要包括各光检测器的驱动电路和锁模放大器。
上述的多路光检测模块可附加位置调节装置，对不同光检测器分别调节其位置，以使得不同光检测器分别与功分时延模块不同光路的反射光或透射光一一对准。
功分时延阵列模块由空心光子晶体光纤制备而成，包括光传输单元、功分单元、和时延阵列单元；其中光传输单元将光源输出的超短脉冲激光耦合到空心光子晶体光纤中传输一段距离，便于系统的操作；功分单元将脉冲激光分束为多路光脉冲，其中一路的光功率远大于其他光路，该路记为光路1，其他各路分为多组，记为光路mn，其中m表示分组序号、n表示同一分组中不同的光路；每个分组中不同光路有不同的长度，带来不同的时延，若n1>n2，则光路mn1的长度>光路mn2的长度；光路1经泵浦光路调节模块垂直照射到样品表面，其他光路分组以略微不同的角度照射到样品表面的不同位置，这些位置包括光路1的投影光斑中心到光斑外围的多个不同位置。
上述的功分时延阵列模块，其每个输出端口带有光阑，可以分别控制相应光路的通断，便于不同光检测器独立调节各自位置，及单独检测某个光路的信号或只检测部分光路的信号。
泵浦光路调节模块提供泵浦光路的时延调节及信号调制，其调制信号同时提供给光检测阵列的锁模放大器作为参考信号。
样品载玻片和支架，如要检测超薄材料(如二维材料)弛豫时间，则要将其覆在石英玻片上，载玻片和体块半导体材料放置于支架上进行测量，同时支架上可以外加平行于样品表面的电场。
对于该载流子弛豫时间检测系统，在进行载流子弛豫时间检测的过程中，根据被测材料能带的位置，选择光源所需波长，光源发送的超短脉冲激光经功分时延阵列模块，超短脉冲激光被分束成不同功率的多束，并以不同时延和角度输出、照射到样品上、并分别被检测，所得信号为材料被泵浦光照射后经不同时延不同位置的响应，由多路光检测响应信号的组合可得到被测材料受光照后的多时间点位置点采样响应，组成分布响应谱，用于计算载流子弛豫时间。在载流子弛豫时间检测过程中，可以在样品表面外加电场的情况下进行测试，获得相应的载流子扩散速率。
在上述的载流子弛豫时间检测过程中，可以在通过泵浦光路调节模块中的泵浦光路时延后重复进行，以获得更宽的时间范围内的材料特性响应谱。
采用上述方案后，本发明与现有技术相比，具有如下优点：
(1)相比现有的载流子弛豫时间检测方案，本系统可实现泵浦光斑内外的多点检测，由检测结果既可以得到带间弛豫时间，也可以提供有电场或无外加电场情况下的空间散射带内弛豫时间。
(2)相比现有的载流子弛豫时间检测系统，本系统检测方案可实现单次检测多时间点采样，有效提升了检测效率。
(3)由于本系统检测方案利用功分时延阵列实现单次检测多时间点采样，因此相比现有方案降低了对泵浦光路时延空间调节精度的要求，并可提升检测重复性。
附图说明
图1是本发明所提出的材料载流子弛豫时间检测系统示意图；
图2是功分时延阵列模块示意图；
图3是空心光子晶体光纤横截面示意图；
图4是泵浦光路调节模块示意图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。
本发明提供一种载流子弛豫时间检测检测系统，其系统框图如图1所示，包括光源、功分时延阵列模块、样品载玻片和支架、泵浦光路调节模块、多路光检测模块器阵列、多路光检测模块、及数据处理模块。其中光源包括超短脉冲激光器，用于提供超短脉冲激光，该光源可以选用波长可调的飞秒或皮秒级超短脉冲激光器；功分时延阵列模块将光源的输出光进行传输、功率分割并以不同的时延传输到不同的输出端口；多路光检测模块用于对不同方向和位置的透射和反射光进行检测；数据处理模块用于对不同光检测器检测到的光电信号进行收集并综合处理。
上述的多路光检测模块包括由多个光检测器构成的光检测器阵列及相应的电路部分，该电路主要包括各光检测器的驱动电路和锁模放大器。多路光检测模块可附加位置调节装置，对不同光检测器分别调节其位置，以使得不同光检测器分别与功分时延模块不同光路的反射光或透射光一一对准。
功分时延阵列模块由空心光子晶体光纤制备而成，其纵向结构示意图如图2所示，包括光传输单元、功分单元、和时延阵列单元；其中光传输单元将光源输出的超短脉冲激光耦合到空心光子晶体光纤中传输一段距离，便于系统的操作，该段空心光子晶体光纤的横截面结构如图3中灰色部分所示；功分单元将脉冲激光分束为多路光脉冲，其中一路的光功率远大于其他光路，该路记为光路1，其他各路分为多组，记为光路mn，其中m表示分组序号、n表示同一分组中不同的光路，如图3中黑色虚线框所示为进行分组的一个示例，除光路1外，其他空心光纤单元被分成第2～8组光路，在功分单元每个光路分开；每个分组中不同光路有不同的长度，带来不同的时延，若n1>n2，则光路mn1的长度>光路mn2的长度；光路1经泵浦光路调节模块垂直照射到样品表面，其他光路分组以略微不同的角度照射到样品表面的不同位置，这些位置包括光路1的投影光斑中心到光斑外围的多个不同位置。
上述的功分时延阵列模块，其每个输出端口带有光阑，可以分别控制相应光路的通断，便于不同光检测器独立调节各自位置，及单独检测某个光路的信号或只检测部分光路的信号。
泵浦光路调节模块提供泵浦光路的时延调节及信号调制，其结构如图4所示，其调制信号同时提供给光检测阵列的锁模放大器作为参考信号。
样品载玻片和支架，如要检测超薄材料(如二维材料)弛豫时间，则要将其覆在石英玻片上，载玻片和体块半导体材料放置于支架上进行测量，同时支架上可以外加平行于样品表面的电场。
对于该载流子弛豫时间检测系统，在进行载流子弛豫时间检测的过程中，根据被测材料能带的位置，选择光源所需波长，光源发送的超短脉冲激光经功分时延阵列模块，超短脉冲激光被分束成不同功率的多束，并以不同时延和角度输出、照射到样品上、并分别被检测，所得信号为材料被泵浦光照射后经不同时延不同位置的响应，由多路光检测响应信号的组合可得到被测材料受光照后的多时间点位置点采样响应，组成分布响应谱，用于计算载流子弛豫时间。在载流子弛豫时间检测过程中，可以在样品表面外加电场的情况下进行测试，获得相应的载流子扩散速率。
在上述的载流子弛豫时间检测过程中，可以在通过泵浦光路调节模块中的泵浦光路时延后重复进行，以获得更宽的时间范围内的材料特性响应谱。
本发明的改进点在于，系统可实现泵浦光斑内外的多点检测，由检测结果既可以得到带间弛豫时间，也可以提供有电场或无外加电场情况下的空间散射带内弛豫时间。检测方案可实现单次检测多时间点采样，有效提升了检测效率。同时检测方案利用功分时延阵列实现单次检测多时间点采样，因此相比现有方案降低了对泵浦光路时延空间调节精度的要求，并可提升检测重复性。
综合上述，本发明公开一种材料载流子弛豫时间检测系统，该系统可以检测材料的载流子的能量弛豫时间。这种材料载流子弛豫时间检测系统，通过光源提供超短脉冲激光并通过光纤输出，功分时延阵列模块对超短脉冲光进行功率、时延和角度分束，将分束后的光脉冲垂直和斜入射到样品表面，所得信号为材料被泵浦光照射后经不同时延不同位置的响应，由多路光检测响应信号的组合可得到被测材料受光照后的多时间点位置点采样响应，组成分布响应谱，用于计算载流子弛豫时间。将此输入数据在数据收集处理模块进行汇总处理，最终综合的获得材料的载流子弛豫时间参数。在载流子弛豫时间检测过程中，可以在样品表面外加电场的情况下进行测试，获得相应的载流子扩散速率。
本发明相比现有的方案，可实现泵浦光斑内外的多点检测，由检测结果既可以得到带间弛豫时间，也可以提供有电场或无外加电场情况下的空间散射带内弛豫时间。检测方案可实现单次检测多时间点采样，有效提升了检测效率。同时检测方案利用功分时延阵列实现单次检测多时间点采样，因此相比现有方案降低了对泵浦光路时延空间调节精度的要求，并可提升检测重复性。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
Claims (9)
1.一种材料载流子弛豫时间检测系统，其特征在于：包括光源、功分时延阵列模块、样品载玻片和支架、泵浦光路调节模块、多路光检测模块，及数据处理模块；其中，光源用于提供超短脉冲激光；功分时延阵列模块将光源的输出光进行传输、功率分割并以不同的时延传输到不同的输出端口；多路光检测模块用于对不同方向和位置的透射和反射光进行检测；数据处理模块用于对多路光检测模块检测到的光电信号进行收集并综合处理；泵浦光路调节模块提供泵浦光路的时延调节及信号调制；
所述功分时延阵列模块由空心光子晶体光纤制备而成，包括光传输单元、功分单元、和时延阵列单元；其中光传输单元将光源输出的超短脉冲激光耦合到空心光子晶体光纤中传输一段距离，便于系统的操作；功分单元将脉冲激光分束为多路光脉冲，其中一路的光功率远大于其他光路，该路记为光路1，其他各路分为多组，记为光路mn，其中m表示分组序号、n表示同一分组中不同的光路；每个分组中不同光路有不同的长度，带来不同的时延，若n1>n2，则光路mn1的长度>光路mn2的长度；光路1经泵浦光路调节模块垂直照射到样品表面，其他光路分组以略微不同的角度照射到样品表面的不同位置，这些位置包括光路1的投影光斑中心到光斑外围的多个不同位置。
2.如权利要求1所述的一种材料载流子弛豫时间检测系统，其特征在于：所述多路光检测模块包括由多个光检测器构成的光检测器阵列及相应的电路部分，该电路包括各光检测器的驱动电路和锁模放大器。
3.如权利要求2所述的一种材料载流子弛豫时间检测系统，其特征在于：所述多路光检测模块，可附加位置调节装置，对不同光检测器分别调节其位置，以使得不同光检测器分别与功分时延模块不同光路的反射光或透射光一一对准。
4.如权利要求2所述的一种材料载流子弛豫时间检测系统，其特征在于：所述泵浦光路调节模块提供的调制信号同时提供给光检测阵列的锁模放大器作为参考信号。
5.如权利要求4所述的一种材料载流子弛豫时间检测系统，其特征在于：所述功分时延阵列模块，其每个输出端口带有光阑，可分别控制相应光路的通断，便于不同光检测器独立调节各自位置，及单独检测某个光路的信号或只检测部分光路的信号。
6.如权利要求1所述的一种材料载流子弛豫时间检测系统，其特征在于：样品载玻片和支架，如要检测超薄材料弛豫时间，则要将其覆在石英玻片上，载玻片和体块半导体材料放置于支架上进行测量，同时支架上可外加平行于样品表面的电场。
7.基于权利要求1所述系统的材料载流子弛豫时间检测方法，其特征在于：利用载流子弛豫时间检测系统进行载流子弛豫时间检测的过程中，根据被测材料能带的位置，选择光源所需波长，光源发送的超短脉冲激光经功分时延阵列模块，超短脉冲激光被分束成不同功率的多束，并以不同时延和角度输出、照射到样品上、并分别被检测，所得信号为材料被泵浦光照射后经不同时延不同位置的响应，由多路光检测响应信号的组合可得到被测材料受光照后的多时间点位置点采样响应，组成分布响应谱，用于计算载流子弛豫时间。
8.如权利要求7所述的一种材料载流子弛豫时间检测方法，其特征在于：载流子弛豫时间检测过程中，可在样品表面外加电场的情况下进行测试，获得相应的载流子扩散速率。
9.如权利要求8所述的一种材料载流子弛豫时间检测方法，其特征在于：载流子弛豫时间检测过程中，可在通过泵浦光路调节模块中的泵浦光路时延后重复进行，以获得更宽的时间范围内的材料特性响应谱。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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