[發明專利]基于傅立葉變換紅外光譜儀的磁光調制反射光譜裝置

無效

• 申請號: 201410258864.3
• 申請日: 2014-06-12
• 公開（公告）號: CN104034686A
• 公開（公告）日: 2014-09-10
• 發明（設計）人: 邵軍;朱亮;陳熙仁
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海技術物理研究所
• 主分類號: G01N21/3563
• 分類號: G01N21/3563
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 郭英

技術領域：

本發明涉及一種半導體材料磁光-光調制反射光譜測試方法及裝置。具體地說，主要是基于傅立葉變換紅外(Fourier?Transform?Infrared,FTIR)光譜儀步進掃描功能和外加泵浦光調制，實現對置于低溫光學磁體杜瓦中的光電材料進行光調制反射光譜測量的裝置與測試方法，具有精確、充分且無損表征半導體電子能帶結構及參數的功能。

背景技術：

低溫強磁場極端條件對半導體材料和器件的研究一直發揮至關重要的作用。對半導體材料施加磁場，引起時間反演對稱性破缺，可反映材料磁致能級移動、分裂等能態結構變化；也可獲取載流子有效質量、庫倫相互作用等參數信息。通常，磁場中材料光學特性的測試手段包括光致發光、透射及反射譜。光致發光譜(Photoluminescence,PL)所揭示的信息局限于帶-帶、帶邊淺能級發光過程；透射、反射譜可以在更寬的范圍反映能帶、能級信息，但較強的背景增加了信號指認、處理的難度。光調制反射(Photoreflectance,PR)光譜作為一種有效的非接觸式檢測方法，廣泛應用于半導體材料及其微結構的光學性質研究。由于其物理微分特性，PR譜可有效抑制背景信號，提供豐富的光躍遷信息。如果進一步將PR測試技術與低溫強磁場條件創新性地結合，就將能夠為半導體材料和器件研究開辟新的有效路徑。

傳統PR測試技術在兩個方面受到限制：(1)泵浦光漫反射信號和泵浦光誘致PL信號導致假信號和檢測器靈敏度局限；(2)僅能工作在5微米以短波段。低溫、強磁場下的PR光學測量將變得尤為困難：(1)磁體及其容器的較大體積導致無法便捷地調整和優化樣品在光路中的位置；(2)磁體與光譜測試系統之間必須保持足夠距離以確保光譜儀中的機械、光電部件不受強磁場的干擾。這就使得現實情況是，磁光-PR極難、中遠紅外波段更是因機理局限而無法實施。

發明內容：

本發明旨在提供一種基于傅立葉變換紅外光譜儀的磁光調制反射光譜裝置，為研究半導體材料光電性質在磁場中的演化提供高效、精確、無損的技術手段。利用基于步進FTIR光譜儀的PR測試技術在信噪比、分辨率、靈敏度以及覆蓋波段等方面顯著優勢，通過設計、優化泵浦/探測/檢測光路，實現低溫強磁場條件下的PR譜的有效測量是本發明核心內容。

本發明所利用的的核心設備是具有步進掃描功能的FTIR光譜儀和低溫光學磁體杜瓦。此外，系統還包括泵浦激光、激光功率控制器、光學斬波器、高速數據采集與處理系統、鎖相放大器、低通濾波器、外置檢測器及配套低噪聲高速前置放大器、泵浦/探測/檢測光路、微調節減振隔震平臺等組件。PR測試包括泵浦光和探測光兩束光源。探測光引自光譜儀內置寬波段光源，通過干涉儀部件及探測光路后聚焦到樣品表面，反射信號(R)經由檢測光路送入檢測器中轉化為電信號，饋入低通濾波器；泵浦光引自激光器，通過泵浦光路聚焦到樣品表面探測光相同位置，引起反射信號變化(ΔR)，經由檢測器轉化為電信號，饋入鎖相放大器。兩路信號由高速數據采集與處理系統收集、變換為PR光譜。通過選擇不同波長的激光器，切換光譜儀中檢測器、分束器、寬波段光源以及光學磁體窗片，可以實現不同波段PR光譜的有效測量。例如但不僅限于，選擇氬離子激光器，鹵素燈或硅碳棒，氟化鈣或溴化鉀分束器，硅、銦鎵砷或液氮制冷的碲鎘汞檢測器，能夠實現0.5-20微米波段PR光譜的有效測量。綜上所述，本發明的技術方案如下：

本發明的一種基于FTIR光譜儀的磁光-PR光譜裝置，包括：

-傅立葉調制與變換系統，其包括FTIR光譜儀和實施快速傅立葉變換操作的計算機；FTIR光譜儀內部位于干涉儀部件前端的寬波段光源輸出探測光，通過干涉儀部件、探測光路后入射到樣品上并反射。

-光調制與探測系統，其包括鎖相放大器、光學斬波器、泵浦激光器及檢測器。斬波器周期性調制激光，檢測器接收轉化為電信號。

-低溫光學磁場系統，其主要用來提供測量中樣品所需低溫強磁場極端條件。-光路耦合系統，包括微調節減振隔震平臺和反射-透射鏡組。用來確保FTIR光譜儀、低溫光學磁體杜瓦、激光器的振動隔離以及高度調節；構建探測/泵浦/檢測光路。

以上所述的鎖相放大器、斬波器均可采用商用產品，如Standford?SR830DSP鎖相放大器、Standford?SR540光學機械斬波器等，但不限于此。所述FTIR光譜儀需具有步進掃描功能，如Bruker?IFS66/S，但不限于此。低溫光學磁場系統可選用但不限于Oxford?SM4000-10光學磁體杜瓦。

根據本發明的構思，一種基于步進掃描的磁光調制反射光譜方法，具體步驟包括：