專利名稱：一種偏振分辨的差分反射譜測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體自旋電子學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種偏振分辨的差分反射譜 測量系統(tǒng)，用于對半導(dǎo)體自旋電子學(xué)材料(比如稀磁半導(dǎo)體材料)的自旋相關(guān)光學(xué)性質(zhì)的測量。
背景技術(shù)：
自從1988年巨磁電阻(Giant Magneto Resistance)效應(yīng)在i^e/Cr多層結(jié)構(gòu)中被 發(fā)現(xiàn)后，20年來，旨在利用電子的另一內(nèi)稟屬性自旋來扮演電子電荷在現(xiàn)代信息技術(shù)領(lǐng)域 中類似角色的新興學(xué)科——自旋電子學(xué)，無論在實(shí)驗(yàn)室還是工業(yè)界都取得了令人驚異的長 足發(fā)展。在自旋電子學(xué)的研究中，偏振分辨的光學(xué)性質(zhì)非常重要的研究內(nèi)容對如 GaAs = Mn—類的所謂稀磁半導(dǎo)體，由于塞曼(Zeeman)效應(yīng)的存在，能帶在一定條件下會產(chǎn) 生分裂，而具有不同的能量和自旋取向，通過分別測量樣品的左旋圓偏振光和右旋圓偏振 光反射譜，可以直接反映出是否形成了磁性半導(dǎo)體，以及半導(dǎo)體能帶的這種分裂?，F(xiàn)階段，實(shí)驗(yàn)室里比較常見的測量反射譜的裝置多是利用電調(diào)制和光調(diào)制來測量 反射譜，但是靈敏度依然有待提高，實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜程度有待降低。而對于偏振分辨的反射譜， 通常使用光彈調(diào)制器來得到一個周期變化的圓偏振光，這就無法分別得到不同偏振的反射 譜，所以，一種靈敏的，簡便的可以實(shí)現(xiàn)偏振分辨的反射譜測量系統(tǒng)就顯得非常必要。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種靈敏度較高，且易于實(shí)現(xiàn)的偏振分辨 的差分反射譜測量系統(tǒng)。( 二 )技術(shù)方案為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種偏振分辨的差分反射譜測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包 括一液氮杜瓦，用于放置樣品和使樣品達(dá)到液氮溫度；一手動三維平移臺，包括一手動旋轉(zhuǎn)臺以及一俯仰臺，用于放置液氮杜瓦以及調(diào) 節(jié)液氮杜瓦的空間位置；一消色差透鏡，用于聚焦入射光到樣品，并收集樣品的反射光；一激振器，包括周期性振動透鏡，通過改變透鏡位置得到位置周期性變化的入射 光，并為鎖相放大器提供參考信號，使發(fā)射光產(chǎn)生周期性變化；一寬波段的四分之一波長波片，用于使得通過的線偏振光變?yōu)閳A偏振光，并將從 樣品上反射回的圓偏振光變?yōu)榫€偏振光；一雙窗口的格蘭泰勒棱鏡，用于將入射光分解為ο光和e光兩束偏振方向垂直的 線偏振光，并使得經(jīng)過樣品反射以及寬波段的四分之一波長波片的而成為線偏振光的反射光進(jìn)入探測器；一探測器，用于接收和探測反射光；兩鎖相放大器，用于讀出反射光的光強(qiáng)強(qiáng)度以及隨激振器振動周期變化的大?。灰怀B續(xù)白光光源，用于得到準(zhǔn)連續(xù)的光譜；一單色儀，用于得到需要波長的單色光，并對波長進(jìn)行掃描；一斬波，用于得到周期性的入射光信號，并為鎖相放大器提供參考信號，從而得到 入射光相對光強(qiáng)。上述方案中，該系統(tǒng)利用所述雙窗口格蘭泰勒棱鏡和所述寬波段的四分之一波長 波片，實(shí)現(xiàn)入射光的起偏和反射光的檢偏；利用所述激振器連接一個透鏡，通過振動透鏡， 得到空間位置周期變化的入射光，實(shí)現(xiàn)入射光的空間調(diào)制。上述方案中，該系統(tǒng)以所述激振器頻率作為參考信號，利用所述鎖相放大器測得 由于光在樣品不同位置上的反射強(qiáng)度變化，得到差分信號。上述方案中，該系統(tǒng)利用所述雙窗口格蘭泰勒棱鏡以及所述寬波段的四分之一波 長波片得到入射左旋(右旋)圓偏振光，利用所述激振器連接一個透鏡，通過振動透鏡，得 到周期移動的入射光，從而照射到樣品不同位置得到反射光信號；并且經(jīng)過樣品反射回來 成為右旋(左旋)圓偏振光，經(jīng)過同一個四分之一波長波片變成與原先入射光偏振垂直的 線偏振光，然后從格蘭泰勒的另一個窗口出射進(jìn)入探測器，從而得到左旋或右旋入射光的 反射信號。上述方案中，該系統(tǒng)利用所述激振器帶動透鏡得到周期性運(yùn)動的透鏡，實(shí)現(xiàn)入射 光在樣品上周期性的移動；利用所述斬波進(jìn)行調(diào)制，得到一個周期性的入射光，以斬波頻率 為參考，得到入射光強(qiáng)度，以激振器頻率為參考得到差分信號。上述方案中，該系統(tǒng)利用所述激振器帶動一個消色差透鏡震動，使聚焦后的周期 運(yùn)動入射光照射到樣品上，并且使得反射光再次通過該透鏡，樣品位于透鏡焦點(diǎn)上。上述方案中，該系統(tǒng)利用激光激發(fā)非線性光纖得到的超連續(xù)白光光源，通過與單 色儀的組合，得到可連續(xù)掃描的單色光。上述方案中，所述探測器為Si探測器或MGaAs探測器，用來接收和探測不同波段 的反射光，給出光強(qiáng)的信號，傳輸給鎖相放大器。上述方案中，所述超連續(xù)白光光源，通過一個980泵浦光激發(fā)一個非線性光纖，得 到功率最大#，波長范圍覆蓋450nm至1500nm的超連續(xù)自光。(三)有益效果從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果1、利用本發(fā)明，通過配備低溫杜瓦，可以測量樣品在77K-300K(如果利用液氦杜 瓦，可實(shí)現(xiàn)4. 2K-300K)之間的偏振分辨差分反射譜，從而可以進(jìn)一步研究分析物質(zhì)與自旋 相關(guān)的能帶結(jié)構(gòu)和特性。2、本發(fā)明提供了低溫的樣品環(huán)境，并且可以通過外增加磁鐵提供外磁場對其進(jìn)行 升級，可以測量到反映樣品能帶結(jié)構(gòu)的差分反射譜，并且可以分別測量左右旋圓偏光的差 分反射譜，從而得到樣品自旋相關(guān)的能帶結(jié)構(gòu)。


為進(jìn)一步說明本發(fā)明的內(nèi)容及特點(diǎn)，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的 詳細(xì)描述，其中圖1是本發(fā)明提供的偏振分辨的差分反射譜測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是利用本發(fā)明提供的偏振分辨的差分反射譜測量系統(tǒng)在室溫下測量的一塊 砷化鎵樣品的差分反射譜。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照 附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。請參閱圖1所示，圖1是本發(fā)明提供的偏振分辨的差分反射譜測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 示意圖，該系統(tǒng)包括一液氮杜瓦，用于放置樣品和使樣品達(dá)到液氮溫度；一手動三維平移 臺，包括一手動旋轉(zhuǎn)臺以及一俯仰臺，用于放置液氮杜瓦以及調(diào)節(jié)液氮杜瓦的空間位置；一 消色差透鏡，用于聚焦入射光到樣品，并收集樣品的反射光；一激振器，包括周期性振動透 鏡，通過改變透鏡位置得到位置周期性變化的入射光，并為鎖相放大器提供參考信號，使發(fā) 射光產(chǎn)生周期性變化；一寬波段的四分之一波長波片，用于使得通過的線偏振光變?yōu)閳A偏 振光，并將從樣品上反射回的圓偏振光變?yōu)榫€偏振光；一雙窗口的格蘭泰勒棱鏡，用于將入 射光分解為ο光和e光兩束偏振方向垂直的線偏振光，并使得經(jīng)過樣品反射以及寬波段的 四分之一波長波片的而成為線偏振光的反射光進(jìn)入探測器；一探測器，用于接收和探測反 射光；兩鎖相放大器，用于讀出反射光的光強(qiáng)強(qiáng)度以及隨激振器振動周期變化的大?。灰?超連續(xù)白光光源，用于得到準(zhǔn)連續(xù)的光譜；一單色儀，用于得到需要波長的單色光，并對波 長進(jìn)行掃描；一斬波，用于得到周期性的入射光信號，并為鎖相放大器提供參考信號，從而 得到入射光相對光強(qiáng)。其中，超連續(xù)白光光源(LQ可以覆蓋頻率很寬而且強(qiáng)度很大發(fā)散角較小的連續(xù) 光。白光從單色儀(SP)入射狹縫進(jìn)入，經(jīng)過光柵分光，在出射狹縫可以得到需要波長的單 色光，通過電腦控制連續(xù)轉(zhuǎn)動單色儀光柵，就可以對波長進(jìn)行連續(xù)掃描。對于斬波(CP)，由 于葉片地轉(zhuǎn)動，周期性地使得入射光通過與不通過，從而得到周期性的入射光信號。斬波為 鎖相放大器(LAl)提供參考信號，從而讀出入射光的光強(qiáng)。對于液氮杜瓦(LND)，放置樣品 S，并使樣品S達(dá)到液氮溫度。其中LND下安裝有一手動三維平移臺，一手動旋轉(zhuǎn)臺以及一 俯仰臺用于調(diào)節(jié)液氮杜瓦的位置。樣品S可以選擇放置方式使其生長方向垂直或平行于液 氮杜瓦LND的冷指表面。而消色差透鏡(L)，對于不同波長的入射光，消色差透鏡的焦距不 變，選擇適當(dāng)焦距的消色差透鏡，使入射光聚焦到樣品表面。另外，當(dāng)入射光被樣品反射回 來，也用該透鏡收集。激振器(JZ)伸出的震動頭可以前后周期震動，于是帶動固定于其上 的消色差透鏡L周期性振動，圖上箭頭表示其振動方向。由于透鏡位置改變，入射光的位置 到達(dá)樣品時照射位置也周期性變化。激振器還為鎖相放大器提供參考信號，從而得到反射 光周期性的變化強(qiáng)度，也就是樣品不同位置反射的差分信息。寬波段的四分之一波長波片 (QWP)使得入射的線偏振光在通過之后變?yōu)閳A偏振光。并且將從樣品反射回來的的圓偏振 光變?yōu)榕c入射光偏振方向垂直的線偏振光。雙窗口的格蘭泰勒棱鏡(prism)，將入射光分解 為ο光和e光兩束偏振方向垂直的線偏振光。在光路中，prism —方面起起偏的作用使得
6入射光經(jīng)過之后變?yōu)榫€偏光。另一方面起檢偏的作用，使線偏振的反射光被prism反射進(jìn) 入探測器，這也起到了提高信噪比的作用。探測器(DT)用來接收和探測反射光，將反射光 的光強(qiáng)轉(zhuǎn)化為一個電信號傳給鎖相放大器。兩鎖相放大器LAl和LA2，其中LAl接來自于斬 波得參考信號，從而可以讀出反射光的光強(qiáng)強(qiáng)度，LA2接來自激振器的參考信號，從而讀出 反射光在樣品不同位置反射強(qiáng)度差別的大小。本發(fā)明提供的偏振分辨的差分反射譜測量系統(tǒng)的核心部分是激振器JZ及其上連 接的消色差透鏡L，以及雙窗口格蘭泰勒棱鏡prism。利用激振器的震動帶動透鏡震動，從 而得到周期性運(yùn)動的入射光，而根據(jù)經(jīng)典的光學(xué)反射投射定律就可以發(fā)現(xiàn)，只要選擇合適 焦距的透鏡，并調(diào)節(jié)樣品位置，就可以使得反射光再次經(jīng)過透鏡，波片，最終被格蘭泰勒棱 鏡檢偏以及反射。在這個光路中，因?yàn)橐獟呙枞肷涔獾牟ㄩL，所以L消色差的性質(zhì)也是很重 要的。而本發(fā)明提供的偏振分辨的差分反射譜測量系統(tǒng)的一個特點(diǎn)就是，利用光的偏振 反射定律，經(jīng)過prism起偏的線偏光，經(jīng)過QWP之后成為一個左旋(或右旋)的圓偏光。經(jīng) 過樣品之后，成為右旋(或左旋)的圓偏光，再經(jīng)過QWP之后的反射光，再次成為線偏振光。 并且此時反射光偏振方向與原先的入射光偏振方向垂直。利用此原理，反射光就被prism 所反射，從而進(jìn)入探測器。本發(fā)明提供的偏振分辨的差分反射譜測量系統(tǒng)起偏和檢偏用了同一種光路。而且 沒有在光路中再添加其它光學(xué)元件就可以將入射光和反射光分開。而一般的偏振分辨光路 系統(tǒng)，起偏和檢偏都是用不同的棱鏡和波片，或者其中還需要分光棱鏡。這些光學(xué)元件不僅 增加了實(shí)驗(yàn)的成本而且對于實(shí)驗(yàn)信噪比的提高也很不利。而本發(fā)明提供的系統(tǒng)的設(shè)計則克 服了這一困難。而且運(yùn)用格蘭泰勒棱鏡的分光性質(zhì)，使得與反射光不同偏振的噪聲被消除， 也大大提高了信噪比。另外通過轉(zhuǎn)動一個QWP就可以自由選擇入射光的偏振方向，而不用 考慮反射光的檢測，也大大地方便了實(shí)驗(yàn)。本發(fā)明提供的偏振分辨的差分反射譜測量系統(tǒng)通過運(yùn)用超連續(xù)白光與單色儀配 合，得到了光束質(zhì)量較好而且強(qiáng)度很大的，可以連續(xù)掃描波長的入射光，這對于提高信噪比 很有幫助。本發(fā)明提供的偏振分辨的差分反射譜測量系統(tǒng)另一個特點(diǎn)就是杜瓦可以更換，通 過選擇普通液氮杜瓦，可以使得樣品溫度達(dá)到77K-300K。通過選用液氦杜瓦，可以使溫度降 到4. I。并且在樣品周圍增加磁鐵可以使樣品處于磁場之中。作為一個實(shí)例，利用本系統(tǒng)測量了液氮溫度下一塊砷化鎵樣品的差分反射譜，由 于不是鐵磁性材料，不同偏振光的反射性質(zhì)相同。首先利用單色儀分光之后的入射光調(diào)節(jié) 光路。使得所有光學(xué)元件光軸基本位于一條直線上。并使得入射光照射在樣品需要測量的 區(qū)域。仔細(xì)調(diào)節(jié)杜瓦下面的手動三維平移臺，旋轉(zhuǎn)臺以及俯仰臺，使得反射光沿入射光光路 返回。調(diào)節(jié)格蘭泰勒棱鏡(prism)位置以及四分之一波片(QWP)角度，使得入射光經(jīng)過QWP 之后成為圓偏振光。而反射光與入射光同光路，則反射光自動經(jīng)過QWP之后，被prism反 射，從而與原入射光光路在prism處分開，進(jìn)入探測器。另一方面，打開激振器以及鎖相放 大器，調(diào)解樣品位置使得噪聲最小。轉(zhuǎn)動單色儀光柵，掃描入射波長，就可以進(jìn)行差分反射 譜的測量了。鎖相放大器讀出的數(shù)據(jù)經(jīng)過電腦收集處理，就可以得到偏振分辨的差分反射 譜進(jìn)而可以對樣品能帶結(jié)構(gòu)以及磁性進(jìn)行分析。得到的室溫下差分反射光譜如圖2所示。運(yùn)用此套系統(tǒng)，樣品表面微小的不均勻性所反映出能帶信息都可以測量到。從上述實(shí)施例可以看出，本發(fā)明提供的偏振分辨的差分反射譜測量系統(tǒng)確實(shí)可以 實(shí)現(xiàn)在不同溫度下對樣品的不同區(qū)域不均勻性進(jìn)行測量，從而可以得到樣品的能帶結(jié)構(gòu)與 自旋性質(zhì)。并且，本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)和運(yùn)行都是簡便、低成本而擁有較高信噪比的，很適合作為 自旋相關(guān)半導(dǎo)體材料能帶及磁性分析系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)室中推廣使用。以上所述的具體實(shí)施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳 細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡 在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保 護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種偏振分辨的差分反射譜測量系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括 一液氮杜瓦，用于放置樣品和使樣品達(dá)到液氮溫度；一手動三維平移臺，包括一手動旋轉(zhuǎn)臺以及一俯仰臺，用于放置液氮杜瓦以及調(diào)節(jié)液 氮杜瓦的空間位置；一消色差透鏡，用于聚焦入射光到樣品，并收集樣品的反射光； 一激振器，包括周期性振動透鏡，通過改變透鏡位置得到位置周期性變化的入射光，并 為鎖相放大器提供參考信號，使發(fā)射光產(chǎn)生周期性變化；一寬波段的四分之一波長波片，用于使得通過的線偏振光變?yōu)閳A偏振光，并將從樣品 上反射回的圓偏振光變?yōu)榫€偏振光；一雙窗口的格蘭泰勒棱鏡，用于將入射光分解為ο光和e光兩束偏振方向垂直的線偏 振光，并使得經(jīng)過樣品反射以及寬波段的四分之一波長波片的而成為線偏振光的反射光進(jìn) 入探測器；一探測器，用于接收和探測反射光；兩鎖相放大器，用于讀出反射光的光強(qiáng)強(qiáng)度以及隨激振器振動周期變化的大小；一超連續(xù)白光光源，用于得到準(zhǔn)連續(xù)的光譜；一單色儀，用于得到需要波長的單色光，并對波長進(jìn)行掃描；一斬波，用于得到周期性的入射光信號，并為鎖相放大器提供參考信號，從而得到入射 光相對光強(qiáng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的偏振分辨的差分反射譜測量系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)利用 所述雙窗口格蘭泰勒棱鏡和所述寬波段的四分之一波長波片，實(shí)現(xiàn)入射光的起偏和反射光 的檢偏；利用所述激振器連接一個透鏡，通過振動透鏡，得到空間位置周期變化的入射光， 實(shí)現(xiàn)入射光的空間調(diào)制。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的偏振分辨的差分反射譜測量系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)以所 述激振器頻率作為參考信號，利用所述鎖相放大器測得由于光在樣品不同位置上的反射強(qiáng) 度變化，得到差分信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的偏振分辨的差分反射譜測量系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)利用 所述雙窗口格蘭泰勒棱鏡以及所述寬波段的四分之一波長波片得到入射左旋或右旋圓偏 振光，利用所述激振器連接一個透鏡，通過振動透鏡，得到周期移動的入射光，從而照射到 樣品不同位置得到反射光信號；并且經(jīng)過樣品反射回來成為右旋或左旋圓偏振光，經(jīng)過同 一個四分之一波長波片變成與原先入射光偏振垂直的線偏振光，然后從格蘭泰勒的另一個 窗口出射進(jìn)入探測器，從而得到左旋或右旋入射光的反射信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的偏振分辨的差分反射譜測量系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)利用 所述激振器帶動透鏡得到周期性運(yùn)動的透鏡，實(shí)現(xiàn)入射光在樣品上周期性的移動；利用所 述斬波進(jìn)行調(diào)制，得到一個周期性的入射光，以斬波頻率為參考，得到入射光強(qiáng)度，以激振 器頻率為參考得到差分信號。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的偏振分辨的差分反射譜測量系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)利用 所述激振器帶動一個消色差透鏡震動，使聚焦后的周期運(yùn)動入射光照射到樣品上，并且使 得反射光再次通過該透鏡，樣品位于透鏡焦點(diǎn)上。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的偏振分辨的差分反射譜測量系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)利用激光激發(fā)非線性光纖得到的超連續(xù)白光光源，通過與單色儀的組合，得到可連續(xù)掃描的單 色光。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的偏振分辨的差分反射譜測量系統(tǒng)，其特征在于，所述探測器 為Si探測器或InGaAs探測器，用來接收和探測不同波段的反射光，給出光強(qiáng)的信號，傳輸 給鎖相放大器。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的偏振分辨的差分反射譜測量系統(tǒng)，其特征在于，所述超連 續(xù)白光光源，通過一個980泵浦光激發(fā)一個非線性光纖，得到功率最大#，波長范圍覆蓋 450nm至1500nm的超連續(xù)白光。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種偏振分辨的差分反射譜測量系統(tǒng)，包括一液氮杜瓦；一手動三維平移臺；一消色差透鏡；一激震器用于周期性震動透鏡；一寬波段四分之一波長波片；一雙輸出格蘭泰勒棱鏡；一寬波段線偏振片以及一寬波長二分之一波長波片；一單色儀；一超連續(xù)白光光源；一探測器；兩臺鎖相放大器；以及一斬波。利用本發(fā)明，通過配備低溫杜瓦，可以測量樣品在77K至300K之間的偏振分辨差分反射譜，從而可以進(jìn)一步研究分析物質(zhì)與自旋相關(guān)的能帶結(jié)構(gòu)和特性。
文檔編號G01N21/21GK102095689SQ20101059624
公開日2011年6月15日 申請日期2010年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月20日
發(fā)明者吳昊, 朱匯, 申超 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所