CN101493412B - 一种红外光调制光致发光谱的测量方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种红外光调制光致发光谱的方法和装置，该装置包括傅立叶变换红外光谱测量***、作为泵浦和探测光源的激光器***、以及联结傅立叶变换红外光谱仪中探测器与电路控制板的锁相放大器和低通滤波器、置于测试样品与激光器***之间光路上的两个斩波器。该方法使用上述装置进行光调制光致发光光谱测量，能准确确定光致发光信号中多个光跃迁的能量位置。由于红外光调制光致发光谱是光致发光光谱物理微分，可以更为确切分析发光过程，因而可作为一种可靠测定涉及多光跃迁机制光致发光信号的有效手段。本发明具有快速、便捷的优点，适用于富含杂质和缺陷的红外半导体光电材料微弱发光特性的检测。

Description

一种红外光调制光致发光谱的测量方法和装置

技术领域：

本发明涉及一种红外半导体光电材料测试技术，具体的说，主要是基于傅立叶变换红外(FTIR)光谱仪的步进扫描功能进行光调制光致发光的测量方法以及装置。

背景技术：

光致发光(Photoluminescence，PL)光谱作为一种有效的无损检测手段，被广泛应用于半导体材料光学性质与物理过程的研究，增进了对相关材料特性的认识。PL光谱方法不但可以揭示材料带隙、带边态等电子能带结构方面的信息，还能用于对于材料中杂质和缺陷等的研究。

对于分子束外延(MBE)和金属有机化学沉积方法生长的低维结构样品而言，样品比较均匀，质量比较好，获得的PL信号的半高全宽比较窄，PL信号中的单个发光峰基本对应着一种光跃迁。例如，对于GaInP/AlGaInP多量子阱样品，在1.8K下PL信号的半高全宽小于10meV。此时，利用600-700nm波段傅立叶变换光致发光谱方法和装置(专利号：ZL 200610023426.4)，可以获得高信噪比的PL光谱。对于窄禁带中、远红外材料，例如MBE生长的碲镉汞(Hg_1-xCd_xTe)样品，利用基于步进扫描的红外调制光致发光谱的方法和装置(专利号：ZL 200610023133.6)，可以有效的消除室温辐射，显著提高探测灵敏度，获得高信噪比的PL光谱。然而，对于碲镉汞样品，其中的杂质和缺陷对材料的PL信号有比较大的影响。例如，对于组分x＝0.235的Hg_1-xCd_xTe样品，77K下PL信号中的发光峰半高全宽大于20meV，其中包括了多种光跃迁的贡献，对相应的跃迁机制进行确定比较困难。传统上使用线形拟合的方法来确定相应的跃迁的数目和相应能级位置，从而判定相应的光跃迁机制。但是，由于预先并不知道PL信号究竟包含多少种不同能级之间光跃迁，藉此进行的线形拟合往往具有很大不确定性。导数谱方法已经被证明是解决这类问题的一种可能途径。通过对光谱取数学微分操作，往往可以清楚观察到样品中发生的各类光跃迁，从而确定相应的跃迁能量，为开展相关研究奠定基础。但是，数学微分受光谱信噪比限制，相应的数学平滑过程不可避免地导致细微光谱特征的丢失。若能通过物理手段实现调制方法，直接获得PL光谱的物理导数谱，即光调制光致发光谱(Photomodulated Photoluminescence，PMPL)，将能更为可靠获得光跃迁的数目和对应跃迁能量，这对于测试样品的PL光谱中弱信号跃迁能量的确定尤为有效。

发明内容：

综上所述，如何克服已有基于FTIR光谱仪的调制PL光谱方法在分析能量相近的多跃迁过程所导致PL光谱所面临困难，直接通过物理微分手段测定不同跃迁过程PL发光峰对应的能量，乃是本发明所要解决的关键技术问题，因此，本发明的目的在于提供一种基于步进扫描的红外傅立叶变换的PMPL光谱方法及其装置，使之能够实现物理微分，显著提高分辨多跃迁过程的灵敏度和可靠性、增强确定光跃迁能量的准确性，从而为红外半导体材料的光谱分析提供一种有效途径。

根据本发明的一种基于步进扫描的光调制光致发光谱装置，包括：

一激光器***，其包括激光器和外置分束器，其产生两路连续激光；一傅立叶变换红外光谱测量***，其具有傅立叶变换红外光谱仪和控制台计算机，与测试样品的发光信号构成光路的光干涉部件，该光干涉部件联结的探测器以及该计算机连接电路控制板；-光调制装置，其包括成电路联结的第一锁相放大器2-1、第二锁相放大器2-3和第一斩波器2-2、第一斩波器2-4，斩波器将该激光器***发出的两束连续激光斩波形成调制泵浦和探测激光，经过第一斩波器2-2和第二斩波器2-4的两束调制激光入射至测试样品而产生红外PL信号以及PL信号强度的变化，另外这两束调制激光还作为第一锁相放大器2-1、第二锁相放大器2-3的参考信号馈入它们参考信号的输入端。第二锁相放大器2-3的信号输入端连接探测器的输出端；第二锁相放大器2-3输出端的一路和低通滤波器的输入端相连接；第二锁相放大器2-3输出端的另一路和第一锁相放大器2-1的输入端相连接；第一锁相放大器2-1的输出端与电路控制板的输入端相连接。

所述的第一和第二锁相放大器为Standford SR830 DSP型锁相放大器；所述的第一和第二斩波器为Standford SR540型机械斩波器；所述的激光器为Spectra-Physics 2065型氩离子激光器；所述的傅立叶变换红外谱仪为BrukerIFS 66v/S型FTIR光谱仪；以及所述的测试样品为所有红外半导体材料，例如HgCdTe材料。

本发明的技术构思的核心是使用具有连续和步进扫描功能的FTIR光谱仪，还包括激光器***、斩波器和双通道锁相放大器等组件。泵浦激光经过外置分束器，半透半反成为两路激光。透射和反射的两路激光分别经过斩波器调制成正弦波，照射到测试样品上，分别产生PL信号和PL信号强度的变化。同时斩波器的调制频率作为参考信号进入到相应的锁相放大器。由测试样品发出的信号经由探测器转换为电信号，馈入第二锁相放大器2-3。第二锁相放大器2-3输出的一路馈入低通滤波器103，获得PL信号(I_PL)；另一路馈入第一锁相放大器2-1，获得光调制PL信号(ΔI_PL)。然后将两路信号输出到电路控制板，最后通过傅立叶变换得到PMPL光谱(ΔI_PL与I_PL的比值)。与基于FTIR步进扫描的调制PL光谱方法相比，利用PMPL光谱方法可同时获得调制PL信号和PL信号强度的变化两路信号，进而获得样品的PMPL光谱。相对于调制PL光谱，PMPL光谱能够有效的去除光谱中的干扰信号，准确确定PL信号中多个光跃迁的跃迁能量位置。

通过选择KBr分束器和液氮制冷的光伏或光导型碲镉汞探测器，可以实现对1.3～10μm或9～22μm波段范围PMPL光谱的测量。

根据发明构思，本发明的一种基于步进扫描傅立叶变换红外光谱仪的红外光调制光致发光谱方法，其步骤包括：

S1、在激光的反射和透射光路中接入两个斩波器，实现对入射到测试样品的泵浦光和探测光进行幅度调制；并在傅立叶变换红外光谱仪的探测器和电路控制板之间接入相对应的两个锁相放大器，进行相敏检测；

S2、将傅立叶变换红外光谱仪置于步进扫描状态，适当选取两个斩波器的调制频率、两个锁相放大器的灵敏度和采样积分时间，开始测量红外调制光致发光信号以及光致发光信号的变化；

S3、光致发光信号和光致发光信号的变化输出到傅立叶变换红外光谱仪的电路控制板，而后进入控制台计算机，在同一时间获得所有波段的光调制光致发光谱信息，缩短光谱采集所需时间。

另外，所述的测试样品为所有红外半导体材料，例如HgCdTe材料。

本发明的最大优点是：

1、探测灵敏度高、非常有利于红外波段半导体光电材料特性测量，尤其对于PL信号较宽情况下各种光学跃迁的指认；

2、同一时间获得所有波段PMPL信号变化的光谱信息，实验时间缩短；

3、得益于傅立叶变换频率与激光调制频率的截然分开，锁相放大器采样时间常数的选取上限不再受限，因此既简便易行，又能够保证尽可能高的谱信噪比，尤其有利于对弱发光半导体材料PMPL过程的检测。

附图说明：

图1给出了光调制光致发光谱(PMPL)测量的实验装置的示意图。图中1是傅立叶变换红外光谱测量***，1-1是傅立叶变换红外光谱仪，101是光干涉部件，102是探测器，103是低通滤波器，104是电路控制板，1-2是控制台计算机；图中2是光调制装置，2-1是第一锁相放大器，2-3是第二锁相放大器，2-2是第一斩波器和2-4是第二斩波器；图中3是激光器***，3-1是激光器，3-2是外置分束器；4是测试样品。

图2给出了光调制光致发光谱(PMPL)测量的简要流程图。

具体实施方式：

下面根据图1和图2给出本发明的较好实施例，并予以详细描述，能更好地说明本发明的技术特征和功能特点，而不是用来限定本发明的范围。

具体实施方案如图1所示，光调制光致发光谱测量装置包括-激光器3-1出射的激光束经过外置分束器3-2，半透半反成为两路激光；在该光谱仪1-1、样品4和控制台计算机1-2之间接入光调制装置2中的第一锁相放大器2-1和第二锁相放大器2-3，以及在激光器***3发出的两路激光入射于测试样品4的通路上设置第一斩波器2-2和第二斩波器2-4，使之形成调制入射激光。更具体地说，本发明的步进扫描光调制光致发光谱测量装置，包括-激光器***3，其中激光器3-1产生连续激光，外置分束器3-2将激光束半透半反成为泵浦和探测两束激光；-傅立叶变换红外光谱***1，其上具有傅立叶变换红外光谱仪1-1和控制台计算机1-2，接受测试样品4的PL信号的干涉仪部件101，信号经过干涉仪部件101傅立叶变换后送入的探测器102，以及与该计算机1-2相连接的电路控制板104；-光调制装置2，其包括成电路联结的第一锁相放大器2-1、第二锁相放大器2-3和第一斩波器2-2、第二斩波器2-4，第一斩波器2-2、第二斩波器2-4分别位于经过外置分束器3-2后的两路激光和测试样品4之间，将连续激光调制成调制激光入射到测试样品4上使PL信号强度发生变化，两路调制激光的调制频率还作为参考信号馈入第一锁相放大器2-1和第二锁相放大器2-3的参考信号输入端。第二锁相放大器2-3的输入端连接探测器102，其输出端分别连接低通滤波器103和第一锁相放大器2-1的输入端，第一锁相放大器2-1的输出端连接电路控制板104。

其测试原理-如图1所示，使用了第一斩波器2-2、第二斩波器2-4和第一锁相放大器2-1、第二锁相放大器2-3，第一斩波器2-2的频率(Ω₁)和第二斩波器2-4的频率(Ω₂)满足Ω₁＜＜Ω₂。进入第二锁相放大器2-3的信号为

I^d(δ)＝I_1，PL(δ)sinΩ₁t+I_2，PL(δ)sinΩ₂t+δI_PL(δ)sinΩ₁t·sinΩ₂t    (1)

式中右边三项分别和泵浦激光产生的PL信号、探测激光光产生的PL信号，泵浦光和探测光导致的PL信号强度的变化相关。探测器的输出信号通过AC耦合馈入第二锁相放大器2-3，然后信号乘以第二锁相放大器2-3的相敏探测器的参考信号u_Ref2sinΩ₂t，

$I^{\mathrm{LIA}2}\left(\mathrm{\δ}\right)=u_{\mathrm{Ref}2}{K}_{\mathrm{AC}}^{\mathrm{LIA}2}[I_{1,\mathrm{PL}}\left(\mathrm{\δ}\right)\sin {\mathrm{\Ω}}_{1}t\·\sin {\mathrm{\Ω}}_{2}t+\frac{1}{2}{I}_{2,\mathrm{PL}}\left(\mathrm{\δ}\right)-\frac{1}{2}{I}_{2,\mathrm{PL}}\left(\mathrm{\δ}\right)\cos 2{\mathrm{\Ω}}_{2}t$ (2)

$+\frac{\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{PL}}\left(\mathrm{\δ}\right)}{2}\sin {\mathrm{\Ω}}_{1}t(1-\cos 2{\mathrm{\Ω}}_{2}t)]$

输出信号的一路通过DC耦合进入低通滤波器(0＜Ω＜Ω₁)，得到直流输出信号为(～I_PL)

$I_{\mathrm{DC}}\left(\mathrm{\δ}\right)=\frac{u_{\mathrm{Ref}2}{K}_{\mathrm{AC}}^{\mathrm{LIA}2}{K}_{\mathrm{DC}}}{2}{I}_{2,\mathrm{PL}}\left(\mathrm{\δ}\right),$ $B_{\mathrm{DC}}\left(\mathrm{\σ}\right)=\frac{u_{\mathrm{Ref}2}{K}_{\mathrm{AC}}^{\mathrm{LIA}2}{K}_{\mathrm{DC}}}{2}{B}_{2,\mathrm{PL}}\left(\mathrm{\σ}\right)---\left(3\right)$

通过选择适当的时间常数τ，满足Ω₁＜Ω＜Ω₂，就可以滤除信号中Ω₂和2Ω₂的成份。输出信号的另一路通过AC耦合馈入第一锁相放大器2-1，信号为

$I^{\mathrm{LIA}2}\left(\mathrm{\δ}\right)=u_{\mathrm{Ref}2}{K}_{\mathrm{AC}}^{\mathrm{LIA}2}[\frac{1}{2}{I}_{2,\mathrm{PL}}\left(\mathrm{\δ}\right)+\frac{\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{PL}}\left(\mathrm{\δ}\right)}{2}\sin {\mathrm{\Ω}}_{1}t]---\left(4\right)$

然后信号乘以第一锁相放大器2-1的相敏探测器的参考信号u_Ref1sinΩ₁t

$I^{\mathrm{LIA}1}\left(\mathrm{\δ}\right)=u_{\mathrm{Ref}2}{u}_{\mathrm{Ref}1}{K}_{\mathrm{AC}}^{\mathrm{LIA}2}{K}_{\mathrm{AC}}^{\mathrm{LIA}1}[\frac{1}{2}{I}_{2,\mathrm{PL}}\left(\mathrm{\δ}\right)\sin {\mathrm{\Ω}}_{1}t+\frac{\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{PL}}\left(\mathrm{\δ}\right)}{2}(\frac{1}{2}-\frac{1}{2}\cos 2{\mathrm{\Ω}}_{1}t)]---\left(5\right)$

通过选择适当的时间常数τ，满足0＜Ω＜Ω₁并保证较大差值，就可以滤除信号中Ω₁和2Ω₁的成份。最后进入电路控制板的信号为

$I^{\mathrm{LIA}1}\left(\mathrm{\δ}\right)=\frac{u_{\mathrm{Ref}2}{u}_{\mathrm{Ref}1}{K}_{\mathrm{AC}}^{\mathrm{LIA}2}{K}_{\mathrm{AC}}^{\mathrm{LIA}1}}{4}\mathrm{\Δ}{P}_{\mathrm{PL}}\left(\mathrm{\δ}\right)---\left(6\right)$

在所考虑的频率范围中，

和

可以作为常数。通过傅立叶变换得到的光谱为

$B_{\mathrm{AC}}^{\mathrm{LIA}}\left(\mathrm{\σ}\right)=\frac{u_{\mathrm{Ref}2}{u}_{\mathrm{Ref}1}{K}_{\mathrm{AC}}^{\mathrm{LIA}2}{K}_{\mathrm{AC}}^{\mathrm{LIA}1}}{4}\mathrm{\Δ}{B}_{\mathrm{PL}}\left(\mathrm{\σ}\right)---\left(7\right)$

式子右边为PL信号的变化(～ΔB_PL)，即光调制PL信号。根据式(3)和(7)，我们就可以得到PL信号的导数谱，即光调制光致发光谱(PMPL)

$\frac{\mathrm{\Δ}{B}_{\mathrm{PL}}}{B_{2,\mathrm{PL}}}=\frac{2K_{\mathrm{DC}}}{u_{\mathrm{Ref}1}{K}_{\mathrm{AC}}^{\mathrm{LIA}1}}\frac{B_{\mathrm{AC}}^{\mathrm{LIA}}\left(\mathrm{\σ}\right)}{B_{\mathrm{DC}}\left(\mathrm{\σ}\right)}---\left(8\right)$

我们可以发现基于步进扫描的PMPL光谱中包含着PL光谱的变化，通过这种物理导数谱可以直接判定半导体材料中光跃迁的数目以及确定对应的跃迁能量。

基于上述思路，在本实施例中，第一锁相放大器2-1和第二锁相放大器2-3采用Standford SR830 DSP锁相放大器、第一斩波器2-2和第二斩波器2-4采用Standford SR540机械斩波器、激光器3-1采用Spectra-Physics 2065型氩离子激光器、FTIR光谱仪1-1采用Bruker IFS 66v/S型FTIR光谱仪进行本发明提出新方法的实施。其光路仍如图1所示，图2中给出了简要的操作流程，具体操作过程如下：

数据获取：首先移除第一斩波器2-2和第二斩波器2-4，并将探测器102的电输出信号直接馈送到电子控制部分。将FTIR光谱仪1-1置于连续扫描的信号监控状态，通过调整、优化测试样品4相关部分光路，使FTIR光谱仪1-1监测到的PL信号达到极大。然后获取基于步进扫描FTIR的PMPL光谱，本发明在保持测试样品4相关光路不变的前提下，移入并开启第一斩波器2-2和第二斩波器2-4，并将探测器102输出信号通过AC耦合馈送到第二锁相放大器2-3的输入端，其输出信号再馈入第一锁相放大器2-1的输入端，第一锁相放大器2-1的输出接到FTIR光谱仪1-1的电路控制板104的输入通道上。设定第一斩波器2-2和第二斩波器2-4的调制频率以后，用其参考信号分别锁定第一锁相放大器2-1和第二锁相放大器2-3。然后，将FTIR光谱仪1-1置于步进扫描状态，并试运行光谱扫描过程，适当选取第一锁相放大器2-1和第二锁相放大器2-3的灵敏度，既保证整个扫描过程不致出现过载，又有尽可能高的微弱信号放大能力。选择第一锁相放大器2-1和第二锁相放大器2-3的采样积分时间，以保证其在步进扫描过程中始终处于锁定状态。再根据采样积分时间，设定FTIR光谱仪1-1步进等待时间。同时将第二锁相放大器2-3的输出信号通过DC耦合馈送到低通滤波器103。至此，可以正式开始PMPL光谱的测量。

数据处理：本发明提出的基于步进扫描FTIR的PMPL光谱也可以利用FTIR***操控软件来完成傅立叶变换工作，因此便于实施。根据方程(3)、(7)和(8)即可获得步进扫描的PMPL光谱。

在上述二方面中包含的本发明的关键发明点是(1)通过对泵浦和探测激光进行幅度调制，并结合相敏检测技术，探测灵敏度高，非常有利于红外波段半导体光电材料特性测量，尤其对于PL信号较宽情况下各种光学跃迁的指认；(2)同一时间获得所有波段的PMPL光谱信息，增强红外波段微弱光信号的探测能力，缩短光谱采集所需时间；(3)利用FTIR光谱仪的步进扫描功能，消除傅立叶频率，从而放松对外调制频率选取的苛刻限制，使红外波段PMPL光谱方法真正可行。

Claims (3)

1.一种红外光调制光致发光谱的装置，包括：

-激光器***(3)，其中激光器(3-1)产生连续激光，外置分束器(3-2)将激光束半透半反成为泵浦和探测两束激光；

-傅立叶变换红外光谱测量***(1)，其具有傅立叶变换红外光谱仪(1-1)和控制台计算机(1-2)，与傅立叶变换红外光谱仪(1-1)中光干涉部件(101)联结的探测器(102)，与控制台计算机(1-2)相连接的电路控制板(104)，以及与电路控制板相连接的低通滤波器(103)；

-光调制装置(2)，其包括激光反射光路所对应的第一锁相放大器(2-1)、第一斩波器(2-2)和激光透射光路所对应第二锁相放大器(2-3)、第二斩波器(2-4)；第二锁相放大器(2-3)的信号输入端连接探测器(102)的输出端；第二锁相放大器(2-3)输出端的一路和低通滤波器(103)的输入端相连接；第二锁相放大器(2-3)输出端的另一路和第一锁相放大器(2-1)的输入端相连接；第一锁相放大器(2-1)的输出端与电路控制板(104)的输入端相连接；

由激光器***(3)出射的泵浦和探测激光照射到测试样品(4)上产生的信号进入光谱仪的光干涉器件(101)，第一斩波器(2-2)、第二斩波器(2-4)将该激光器***(3)发出的两束激光斩波形成调制激光，经过第一斩波器(2-2)和第二斩波器(2-4)的两束调制激光入射至测试样品(4)而产生红外光致发光信号，同时导致光致发光信号强度发生变化，另外调制激光的斩波器参考信号还作为第一锁相放大器(2-1)、第二锁相放大器(2-3)的参考信号馈入它们参考信号的输入端；光致发光信号和光致发光信号强度的变化输出到傅立叶变换红外光谱仪(1-1)的电路控制板(104)，而后进入控制台计算机(1-2)，从而获得样品的光调制光致发光谱。

2.根据权利要求1所述的红外光调制光致发光谱装置，其特征在于，所述的测试样品(4)为红外半导体材料。

3.一种利用权利要求1所述装置的红外光调制光致发光谱测量方法，其步骤包括：

S1、在激光的反射和透射光路中移入两个斩波器，实现对入射到测试样品的泵浦光和探测光进行幅度调制；并在傅立叶变换红外光谱仪的探测器和电路控制板之间接入相对应的两个锁相放大器，进行相敏检测；

S2、将傅立叶变换红外光谱仪置于步进扫描状态，适当选取两个斩波器的调制频率、两个锁相放大器的灵敏度和采样积分时间，开始测量红外调制光致发光信号以及光致发光信号的变化；

S3、光致发光信号和光致发光信号的变化输出到傅立叶变换红外光谱仪的电路控制板，而后进入控制台计算机，在同一时间获得所有波段的光调制光致发光谱信息，即光致发光信号强度的变化与光致发光信号强度的比值，缩短光谱采集所需时间，增强红外波段微弱信号的探测能力。

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