CN116539591A - 一种测量半导体材料宽波段电致发光光谱的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测量半导体材料宽波段电致发光光谱的方法，涉及半导体光电子学和半导体光学技术领域，通过设计一种宽波段的电致发光测试系统，可以得到半导体材料的电致发光峰位信息，并可以由此推断出其能带带隙，从而评判半导体外延材料的优劣，传统的电致发光测试系统，光路复杂，信噪比低，本方案设计的方案结合锁相放大技术和光纤收光技术，可以得到高信噪比的电致发光光谱，本方案设计的方案避免了传统电致发光系统需要制备电极的问题，利用金属探针直接注入电流，使用的光路和测试方法搭建简单，易操作，且价格相对于现有的测试设备低廉。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电子学和半导体光学技术领域，更具体地说，它涉及一种测量半导体材料宽波段电致发光光谱的方法。
背景技术
在半导体光电子领域，半导体化合物外延片的带隙是直接确认半导体外延片质量优劣的核心依旧，传统的检测方法通常用光致发光光谱等，直接测试半导体材料的发光光谱，然而光致发光通常需要激光器作为激发光源，且随着激发光源的功率增强，谱线会有明显的蓝移现象，且激光器的激发波长对于要与半导体材料的带隙所匹配，即激光器的激发波长所代表的能量要大于所需要激发的半导体材料的带隙能量，对于不同的半导体材料来说，通常需要选用不同波长的激光器作为激发光源。激光器的价格成本也比较贵。另一方面，光致发光所采用的光谱仪，通常为反射式光谱仪，每个反射光栅能分辨的光谱波段有限，在进行宽波段扫描时，通常需要切换光栅，时间较慢。
基于上述问题，本发明提供了一种利用交流电注入能量，通过锁相探测电致发光谱线的方法，从而判断半导体材料的带隙。
发明内容
传统的电致发光，通常利用直流电源注入直流电流信号，利用空间光学元件收集发光信号，入射到光谱仪中，效率很低，且需要制备样品的接触电极，通过欧姆电极使之与电流源连线，制作样品也比较麻烦。
本发明通过两个与电流源连接的金属探针，直接扎入半导体材料表面，形成电极，可以实现电流直接注入，此外本发明所使用的电源为交流电源，可以产生一个200HZ的交流电流，通过锁相来进一步的进行相关信号的滤波。最后，本发明使用光纤来作为收集光路，避免了传统的空间光学元件的复杂组装。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种测量半导体材料宽波段电致发光光谱的方法，包括如下步骤：
步骤一：放置待测的半导体外延片样品，调节两个金属探针座，通过体式显微镜观察金属探针与待测样品的接触情况，确保密接；
步骤二：设置交流电源注入的交流电流的频率和幅值，频率选择为200hz，并且通过一同轴线将所设频率接入到锁相放大器中的参考接口；
步骤三：调节光纤底座的方向；
步骤四：事先通过生长的外延片材料的带隙特性，选择出对应的可见光光谱仪和红外光谱仪，如果材料的带隙大于1.2eV则选择可见光光谱仪，否则选择红外光谱仪，选择与待测的半导体外延片样品匹配的光谱仪，通过同轴线将光谱仪的光电探测器与锁相放大器的输入信号端口连接；
步骤五：通过软件控制光谱仪，开始分光，同时读取锁相放大器的示数，从而得到待测样品的电致发光光谱。
进一步的，交流电流大小从1mA开始增大。
进一步的，交流电流大小从1mA开始减小。
与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：
1、通过设计一种宽波段的电致发光测试系统，可以得到半导体材料的电致发光峰位信息，并可以由此推断出其能带带隙，从而评判半导体外延材料的优劣；
2、传统的电致发光测试系统，光路复杂，信噪比低，本方案设计的方案结合锁相放大技术和光纤收光技术，可以得到高信噪比的电致发光光谱，本方案设计的方案避免了传统电致发光系统需要制备电极的问题，利用金属探针直接注入电流；
3、本方案使用的光路和测试方法搭建简单，易操作，且价格相对于现有的测试设备低廉。
附图说明
图1为一种测量半导体材料宽波段电致发光光谱的测试系统示意图；
图2为InGaAs材料的电致发光光谱测试结果。
具体实施方式
参照图1至图2，一种测量半导体材料宽波段电致发光光谱的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：放置待测的半导体外延片样品，调节两个金属探针座，通过体式显微镜观察金属探针与待测样品的接触情况，确保密接；
步骤二：设置交流电源注入的交流电流的频率和幅值，频率通常选择200hz，并且通过一同轴线将所设频率接入到锁相放大器中的参考接口。交流电流大小通常根据样品的导电性选择，可以从1mA开始增大或者减小；
步骤三：调节光纤底座的方向，确保光纤能够收集到最多的光信号；
步骤四：事先通过生长的外延片材料的带隙特性，选择出对应的可见光光谱仪和红外光谱仪，如果材料的带隙大于1.2eV则选择可见光光谱仪，否则选择红外光谱仪，选择与待测的半导体外延片样品匹配的光谱仪，通过同轴线将光谱仪的光电探测器与锁相放大器的输入信号端口连接；
步骤五：通过软件控制光谱仪，开始分光，同时通过软件读取锁相放大器的示数，从而得到待测样品的电致发光光谱。
具体电致发光测试系统如图1所示，实验系统由交流电源，两探针探针台，两金属探针，y型双光路光纤，两个光谱仪以及锁相放大器和测试电脑组成。
系统中电源为一频率可变的交流电流电源，可以施加低频的交流电流，电流量程为1uA到100mA，其频率变化范围从0hz到500hz。系统中使用的探针台为东森宝手动式探针台，其自带两金属探针和探针底座，并且可以通过自带的体式显微镜观察探针与样品的密接情况。样品通常为通过分子束外延或者金属有机气相外延生长的三五族化合物半导体外延片，样品尺寸可以从1寸到6寸任意选择。系统中使用的光纤为一分二y型光纤，光纤通过一光纤底座被一端固定在样品上方，此端口通常需要配备一聚焦光纤透镜，用来增强收光能力，光纤的另外一端为y型光纤的两个端口，分别接入光谱仪1和光谱仪2，其中光谱仪1的测量范围为300-1000nm，光谱仪2的测量范围为1000-2000nm。可以根据被测材料的理论带隙选择合适的光谱仪。光谱仪后面接入有单点的光电探测器，光电探测器将光信号转化成对应的电压信号，电压信号再输入一锁相放大器中，我们采用的锁相放大器型号为SR830。锁相放大器收集到的电压信号，通过GPIB数据采集卡与电脑主板连接，最终电致发光信号通过软件直接读取。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本模板的保护范围。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (3)
1.一种测量半导体材料宽波段电致发光光谱的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：放置待测的半导体外延片样品，调节两个金属探针座，通过体式显微镜观察金属探针与待测样品的接触情况，确保密接；
步骤二：设置交流电源注入的交流电流的频率和幅值，频率选择为200hz，并且通过一同轴线将所设频率接入到锁相放大器中的参考接口；
步骤三：调节光纤底座的方向；
步骤四：事先通过生长的外延片材料的带隙特性，选择出对应的可见光光谱仪和红外光谱仪，如果材料的带隙大于1.2eV则选择可见光光谱仪，否则选择红外光谱仪，选择与待测的半导体外延片样品匹配的光谱仪，通过同轴线将光谱仪的光电探测器与锁相放大器的输入信号端口连接；
步骤五：控制光谱仪，开始分光，同时读取锁相放大器的示数，从而得到待测样品的电致发光光谱。
2.根据权利要求1所述的一种测量半导体材料宽波段电致发光光谱的方法，其特征在于，交流电流大小从1mA开始增大。
3.根据权利要求1所述的一种测量半导体材料宽波段电致发光光谱的方法，其特征在于，交流电流大小从1mA开始减小。
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