專利名稱：一種改善半導(dǎo)體材料光致發(fā)光測試效果的測試系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體材料、半導(dǎo)體測試及光譜技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種改善半導(dǎo) 體材料光致發(fā)光測試效果的測試系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
自上世紀(jì)六十年代半導(dǎo)體激光器發(fā)明以來，各種半導(dǎo)體光電材料發(fā)展迅速，其結(jié) 構(gòu)已由簡單的體材料發(fā)展到復(fù)雜的、異質(zhì)結(jié)、量子阱、超晶格等微結(jié)構(gòu)材料，涉及的波長范 圍由早期在近紅外的狹窄波段拓展到整個紫外、可見、近紅外、中紅外乃至遠紅外波段，材 料體系也包含VI、III-V、II-VI, IV-VI及有機化合物等，不一而足。半導(dǎo)體激光器已包括 分布反饋、面發(fā)射以及量子級聯(lián)等等多種形式，其基本結(jié)構(gòu)也已由雙極型擴展到單極型，激 射波長由近紅外、可見波段拓展到中紅外、遠紅外以及紫外波段，很多種類的激光器已實現(xiàn) 了商品化并應(yīng)用于眾多領(lǐng)域。隨著半導(dǎo)體激光器理論及材料生長技術(shù)的進步，一些新型的 半導(dǎo)體激光器在近十年中有了長足的發(fā)展。對于半導(dǎo)體光電材料，評價其性能及了解其內(nèi)部各種機理的重要和不可替代的手 段是光致發(fā)光測量。光致發(fā)光測量測量中采用波長小于所測材料帶隙或特征結(jié)構(gòu)對應(yīng)波 長的光源進行激發(fā)，同時用光譜學(xué)方法測量材料在此激發(fā)下的發(fā)光性能及其譜特征，據(jù)此 獲得被測材料的相關(guān)信息。此種方法在半導(dǎo)體材料和半導(dǎo)體物理研究領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用數(shù) 十年，取得了很好的效果，但仍存在一些不足之處。例如傳統(tǒng)的光致發(fā)光測量中仍延續(xù)采 用早期針對近紅外短波端材料的激發(fā)光源，如可見光波段的He-Ne、Ar+、YAG及紫外波段的 He-Cd等種類的氣體或固體激光器，這些激光器雖然發(fā)展較早較為成熟，但都存在體積大、 效率低、價格偏高以及使用不太方便等方面問題，特別是隨著材料的發(fā)光波長不斷向長波 方向延伸及各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)材料的出現(xiàn)，這些激光器的激發(fā)效率會受到很大限制，因而降低 光致發(fā)光方法的測試靈敏度，進而限制這種有效方法的測試表征能力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種改善半導(dǎo)體材料光致發(fā)光測試效果的測 試系統(tǒng)，可以改善半導(dǎo)體材料光致發(fā)光測試效果，并能適用于現(xiàn)有的常用光譜儀器如光柵 光譜儀、傅立葉變換光譜儀。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是提供一種改善半導(dǎo)體材料光致發(fā) 光測試效果的測試系統(tǒng)，包括激光器、光譜測量系統(tǒng)和光路部件，所述的光路部件包括反射 鏡、透鏡和拋物面鏡，并構(gòu)成測試光路；所述的激光器激發(fā)的激光經(jīng)過所述的反射鏡轉(zhuǎn)換方 向后由所述的透鏡聚焦直接照射在被測樣品上，所述的被測樣品反射的激光通過拋物面鏡 收集轉(zhuǎn)向準(zhǔn)直后以寬光束形式送達光譜測量系統(tǒng)；所述的激光器根據(jù)半導(dǎo)體材料的特性確 定發(fā)射波長；所述的發(fā)射波長小于被測樣品產(chǎn)生的光致發(fā)光波長，并在近紅外波段內(nèi)選取。所述的半導(dǎo)體材料的特性包括半導(dǎo)體材料的帶隙和外延結(jié)構(gòu)。所述的激光器為功率半導(dǎo)體激光器或全固態(tài)半導(dǎo)體激光器。
所述的拋物面鏡的口徑大于2. 5cm。所述的光譜測量系統(tǒng)為光柵光譜儀或傅立葉變換光譜儀。所述的被測樣品包括發(fā)光波長大于所述激光器的發(fā)射波長的InP基的InGaAs、 InGaAsP, InAlGaAs 以及 GaSb/InAs 基的 InGaAsSb、AlInAsSb、InAsPSb 的體材料和微結(jié)構(gòu) 材料。所述的光路部件和激光器均安裝在光學(xué)面包板上構(gòu)成一體化部件，并利用采用硅 CCD/CMOS的普通數(shù)碼相機、攝像頭或熒光卡進行光路調(diào)節(jié)。有益效果由于采用了上述的技術(shù)方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下的優(yōu)點和積極效 果本發(fā)明根據(jù)被測材料的種類和特性來選擇合適的發(fā)射波長從而獲得較高的光致發(fā)光強 度，從而提升光致發(fā)光測試能力及改善測試靈敏度，并且整個測試系統(tǒng)用一體化的簡單高 效的光路便可實現(xiàn)，光路的調(diào)節(jié)可通過應(yīng)用硅(XD/CM0S的普通數(shù)碼相機、攝像頭或熒光卡 等加以實現(xiàn)，十分方便。另外，本發(fā)明對光譜測量系統(tǒng)也沒有限制和特殊要求，即可以選用 光柵光譜儀，也可以選用傅立葉變換光譜儀，實現(xiàn)方式相當(dāng)靈活。


圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖2是本發(fā)明的測試結(jié)果圖。
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施例，進一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明 而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人 員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求書所限定 的范圍。本發(fā)明的實施方式涉及一種改善半導(dǎo)體材料光致發(fā)光測試效果的測試系統(tǒng)，包括 激光器、光譜測量系統(tǒng)和光路部件，所述的光路部件包括反射鏡、透鏡和拋物面鏡，并構(gòu)成 測試光路；所述的激光器激發(fā)的激光經(jīng)過所述的反射鏡轉(zhuǎn)換方向后由所述的透鏡聚焦直接 照射在被測樣品上，所述的被測樣品反射的激光通過拋物面鏡收集轉(zhuǎn)向準(zhǔn)直后以寬光束形 式送達光譜測量系統(tǒng)。所述的激光器的發(fā)射波長的范圍根據(jù)半導(dǎo)體材料的特性(如構(gòu)成材料的帶隙、不 同的外延結(jié)構(gòu)等)進行選定。眾所周知，半導(dǎo)體材料的吸收系數(shù)及吸收長度是與波長密切 相關(guān)的，一般波長越短吸收系數(shù)越高，因而吸收長度越短；光致發(fā)光測量中一方面希望激發(fā) 光在要測量的區(qū)域或結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生較強的吸收從而提高其激發(fā)效率，另一方面又希望在其他 區(qū)域(如一些不包含有效光致發(fā)光信息的表面層)有盡量小的吸收或較深的透入深度。而 對光致發(fā)光測量而言，理論上講發(fā)射波長只要小于被測材料的帶隙或特征結(jié)構(gòu)對應(yīng)的波長 就可進行激發(fā)。綜合這幾點，在發(fā)射波長的選擇上就存在一個優(yōu)化問題。另一方面，光致 發(fā)光測量一般希望用于光激發(fā)的激光器有較高的輸出功率(或者說有較大的功率調(diào)節(jié)范 圍)，這樣對發(fā)光較弱的材料也能進行測量，或者在較大的激發(fā)功率范圍內(nèi)進行測量獲得相 關(guān)信息，從而提高測試表征能力。根據(jù)前述原則，在滿足被測材料的帶隙或特征結(jié)構(gòu)對應(yīng)的波長要求的前提下，本發(fā)明選取適當(dāng)長些的發(fā)射波長進行激發(fā)，如發(fā)射波長可選擇在近紅 外波段范圍，但較小于樣品光致發(fā)光波長的某個特定波長。這樣一方面激發(fā)光有較深的透 入深度以避開或減弱不包含有效光致發(fā)光信息的表面層的影響(這些表面層在器件結(jié)構(gòu) 材料中是普遍存在的)，另一方面在要測量的區(qū)域或結(jié)構(gòu)中也可產(chǎn)生較強的吸收從而提高 其激發(fā)效率。傳統(tǒng)光致發(fā)光測量中激發(fā)激光器常用的是可見光波段的He-Ne、Ar+、YAG及紫外波 段的He-Cd等種類的氣體或固體激光器，隨著激光技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在則有了更大的選擇余 地。因此可以根據(jù)選定的發(fā)射波長范圍以及測試中應(yīng)用不同激光器的可行性(如激光器的 相關(guān)性能參數(shù)、可靠性、穩(wěn)定性以及性價比等)來確定合適種類的激光器。本發(fā)明中選取功 率半導(dǎo)體激光器或DPSS激光器等作為激發(fā)激光器，一方面這些種類的激光器與傳統(tǒng)的可 見光波段He-Ne、Ar+、YAG及紫外波段的He-Cd等種類的氣體或固體激光器相比，具有體積 小、效率高、使用較方便等優(yōu)點，另一方面在較長的工作波長上也有較大的波長選擇余地， 可達到較高的綜合性價比。例如808nm、980nm及1450nm的大功率半導(dǎo)體激光器已廣泛用 于各種泵浦源，采用半導(dǎo)體激光器泵浦的各種二極管泵浦固體激光器已有了較多的波長選 擇范圍，如 475nm、532nm、594nm 及 1064nm 等等。本發(fā)明中對光譜測量系統(tǒng)并無限制和特殊要求，即換用光激發(fā)激光器后原有光譜 測量系統(tǒng)仍可使用，因此普遍適用于現(xiàn)有的常用光譜儀器如光柵光譜儀、富立葉變換光譜儀等。下面以一種基于1064nm DPSS激光器和傅立葉變換光譜儀的光致發(fā)光測量系統(tǒng)進 一步說明本發(fā)明。如圖1所示，激光器1通過激光器電源10提供電壓激發(fā)激光，激發(fā)的激 光經(jīng)反射鏡31轉(zhuǎn)換方向后通過透鏡32聚焦直接照射在被測樣品4上，被測樣品4反射的 激光直接出射而不進入傅立葉變換光譜2，樣品的發(fā)光采用口徑大于2. 5cm(有利于光的收 集)的拋物面鏡33收集轉(zhuǎn)向準(zhǔn)直后以寬光束形式送達傅立葉變換光譜儀2，光束經(jīng)麥克爾 遜干涉儀21進入探測器23，再由前置放大器24放大和電子學(xué)系統(tǒng)25的采樣進入計算機 26，經(jīng)過傅立葉變換可得到最終的光致發(fā)光譜。測試步驟具體如下(1)選擇最大輸出功率為2W的1064nm DPSS激光器1作為此光致發(fā)光測量系統(tǒng) 的激發(fā)光源。此發(fā)射波長適合的材料體系，包括發(fā)光波長大于約IlOOnm的InP基InGaAs、 InGaAsP, InAlGaAs 和 GaSb/InAs 基的 InGaAsSb、AlInAsSb, InAsPSb 等體材料和微結(jié)構(gòu)材 料。最高2W的輸出功率也可滿足絕大多數(shù)測量要求。對此系列的DPSS激光器而言，由于 1064nm是其泵浦效率最高的基頻激射，因此具有最高性價比。(2)采用Nicolet 860型傅立葉變換光譜儀2進行光譜測量，測量中麥克爾遜干涉 儀21中的分束器211選用CaF2分束器、探測器23選用InSb探測器，以此適應(yīng)此光譜測量 波段。麥克爾遜干涉儀21中的定鏡212為普通定鏡，動鏡213與伺服系統(tǒng)22相連。(3)將被測樣品4放置于X-Y調(diào)節(jié)平臺上，采用圖1所示由反射鏡31、透鏡32和口 徑5厘米左右的拋物面鏡33構(gòu)成的簡單高效測試光路，所有光路部件和DPSS激光器均安 裝在30CmX30Cm的光學(xué)面包板上構(gòu)成一體化部件，并通過采用硅(XD/CM0S的普通數(shù)碼相 機或攝像頭對光路進行調(diào)節(jié)，光路調(diào)節(jié)完成后便可開始測試。采用硅CCD/CMOS的普通數(shù)碼 相機、或攝像頭不僅能夠?qū)梢姽膺M行調(diào)節(jié)，還對人眼不可見的近紅外波段有很好的響應(yīng)。(4)采用此測試系統(tǒng)對InP基InGaAs外延材料樣品進行測試，測試中1064nm DPSS激光器的輸出功率設(shè)定為200mW，測試結(jié)果如圖2粗實線所示。為驗證此發(fā)明對光致發(fā)光測 量效果的改善，在同一光路下用波長為514. 5nm的Ar+激光器在同樣200mW的輸出功率下對 同一樣品進行了測試，測試結(jié)果如圖2框劃線所示。不難發(fā)現(xiàn)，比較采用514. 5nm的Ar+激 光器和1064nm的DPSS激光器進行激發(fā)的測試效果可見，用較長波長進行激發(fā)后的信號強 度和信噪比都有一個數(shù)量級的改善，且使用十分方便。需要說明的是，本實施例中的光譜測量系統(tǒng)還可以使用光柵光譜儀，當(dāng)使用光柵 光譜儀時，需要在拋物面鏡和光柵光譜儀之間再加裝一塊透鏡使由拋物面鏡準(zhǔn)直后的寬光 束經(jīng)聚焦后送入光柵光譜儀。本實施例中的激光器還可以選擇近紅外波段的其他種類激光 器，由于近紅外波段的激光器的激發(fā)光對人眼不可見，故還可采用熒光卡片或紅外尋像器 等對光路進行調(diào)節(jié)。由此可見，本發(fā)明根據(jù)被測材料的種類和特性來選擇合適的發(fā)射波長從而獲得較 高的光致發(fā)光強度，從而提升光致發(fā)光測試能力及改善測試靈敏度，并且整個測試系統(tǒng)用 一體化的簡單高效的光路便可實現(xiàn)，光路的調(diào)節(jié)可通過應(yīng)用硅CCD/CMOS的普通數(shù)碼相機、 攝像頭或熒光卡加以實現(xiàn)，十分方便。另外，本發(fā)明對光譜測量系統(tǒng)也沒有限制和特殊要 求，即可以選用光柵光譜儀，也可以選用傅立葉變換光譜儀，實現(xiàn)方式相當(dāng)靈活。
權(quán)利要求
一種改善半導(dǎo)體材料光致發(fā)光測試效果的測試系統(tǒng)，包括激光器(1)、光譜測量系統(tǒng)(2)和光路部件(3)，其特征在于，所述的光路部件(3)包括反射鏡(31)、透鏡(32)和拋物面鏡(33)，并構(gòu)成測試光路；所述的激光器(1)發(fā)射的激光經(jīng)過所述的反射鏡(31)轉(zhuǎn)換方向后由所述的透鏡(32)聚焦直接照射在被測樣品(4)上，所述的被測樣品(4)產(chǎn)生的激光通過拋物面鏡(33)收集轉(zhuǎn)向準(zhǔn)直后以寬光束形式送達光譜測量系統(tǒng)(2)；所述的激光器(1)根據(jù)半導(dǎo)體材料的特性確定發(fā)射波長；所述的發(fā)射波長小于被測樣品產(chǎn)生的光致發(fā)光波長，并在近紅外波段內(nèi)選取。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改善半導(dǎo)體材料光致發(fā)光測試效果的測試系統(tǒng)，其特征在 于，所述的半導(dǎo)體材料的特性包括半導(dǎo)體材料的帶隙和外延結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的改善半導(dǎo)體材料光致發(fā)光測試效果的測試系統(tǒng)，其特征 在于，所述的激光器(1)為功率半導(dǎo)體激光器或全固態(tài)半導(dǎo)體激光器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改善半導(dǎo)體材料光致發(fā)光測試效果的測試系統(tǒng)，其特征在 于，所述的拋物面鏡(33)的口徑大于2. 5cm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改善半導(dǎo)體材料光致發(fā)光測試效果的測試系統(tǒng)，其特征在 于，所述的光譜測量系統(tǒng)(2)為光柵光譜儀或傅立葉變換光譜儀。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改善半導(dǎo)體材料光致發(fā)光測試效果的測試系統(tǒng)，其特征在 于，所述的被測樣品(4)包括發(fā)光波長大于所述激光器的發(fā)射波長的InP基的InGaAs、 InGaAsP, InAlGaAs 以及 GaSb/InAs 基的 InGaAsSb、AlInAsSb、InAsPSb 的體材料和微結(jié)構(gòu) 材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一權(quán)利要求所述的改善半導(dǎo)體材料光致發(fā)光測試效果的測 試系統(tǒng)，其特征在于，所述的光路部件(3)和激光器(1)均安裝在光學(xué)面包板上構(gòu)成一體化 部件，并利用采用硅CCD/CMOS的普通數(shù)碼相機、攝像頭或熒光卡進行光路調(diào)節(jié)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種改善半導(dǎo)體材料光致發(fā)光測試效果的測試系統(tǒng)，包括激光器、光譜測量系統(tǒng)和光路部件，光路部件包括反射鏡、透鏡和拋物面鏡，并構(gòu)成測試光路。激光器激發(fā)的激光經(jīng)過反射鏡轉(zhuǎn)換方向后由透鏡聚焦直接照射在被測樣品上，被測樣品反射的激光通過拋物面鏡收集轉(zhuǎn)向準(zhǔn)直后以寬光束形式送達光譜測量系統(tǒng)。本發(fā)明中的激光器根據(jù)半導(dǎo)體材料的特性選擇合適的發(fā)射波長，從而獲得較高的光致發(fā)光強度，提升光致發(fā)光測試能力及改善測試的靈敏度，并且本發(fā)明對光譜測量系統(tǒng)也沒有限制和特殊要求，實現(xiàn)方式相當(dāng)靈活。
文檔編號G01N21/63GK101949844SQ20101026240
公開日2011年1月19日 申請日期2010年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月25日
發(fā)明者張永剛, 顧溢 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所