專利名稱：吸收歸一化光致發(fā)光激發(fā)光譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種光學儀器，是一種光致發(fā)光激發(fā)光譜儀。
技術(shù)背景光譜表征技術(shù)是研究半導(dǎo)體發(fā)光性質(zhì)和生長質(zhì)量的重要的非接觸、非破壞性方法。因為半導(dǎo)體生長質(zhì)量的好壞直接反映在發(fā)光譜中。例如、完美的純單晶半導(dǎo)體，其發(fā)射光譜中應(yīng)只有帶間發(fā)射。相反，如半導(dǎo)體中存在缺陷和雜質(zhì)，其發(fā)射光譜中除了帶間發(fā)射以外，通常還會有與雜質(zhì)和缺陷有關(guān)的發(fā)射。如果雜質(zhì)和缺陷是非人為制造的，那么，就需要改進生長工藝，消除這些非人為缺陷和雜質(zhì)。而改進工藝的前提是要弄清這些雜質(zhì)和缺陷的類型，進而弄清它們的起源。直接實驗測量雜質(zhì)和缺陷能級的位置是判斷雜質(zhì)和缺陷類型的前提。然而，至今還沒有非常有效的非接觸、非破壞型光學光譜方法能直接測量半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷的能級。目前商品化的熒光光譜儀所提供的光致發(fā)光激發(fā)光譜，在某些簡單情況下能夠直接顯示出雜質(zhì)和缺陷能級的位置。然而，在大多數(shù)情況下顯示不出缺陷和雜質(zhì)能級位置，因為光致發(fā)光激發(fā)光譜對弱吸收能級不靈敏。而半導(dǎo)體的雜質(zhì)和缺陷能級正是弱吸收能級，因為雜質(zhì)和缺陷的濃度遠低于構(gòu)成半導(dǎo)體的原子的密度。光致發(fā)光激發(fā)光譜對弱吸收能級不靈敏的原因分析如下。
設(shè)激發(fā)樣品的單色光強度為I0(λ)(λ為激發(fā)光波長)，樣品發(fā)出的熒光被透鏡收集、并聚焦到色散光譜儀的輸入狹縫上，然后進入色散光譜儀、并被色散，在色散光譜儀的出射狹縫處獲得單色熒光強度為EI(λ0，λ)(λ0為出射狹縫處探測光波長)。激發(fā)光譜定義為ES(λ，λ0)＝EI(λ0，λ)/I0(λ)(1)理論分析表明上式可簡化為ES(λ，λ0)∝ A(λ)η(λ，λ0) (2)式中A(λ)為樣品的吸收率譜，η(λ，λ0)為被激發(fā)能級到被探測發(fā)光的初始能級的能量轉(zhuǎn)移效率譜。這表明我們習慣上講的激發(fā)效率實際上正比于A(λ)與η(λ，λ0)的乘積。當吸收A(λ)很弱時，即使η(λ，λ0)＝1，在激發(fā)譜中通常也顯示不出激發(fā)峰。這就是傳統(tǒng)激發(fā)譜對弱吸收能級不靈敏的原因。此外，由于激發(fā)光譜反映的是A(λ)與η(λ，λ0)的乘積，所以，激發(fā)光譜的分布形式和解釋有時也較復(fù)雜和困難。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的是要研制一種新的光致發(fā)光激發(fā)光譜儀，消除樣品吸收譜對激發(fā)光譜的影響，實現(xiàn)對發(fā)光有貢獻的任何能級的靈敏探測；同時，還提供傳統(tǒng)的各種光譜測量，做到一機多用。
本實用新型的吸收歸一化光致發(fā)光激發(fā)光譜儀(簡稱ANPLES光譜儀)包含有激發(fā)單色儀、光電轉(zhuǎn)換探測器、連續(xù)光譜點光源、樣品架、樣品發(fā)光收集透鏡、旋轉(zhuǎn)橢球面反射鏡、分束鏡和發(fā)光色散單色儀；連續(xù)光譜點光源位于旋轉(zhuǎn)橢球面反射鏡內(nèi)的焦點上，激發(fā)單色儀的寬度可調(diào)輸入狹縫位于旋轉(zhuǎn)橢球面反射鏡的另一焦點處，與連續(xù)光譜點光源互為物象共軛關(guān)系；經(jīng)激發(fā)單色儀的輸出狹縫輸出的單色光由透鏡準直為平行光束或聚焦到樣品上；分束鏡位于此透鏡與樣品架之間；一光電轉(zhuǎn)換探測器于分束鏡的反射光路上，測量其光強，記為I1(λ)；另一光電轉(zhuǎn)換探測器置于經(jīng)樣品透射的光路上，測量透射光強，記為It(λ)；第三光電轉(zhuǎn)換探測器在經(jīng)樣品反射的光路上，測量反射光強，記為Ir(λ)；樣品發(fā)光收集透鏡置于樣品與發(fā)光色散單色儀的輸入狹縫之間；第四光電轉(zhuǎn)換探測器置于發(fā)光色散單色儀的輸出狹縫后，測量樣品的單色發(fā)光強度，記為EI(λ，λ0)；所有的光電轉(zhuǎn)換探測器通過A/D連接計算機。當計算機控制單色儀掃描輸出波長λ，同時控制四路A/D轉(zhuǎn)換器分別同時采樣四個探測器的輸出電信號時，就同時測量獲得了四路光譜強度I1(λ)、Ir(λ)、It(λ)和EI(λ，λ0)。然后，由公式ANES(λ，λ0)＝EI(λ，λ0)/[I0(λ)-It(λ)-Ir(λ)]即可獲得吸收歸一化光致發(fā)光激發(fā)光譜。公式中I0(λ)為分束鏡的透射光的光強，其值為I0(λ)＝I1(λ)Bt(λ)/Br(λ)，其中Bt(λ)和Br(λ)分別是分束鏡的透射光譜和反射光譜。有關(guān)吸收歸一化光致發(fā)光激發(fā)光譜的理論推導(dǎo)如下方程(2)表明，傳統(tǒng)的光致發(fā)光激發(fā)光譜對弱吸收能級不靈敏的原因在于樣品的弱吸收率A(λ)對激發(fā)譜的抑制。為此，我們提出一種新的激發(fā)光譜—吸收歸一化光致發(fā)光激發(fā)光譜，簡稱為ANPLES光譜。這種新光譜扣除了樣品吸收率對激發(fā)譜的影響，被定義為ANES(λ，λ0)＝ES(λ，λ0)/A(λ) (3)代方程(2)入上式得ANES(λ，λ0)∝η(λ，λ0) (4)上式表明，在ANPLES光譜中，樣品的吸收率譜不再影響激發(fā)光譜。ANPLES光譜中的激發(fā)效率將直接依賴于被激發(fā)能級對發(fā)光的初始能級的能量貢獻，即能量轉(zhuǎn)移效率η(λ，λ0)。這使得ANPLES光譜的物理意義非常明確，解譜很簡單。ANPLES光譜中的最強激發(fā)峰位能量即為被探測發(fā)光的初始能級，因為η(λ，λ0)的最大值出現(xiàn)在被探測發(fā)光的初始能級被直接共振激發(fā)時。
組合方程(1)和方程(3)，吸收歸一化光致發(fā)光激發(fā)譜可表示為ANES(λ，λ0)＝EI(λ，λ0)/I0(λ)/A(λ)。這表明要實現(xiàn)ANPLES的實驗測量，需要同時測量單色發(fā)光強度EI(λ，λ0)、單色激發(fā)光強I0(λ)和樣品的吸收率譜A(λ)。然而，吸收率譜A(λ)難于直接實驗測量。但是，它與樣品的反射率譜R(λ)和透射率譜T(λ)之間存在關(guān)系A(chǔ)(λ)＝1-T(λ)-R(λ)。所以，ANPLES光譜可表示為ANES(λ，λ0)＝EI(λ，λ0)/I0(λ)/[1-T(λ)-R(λ)]，而T(λ)＝It(λ)/I0(λ)，R(λ)＝Ir(λ)/I0(λ)。所以，ANPLES光譜最終可表示為ANES(λ，λ0)＝EI(λ，λ0)/I0(λ)/[1-T(λ)-R(λ)]＝EI(λ，λ0)/[I0(λ)-It(λ)-Ir(λ)](5)本實用新型的有益效果通過一個實驗結(jié)果來說明。非摻雜GaN薄膜總是存在黃色發(fā)光，中心波長在550nm左右。這表明GaN薄膜的的結(jié)晶質(zhì)量是不完美的，存在雜質(zhì)或缺陷，因為室溫下GaN的帶間發(fā)射波長應(yīng)在362nm左右。對黃色發(fā)光的機理和起源研究至今已長達20余年，通過各種傳統(tǒng)的光譜方法、光譜溫度依賴實驗、光譜激發(fā)強度依賴實驗、光譜壓力依賴實驗和光學探測磁共振實驗等研究，確定黃色發(fā)光的機理為施主--受主復(fù)合發(fā)射。然而，對施主、受主的能級位置至今仍有爭議。目前仍有兩種發(fā)光模型之爭淺施主---深受主復(fù)合和深施主---淺受主復(fù)合模型。出現(xiàn)這種爭論的根本原因在于這些光譜方法不能直接實驗測量發(fā)光的初始態(tài)能級或末態(tài)能級，而只能根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，在某些假設(shè)下，推測發(fā)光的初始能級位置。例如D M Hofmann和E R Glaser都使用發(fā)射光譜、激發(fā)光譜和光學探測磁共振研究了非摻雜GaN薄膜的黃色發(fā)光，但由于使用不同的判別標準，結(jié)果卻分別支持上述兩種不同的發(fā)光模型。由于黃色發(fā)光的初始能級是由雜質(zhì)或缺陷引起的，它的吸收率低，所以，對應(yīng)的共振激發(fā)峰在傳統(tǒng)的激發(fā)光譜中被抑制掉。然而，本項目提出的ANPLES光譜不受吸收的影響，因此，對應(yīng)黃色發(fā)光的初始態(tài)能級的共振激發(fā)峰將突顯在ANPLES光譜中。
我們使用本實用新型的吸收歸一化光致發(fā)光激發(fā)光譜儀測量了非摻雜GaN薄膜的ANPLES光譜。在2.25eV(λ0＝550nm)處探測的結(jié)果如圖2中曲線a所示，曲線b為用HitachF-4500熒光光譜儀測量的傳統(tǒng)發(fā)光激發(fā)譜，圖中插圖為黃色發(fā)光譜。顯然，在ANPLES光譜中3.377eV處顯示出一個強的激發(fā)峰。根據(jù)ANPLES光譜的原理，此峰位的能量即為黃色發(fā)光的初始態(tài)能級。根據(jù)已報道的室溫下GaN的帶隙能量Eg(300K)＝3.412eV，可計算得引起黃光發(fā)射的初始態(tài)的雜質(zhì)或缺陷的束縛能為3.412-3.377＝35meV。這樣小的束縛能雜質(zhì)或缺陷顯然為淺施主型。因此，我們的直接實驗測量結(jié)果確定黃光發(fā)射為淺施主--深受主復(fù)合發(fā)光，解決了非摻雜GaN薄膜的黃光發(fā)射模型的長期爭論。此實驗結(jié)果表明了本實用新型的優(yōu)異的有益效果。
本實用新型提出的吸收歸一化光致發(fā)光激發(fā)光譜儀除了具有實驗獲取上述優(yōu)異的ANPLES光譜外，還具有傳統(tǒng)的吸收/透射光譜儀和熒光光譜儀的功能。也能夠?qū)嶒灉y量樣品的吸收譜、透射譜、反射譜和發(fā)光的發(fā)射譜、傳統(tǒng)的激發(fā)譜。因為在吸收歸一化光致發(fā)光激發(fā)光譜儀中，四路信號(激發(fā)I0(λ)、發(fā)光EI(λ，λ0)、透射It(λ)和反射Ir(λ))同時被獲取，它們的不同組合即可給出不同的光譜。1.反射光譜測量功能樣品反射率譜可表示為R(λ)＝Ir(λ)/I0(λ) (6)2.透射光譜測量功能樣品透射率譜可表示為T(λ)＝It(λ)/I0(λ) (7)3.吸收光譜測量功能樣品吸收率譜可表示為A(λ)＝1-R(λ)-T(λ)＝[I0(λ)-Ir(λ)-It(λ)]/I0(λ)(8)
樣品吸收系數(shù)譜可表示為；α(λ)＝ln[(I0(λ)-Ir(λ))/It(λ)]/L (9)式中l(wèi)n為自然對數(shù)，L為樣品厚度。4.傳統(tǒng)激發(fā)光譜測量功能樣品激發(fā)光譜可表示為ES(λ，λ0)＝EI(λ0，λ)/I0(λ) (10)5.發(fā)射光譜測量功能當固定激發(fā)波長λ，掃描發(fā)光色散單色儀21，使被探測發(fā)光波長λ0變化，并同時采樣四路信號時，樣品發(fā)射光譜可表示為EMS(λ，λ0)＝EI(λ0，λ)/I0(λ) (11)注意方程(11)和(10)式形式上一樣，但意義是不同的。方程(10)中激發(fā)光波長λ變化，因此，I0(λ)是激發(fā)光的功率譜。而(11)式中λ是不變的，I0(λ)表示激發(fā)光強度隨時間的波動，EI(λ0，λ)被I0(λ)除可以消除光源功率波動對發(fā)射光譜的影響。
綜上所述，吸收歸一化光致發(fā)光激發(fā)光譜儀實際上是一臺多功能光譜儀。它不僅能測量ANPLES光譜，而且能代替?zhèn)鹘y(tǒng)的吸收/透射光譜儀和熒光光譜儀，提供吸收譜、透射譜、反射譜、發(fā)射譜和發(fā)光激發(fā)譜。


圖1為吸收歸一化光致發(fā)光激發(fā)光譜儀結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為非摻雜GaN薄膜的發(fā)射譜、傳統(tǒng)激發(fā)光譜和吸收歸一化光致發(fā)光激發(fā)光譜。
圖1中，1為連續(xù)光譜點光源，可采用氙燈，位于旋轉(zhuǎn)橢球面反射鏡2內(nèi)的焦點上；3為激發(fā)單色儀的寬度可調(diào)輸入狹縫，位于旋轉(zhuǎn)橢球面反射鏡的另一焦點處，與1互為物象共軛關(guān)系；激發(fā)單色儀4色散來自1的連續(xù)光譜，并在激發(fā)單色儀的寬度可調(diào)輸出狹縫5處輸出單色光，用以激發(fā)樣品；激發(fā)單色儀的結(jié)構(gòu)與目前商品化的單色儀相同，由一塊反射光柵和兩個凹面反射鏡組成，反射光柵位于步進電機控制的旋轉(zhuǎn)平臺上，由計算機控制選擇輸出波長；6為消球差石英透鏡，用以準直或聚焦來自5的單色光到樣品11上；7為分束鏡，可采用寬光譜帶低反射的分束鏡，位于透鏡6與樣品11之間，來自6的單色光束以45度斜入射穿過7，7的反射光譜為Br(λ)，透射光譜為Bt(λ)；8為分束鏡7的反射光束，其光譜強度記為I1(λ)；9為帶光密封罩的光電轉(zhuǎn)換探測器，在分束鏡的反射光路上，接收反射光束8，轉(zhuǎn)換I1(λ)為電信號；10為分束鏡7的透射光束，用以激發(fā)樣品，其光譜強度記為I0(λ)，數(shù)值上等于I0(λ)＝I1(λ)Bt(λ)/Br(λ)；11為被測試樣品，放在樣品架上，樣品架可旋轉(zhuǎn)，以使樣品反射光束通過孔徑光欄13，到達14；12為樣品的反射光束，其光譜強度記為Ir(λ)；孔徑光欄13讓樣品的反射光束12通過，而阻止其它雜散光；14為帶光密封罩的光電轉(zhuǎn)換探測器，在經(jīng)樣品后的反射光路上，接收樣品的反射光束12，轉(zhuǎn)換Ir(λ)為電信號；15為透過樣品的光束，其光譜強度記為It(λ)；16為孔徑光欄，讓透過樣品的光束15通過，而阻擋其它雜散光；17為帶光密封罩的光電轉(zhuǎn)換探測器，在經(jīng)樣品后的透射光路上，接收透過樣品的光束15，并轉(zhuǎn)換It(λ)為電信號；18為樣品發(fā)光中被收集的部分；19為樣品發(fā)光收集透鏡，并聚焦發(fā)光到發(fā)光色散單色儀21的寬度可調(diào)輸入狹縫20處，它與樣品上的發(fā)光點對透鏡19互為物象共軛；發(fā)光色散單色儀21用以色散樣品的發(fā)光，其結(jié)構(gòu)也與目前商品化的單色儀相同，輸出波長選擇也由計算機控制；22為發(fā)光色散單色儀21的寬度可調(diào)輸出狹縫，波長為λ0的單色發(fā)光在此輸出，記輸出的單色發(fā)光強度為EI(λ，λ0)；23為帶光密封罩的光電轉(zhuǎn)換探測器，在可調(diào)輸出狹縫22后，轉(zhuǎn)換EI(λ，λ0)為電信號；24為連續(xù)光譜點光源系統(tǒng)光密封罩；25為整臺ANPLES光譜儀的光密封罩。上述所有光學元件固定在鋼性基板上，如鋼板或鋁合金板。四個探測器9、14、17和23的電信號通過A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)字化，送入計算機保存。激發(fā)單色儀4和發(fā)光色散單色儀21的輸出波長選擇由計算機控制。整臺光譜儀在計算機控制下全自動化工作。另外，旋轉(zhuǎn)橢球面反射鏡2可用透鏡和凹面反射鏡的組合代替，降低造價。
圖中2中a標注光譜為ANPLES光譜，b標注光譜為傳統(tǒng)的發(fā)光激發(fā)光譜，插圖為黃色發(fā)光的發(fā)射光譜。
權(quán)利要求1.一種吸收歸一化光致發(fā)光激發(fā)光譜儀，其特征是該光譜儀包含有激發(fā)單色儀、光電轉(zhuǎn)換探測器、連續(xù)光譜點光源、樣品架、樣品發(fā)光收集透鏡、旋轉(zhuǎn)橢球面反射鏡、分束鏡和發(fā)光色散單色儀；連續(xù)光譜點光源位于旋轉(zhuǎn)橢球面反射鏡內(nèi)的焦點上，激發(fā)單色儀的寬度可調(diào)輸入狹縫位于旋轉(zhuǎn)橢球面反射鏡的另一焦點處，與連續(xù)光譜點光源互為物象共軛；激發(fā)單色儀的輸出狹縫后有準直或聚焦作用的透鏡；分束鏡位于此透鏡與樣品架之間；在分束鏡的反射光路上有一測量反射光光強的光電轉(zhuǎn)換探測器；在經(jīng)樣品后的透射光路上有測量透射光光強的光電轉(zhuǎn)換探測器；另有光電轉(zhuǎn)換探測器在經(jīng)樣品反射后的反射光路上；樣品發(fā)光收集透鏡置于樣品與發(fā)光色散單色儀的輸入狹縫之間；在發(fā)光色散單色儀的輸出狹縫后有一測量發(fā)光單色強度的光電轉(zhuǎn)換探測器；所有的光電轉(zhuǎn)換探測器通過A/D連接計算機。
2.一種如權(quán)利要求1所述的吸收歸一化光致發(fā)光激發(fā)光譜儀，其特征是旋轉(zhuǎn)橢球面反射鏡可采用透鏡和凹球面反射鏡的組合代替。
專利摘要本實用新型涉及一種光學儀器，是一種光致發(fā)光激發(fā)光譜儀。該光譜儀由連續(xù)光譜點光源、激發(fā)單色儀、寬光譜帶低反射分束鏡、樣品架、光電轉(zhuǎn)換探測器、樣品發(fā)光收集透鏡和發(fā)光色散單色儀等元件組成，可以實現(xiàn)一種新的激發(fā)光譜—吸收歸—化光致發(fā)光激發(fā)光譜(ANPLES光譜)測量。這種光譜直接反映被激發(fā)能級到被探測發(fā)光的初始能級的能量轉(zhuǎn)移效率，是一種直接實驗測量發(fā)光初始態(tài)能級的有力工具。非摻雜GaN薄模的黃光發(fā)射的實驗結(jié)果表明了本方案的優(yōu)異的效果。ANPLES光譜儀還具有吸收/透射光譜儀和發(fā)光光譜儀的功能，可以替代這兩種傳統(tǒng)的光譜儀。
文檔編號G01N21/63GK2531385SQ0222508
公開日2003年1月15日 申請日期2002年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月4日
發(fā)明者賴天樹, 林位株 申請人:中山大學