CN106383302A - 一种紫外发射材料的表面光电压谱测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种紫外发射材料的表面光电压谱测试装置，包括氘灯光源、斩光器、光栅单色仪、紫外分光光纤、光功率计、光电压池、锁相放大器和计算机；氘灯光源与光栅单色仪之间放置斩光器；紫外分光光纤入射端与光栅单色仪出光口相连，出射端分别与光电压池和光功率计相连；光电压池信号输出端与锁相放大器信号输入端相连；光功率计和锁相放大器通信端口与计算机串口相连。本发明采用完全密闭的紫外分光光纤，可有效降低外界杂散光对表面光电压信号的干扰；光电压池内导电玻璃采用深紫外透明导电玻璃，能够获得强度高、稳定性好的紫外发射材料表面光电压信号。

Description

一种紫外发射材料的表面光电压谱测试装置及测试方法

技术领域

本发明涉及半导体材料测试技术领域，特别是一种紫外发射材料表面光电压谱测试装置及测试方法。

背景技术

对于半导体真空光电探测器件而言，半导体阴极发射材料的少子扩散长度和表面复合速率等参数在光谱响应、电子逸出几率等方面有着至关重要的影响。目前对于半导体材料表面的性质研究的方法主要有X射线光电子能谱分析、紫外光电子能谱分析和表面光电压谱分析等方法。相较于前两者，表面光电压谱具备无损非接触、设备简单、灵敏度高等特点，非常适用于半导体阴极发射材料的少子扩散长度和表面复合速率等参数的测试。

国内针对GaAs等响应范围为可见光波段的半导体发射材料的表面光电压谱测量装置及测量方法已有报道。在现有表面光电压谱测试装置中，由于光源光谱范围为可见光范围，光纤对紫外波段损耗过大，且透明导电玻璃采用普通ITO玻璃，基本不透紫外，导致被测紫外发射材料无法产生所需表面光电压信号，无法满足紫外发射材料表面光电压谱测试要求，亟需能直接测量紫外发射材料表面光电压谱的测试装置和方法，以获取紫外发射材料少子扩散长度及表面复合速率等性能参数。

发明内容

本发明的目的在于提供一种紫外发射材料的表面光电压谱测试装置及测试方法。

实现本发明目的的技术方案为：一种紫外发射材料的表面光电压谱测试装置，包括氘灯光源、斩光器、光栅单色仪、紫外分光光纤、光功率计、光电压池、锁相放大器和计算机；

所述氘灯光源输出口正对光栅单色仪的输入口，组合形成波长可调的紫外单色光源；所述斩光器设置在氘灯光源和光栅单色仪之间，用于对氘灯光源发出的复合光进行斩波调制，使之成为交流光信号；斩光器的信号输出端与锁相放大器参考信号输入端相连，用于为锁相放大器相敏检波提供参考频率信号；

所述紫外分光光纤入射端与光栅单色仪出光口相连，出射端分别与光电压池和光功率计相连，用以传输光栅单色仪所输出的紫外单色光；所述光功率计用于对紫外分光光纤输出端光功率进行检测；

所述光电压池用于放置样品，并提供测试所需暗环境；光电压池的信号输出端与锁相放大器信号输入端相连，所述锁相放大器用于检测样品因光照产生的表面光电压信号的幅度和相位；

所述计算机通过串口与光栅单色仪通信端口相连，用以控制光栅单色仪光栅转动，以输出所需波长单色光；所述计算机通过串口与光功率计和锁相放大器的通信端口相连，以读取光功率计和锁相放大器所探测信号值，计算样品表面实时入射光功率，绘制表面光电压谱曲线。

一种紫外发射材料表面光电压谱测试方法，包括以下步骤：

步骤1，将待测样品放置于光电压池内的透明导电玻璃和金属横梁之间；

步骤2，将斩光器放置于氘灯光源出光口和光栅单色仪入光口之间，将斩光器频率信号输出端与锁相放大器参考信号输入端相连；

步骤3，设置光栅单色仪波长，通过紫外分光光纤，将光栅单色仪输出光分别入射在光功率计和待测样品表面；

步骤4，利用锁相放大器检测出待测样品表面光电压，通过串口将数据传输给计算机；光功率计检测入射光功率，通过串口将光功率数据传输给计算机，计算机计算得到样品表面实时入射光功率；

步骤5，重复步骤3和步骤4测量待测样品在相应波长下由紫外光照产生的表面光电压，获得待测样品随波长变化的表面光电压曲线，得到样品的表面光电压谱。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

(1)本发明的传光光路采用紫外分光光纤，而现有表面光电压谱测试装置采用传统传光光纤或准直光路，相较于传统传光光纤，紫外分光光纤在200nm～250nm波段范围紫外辐射损耗可降低10倍以上，且入射光经分光光纤分为作用光和参考光，分别照射样品材料和光功率计，可通过光功率计实时监控样品表面入射光功率；相较于准直光路，紫外分光光纤采用铠装结构，完全密封，可有效降低外界杂散光对表面光电压信号的干扰；

(2)本发明的光电压池采用金属结构，具备电磁屏蔽功能，光电压池内导电玻璃-空气-待测样品形成金属-绝缘体-半导体电容结构，配合锁相放大器，探测精度可达到纳伏，相较于传统表面光电压谱测试装置采用开尔文探针结构，可有效屏蔽测试环境所带来的电磁干扰并提高测试精度；

(3)本发明的光电压池内导电玻璃采用深紫外透明导电玻璃，其在200nm～250nm波段范围内透过率可达30％以上，250nm～380nm波段平均透过率超过80％，相较于传统装置中氧化铟锡玻璃在200nm～380nm波段范围内几乎不透光的情况，可有效解决金属-绝缘体-半导体MIS结构紫外单色光无法传输，紫外发射材料表面光电压信号过于微弱无法检测这一难点，获得强度高、稳定性好的紫外发射材料表面光电压信号。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明所述紫外发射材料表面光电压谱测试装置的结构示意图。

图2是本发明用于GaN/GaN/Al₂O₃多层紫外发射材料表面光电压谱结果示意图。

图3是本发明的GaN/GaN/Al₂O₃多层紫外发射材料结构示意图。

具体实施方式

结合图1，本发明的一种紫外发射材料的表面光电压谱测试装置，包括氘灯光源1、斩光器2、光栅单色仪3、紫外分光光纤4、光功率计5、光电压池6、锁相放大器12和计算机13；

所述氘灯光源1输出口正对光栅单色仪3的输入口，组合形成波长可调的紫外单色光源；所述斩光器2设置在氘灯光源1和光栅单色仪3之间，用于对氘灯光源1发出的复合光进行斩波调制，使之成为交流光信号；斩光器2的信号输出端与锁相放大器12参考信号输入端相连，用于为锁相放大器12相敏检波提供参考频率信号；

所述紫外分光光纤4入射端与光栅单色仪3出光口相连，出射端分别与光电压池6和光功率计5相连，用以传输光栅单色仪3所输出的紫外单色光；所述光功率计5用于对紫外分光光纤4输出端光功率进行检测；

所述光电压池6用于放置样品，并提供测试所需暗环境；光电压池6的信号输出端与锁相放大器12信号输入端相连，所述锁相放大器12用于检测样品因光照产生的表面光电压信号的幅度和相位；

所述计算机13通过串口与光栅单色仪3通信端口相连，用以控制光栅单色仪3光栅转动，以输出所需波长单色光；所述计算机13通过串口与光功率计5和锁相放大器12的通信端口相连，以读取光功率计5和锁相放大器12所探测信号值，计算样品8表面实时入射光功率，绘制表面光电压谱曲线。

进一步的，所述紫外分光光纤4纤芯为石英光纤，外部具备铠装结构，包括一个输入端和两个输出端。

进一步的，所述光电压池6为金属结构，具备电磁屏蔽功能；所述光电压池6由透明导电玻璃7、金属横梁9、光电压池盖10和光电压池壳体11组成，所述光电压池盖10和光电压池壳体11组成腔体，所述透明导电玻璃7、金属横梁9设置在由光电压池盖10和光电压池壳体11组成的腔体内；所述金属横梁9两端固定在光电压池壳体11内壁上，且与光电压池壳体11底部平行，所述透明导电玻璃7为深紫外透明导电玻璃，导电层为Ga₂O₃/ITO/Ga₂O₃深紫外透明导电薄膜，样品8放置于金属横梁9与透明导电玻璃7之间，透明导电玻璃7与样品8不完全接触，形成金属-绝缘体-半导体结构。

本发明还提供一种紫外发射材料表面光电压谱测试方法，包括以下步骤：

步骤1，将待测样品8放置于光电压池6内的透明导电玻璃7和金属横梁9之间；

步骤2，将斩光器2放置于氘灯光源1出光口和光栅单色仪3入光口之间，将斩光器2频率信号输出端与锁相放大器12参考信号输入端相连；

步骤3，设置光栅单色仪3波长，通过紫外分光光纤4，将光栅单色仪3输出光分别入射在光功率计5和待测样品8表面；

步骤4，利用锁相放大器12检测出待测样品8表面光电压，通过串口将数据传输给计算机13；光功率计5检测入射光功率，通过串口将光功率数据传输给计算机13，计算机13计算得到样品8表面实时入射光功率；

步骤5，重复步骤3和步骤4测量待测样品8在相应波长下由紫外光照产生的表面光电压，获得待测样品8随波长变化的表面光电压曲线，得到样品8的表面光电压谱。

其中，所述紫外发射材料表面光电压谱为：

$SRC\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{V_{SPV}\left(\mathrm{\λ}\right)}{P\left(\mathrm{\λ}\right)}$

式中，λ为光栅单色仪输出波长，200nm≤λ≤400nm，V_SPV(λ)为紫外发射材料表面光电压，P(λ)为样品表面输入光功率。

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例

结合图1，一种紫外发射材料的表面光电压谱测试装置，包括氘灯光源1、斩光器2、光栅单色仪3、紫外分光光纤4、光功率计5、光电压池6、锁相放大器12和计算机13。

氘灯光源1与光栅单色仪3之间放置斩光器2；紫外分光光纤4入射端与光栅单色仪3出光口相连，出射端分别与光电压池6和光功率计5相连；光电压池6信号输出端与锁相放大器12信号输入端相连；光功率计5和锁相放大器12通信端口与计算机13串口相连。

所述氘灯光源1和光栅单色仪3组合形成波长可调的紫外单色光光源。所述氘灯光源1为75W氘灯，光谱范围为200nm～400nm，符合紫外光谱范围。所述氘灯光源1发出的光经光栅单色仪3分光，输出单色光。所述光栅单色仪3可通过转动单色仪的光栅连续改变波长，波长输出范围为200nm～2000nm。

所述斩光器2在测试装置中的作用是将氘灯光源1发出的光通过斩波调制成交流光信号照射在待测样品8上，同时将调制频率输入到锁相放大器12，使得锁相放大器12能够对样品8产生的交流表面光电压信号实现同步锁相放大。所述斩光器2与锁相放大器12组合，使得所述测试装置只对被测信号本身和那些与调制频率同频或倍频的噪声分量有响应，解决了半导体材料测试中测试信号常为噪声所淹没这一关键性技术问题。

所述紫外分光光纤4具备一个输入端和两个输出端，用以实现紫外单色光的传输。紫外分光光纤4纤芯为石英光纤，解决了紫外辐射在常规光纤传输损耗过大，导致表面光电压信号微弱的技术问题。同时，紫外分光光纤4两个输出端出光比固定，且分别连接光电压池6和光功率计5，可通过监控与光功率计5相连一端输出光功率，实现表面光电压谱测试过程中，样品8表面入射光功率的实时监控。

所述光电压池6结构如附图1所示，由透明导电玻璃7、金属横梁9、光电压池盖10和光电压池壳体11组成，测试样品8放置于透明导电玻璃7和金属横梁9之间。光电压池6的作用是在测试时屏蔽外界的电磁波和声波信号干扰；光电压池6采用金属材料作为外壳，可以起到电磁屏蔽的作用，并通过密封的结构设计降低声波信号的干扰。透明导电玻璃7保证了单色光能垂直照射在测试样品表面，同时与样品8不完全接触，形成金属-绝缘体-半导体结构，从而测出表面光电压信号。所述透明导电玻璃7为在石英玻璃上镀Ga₂O₃/ITO/Ga₂O₃深紫外透明导电薄膜的深紫外透明导电玻璃，在波长为200nm～250nm处仍具有较高的透过率，解决了传统透明导电玻璃在紫外尤其是深紫外波段不透明的技术难点。

所述计算机13用以控制光栅单色仪3光栅转动，使光栅单色仪3输出不同波长的紫外单色光，同时所述计算机13与光功率计5、锁相放大器12相连接，将光功率计5所测光功率值和锁相放大器12所测表面光电压信号输入计算机13，绘制被测样品8表面光电压谱。

采用附图1装置测试紫外发射材料表面光电压谱方法具体步骤如下：

步骤1，将被测样品8放置在光电压池6的透明导电玻璃7和金属横梁9之间，并固定；

步骤2，将斩光器2置于氘灯光源1出光口和光栅单色仪3入光口中间，对氘灯光源1输出的光进行调制，并将斩光器2的信号输出端与锁相放大器12参考信号输入端相连接；

步骤3，通过计算机13发出指令，转动单色仪3的光栅改变单色紫外光的波长，波长扫描范围设定200nm～400nm，从短波长扫描至长波长，每步波长增加1nm，则初始时将入射单色光波长设置为200nm，随后每测量一次表面光电压，波长增加1nm；

步骤4，锁相放大器12利用斩光器2提供的参考频率信号，将样品8因光照产生的表面光电压信号检测出，并通过串口将数据传输给计算机13；光功率计5检测入射光功率，通过通信端口将光功率数据传输给计算机13，换算得到样品8表面实时入射光功率；

步骤5，按步骤3设定的波长范围和步长，在每个波长下实施步骤4，改变紫外单色光波长，测量被测样品8表面光电压信号和入射光功率，直至波长扫描结束，则可输出表面光电压信号随波长变换的曲线，即被测样品8的表面光电压谱。

附图2和3是上述方法用于GaN/GaN/Al₂O₃多层紫外发射材料得到的表面光电压谱的实验结果及GaN/GaN/Al₂O₃多层紫外发射材料结构示意图。表面光电压谱横坐标根据单色光波长换算为光子能量，入射光波长的扫描方向从长波长到短波长，对应光子能量从低到高，在谱线上可看到三个明显的拐点，3.25eV、3.4eV和3.8eV；GaN发射层厚度很薄，只有0.5um，GaN缓冲层的厚度为2～3um。由于本征GaN缓冲层与Al₂O₃晶格失配严重，位错密度很大，使得本征GaN缓冲层呈现n型，同时使得禁带宽度减小。

在3.25eV到3.4eV之间，发射层GaN厚度很薄，禁带宽度为3.4eV，对入射光子吸收基本没有吸收，光吸收主要发生在本征GaN缓冲层。由于位错影响，本征GaN缓冲层禁带宽度减小到3.25eV左右，并且缓冲层厚度较大，入射光子主要在缓冲层被吸收，激发产生光生电子-空穴对，从而减小缓冲层与发射层间内建电场，形成表面光电压。在3.4eV到3.8eV之间，GaN发射层对该范围入射光子的吸收系数较高，发射层厚度大于吸收长度，光吸收主要发生在GaN发射层。由于GaN发射层为p型掺杂，由入射光子激发产生的光电子在发射层扩散，进入表面势垒区及发射层与缓冲层的空间电荷区，减小上述两者的宽度，产生光电压。

Claims (4)

1.一种紫外发射材料的表面光电压谱测试装置，其特征在于，包括氘灯光源[1]、斩光器[2]、光栅单色仪[3]、紫外分光光纤[4]、光功率计[5]、光电压池[6]、锁相放大器[12]和计算机[13]；

所述氘灯光源[1]输出口正对光栅单色仪[3]的输入口，组合形成波长可调的紫外单色光源；所述斩光器[2]设置在氘灯光源[1]和光栅单色仪[3]之间，用于对氘灯光源[1]发出的复合光进行斩波调制，使之成为交流光信号；斩光器[2]的信号输出端与锁相放大器[12]参考信号输入端相连，用于为锁相放大器[12]相敏检波提供参考频率信号；

所述紫外分光光纤[4]入射端与光栅单色仪[3]出光口相连，出射端分别与光电压池[6]和光功率计[5]相连，用以传输光栅单色仪[3]所输出的紫外单色光；所述光功率计[5]用于对紫外分光光纤[4]输出端光功率进行检测；

所述光电压池[6]用于放置样品，并提供测试所需暗环境；光电压池[6]的信号输出端与锁相放大器[12]信号输入端相连，所述锁相放大器[12]用于检测样品因光照产生的表面光电压信号的幅度和相位；

所述计算机[13]通过串口与光栅单色仪[3]通信端口相连，用以控制光栅单色仪[3]光栅转动，以输出所需波长单色光；所述计算机[13]通过串口与光功率计[5]和锁相放大器[12]的通信端口相连，以读取光功率计[5]和锁相放大器[12]所探测信号值，计算样品[8]表面实时入射光功率，绘制表面光电压谱曲线。

2.根据权利要求1所述紫外发射材料的表面光电压谱测试装置，其特征在于，所述紫外分光光纤[4]纤芯为石英光纤，包括一个输入端和两个输出端。

3.根据权利要求1所述紫外发射材料的表面光电压谱测试装置，其特征在于，所述光电压池[6]为金属结构，具备电磁屏蔽功能；所述光电压池[6]由透明导电玻璃[7]、金属横梁[9]、光电压池盖[10]和光电压池壳体[11]组成，所述光电压池盖[10]和光电压池壳体[11]组成腔体，所述透明导电玻璃[7]、金属横梁[9]设置在由光电压池盖[10]和光电压池壳体[11]组成的腔体内；所述金属横梁[9]两端固定在光电压池壳体[11]内壁上，且与光电压池壳体[11]底部平行，所述透明导电玻璃[7]为深紫外透明导电玻璃，导电层为Ga₂O₃/ITO/Ga₂O₃深紫外透明导电薄膜，样品[8]放置于金属横梁[9]与透明导电玻璃[7]之间，透明导电玻璃[7]与样品[8]不完全接触，形成金属-绝缘体-半导体结构。

4.一种基于权利要求3所述装置的紫外发射材料表面光电压谱测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，将待测样品[8]放置于光电压池[6]内的透明导电玻璃[7]和金属横梁[9]之间；

步骤2，将斩光器[2]放置于氘灯光源[1]出光口和光栅单色仪[3]入光口之间，将斩光器[2]频率信号输出端与锁相放大器[12]参考信号输入端相连；

步骤3，设置光栅单色仪[3]波长，通过紫外分光光纤[4]，将光栅单色仪[3]输出光分别入射在光功率计[5]和待测样品[8]表面；

步骤4，利用锁相放大器[12]检测出待测样品[8]表面光电压，通过串口将数据传输给计算机[13]；光功率计[5]检测入射光功率，通过串口将光功率数据传输给计算机[13]，计算机[13]计算得到样品[8]表面实时入射光功率；

步骤5，重复步骤3和步骤4测量待测样品[8]在相应波长下由紫外光照产生的表面光电压，获得待测样品[8]随波长变化的表面光电压曲线，得到样品[8]的表面光电压谱。