專利名稱：預測量子阱紅外探測器響應波長的設備和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及GaAs/AlGaAs量子阱材料，特別是一種預測關于由GaAs/AlGaAs量子阱材料形成的紅外探測器紅外響應波長的設備和方法，更確切地說是一種量子阱材料無需制備成器件、直接在相應材料的非接觸式測量基礎上精確預測其紅外響應波長的設備和方法。
紅外探測器的制備中首先需要根據(jù)其應用的具體要求確定其響應波長、響應率、探測率等基本特征參數(shù)，其中響應波長尤為重要。為此在對典型的紅外探測器材料碲鎘汞在器件制備前篩選時，首先是用紅外吸收光譜方法確定其響應波長，但對GaAs/AlGaAs多量子阱紅外探測器材料的紅外響應波長確定就不象碲鎘汞材料那樣簡單了，其原因在于適合于響應率與探測率好的材料需將量子阱中激發(fā)態(tài)的能級設計在勢壘之上，從而導致基態(tài)向激發(fā)態(tài)躍遷的吸收系數(shù)很小，使實驗上的探測有困難，另外由于這類探測器材料在正入射時無吸收，做吸收光譜實驗時需要對樣品進行特殊的光波道結構的加工，對材料形成破壞，導致被測過的樣品難以再做器件。另一種簡單的方法是直接采用材料生長過程中的設計參數(shù)來估計響應波長，但由于量子阱紅外探測器響應波長對量子阱材料寬度的敏感度是在一個原子層量級，即便是當前人們可最精確地控制材料生長的分子束外延技術也難以保證有很好的穩(wěn)定性，為此采用生長過程的設計參數(shù)估計紅外響應波長會有較大的誤差。目前對材料的波長特性篩選是通過制備一個單元器件，再測量其響應光譜來獲得。鑒于器件制備工序較多，為測量響應光譜也還需完成封裝、制冷與光譜測量等步驟，工作量較大。為此，人們希望對GaAs/AlGaAs量子阱材料能象碲鎘汞材料那樣，在器件制備材料篩選中，可有一種簡單快速的方法來完成。
本發(fā)明的目的是提供一種預測量子阱紅外探測器材料響應波長的設備和方法，它區(qū)別于常用的途徑，可以使整個測量過程被大大地簡化。
本發(fā)明是通過微區(qū)的激光熒光測量，同時測定量子阱與勢壘的光熒光光譜信號，再與GaAs/AlGaAs量子阱材料的基本能帶理論模型相結合，獲得高精度的量子阱紅外探測器響應波長的預測值，測量過程屬于非接觸式，對材料無任何損傷，從而使測量過的材料仍可用于器件制備。
本發(fā)明的具體技術方案如下一種用于GaAs/AlGaAs量子阱材料預測量子阱紅外探測器響應波長的設備，其特點是該設備包括A、共焦激光熒光探測系統(tǒng)，由樣品臺、物鏡、分色片、濾光片、會聚鏡、共焦孔、光柵、探測器組成；B、激光器；C、計算機，該計算機安裝有可根據(jù)輸入量子阱熒光光譜數(shù)據(jù)和勢熒光光譜數(shù)據(jù)即能計算量子阱紅外探測器響應波長的計算機軟件。
所說的激光器發(fā)出的激光束經(jīng)分色片反射，物鏡會聚可形成直徑小于1微米的激光焦斑。
利用所述設備預測量子阱紅外探測器響應波長的方法，其包括下列步驟a．將量子阱材料測試樣品(2)的上電極層腐蝕，裸露出量子阱層；b、用一質(zhì)量較大的平整的小塊物體固定測試樣品(2)并置于共焦激光熒光探測系統(tǒng)的樣品臺上；c、調(diào)整樣品臺使樣品的量子阱層處于物鏡的焦平面，而激光器發(fā)出的平行激光束經(jīng)分色片反射并通過物鏡聚焦后，正好照射在樣品(2)的量子阱層上；d、調(diào)節(jié)共焦孔的位置使之處于會聚鏡的焦平面上；e、當共焦激光熒光探測系統(tǒng)各部件處于完好的等待工作狀態(tài)時，啟動激光器，激光束經(jīng)分色片反射，通過物鏡會聚后，照射在位于平面的測試樣品的約1微米直徑的量子阱層上，該量子阱受激光發(fā)出熒光，部分熒光向上經(jīng)過物鏡、分色片、濾光片、會聚鏡，穿過共焦孔由光柵反射進入探測器，探測器的信號送入計算機便形成來自多量子阱區(qū)域的激光熒光光譜；f、計算機根據(jù)熒光光譜數(shù)據(jù)擬合勢壘熒光峰，并給出勢壘組分；g、計算機根據(jù)勢疊組分再擬合勢阱熒光峰；h、給出勢阱寬度；i、根據(jù)勢阱寬度和勢疊組分計算出量子阱紅外探測器響應波長。
下面結合附圖對發(fā)明作進一步說明

圖1是本發(fā)明測試設備--共焦激光熒光探測系統(tǒng)結構示意圖。
圖2是量子阱材料的量子阱子帶躍遷和勢疊帶間躍遷熒光光譜圖。
圖3是從熒光光譜獲得量子阱紅外探測器響應波長的計算機處理程序流程圖。
圖4是本發(fā)明方法獲得的量子阱紅外探測器材料紅外響應波長預測結果與器件真實響應波長的比對圖。
圖1給出了本發(fā)明獲取多量子阱材料的量子阱與勢疊的熒光光譜測試設備--共焦激光熒光探測系統(tǒng)的基本構造示意圖，由置放測試樣品2的樣品臺1、聚焦激光的物鏡3、分色片4、濾光片5、共焦孔7、色散光熒光的光柵8和探測光譜的硅CCD探測器9。探測器9的信號送入到計算機(圖中未畫出)后便得到來自多量子阱區(qū)域的光熒光譜。
為了通過對量子阱材料的無損傷測量預測量子阱紅外探測器的紅外響應波長，我們首先需要確定量子阱區(qū)域的光熒光光譜，為此對量子阱與勢壘的光熒光光譜的測量不能象常規(guī)測量中那樣，先將電極層腐蝕掉，裸露出量子阱層后再進行光譜測量。我們的測量是從量子阱材料的側面進行微區(qū)的光熒光光譜測量。為了使獲得的光譜有足夠的信噪比以確保對勢壘帶躍遷能量與量子阱中子帶間躍遷能量確定的準確性，在具體測量過程中需注意以下幾點1、在測量過程中需確保樣品在微米量級的穩(wěn)定性，為此要用一質(zhì)量較大的平整小塊物體來固定直列的測試樣品2；2、物鏡3采用高倍的顯微物鏡(如100倍)，將入射激光聚焦到樣品2上，形成小于1微米直徑的激光光斑，如此，既滿足了小光點的局域性激發(fā)目的，也同時使激光的激發(fā)功率大幅度地上升，以利于對勢壘的帶間躍遷熒光光譜的觀測；
3、測試光學系統(tǒng)必須滿足共焦條件，通過圖1中所示的共焦孔大小和位置的調(diào)節(jié)，確保探測的光熒光區(qū)域就是激光激發(fā)的微米量級的微小區(qū)域，使多量子阱區(qū)域附近的電極層的很強的熒光信號不會竄擾到量子阱區(qū)域的熒光光譜中，樣品的發(fā)光通過共焦孔后被光柵反射到高靈敏度的硅CCD探測器上獲得熒光光譜，并確保所需的光譜信噪比；圖2是由圖1所示的設備獲得的量子阱紅外探測器材料的多量子阱區(qū)域顯微光熒光光譜，從光譜上可清晰觀測到位于800納米的來自量子阱中子帶躍遷的熒光光譜，同時位于670納米處來自勢壘的帶間躍遷熒光光譜，其熒光峰雖然較弱，但也已明顯可辯。根據(jù)這2個光譜結果可以獲得勢壘的禁帶寬度和量子阱中的子帶間能量差。通過與現(xiàn)有的半導體能帶模型及其GaAs、AlGaAs材料的基本參數(shù)，如帶階參數(shù)、有效質(zhì)量等的結合，可明確地確定量子阱的勢壘高度與勢阱寬度，再由這兩個參量結合半導體能帶模型定出基態(tài)與激發(fā)態(tài)間的能量差，這一能量差對應著紅外響應峰值出現(xiàn)的紅外光子能量，根據(jù)光子的能量我們可直接獲得其相應的波長。
圖3給出了根據(jù)上述原理的具體計算機處理程序流程圖，首先將光譜數(shù)據(jù)輸入計算機，而后采用擬合計算的方法獲得來自勢壘與勢阱中的光熒光峰位，并根據(jù)半導體的能帶理論獲得相應的勢壘中鋁組分和勢阱的寬度參量，基于這兩個基本參量，進一步根據(jù)有效質(zhì)量近擬理論計算出位于量子阱中的基態(tài)和第一激發(fā)態(tài)的能級位置?？色@得第一激發(fā)態(tài)與基態(tài)的能量差ΔE，取ΔE的單位為波數(shù)，那么量子阱紅外探測器的響應波長λ為λ=10000/ΔE(μm)最終將推算的λ結果輸出。
圖4給出了采用上述方法獲得的對8個樣品相應紅外響應波長的預測結果，在圖4中同時也給出了根據(jù)材料的分子束外延生長參數(shù)預測的紅外響應波長的結果和最終器件的響應波長。比較的結果表明，本發(fā)明的預測技術途徑是十分有效的，預測的結果與最終器件的結果的吻合程度明顯優(yōu)于用生長參數(shù)預測的結果，同時采用本發(fā)明的設備和方法，預測的紅外響應波長在8微米響應波段上誤差小于0.2微米，已能滿足許多實際應用的需求。
綜上所述，本發(fā)明有如下積極效果和優(yōu)點1、由于紅外探測器均是根據(jù)探測波段的要求進行制備的，為此在器件制備前的材料第一篩選參數(shù)就是材料制備成器件后的響應波長，本發(fā)明給出的對波長這一篩選過程比傳統(tǒng)的通過形成器件后來確定響應波長要快得多，將篩選的工作時間從一天降到半小時。而相對用材料生長過程參數(shù)來確定響應波長，雖然確定時間從約5分鐘上升到半小時，但準確度有近5倍的提高，滿足了應用的需求；2、相對做成器件后再確定響應波長而言，本發(fā)明的優(yōu)點在于測試過程是微區(qū)非接觸式的檢測，對材料不形成任何損傷與沾污，有利于對重要的直接用于器件制備的材料進行預測，但不損耗任何高質(zhì)量的材料；3、由于本發(fā)明中采用的是微區(qū)非接觸式檢測，可對形成器件的材料在微區(qū)的響應波長均勻性方面進行直接測定，這是傳統(tǒng)的兩種方法均無法實現(xiàn)的。
權利要求
1.一種用于GaAs/AlGaAs量子阱材料預測量子阱紅外探測器響應波長的設備，其特點是該設備包括A、共焦激光熒光探測系統(tǒng)，由樣品臺(1)、物鏡(3)、分色片(4)、濾光片(5)、會聚鏡(6)、共焦孔(7)、光柵(8)、探測器(9)組成；B、激光器；C、計算機，該計算機安裝有可根據(jù)輸入量子阱熒光光譜數(shù)據(jù)和勢壘熒光光譜數(shù)據(jù)即能計算量子阱紅外探測器響應波長的計算機軟件。
2.根據(jù)權利要求1所述的預測量子阱紅外探測器響應波長的設備，其特征在于所說的激光器發(fā)出的激光束經(jīng)分色片(4)反射，物鏡(3)會聚可形成小于直徑1微米的激光焦斑。
3.利用權利要求1或2所述的預測量子阱紅外探測器響應波長的預測量子阱紅外探測器響應波長的設備方法，其特征在于它包括下列步驟a．將量子阱材料測試樣品(2)的上電極層腐蝕，裸露出量子阱層；b、用一質(zhì)量較大的平整的小塊物體固定測試樣品(2)并置于共焦激光熒光探測系統(tǒng)的樣品臺(1)上；c、調(diào)整樣品臺(1)使樣品(2)的量子阱層處于物鏡(3)的焦平面，而激光器發(fā)出的平行激光束經(jīng)分色片(4)反射并通過物鏡(3)聚焦后，正好照射在樣品(2)的量子阱層上；d、調(diào)節(jié)共焦孔(7)的位置使之處于會聚鏡(6)的焦平面上；e、當共焦激光熒光探測系統(tǒng)各部件處于完好的等待工作狀態(tài)時，啟動激光器，激光束經(jīng)分色片(4)反射，通過物鏡(3)會聚后，照射在位于焦平面的測試樣品(2)的約1微米直徑的量子阱層上，該量子阱受激光發(fā)出熒光，部分熒光向上經(jīng)過物鏡(3)、分色片(4)、濾光片(5)、會聚鏡(6)，穿過共焦孔(7)由光柵(8)反射進入探測器(9)，探測器(9)的信號送入計算機便形成來自多量子阱區(qū)域的激光熒光光譜；f、計算機根據(jù)熒光光譜數(shù)據(jù)擬合勢壘熒光峰，并給出勢壘組分；g、計算機根據(jù)勢疊組分再擬合勢阱熒光峰；h、給出勢阱寬度；i、根據(jù)勢阱寬度和勢疊組分計算出量子阱紅外探測器響應波長。
全文摘要
一種預測由GaAs/AlGaAs量子阱材料形成的紅外探測器紅外響應波長的設備和方法,主要是采用共焦激光熒光探測系統(tǒng)獲得量子阱材料的量子阱子帶躍遷和勢壘帶間躍遷的兩種熒光光譜,通過計算機擬合勢壘熒光峰并給出勢壘組分,進而擬合勢阱熒光峰,給出勢阱寬度,再計算出量子阱紅外探測器響應波長。其優(yōu)點是無需制備成器件、直接在相應材料的非接觸式測量基礎上即可完成紅外響應波長的預測,而且結果相當準確。
文檔編號G01N21/64GK1299045SQ00135189
公開日2001年6月13日 申請日期2000年12月27日 優(yōu)先權日2000年12月27日
發(fā)明者陸衛(wèi), 蔡煒穎, 李志鋒, 李寧, 江俊 申請人:中國科學院上海技術物理研究所