CN111044490A - 一种各向异性半导体光学薄膜轴向折射率的测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种各向异性半导体光学薄膜轴向折射率的测量方法，包括以下步骤：利用激光对各向异性半导体光学薄膜进行照射，收集半导体光学薄膜向外发射的荧光，测量半导体光学薄膜的荧光光谱；从半导体光学薄膜荧光光谱的带边非周期振荡发射光谱中提取干涉加强或减弱的波长数值；根据薄膜厚度、折射率以及波长的相干叠加关系，计算半导体光学薄膜的轴向折射率随波长变化的关系，即单边色散关系，完成各向异性半导体光学薄膜轴向折射率的测量。本发明提供的测量方法，可运用到各向异性宽带隙半导体光学薄膜中，测量精度高，解决了带边折射率无法准确测量的技术问题，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及真空紫外光学探测技术领域，更具体的，涉及一种各向异性半导体光学薄膜轴向折射率的测量方法。
背景技术
折射率与消光系数是一组至关重要又紧密联系的光学常数，对发光二极管的出光效率、太阳能电池的光电转换效率以及光电探测器的量子效率都具有显著地影响。因此，一直以来光学常数的准确测量在光电领域都占据了重要的地位。理论上，折射率等光学常数可以通过克拉默-克朗尼格变换关系得到，其不依赖于具体的物理模型，纯粹运用数学方法推导出光学常数之间的函数关系和内在联系。另一方面，在实验上，通常通过固定入射角的椭圆光谱方法来测量各向同性的薄膜与块体材料的光轴折射率等光学常数，这极大地限制了椭偏仪的测量范围。Shokhovets等人报道了AlN和GaN等各向异性光学薄膜在透明波段的寻常光和非寻常光折射率。然而，由于其大的晶格场劈裂，AlN这类六方纤锌矿结构的离子化合物半导体在带边附近具有强各向异性吸收特性，使其在带边附近的光学常数难以被测准。
最近，随着理论以及工艺的进步，变角度椭圆光谱仪也常被用来测量光学晶体的带边折射率。Kang等人测得了外延的AlN薄膜在带边附近的寻常光和非寻常光折射率。然而，椭圆光谱仪对各向异性薄膜折射率的精确测量仍是不完备的，整个测试过程步骤繁琐，实验数据冗杂，并且对样品厚度具有严格的限制。
发明内容
本发明为克服现有的椭圆光谱仪对各向异性薄膜折射率测量方法存在测量精度不高的技术缺陷，提供一种各向异性半导体光学薄膜轴向折射率的测量方法。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种各向异性半导体光学薄膜轴向折射率的测量方法，包括以下步骤：
S1：利用激光对各向异性半导体光学薄膜进行照射，收集半导体光学薄膜向外发射的荧光，测量半导体光学薄膜的荧光光谱；
S2：从半导体光学薄膜荧光光谱的带边非周期振荡发射光谱中提取干涉加强或减弱的波长数值；
S3：根据薄膜厚度、折射率以及波长的相干叠加关系，计算半导体光学薄膜的轴向折射率随波长变化的关系，即单边色散关系，完成各向异性半导体光学薄膜轴向折射率的测量。
上述方案中，通过从半导体光学薄膜的荧光光谱的带边非周期振荡发射光谱中提取干涉加强或减弱的波长数值，并根据薄膜厚度、折射率以及波长之间的相干叠加公式，计算得到半导体光学薄膜的轴向折射率随波长变化的关系，即单边色散关系，完成各向异性半导体光学薄膜轴向折射率的测量。
其中，在所述步骤S1中，采用激光通过深紫外镜头垂直于异性半导体光学薄膜表面入射，异性半导体光学薄膜受到脉冲激光辐照后向外发射荧光，辐射的荧光通过背散射光路进行收集。
其中，在所述步骤S1中，所述的激光采用193nm脉冲激光；所述的深紫外镜头采用15倍深紫外镜头。
其中，在所述步骤S1中，采用改造的雷尼绍光谱仪根据收集到的荧光，测量不同厚度的半导体光学薄膜的荧光光谱。
其中，在所述步骤S2中，由于不同薄膜材料的性质不同，测量的薄膜对象的厚度以能否产生非周期振荡现象为界限。
其中，所述步骤S2具体包括以下步骤：
S21：从荧光光谱中观察到带边非周期振荡发射现象，即观察到荧光发射峰，得到带边非周期振荡发射光谱；其中，半导体光学薄膜具有多个非周期荧光发射峰，因此，半导体光学薄膜存在非周期振荡现象，说明半导体光学薄膜在带边附近的消光系数会增加，其折射率存在色散；
S22：根据带边非周期振荡发射光谱，提取干涉加强或减弱的波长数值。
上述方案中，在一定厚度各向异性宽带隙半导体光学薄膜的荧光光谱中可以观察到非周期振荡发射现象。
其中，所述步骤S3具体为：所述相干叠加关系表示为：
式中，
为相位差，n为半导体光学薄膜的折射率，d为半导体光学薄膜的厚度，λ为荧光的波长，m为整数；当相位差
等于π的偶数倍时，两束光满足相干加强条件；当相位差
等于π的奇数倍时，两束光满足相干相消条件；根据克拉默-克朗尼格变换关系，半导体光学薄膜的折射率在带边会显著变换，使得荧光发射峰之间的间隔不同，因此，通过根据荧光发射峰之间的不同间隔获取半导体光学薄膜在带边附近的折射率关于波长的函数关系，计算得到对应波长下的折射率。
其中，所述半导体光学薄膜的各向异性宽带隙在常温下大于2.0eV。
上述方案中，在远离带边处，通过非周期振荡荧光光谱测得的折射率与椭圆光谱仪测得的折射率吻合较好；而在靠近带边附近，通过非周期振荡荧光光谱测得的折射率精确度明显高于通过椭圆光谱仪测得的折射率精确度。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明提供的一种各向异性半导体光学薄膜轴向折射率的测量方法，通过从半导体光学薄膜的荧光光谱的带边非周期振荡发射光谱中提取干涉加强或减弱的波长数值，并根据薄膜厚度、折射率以及波长之间的相干叠加公式，计算得到半导体光学薄膜的轴向折射率随波长变化的关系，完成各向异性半导体光学薄膜轴向折射率的测量，该测量方法可运用到各向异性宽带隙半导体光学薄膜中，测量精度高，解决了带边折射率无法准确测量的技术问题，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明所述方法步骤流程图；
图2为现有的椭圆光谱仪测试过程示意图；
图3为不同厚度的AIN薄膜的荧光光谱图；
图4为AIN薄膜上表面的双光束干涉示意图；
图5为非周期振荡光谱和椭圆仪分别测得的折射率曲线图；
图6为根据图5中折射率拟合的非周期振荡荧光光谱图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
如图1所示，一种各向异性半导体光学薄膜轴向折射率的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：利用激光对各向异性半导体光学薄膜进行照射，收集半导体光学薄膜向外发射的荧光，测量半导体光学薄膜的荧光光谱；
S2：从半导体光学薄膜荧光光谱的带边非周期振荡发射光谱中提取干涉加强或减弱的波长数值；
S3：根据薄膜厚度、折射率以及波长的相干叠加关系，计算半导体光学薄膜的轴向折射率随波长变化的关系，即单边色散关系，完成各向异性半导体光学薄膜轴向折射率的测量。
在具体实施过程中，通过从半导体光学薄膜的荧光光谱的带边非周期振荡发射光谱中提取干涉加强或减弱的波长数值，并根据薄膜厚度、折射率以及波长之间的相干叠加公式，计算得到半导体光学薄膜的轴向折射率随波长变化的关系，即单边色散关系，完成各向异性半导体光学薄膜轴向折射率的测量。
更具体的，在所述步骤S1中，采用激光通过深紫外镜头垂直于异性半导体光学薄膜表面入射，异性半导体光学薄膜受到脉冲激光辐照后向外发射荧光，辐射的荧光通过背散射光路进行收集。
更具体的，在所述步骤S1中，所述的激光采用193nm脉冲激光；所述的深紫外镜头采用15倍深紫外镜头。
更具体的，在所述步骤S1中，采用改造的雷尼绍光谱仪根据收集到的荧光，测量不同厚度的半导体光学薄膜的荧光光谱。
更具体的，在所述步骤S2中，由于不同薄膜材料的性质不同，测量的薄膜对象的厚度以能否产生非周期振荡现象为界限。
更具体的，所述步骤S2具体包括以下步骤：
S21：从荧光光谱中观察到带边非周期振荡发射现象，即观察到荧光发射峰，得到带边非周期振荡发射光谱；其中，半导体光学薄膜具有多个非周期荧光发射峰，因此，半导体光学薄膜存在非周期振荡现象，说明半导体光学薄膜在带边附近的消光系数会增加，其折射率存在色散；
S22：根据带边非周期振荡发射光谱，提取干涉加强或减弱的波长数值。
在具体实施过程中，在一定厚度各向异性宽带隙半导体光学薄膜的荧光光谱中可以观察到非周期振荡发射现象。
更具体的，所述步骤S3具体为：所述相干叠加关系表示为：
式中，
为相位差，n为半导体光学薄膜的折射率，d为半导体光学薄膜的厚度，λ为荧光的波长，m为整数；当相位差
等于π的偶数倍时，两束光满足相干加强条件；当相位差
等于π的奇数倍时，两束光满足相干相消条件；根据克拉默-克朗尼格变换关系，半导体光学薄膜的折射率在带边会显著变换，使得荧光发射峰之间的间隔不同，因此，通过荧光发射峰之间的不同间隔获取半导体光学薄膜在带边附近的折射率关于波长的函数关系，计算得到对应波长下的折射率。
更具体的，所述半导体光学薄膜的各向异性宽带隙在常温下大于2.0eV。
在具体实施过程中，在远离带边处，通过非周期振荡荧光光谱测得的折射率与椭圆光谱仪测得的折射率吻合较好；而在靠近带边附近，通过非周期振荡荧光光谱测得的折射率精确度明显高于通过椭圆光谱仪测得的折射率精确度。
实施例2
在实施例1的基础上，选用六方氮化铝(AIN)为例，对其进行折射率的测量。如图2所示，图2为椭圆光谱仪测量折射率的原理图，当入射光倾斜入射到样品表面，测得的折射率通常是“表观折射率”n′，是一个关于x轴折射率(nx)，y轴折射率(ny)和z轴折射率(nz)的函数(n′＝f(nx,ny,nz))。对于各向同性半导体光学薄膜，比如Si和金刚石，“表观折射率”等价于晶轴折射率，即n′＝nx＝ny＝nz。为了获得各向异性薄膜的晶轴折射率，需要测量不同入射角(偏离布鲁斯特角)情况下平行于入射面的反射光(o光)和垂直于入射面的反射光(s光)的偏振状态变化。但是，各向异性半导体光学薄膜的厚度会显著响测量的精度，如图6所示，图6实线部分为利用变角度椭圆光谱仪对1500nm的AlN薄膜测得的寻常光折射率。
更具体的，提出一种各向异性半导体光学薄膜轴向折射率的测量方法，具体工作步骤如下：
首先，在基片上生长不同厚度的AlN薄膜(AlN薄膜的薄厚分界线大概为500 nm)，生长面为c面。使用扫描电子显微镜，测量出AlN薄膜的厚度分别约为100 nm和1500 nm。接着，使用改造的雷尼绍光谱仪(inVia Reflex)来测量不同厚度AlN的深紫外荧光光谱，外加的193 nm脉冲激光通过15倍深紫外镜头垂直于AlN样品表面入射。AlN薄膜受到脉冲激光辐照后向外发射荧光，辐射的荧光通过背散射光路被收集。
在具体实施过程中，如图3所示，图3(a)为厚度为100 nm的AlN薄膜的深紫外荧光光谱，谱图中只观察到一个207 nm附近的荧光发射峰；图3(b)是厚度约为1500 nm的AlN薄膜的深紫外荧光光谱，图中可观测到10个荧光发射峰，这些峰没有固定的周期。因此，采用光的叠加原理来解释该现象，具体为：
其中
为相位差，n为AlN薄膜的折射率，d为AlN薄膜的厚度，λ为荧光的波长，m为整数。当相位差
等于π的偶数倍时，两束光满足相干加强条件；当相位差
等于π的奇数倍时，两束光满足相干相消条件。因此，对于较薄的AlN薄膜，其荧光光谱只有一个荧光发射峰被观察到，由于其远小于AlN带边发射峰波长的薄膜厚度无法满足光的干涉叠加条件；而对于较厚的AlN薄膜，在其荧光光谱中可以观察到很多震荡发射峰。
在具体实施过程中，在图3(b)中，1500 nm厚的AlN样品的震荡发射峰呈现非周期特性，而不是具有固定的荧光发射周期，这是源于AlN的折射率在带边附近显著增加。如图4所示，如果AlN在带边附件的折射率没有色散，那么在其荧光光谱中观察到的荧光发射峰应具有特定的周期。毫无疑问，AlN是一种直接带隙半导体，在其带边附近，其消光系数会显著增加。根据克拉默-克朗尼格变换关系，AlN的折射率在带边也会发生显著的变化，使得荧光发射峰之间的间隔不同。反之，可以根据荧光发射峰之间的周期来获得AlN在带边附近的折射率关于波长的函数关系，更准确的，beam 1和beam 2之间的相位差与折射率成正比关系，并与波长成反比。
更具体的，从AlN的非周期振荡荧光光谱，可以直接得到干涉加强或减弱处的波长，然后根据相位差和折射率之间的关系，可以直接得到该波长处的折射率，如图6所示。
在具体实施过程中，随着波长逐渐向带边靠近，AlN的折射率会以指数函数的形式增加，这与猜测是一致的。然后根据得到的折射率，对非周期振荡荧光光谱进行了拟合。图5中实线表示在不考虑自吸收情况下拟合的非周期振荡荧光光谱，这表明测量各向异性光学晶体的震荡荧光光谱也是一种测量折射率的方法。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种各向异性半导体光学薄膜轴向折射率的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：利用激光对各向异性半导体光学薄膜进行照射，收集半导体光学薄膜向外发射的荧光，测量半导体光学薄膜的荧光光谱；
S2：从半导体光学薄膜荧光光谱的带边非周期振荡发射光谱中提取干涉加强或减弱的波长数值；
S3：根据薄膜厚度、折射率以及波长的相干叠加关系，计算半导体光学薄膜的轴向折射率随波长变化的关系，即单边色散关系，完成各向异性半导体光学薄膜轴向折射率的测量。
2.根据权利要求1所述的一种各向异性半导体光学薄膜轴向折射率的测量方法，其特征在于，在所述步骤S1中，采用激光通过深紫外镜头垂直于异性半导体光学薄膜表面入射，异性半导体光学薄膜受到脉冲激光辐照后向外发射荧光，辐射的荧光通过背散射光路进行收集。
3.根据权利要求2所述的一种各向异性半导体光学薄膜轴向折射率的测量方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述的激光采用193nm脉冲激光；所述的深紫外镜头采用15倍深紫外镜头。
4.根据权利要求2所述的一种各向异性半导体光学薄膜轴向折射率的测量方法，其特征在于，在所述步骤S1中，采用改造的雷尼绍光谱仪根据收集到的荧光，测量不同厚度的半导体光学薄膜的荧光光谱。
5.根据权利要求4所述的一种各向异性半导体光学薄膜轴向折射率的测量方法，其特征在于，在所述步骤S2中，由于不同薄膜材料的性质不同，测量的薄膜对象的厚度以能否产生非周期振荡现象为界限。
6.根据权利要求4所述的一种各向异性半导体光学薄膜轴向折射率的测量方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括以下步骤：
S21：从荧光光谱中观察到带边非周期振荡发射现象，即观察到荧光发射峰，得到带边非周期振荡发射光谱；其中，半导体光学薄膜具有多个非周期荧光发射峰，因此，半导体光学薄膜存在非周期振荡现象，说明半导体光学薄膜在带边附近的消光系数会增加，其折射率存在色散；
S22：根据带边非周期振荡发射光谱，提取干涉加强或减弱的波长数值。
7.根据权利要求6所述的一种各向异性半导体光学薄膜轴向折射率的测量方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：所述相干叠加关系表示为：
式中，
为相位差，n为半导体光学薄膜的折射率，d为半导体光学薄膜的厚度，λ为荧光的波长，m为整数；当相位差
等于π的偶数倍时，两束光满足相干加强条件；当相位差
等于π的奇数倍时，两束光满足相干相消条件；根据克拉默-克朗尼格变换关系，半导体光学薄膜的折射率在带边会显著变换，使得荧光发射峰之间的间隔不同，因此，通过荧光发射峰之间的不同间隔获取半导体光学薄膜在带边附近的折射率关于波长的函数关系，计算得到对应波长下的折射率。
8.根据权利要求1～7任一项所述的一种各向异性半导体光学薄膜轴向折射率的测量方法，其特征在于，所述半导体光学薄膜的各向异性宽带隙在常温下大于2.0eV。
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2019
- 2019-12-18 CN CN201911306489.4A patent/CN111044490B/zh active Active
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| CN111044490B (zh) | 2022-06-03 |
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