LT7003B - Puslaidininkinių optoelektronikos prietaisų charakterizavimo įrenginys - Google Patents
Puslaidininkinių optoelektronikos prietaisų charakterizavimo įrenginys Download PDFInfo
- Publication number
- LT7003B LT7003B LT2021573A LT2021573A LT7003B LT 7003 B LT7003 B LT 7003B LT 2021573 A LT2021573 A LT 2021573A LT 2021573 A LT2021573 A LT 2021573A LT 7003 B LT7003 B LT 7003B
- Authority
- LT
- Lithuania
- Prior art keywords
- pulses
- thz
- test device
- detector
- laser
- Prior art date
Links
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 title claims abstract description 14
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims abstract description 10
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 title description 6
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 37
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims abstract description 24
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 18
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims abstract description 15
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 11
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 14
- 238000011835 investigation Methods 0.000 abstract description 3
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 19
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 14
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 10
- 239000000463 material Substances 0.000 description 9
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 6
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 6
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 229910000530 Gallium indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 3
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 3
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 3
- XBJJRSFLZVLCSE-UHFFFAOYSA-N barium(2+);diborate Chemical compound [Ba+2].[Ba+2].[Ba+2].[O-]B([O-])[O-].[O-]B([O-])[O-] XBJJRSFLZVLCSE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 229910052681 coesite Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052906 cristobalite Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 description 2
- 238000000295 emission spectrum Methods 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 2
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 2
- 229910052682 stishovite Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 229910052905 tridymite Inorganic materials 0.000 description 2
- MWRWFPQBGSZWNV-UHFFFAOYSA-N Dinitrosopentamethylenetetramine Chemical compound C1N2CN(N=O)CN1CN(N=O)C2 MWRWFPQBGSZWNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052688 Gadolinium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052779 Neodymium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000005697 Pockels effect Effects 0.000 description 1
- ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N Potassium Chemical compound [K] ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052769 Ytterbium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000005094 computer simulation Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000003111 delayed effect Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000000407 epitaxy Methods 0.000 description 1
- UIWYJDYFSGRHKR-UHFFFAOYSA-N gadolinium atom Chemical compound [Gd] UIWYJDYFSGRHKR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- CJNBYAVZURUTKZ-UHFFFAOYSA-N hafnium(IV) oxide Inorganic materials O=[Hf]=O CJNBYAVZURUTKZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000004020 luminiscence type Methods 0.000 description 1
- 230000004660 morphological change Effects 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 229910052700 potassium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011591 potassium Substances 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000000985 reflectance spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 1
- PBYZMCDFOULPGH-UHFFFAOYSA-N tungstate Chemical compound [O-][W]([O-])(=O)=O PBYZMCDFOULPGH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052724 xenon Inorganic materials 0.000 description 1
- FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N xenon atom Chemical compound [Xe] FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J11/00—Measuring the characteristics of individual optical pulses or of optical pulse trains
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/02—Details
- G01J3/10—Arrangements of light sources specially adapted for spectrometry or colorimetry
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/28—Investigating the spectrum
- G01J3/2889—Rapid scan spectrometers; Time resolved spectrometry
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/28—Investigating the spectrum
- G01J3/42—Absorption spectrometry; Double beam spectrometry; Flicker spectrometry; Reflection spectrometry
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/28—Investigating the spectrum
- G01J3/42—Absorption spectrometry; Double beam spectrometry; Flicker spectrometry; Reflection spectrometry
- G01J3/433—Modulation spectrometry; Derivative spectrometry
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
- G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
- G01N21/3581—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light using far infrared light; using Terahertz radiation
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/35—Non-linear optics
- G02F1/3515—All-optical modulation, gating, switching, e.g. control of a light beam by another light beam
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Nonlinear Science (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Toxicology (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Išradimas priklauso puslaidininkinių optoelektronikos prietaisų spektrinių charakteristikų matavimo sričiai ir gali būti naudojamas tiriant įvairių optoelektronikos komponentų veikos charakteristikas. Pasiūlytas įrenginys apima femtosekundinį lazerį, veidrodį, dalinantį lazerio pluoštelį į dvi dalis, kur didesnio intensyvumo pluoštelio dalis yra nukreipta į tiriamąjį prietaisą, o mažesnio intensyvumo pluoštelio dalis aktyvuoja detektorių į kurį patenka tiriamajame prietaise sugeneruoti ir nuo jo atsispindėję spinduliuotės impulsai. Siekiant praplėsti matuojamąjį bangos ilgių diapazoną ir padidinti spektrinių matavimų tikslumą įrenginys turi optinį parametrinį stiprintuvą pro kurį praeina pluoštelio dalis, nukreipta į tiriamąjį prietaisą ir kuriame sukuriamas kintamo bangos ilgio femtosekundinių šviesos impulsų pluoštelis. Šis pluoštelis patekęs į tiriamąjį prietaisą sugeneruoja terahertcų (THz) spinduliuotės impulsus, kurie kartu su nuo prietaiso atspindėtais impulsais patenka į detektorių, kuris registruoja THz spinduliuotės impulsus. Registravimo priemonė nustato tiriamojo prietaiso spektrinę charakteristiką pagal detektoriuje užregistruotų THz impulsų formą laike.
Description
TECHNIKOS SRITIS
Šis išradimas priklauso puslaidininkinių optoelektronikos prietaisų spektrinių charakteristikų matavimo sričiai ir gali būti naudojamas tiriant įvairių optoelektronikos komponentų, įskaitant daugiasandūrinius saulės elementus, veikos charakteristikų matavimuose.
TECHNIKOS LYGIS
Paprastai puslaidininkinių optoelektronikos prietaisų charakteristikos yra matuojamas apšviečiant prietaisą įvairaus bangos ilgio šviesos pluošteliu ir matuojant prietaiso kontaktuose atsiradusį elektrinį signalą. Tačiau tokiems optoelektroniniams prietaisams, kaip daugelio sandūrų saulės elementai (DSSE), monolitiškai integruoti viename darinyje, panašūs elektrinius kontaktus naudojantys matavimai yra neįmanomi, nes vidinių darinio sandūrų sluoksniai yra nepasiekiami. Todėl ši problema yra sprendžiama panaudojant kelis skirtingų bangos ilgių šviesos šaltinius.
Vienas tokių DSSE charakterizavimo įrenginių yra aprašytas darbe (S. W. Lim et al, „Analysis of spectral photocurrent response from multi-junction solar cells under variable voltage bias“, 2010 35th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, pp. 000712-000716, DOI: 10.1109/PVSC.2010.5617046). Įrenginys buvo panaudotas matuojant trijų sandūrų InGaP/InGaAs/Ge saulės elemento išorinio kvantinio našumo spektrus. Saulės elementas yra vienu metu apšviečiamas trimis skirtingais šviesos pluošteliais. Du intensyvūs lazerio pluošteliai (raudonas ir mėlynas) stipriai sužadina InGaP ir Ge p-n sandūras, todėl bendra fotosrovė tekanti per prietaisą yra ribojama InGaAs sandūros, kuri yra apšviečiama per monochromatorių mažesnio intensyvumo ksenono lempos pluošteliu. Šis pluoštelis yra mechaniškai karpomas, o fotosrovė yra registruojama sinchroniniu detektoriumi. Esant šiai eksperimento geometrijai, yra išmatuojamos vidurinės InGaAs sandūros charakteristikos; norint tokius tyrimus atlikti ir su likusiomis dviem p-n sandūromis, reikia atitinkamai parinkti skirtingų sandūrų optinės sugerties sritį atitinkančių bangos ilgių šviesos pluoštelių intensyvumus.
Žinomo charakterizavimo įrenginio trūkumas yra neišvengiamas matuojamojo prietaiso temperatūros pokytis veikiant didelio intensyvumo šviesos pluošteliams, skirtiems nematuojamų p-n sandūrų įtakai eliminuoti. Tas temperatūros pokytis gali reikšmingai įtakoti ir tiriamosios sandūros charakteristikas, ir kitų DSSE darinyje esančių ribų tarp skirtingų medžiagų sluoksnių elektrinius parametrus. Be to, matavimo rezultatus gali paveikti ir liuminescencijos spinduliuotė iš stipriai sužadintų sandūrų su didesniu nei tiriamojoje sandūroje draustinių energijų tarpu.
Puslaidininkių ir iš jų pagamintų prietaisų elektrines ir optines charakteristikas tirti nenaudojant elektrinių kontaktų yra įmanoma pasitelkus trumpus terahercinės (THz) spinduliuotės impulsus. JAV patente US 9,450,536 B2 (2016. 09. 20) prototipas, yra aprašomi tokius impulsus panaudojantys puslaidininkių optoelektronikos prietaisų charakterizavimo būdas ir jį realizuojantis įrenginys. Įrenginį sudaro impulsinis lazeris, leidžiantis generuoti tris skirtingo bangos ilgio optinius impulsus ir naudojamas apšviečiant tiriamąjį DSSE, tų impulsų vėlinimo laike dalis, reikalinga išskiriant kiekvieno jų generuojamus THz spinduliuotės impulsus, ir THz impulsų detektavimo ir rezultatų apdorojimo dalys. Būdas yra paremtas THz spinduliuotės impulsų generavimo puslaidininkyje, apšviestame trumpu optiniu impulsu, reiškinio. Skirtingo bangos ilgio šviesa yra sugeriama skirtinguose DSSE sluoksniuose, o dėl šios sugerties atsiradę elektronai ir skylės bus veikiami atitinkamame sluoksnyje esančio vidinio elektrinio lauko ir perskiriami erdvėje vieni nuo kitų. Dėl šio persiskyrimo atsiradęs kintantis laike elektrinis dipolis yra pagrindinė spinduliuojamojo THz impulso atsiradimo priežastis. Iš THz impulso amplitudės galima įvertinti vidinio elektrinio lauko stiprį atskiruose DSSE darinį sudarančių medžiagų sluoksniuose. Šiuo būdu, pasitelkiant fokusuotą ir DSSE įrenginio paviršių skenuojantį THz impulsų generavimo spindulį, taip pat galima įvertinti skirtinguose gyliuose ir skirtingose įrenginio vietose esančius medžiagos defektus ir morfologinius pokyčius, kurie gali nulemti krūvininkų nespindulinę rekombinaciją bei vidinio elektrinio lauko pokyčius.
Minėtame patente yra siūlomi keli šį charakterizacijos būdą galintys realizuoti įrenginiai. Pirmajame iš jų optinių impulsų šaltinis yra femtosekundinis lazeris; greta pagrindinio lazerio bangos ilgio impulso yra naudojami lazerio antrosios ir trečiosios harmonikų impulsai, gauti praleidus pagrindinį impulsą per atitinkamus netiesiškus optinius kristalus. Antrosios ir trečiosios harmonikų impulsai vėlinimo linijose yra užlaikomi laike pagrindinės harmonikos impulso atžvilgiu tam, kad detektorius galėtų registruoti kiekvieno jų generuojamo THz impulsų amplitudes atskirai.
Antrajame minėtajame JAV patente siūlomame įrenginio realizacijos variante optinių impulsų šaltiniu pasirinktas „baltas“, superkontinumą generuojantis femtosekundinis lazeris, kurio impulso spektras yra labai platus. Filtrais pasirenkamos trys skirtingos šio spektro dalys; jos leis gauti skirtingo bangos ilgio (ir ilgesnės už pradinę trukmės) optinius impulsus, kurie bus vėlinami ir naudojami apšviečiant DSSE panašiai, kaip tas daroma pirmojo realizacijos varianto atveju.
Abu šie variantai yra sunkiai realizuojami. AMO Saulės spektras užima platų bangos ilgių ruožą nuo ~300 nm iki 1600 nm, didžiausio indėlio į elektronų ir skylių porų generavimą DSSE galime tikėtis šiauresniame ruože, kuriame rasime daugiausiai fotonų. Iš fotonų su įvairia energija skaičiaus pasiskirstymo Saulės AMO spektre matyti, kad techniškai įdomiausia yra šio spektro dalis, kurioje fotonų energijos yra tarp 1 eV ir 3 eV. Todėl, kalbant apie pirmąjį iš prototipe siūlomų variantų, kuriame matuojant yra pasitelkiami femtosekundinio lazerio pirmosios harmonikos bei padvigubinto ir patrigubinto jos dažnio impulsai, optimaliausias būtų 1 eV energijos šviesos kvantus generuojanti lazerinė sistema. Tokios sistemos rinkoje egzistuoja, jos remiasi aktyviosiomis terpėmis, legiruotomis Yb ar Nd jonais. JAV patente aptariamas Ti:safyro lazeris - plačiausiai iš visų femtosekundinių lazerių paplitęs prietaisas, netiks, nes jo kvanto energija yra ~1,5 eV, todėl trigubo dažnio fotonų energija sieks 4,5 eV - spektro ruožą, kuris Saulės energetikos požiūriu nėra aktualus.
„Baltos“ šviesos femtosekundinių impulsų spektras gali apimti ruožą nuo ~200 nm iki daugiau nei 1600 nm, tačiau tokie impulsai yra gaunami praleidus labai galingus pradinius, užkrato optinius impulsus per vienokią ar kitokią netiesišką optinę terpę: dujas ar skystį (R L. Fork, et al, „Femtosecond white-light continuum pulses“, Opt. Lett., 8, pp. 1-3 (1983), DOI:10.1364/OL.8.000001) ar kietąjį kūną, pavyzdžiui, amorfinį kvarcą (A. Saliminia et.al., „Ultra-broad and coherent white light generation in silica glass by focused femtosecond pulses at 1.5 pm“, Opt.Express, 13, pp. 57315738 (2005), DOI:10.1364/OPEX.13.005731). Dėl šios priežasties gaunama spektro forma bus stipriai įtakojama netiesiškos terpės optinių rezonansų, o įvairių spektro dalių intensyvumas labai skirsis.
Dar vienas bendras prototipe siūlomo būdo ir įrenginių realizacijų trūkumas yra susijęs su kelių optinių impulsų sekos, kurioje atstumai tarp impulsų yra didesni už THz impulso generavimo trukmę, naudojimu. Pastarasis dydis yra apie 1 ps, tačiau krūvininkų gyvavimo trukmės saulės elementuose paprastai yra keliomis dydžių eilėmis ilgesnės, todėl nerekombinavę ar neištraukti j kontaktus elektronai sąlygos THz impulsų sugertį ir iškraipys matavimų rezultatus.
SPRENDŽIAMA TECHNINĖ PROBLEMA
Šiuo išradimu siekiama praplėsti matuojamąjį bangos ilgių diapazoną ir padidinti spektrinių matavimų tikslumą bei sukurti nesunkiai realizuojamą įrenginį įvairių optoelektronikos komponentų, įskaitant daugiasandūrinius saulės elementus, veikos charakteristikų matavimui.
UŽDAVINIO SPRENDIMO ESMĖ
Uždavinio sprendimo esmė yra pasiekiama pagal išradimą pasiūlytu puslaidininkių optoelektronokos prietaisų charakterizavimo įrenginiu, apimančiu femtosekundinį lazerį, pusiau skaidrų veidrodį, dalinantį lazerio pluoštelį j pirmąją pluoštelio dalį ir antrąją pluoštelio dalį, kuri yra didesnio intensyvumo nei pirmoji pluoštelio dalis ir yra nukreipta į tiriamąjį prietaisą, vėlinimo liniją, keičiančią pirmosios pluoštelio dalies optinį kelią, terahercinių impulsų detektorių, aktyvuojamą pirmosios pluoštelio dalies ir registravimo priemonę, kur įrenginys turi optinį parametrinį stiprintuvą, kuris išdėstytas lazerio pluoštelio antrosios dalies optiniame kelyje tarp pusiau skaidraus veidrodžio ir tiriamojo prietaiso, kur antroji didesnio intensyvumo femtosekundinio lazerio pluoštelio dalis patenka j optinį parametrinį stiprintuvą, sukuriantį kintamo bangos ilgio femtosekundinių šviesos impulsų pluoštelį, kuris nukreipiamas kampu į tiriamojo prietaiso paviršių, kur tiriamąjame prietaise sugeneruoti ir nuo jo atsispindėję teraherciniai (THz) spinduliuotės impulsai patenka į detektorių, kurį aktyvuoja praėjusi per vėlinimo liniją pirmoji pluoštelio dalis, o detektoriuje užregistruoti THz spinduliuotės impulsai patenka į registravimo priemonę, kuri nustato tiriamojo prietaiso spektrinę charakteristiką pagal detektoriuje užregistruotų THz impulsų formą laike.
IŠRADIMO NAUDINGUMAS
Tiriamojo optoelektronikos prietaiso spektrinis atsakas yra nustatomas matuojant THz impulsų formą, generuojamą tiriamajame prietaise, apšviestame įvairaus bangos ilgio optinio parametrinio stiprintuvo (OPS) impulsais. Surinktų duomenų analizė gali būti atliekama integruojant THz impulsų formą laike, arba pasitelkus kompiuterinį krūvininkų dinamikos ir THz generavimo modeliavimą įrenginyje. OPS generuojamų impulsų bangos ilgį galima keisti plačiame spektriniame ruože nedideliais žingsniais, todėl jo panaudojimas leidžia išplėsti spektrinės charakteristikos nustatymo diapazoną ir padidinti jos matavimo tikslumą.
Skirtingo bangos ilgio OPS impulsai bus sugeriami skirtinguose tiriamojo prietaiso, pavyzdžiui DSSE, gyliuose - tuose sluoksniuose, kurių medžiagos draustinių energijų tarpas bus mažesnis nei OPS impulso kvanto energija. Femtosekundinis optinis impulsas sukurs atitinkamame sluoksnyje elektronus ir skyles, kurie, judėdami sluoksnyje esančiame vidiniame elektriniame lauke, bus erdvėje perskiriami vieni nuo kitų ir ekranuos jį. Ši lokali fotosrovė J keisis laike sukurdama kintantį laike elektrinį dipolj, kuris sąlygos elektromagnetinės spinduliuotės impulso atsiradimą. Kadangi maksimalus fotosrovės kitimas vyks per optinio impulso trukmę, viso generuojamo elektromagnetinio impulso trukmė irgi bus keli šimtai femtosekundžių, o paties impulso spektras atitiks THz dažnių ruožą. Tokių dažnių impulsai sklis erdvėje kvazioptiškai, todėl jų parametrus bus galima matuoti nenaudojant jokių elektrinių kontaktų, o pats pasiūlytasis įrenginys bus nesunkiai realizuojamas įvairių optoelektronikos komponentų veikos charakteristikų matavimui.
TRUMPAS BRĖŽINIŲ APRAŠYMAS
Pateikti brėžiniai neriboja išradimo apimties.
Fig. 1. Siūlomojo įrenginio principinė schema.
Fig. 2. Žadinančio optinio impulso LP4 ir fotosrovės impulso J kitimas laike.
Fig. 3. Terahercinio impulso amplitudės kitimas laike.
Fig. 4. Optinio parametrinio stiprintuvo generuojamų impulsų trukmės priklausomybė nuo spinduliuotės bangos ilgio.
Fig. 5. P-l-N diodų su i-sritimis iš GaAsBi (trikampiai), GaAs (juodi skrituliai) ir AIGaAs (kvadratai) THz emisijos spektrai sunormuoti j pastovų fotonų skaičių šviesos impulse.
Fig. 6. Tandeminio saulės elemento THz emisijos spektrai sunormuoti į pastovų fotonų skaičių šviesos impulse.
IŠRADIMO REALIZAVIMO APRAŠYMAS
Pasiūlytas įrenginys apima femtosekundinj lazerį 1, kuris generuoja šviesos impulsus 2. Pusiau skaidriame veidrodyje 3 šviesos impulsų pluoštelis 2 yra padalijamas į dvi dalis: į pirmąją dalį 4, kuri yra mažesnio intensyvumo ir yra naudojama THz spinduliuotės impulsų detektoriui 5 aktyvuoti, ir didesnio intensyvumo antrąją dalį 6, patenkančią j optinį parametrinį stiprintuvą (OPS) 7. OPS 7 generuoja kintamo bangos ilgio femtosekundinės trukmės šviesos impulsus 8, kurie yra naudojami tiriamojo prietaiso 9 sužadinimui. J tiriamąjį prietaisą 9 šviesos impulsai 8 krinta 45° kampu; jų atspindžio kelyje yra detektorius 5, registruojantis dėl femtosekundinių šviesos impulsų sugerties tiriamajame prietaise 9 generuojamus THz spinduliuotės impulsus 10. Detektorius 5 gali būti fotolaidi antena, pagaminta iš jautraus pluoštelio 4 bangos ilgiui puslaidininkio su trumpesnėmis nei 1 ps krūvininkų gyvavimo trukmėmis, arba elektrooptinis Pokelso efektą turinčios medžiagos kristalas. Pirmoji pluoštelio dalis 4 per veidrodį 11 ir vėlinimo liniją 12 yra nukreipiama į detektorių 5. Detektoriuje užregistruoti THz spinduliuotės impulsai patenka į registravimo priemonę 13, kuri nustato tiriamojo prietaiso 9 spektrinę charakteristiką pagal detektoriuje užregistruotų THz impulsų formą laike.
Priklausomai nuo praėjusio per OPS 7 pluoštelio 8 bangos ilgio, jis bus sugeriamas skirtingose tiriamojo optoelektroninio prietaiso 9 vietose - tose, kur medžiagos draustinių energijų tarpas bus mažesnis už pluoštelio 8 impulso fotonų energiją. Jei atitinkamoje dalyje bus vidinis elektrinis laukas, šviesos sugerties metu atsiradę nepusiausvyriniai krūvininkai sukurs greitai kintančios laike fotosrovės J(t) impulsą. Ši fotosrovė indukuos elektromagnetinės spinduliuotės impulsą, kurio charakteringi dažniai bus THz diapazone, taigi jis galės sklisti erdvėje kvazioptiškai, o jo amplitudė bus proporcinga fotosrovės išvestinei laike ETHz~dJ(t)/dt.
Pluoštelio 8 ir fotosrovės J kitimai laike yra pavaizduoti Fig. 2. Ethz kitimas laike yra pavaizduotas Fig. 3. Kaip matyti iš šių paveikslėlių, THz impulso 10 amplitudė pasiekia savo maksimumą per optinio impulso trukmę, kuomet fotosrovės kitimas laike yra pats didžiausias. Be to, ši amplitudė priklausys nuo optinio impulso trukmės. Tuo tarpu, fotosrovės J amplitudės maksimumo pozicija laike atitinka THz impulso 10 trukmę, o jos vertė, kurią galima nustatyti integruojant laike Ετηζ(ϊ), nuo optinio impulso trukmės priklausys žymiai mažiau. Apšviečiant tiriamąjį darinį įvairaus bangos ilgio spinduliuotės impulsais generuojama fotosrovė priklausys nuo sugerties koeficiento ir vidinio elektrinio lauko stiprio, o jos kitimas laike - nuo krūvininkų rekombinaciją lemiančių struktūrinių medžiagos faktorių konkrečioje prietaiso darinio vietoje.
TINKAMIAUSI ĮGYVENDINIMO VARIANTAI
Išradimo įgyvendinimui buvo sukurtas įrenginys, paremtas sustiprinta iterbiu legiruoto kalio ir gadolinio volframato Yb:KGW lazeriu 1 (PHAROS, Šviesos konversija), generavusio 1030 nm bangos ilgio, 160 fs trukmės ir 200 kHz pasikartojimo dažnio impulsus. Lazerio 1 pluoštas 2 buvo nukreipiamas į optinį parametrinį stiprintuvą OPS 7 (ORPHEUS, Šviesos konversija), kurį perderinant buvo generuojami optiniai femtosekundiniai impulsai su bangos ilgiais, keičiamais nuo 640 nm iki 2600 nm. Trumpesni, 400 nm siekiantys bangų ilgiai buvo gaunami generuojant antrosios harmonikos impulsus beta bario borato kristale (BBO). Optiniai impulsai krito 45° kampu į tiriamąjį prietaisą 9, o THz spinduliuotės impulsas 10 buvo stebimas atspindžio kryptyje naudojant GaAsBi fotolaidžią anteną (UAB Teravil), kuri buvo aktyvuojama Yb:KGW lazerio pluoštelio dalimi 4, apšviečiančia detektorių 5 po praėjimo per kintamo ilgio vėlinimo liniją 11. Fig. 4 yra pavaizduota antrosios harmonikos autokoreliacijos būdu nustatyta OPS 7 generuojamų įvairaus bangos ilgio impulsų trukmė. Iš šios iliustracijos matyti, kad šis parametras visame diapazone kinta nedaug; didesnis jo pokytis yra stebimas tik pereinant nuo signalinės prie šalutinės OPS generuojamų bangų.
Buvo atlikti keturių prietaisų spektrinių charakteristikų matavimai: trijų vienos sandūros P-l-N diodų su iš skirtingų medžiagų - GaAs, GaAIAs ir GaAsBi pagamintais aktyviaisiais sugerties sluoksniais, bei dviejų sandūrų: GaAs ir AIGaAs, fotovoltinio elemento. Visi šie bandiniai buvo užauginti molekulinių pluoštelių epitaksijos įrenginyje Veeco ant GaAs padėklų.
GaAs diode aktyviosios sugerties srities storis buvo 2000 nm. AIGaAs diodo sugerties srities storis buvo lygus 450 nm, Al dalis trinariame AIGaAs junginyje buvo 33 %. Trečiajame diode 500 nm storio GaAsBi (su 4 % Bi) i-sluoksnis buvo įterptas tarp kontaktinių n- ir p-tipo GaAs sluoksnių. Tirtojo dviejų sandūrų saulės elemento sluoksnių sandara yra pavaizduota žemiau parodytoje lentelėje.
| Sluoksnis | Medžiaga | Storis n m | Legiravimas cm-3 |
| praskaidrinanti optinė struktūra | SiO2 | 60 | - |
| praskaidrinanti optinė struktūra | HfO2 | 30 | - |
| praskaidrinanti optinė struktūra | SiO2 | 10 | - |
| langas-n | ^'θ.85θ^θ.15^δ | 30 | 4e18 |
| emiteris-n | ^'o.33^aO.67^S | 100 | 1e18 |
| bazė-p | ^'o.33^aO.67^S | 700 | 1e17 |
| galinio lauko -p | ^'o.9O^aO.1O^S | 200 | 5e18 |
| tunelinė sandūra-p | GaAs | 20 | 5e19 |
| tunelinė sandūra-n | GaAs | 50 | 2e19 |
| langas-n | ^'o.9O^aO.1O^S | 200 | 4e18 |
| emiteris-n | GaAs | 100 | 1e18 |
| bazė-p | GaAs | 1800 | 1e17 |
| galinio lauko -p | ^'o.2O^aO.8O^S | 150 | 2e18 |
| buferis-p | GaAs | 200 | 4e18 |
| padėklas-p | GaAs |
Visų trijų diodų matavimo rezultatai yra pavaizduoti Fig. 5. Matuojant tiriamas bandinys buvo apšviečiamas 6 mW vidutinės galios, S poliarizacijos pluošteliu, krintančiu 45° kampu į tiriamojo prietaiso (9) paviršiaus normalę. Visais trimis atvejais THz impulsų emisija prasidėdavo kai optinio impulso fotonų energija viršydavo diodo aktyviosios srities medžiagos draustinių energijų tarpą. Fig. 5 parodytos THz impulsų amplitudžių vertės yra normalizuotos į pastovų fotonų skaičių ir todėl leidžia tiksliai palyginti skirtingus tiriamus bandinius. GaAs ir AIGaAs diodų spektrai yra žymiai lygesni už GaAsBi spektrą. Pastarajame didesnių už draustinį tarpą fotonų energijų srityje stebimos stiprios THz impulsų amplitudės osciliacijos, kurias galima paaiškinti šviesos interferencijos efektais dėl atspindžių nuo GaAs padėklo, skaidraus šio spektrinio ruožo spinduliuotei.
Tandeminio saulės elemento, sudaryto iš dviejų subcelių: Alo.33Gao.67As (draustinių energijų juostos tarpas sg yra lygus 1.85 eV) ir GaAs (eg=1.42 eV) tyrimų rezultatai yra pavaizduoti Fig. 6. Šiame paveikslėlyje galima aiškiai išskirti abiejų tandeminio saulės elemento dalių sugerties ruožus bei skirtingas fotosrovės amplitudes. Akivaizdžiai matoma mažesnė generuojama fotosrovė GaAs subcelėje nei AIGaAs subcelėje. Šis rezultatas atitinka išorinio kvantinio našumo matavimus (EQE) bei įrenginio atspindžio spektro modeliavimo rezultatus. EQE matavime stebimas mažesnis GaAs subcelės kvantinis našumas, o atspindžio spektras rodo žymiai didesnį atspindį spektro ruože, kuriame sugeria šviesą GaAs subcelė. Tad mažesnė GaAs sluoksnio sugertis lemia mažesnę fotosrovės amplitudę THz impulsais grįstuose matavimuose.
Claims (1)
- Puslaidininkinių optoelektronikos prietaisų spektrinių charakteristikų matavimo įrenginys, apimantis - femtosekundinį lazerį (1); - pusiau skaidrų veidrodį (3), dalinantį lazerio (1) pluoštelį (2) į pirmąją pluoštelio dalį (4) ir antrąją pluoštelio dalį (6), kuri yra didesnio intensyvumo nei pirmoji pluoštelio dalis (4) ir yra nukreipta į tiriamąjį prietaisą (9); - vėlinimo liniją (12), keičiančią pirmosios pluoštelio dalies (4) optinį kelią, - terahercinių impulsų detektorių (5), kurį aktyvuoja pirmoji pluoštelio dalis (4) ir - registravimo priemonę (13), b e s i s k i r i a n t i s tuo, kad - įrenginys turi optinį parametrinį stiprintuvą (7), kuris išdėstytas lazerio pluoštelio antrosios dalies (6) optiniame kelyje tarp pusiau skaidraus veidrodžio (3) ir tiriamojo prietaiso (9), kur antroji didesnio intensyvumo femtosekundinio lazerio (1) pluoštelio dalis (6) patenka į optinį parametrinį stiprintuvą (7), sukuriantį kintamo bangos ilgio femtosekundinių šviesos impulsų pluoštelį (8), kuris nukreipiamas kampu į tiriamojo prietaiso (9) paviršių, kur tiriamajame prietaise sugeneruoti ir nuo jo atsispindėję teraherciniai (THz) spinduliuotės impulsai (10) patenka į detektorių (5), kurį aktyvuoja praėjusi per vėlinimo liniją (12) pirmoji pluoštelio dalis (4), o detektoriuje užregistruoti THz spinduliuotės impulsai patenka į registravimo priemonę (13), kuri nustato tiriamojo prietaiso (9) spektrinę charakteristiką pagal detektoriuje užregistruotų THz impulsų formą laike.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| LT2021573A LT7003B (lt) | 2021-12-06 | 2021-12-06 | Puslaidininkinių optoelektronikos prietaisų charakterizavimo įrenginys |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| LT2021573A LT7003B (lt) | 2021-12-06 | 2021-12-06 | Puslaidininkinių optoelektronikos prietaisų charakterizavimo įrenginys |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| LT2021573A LT2021573A (lt) | 2023-06-12 |
| LT7003B true LT7003B (lt) | 2023-07-10 |
Family
ID=80785143
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| LT2021573A LT7003B (lt) | 2021-12-06 | 2021-12-06 | Puslaidininkinių optoelektronikos prietaisų charakterizavimo įrenginys |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| LT (1) | LT7003B (lt) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102010056098B3 (de) * | 2010-12-21 | 2012-04-26 | Friedrich-Schiller-Universität Jena | Vorrichtung zur Charakterisierung von Materialparametern an Halbleitergrenzflächen mittels THz-Strahlung |
-
2021
- 2021-12-06 LT LT2021573A patent/LT7003B/lt unknown
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102010056098B3 (de) * | 2010-12-21 | 2012-04-26 | Friedrich-Schiller-Universität Jena | Vorrichtung zur Charakterisierung von Materialparametern an Halbleitergrenzflächen mittels THz-Strahlung |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| ARLAUSKAS A ET AL: "Terahertz emission from InSb illuminated by femtosecond laser pulses", JOURNAL OF PHYSICS D: APPLIED PHYSICS, INSTITUTE OF PHYSICS PUBLISHING, BRISTOL, GB, vol. 50, no. 5, 5 January 2017 (2017-01-05), pages 55101, XP020313146, ISSN: 0022-3727, [retrieved on 20170105], DOI: 10.1088/1361-6463/AA4ED4 * |
| KARPUS V. ET AL: "THz-excitation spectroscopy technique for band-offset determination", OPTICS EXPRESS, vol. 26, no. 26, 24 December 2018 (2018-12-24), US, pages 33807, XP055943740, ISSN: 2161-2072, DOI: 10.1364/OE.26.033807 * |
| NEVINSKAS I ET AL: "THz pulse emission from InAs-based epitaxial structures grown on InP substrates", SEMICONDUCTOR SCIENCE TECHNOLOGY, IOP PUBLISHING LTD, GB, vol. 31, no. 11, 20 October 2016 (2016-10-20), pages 115021, XP020309940, ISSN: 0268-1242, [retrieved on 20161020], DOI: 10.1088/0268-1242/31/11/115021 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| LT2021573A (lt) | 2023-06-12 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Gu et al. | Study of terahertz radiation from InAs and InSb | |
| US8669512B2 (en) | System and method for analyzing light by three-photon counting | |
| CN105841816A (zh) | 太赫兹时域光谱系统 | |
| CN108827914B (zh) | 太赫兹瞬态吸收光谱探测系统及载流子寿命测量方法 | |
| Ropagnol et al. | Toward high-power terahertz emitters using large aperture ZnSe photoconductive antennas | |
| US10158325B2 (en) | Inspection apparatus and inspection method | |
| Sakai et al. | Introduction to terahertz pulses | |
| Ikeda et al. | Picosecond transient absorption spectral and kinetic study on benzophenone microcrystals by diffuse reflectance laser photolysis method | |
| Kim et al. | Transmission-type laser THz emission microscope using a solid immersion lens | |
| Sarkisov et al. | Dipole antennas based on SI-GaAs: Cr for generation and detection of terahertz radiation | |
| LT7003B (lt) | Puslaidininkinių optoelektronikos prietaisų charakterizavimo įrenginys | |
| Ma et al. | ZnSTe-based Schottky barrier ultraviolet detectors with nanosecond response time | |
| Johnston et al. | Photoluminescence imaging characterization of thin-film InP | |
| Grubbs et al. | Photoluminescence excitation spectroscopy characterization of surface and bulk quality for early-stage potential of material systems | |
| WO2019003845A1 (ja) | 半導体検査装置及び半導体検査方法 | |
| Yamashita et al. | Quantitative evaluation of photocarriers in semiconductor pin structures with time-resolved terahertz reflection spectroscopy | |
| Miyagawa et al. | Structure dependence of the waveforms of THz radiation from GaAs-based photovoltaic devices | |
| Bergner et al. | Reflectivity and transmittance investigations of photoexcited charge carriers in silicon in the picosecond time domain | |
| Wong et al. | Visible to ultraviolet femtosecond autocorrelation measurements based on two-photon absorption using ZnSSe photodetector | |
| Spencer et al. | Developing InP-based solar cells: Time-resolved terahertz measurements of photoconductivity and carrier multiplication efficiencies | |
| Obraztsov et al. | Hybrid Perovskite Terahertz Photoconductive Antenna. Nanomaterials 2021, 11, 313 | |
| JP6355100B2 (ja) | 検査装置および検査方法 | |
| Peters | Surface terahertz phenomena | |
| Williams et al. | Time-resolved ultrafast spectroscopy of coherent optical phonons and charge carriers in tetragonal mercuric iodide | |
| Peng | Improvement of air breakdown limit in photoconductive antennas by surface passivation for intense terahertz generation |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| BB1A | Patent application published |
Effective date: 20230612 |
|
| FG9A | Patent granted |
Effective date: 20230710 |