CN1150647A - 碲镉汞材料组分分布显示方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种HgCdTe组分分布显示方法和装置，采用扫描单色仪分光，分束片分束，与参考光路比较及红外热象仪成像方法，经过计算机处理给出组分分布。该仪器可以直接描画出材料不同区域的组分，并在数量上给出不同区域的组分平均值；也可以直接给出材料等组分分布图及相应的组分值。本发明可用于判断材料质量和选择制备红外探测器的材料，对HgCdTe材料研究及器件研制有很大的实用价值。

Description

碲镉汞材料组分分布显示方法和装置

本发明涉及利用光学手段，即利用红外光、可见光或紫外光来测试或分折材料，特别是一种用于检测碲镉汞(HgCdTe)材料(包括外延薄膜材料)组分均匀性的HgCdTe组分分布显示方法和装置。

为了测量HgCdTe材料组分均匀性，一般采用小光点红外透射方法：对材料上逐点测量红外透射谱，然后取1/2最大透过率为标准，根据公式计算得到相应的组分值；将各点的位置与组分值描绘成图，便得到材料的组分分布。这方法要求对材料不同点进行红外透射测量，比较麻烦。褚君浩等曾提出一个测量HgCdTe组分均匀性的方法，它的物理思想是通过拟合材料大光斑透射光谱获得此光斑内的组分分布[“Hg_1-xCdxTe组分x的横向均匀性”，褚君浩，苗景伟，石桥，刘坤，季华美，红外与毫米波学报，11，411-414(1992)]。该方法可以给出光斑内的组分分布及偏差[参见K.Liu，J.H.Chu，B. Li and D.Y.Tang，“Measurementof composition in Hg1-xCdxTe epilayers”，Appl.Phys.  Lett.，64，2818-2820(1994)和B.Li，J.H.Chu，K.Liu and D.Y.Tang，“Study on the composition profile of a Hg_1-x CdxTe epilaxyfilm by infrared transmission spectroscopy”，J.Phys.C，7，29-35(1995)]。但是，这种方法还不能给出材料各点的组分实际值，因此需要在此基础上发展一种新的、简便方法，以便能直接给出HgCdTe材料各点组分值。

本发明的目的在于提供一种能直接给出HgCdTe材料组分均匀性的显示方法和装置，可以直接描画出材料不同区域的组分分布，并在数量上给出不同区域的组分平均值；也可以直接给出材料等组分分布图及相应的组分值。

本发明的目的通过如下技术方案达到：由红外光源发出光，经过单色仪分光，通过分束片分束，一路为参考光路，其信号经接收和模数转换后送入计算机。另一路红外光在样品中按不同组分吸收规律经过选择性透过，在样品另一面出射，被红外热象仪接收成象，经计算机处理给出组分分布图形及定量值。

本发明附图说明如下：

图1为本发明碲镉汞组分分布显示装置框图。

图2为本发明一个实施例的框图。

Hg_1-xCd_xTe是直接禁带半导体，其禁带宽度E_g随组分x和温度T而变化。在禁带宽度Eg能量的范围，样品的本征吸收系数α_k和Urbach吸收系数α_u可用如下经验公式表示：

α_u＝α_oexp[δ(E－E_o)/KT]          (E＜E_g)         (1)

α_k＝α_gexp[β(E－Eg)]^1/2           (E＞E_g)         (2)其中参量E_o，α_o，α_g，β，δ/KT都是与组分、温度相关的函数，α_g是禁带宽度Eg处的吸收系数，其中lnα_o＝-18.5＋45.68x                                       (3)E_o＝-0.355＋1.77x                                          (4)/KT＝(1nα_g－lnα_o)/(Eg－E_o)                            (5)α_g＝-6.5＋1.88T＋(8694－10.31T)x                          (6)Eg＝-0.295＋1.87x－0.28x²＋(6－14x＋3x²)(10-4)T＋0.35x⁴ (7)β＝-1＋0.083T＋(21－0.13T)x                                (8)

以上公式中吸收系数α，α_o，α_g以cm^-1为单位，能量E_o，Eg以电子伏特(eV)为单位，温度T以绝对温度为单位，组分x为无量纲小数。因此在相同温度下，如果HgCdTe样品不同位置处组分不同，则对同一波长的红外光吸收系数不同，造成不同的透过率。经过红外热象仪成像就可以获得亮暗不同的图形，对应于材料的不同组分。

此外，通过单色仪出射的光一路通过样品，另一路进入参考光路，把红外热象仪所测得的信号与参考光路信号相除，就获得样品的透过率数值，扫描单色仪的出射光波谱，就得到样品的透射光谱T_i，样品透过率T_i与样品厚度d及吸收系数α的关系是： $T_1=\frac{{(1-R)}^2\exp (-\mathrm{\αd})}{1-R^2\exp (-2\mathrm{\αd})}\…\…\…\left(9\right)$ 式中R为反射率，对HgCdTe来说，R＝0.32。

扫描单色仪出射波，测量参考光路信号与通过样品光路的信号之比，将得出的透射光谱存入计算机；由计算机求得透射边中点，即最大透过率的1/2处，该点坐标为(λ_m，T_m)。如果样品厚度为d，可算得该点吸收系数α_m ${\mathrm{\α}}_m=-\frac{1}{d}\ln (0.25+0.47T_m^2-0.5)\…\…\…\left(10\right)$ 该点的能量为E_m(eV)＝1.24/λ_m，由于该点在吸收边上，符合吸收边上吸收系数的计算公式(1)，于是从式(1)可以计算得样品平均组分x_m。从(1)估式算样品平均组分的方法是：把α_m代入(1)式左边，(1)式右边E项用E_m代，α_o，E_o以及δ/KT都是x的函数，由式(3)，(4)，(5)表示，其中T＝300K。(5)式中的α_g，E_g由(6)，(7)式表示。这样只有一个x是未知量，利用计算机在0～1的范围内调节x，使(1)式左右正好等于α_m，这个x就是x_m即平均组分。

将入射波长固定在λ_m处，在红外热象仪中就会获得样品的像。如果样品组分均匀，像的亮度一样；如果样品组分不均匀，像的亮度分布亦不均匀，亮的地方组分大，暗的部分组分小，亮度相同的地方组分相同。

按照亮度分区，其中值区域即为平均组分x_m区域。根据平均组分x_m可以由式(6)估算禁带宽度E_g处的吸收系数α_g。按照测量后已经存入的透过曲线，可以把不同亮度区域的透射光强用透过率值T_i对应，按式(10)计算该点对λ_m的吸收系数α_i，如果α_i＜α_g，可以用(1)式按上面计算x_m的方法计算x_i。如果α_i＞α_g，可以用(2)式调节x代入(2)式右边，让左边等于α_m来计算x_i。于是在热象仪显示屏上将显示出组分分布图形，并在样品等亮度区标定组分值，获得等组分分布图，打印出来供使用。

本发明发明人推荐如下实施例：

参阅图2，红外光源采用PE光源或硅碳棒光源，单色仪采用国产或Oriel Instrument公司产品，波长从可见～25μ_m。从单色仪出射的单色光，通过一个半反半透分束片一路进入样品室，一路进入参考光路室。  参考光路中由一个热释电探测器接收信号经模/数转换送入计算机，进入样品室的光通过样品透射，被841型智能热像仪接收摄下样品热像，进入计算机系统。

显而易见，本发明具有如下有益效果：

1.可计算得样品平均组分x_m；

2.可以直接描画出材料不同区域的组分分布；

3.可以给出材料等组分分布图及相应的组分值；

4.本发明可用于判断材料质量和选择制备红外探测器的材料，对HgCdTe材料研究及器件制备具有很大的实用价值。

Claims (4)

1.一种碲镉汞材料组分分布显示方法，包括红外光单色分光，半透半反分束和参考光路信号比较，其特征在于由红外光源发出光，经过单色仪分光，通过半透半反分束，一路为参考光路，其信号经接收和模数转换后送入计算机；另一路在样品中按不同组分吸收规律经过选择性透过，被接收成像，经计算机处理给出组分分布图形及定量值。

2.根据权利要求1所规定的碲镉汞材料组分分布显示方法，其特征在于所说的扫描单色仪出射波，测量通过材料样品光路的信号与参考光路信号之比，将得出的透射光谱存入计算机；由计算机求得透射边中点，由该点座标(λ_m，T_m)及样品厚度d算得该点吸收系数α_m和该点的能量E_m，把α_m代入α_u＝α_oexp[δ(E-E_o)/KT]左边，上式右边E项用E_m代，α_o，E_o以及δ/KT都用组分x的函数代入，利用计算机在0～1的范围内调节x，使上式相等，这个x就是求得的材料样品的平均组分x_m。

3.根据权利要求1所规定的碲镉汞材料组分分布显示方法，其特征在于所说的材料样品在λm波长光照下的透过图象以及不同区域的透过率T_i，利用吸收系数公式求得该区域组分平均值x_m以及不同区域的组分值x_i，并在样品等亮度区标定组分值，获得等组分分布图。

4.一种碲镉汞材料组分分布显示装置，包括红外光源，单色仪，样品室，红外热像仪和计算机，其特征在于由红外光源发出光，经过单色仪出射的单色光，通过一个半透半反分束片，一路进入样品室，一路进入参考光路室；参考光路中由一个热释电探测器接收信号经模/数转换送入计算机；进入样品室的光在材料样品中经过选择生透过，被热像仪接收成像。经计算机处理给出材料组分分布图形及定量值。

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