CN1360206A - 吸收归一化光致发光激发光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光学仪器,是一种光致发光激发光谱仪。该光谱仪由连续光谱点光源、激发单色仪、宽光谱带低反射分束镜、样品架、光电转换探测器、样品发光收集透镜和发光色散单色仪等元件组成,可以实现一种新的激发光谱—吸收归一化光致发光激发光谱(ANPLES光谱)测量。这种光谱直接反映被激发能级到被探测发光的初始能级的能量转移效率,是一种直接实验测量发光初始态能级的有力工具。非掺杂GaN薄模的黄光发射的实验结果表明了本方案的优异的效果。ANPLES光谱仪还具有吸收/透射光谱仪和发光光谱仪的功能,可以替代这两种传统的光谱仪。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学仪器，是一种光致发光激发光谱仪。
技术背景
光谱表征技术是研究半导体发光性质和生长质量的重要的非接触、非破坏性方法。因为半导体生长质量的好坏直接反映在发光谱中。例如、完美的纯单晶半导体，其发射光谱中应只有带间发射。相反，如半导体中存在缺陷和杂质，其发射光谱中除了带间发射以外，通常还会有与杂质和缺陷有关的发射。如果杂质和缺陷是非人为制造的，那么，就需要改进生长工艺，消除这些非人为缺陷和杂质。而改进工艺的前提是要弄清这些杂质和缺陷的类型，进而弄清它们的起源。直接实验测量杂质和缺陷能级的位置是判断杂质和缺陷类型的前提。然而，至今还没有非常有效的非接触、非破坏型光学光谱方法能直接测量半导体中杂质和缺陷的能级。目前商品化的荧光光谱仪所提供的光致发光激发光谱，在某些简单情况下能够直接显示出杂质和缺陷能级的位置。然而，在大多数情况下显示不出缺陷和杂质能级位置，因为光致发光激发光谱对弱吸收能级不灵敏。而半导体的杂质和缺陷能级正是弱吸收能级，因为杂质和缺陷的浓度远低于构成半导体的原子的密度。光致发光激发光谱对弱吸收能级不灵敏的原因分析如下。
设激发样品的单色光强度为I0(λ)(λ为激发光波长)，样品发出的荧光被透镜收集、并聚焦到色散光谱仪的输入狭缝上，然后进入色散光谱仪、并被色散，在色散光谱仪的出射狭缝处获得单色荧光强度为EI(λ0，λ)(λ0为出射狭缝处探测光波长)。激发光谱定义为：
ES(λ，λ0)＝EI(λ0，λ)/I0(λ) (1)理论分析表明上式可简化为：
ES(λ，λ0)∝ A(λ)η(λ，λ0) (2)式中A(λ)为样品的吸收率谱，η(λ，λ0)为被激发能级到被探测发光的初始能级的能量转移效率谱。这表明我们习惯上讲的激发效率实际上正比于A(λ)与η(λ，λ0)的乘积。当吸收A(λ)很弱时，即使η(λ，λ0)＝1，在激发谱中通常也显示不出激发峰。这就是传统激发谱对弱吸收能级不灵敏的原因。此外，由于激发光谱反映的是A(λ)与η(λ，λ0)的乘积，所以，激发光谱的分布形式和解释有时也较复杂和困难。
发明内容
本发明的目的是要研制一种新的光致发光激发光谱仪，消除样品吸收谱对激发光谱的影响，实现对发光有贡献的任何能级的灵敏探测；同时，还提供传统的各种光谱测量，做到一机多用。
本发明的吸收归一化光致发光激发光谱仪(简称ANPLES光谱仪)包含有激发单色仪、光电转换探测器、连续光谱点光源、样品架、样品发光收集透镜、旋转椭球面反射镜、分束镜和发光色散单色仪；连续光谱点光源位于旋转椭球面反射镜内的焦点上，激发单色仪的宽度可调输入狭缝位于旋转椭球面反射镜的另一焦点处，与连续光谱点光源互为物象共轭关系；经激发单色仪的输出狭缝输出的单色光由透镜准直为平行光束或聚焦到样品上；分束镜位于此透镜与样品架之间；一光电转换探测器于分束镜的反射光路上，测量其光强，记为I1(λ)；另一光电转换探测器置于经样品透射的光路上，测量透射光强，记为It(λ)；第三光电转换探测器在经样品反射的光路上，测量反射光强，记为Ir(λ)；样品发光收集透镜置于样品与发光色散单色仪的输入狭缝之间；第四光电转换探测器置于发光色散单色仪的输出狭缝后，测量样品的单色发光强度，记为EI(λ，λ0)；所有的光电转换探测器通过A/D连接计算机。当计算机控制单色仪扫描输出波长λ，同时控制四路A/D转换器分别同时采样四个探测器的输出电信号时，就同时测量获得了四路光谱强度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)]即可获得吸收归一化光致发光激发光谱。公式中I0(λ)为分束镜的透射光的光强，其值为I0(λ)＝I1(λ)Bt(λ)/Br(λ)，其中Bt(λ)和Br(λ)分别是分束镜的透射光谱和反射光谱。有关吸收归一化光致发光激发光谱的理论推导如下：
方程(2)表明，传统的光致发光激发光谱对弱吸收能级不灵敏的原因在于样品的弱吸收率A(λ)对激发谱的抑制。为此，我们提出一种新的激发光谱—吸收归一化光致发光激发光谱，简称为ANPLES光谱。这种新光谱扣除了样品吸收率对激发谱的影响，被定义为：
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光谱中，样品的吸收率谱不再影响激发光谱。ANPLES光谱中的激发效率将直接依赖于被激发能级对发光的初始能级的能量贡献，即能量转移效率η(λ，λ0)。这使得ANPLES光谱的物理意义非常明确，解谱很简单。ANPLES光谱中的最强激发峰位能量即为被探测发光的初始能级，因为η(λ，λ0)的最大值出现在被探测发光的初始能级被直接共振激发时。
组合方程(1)和方程(3)，吸收归一化光致发光激发谱可表示为：ANES(λ，λ0)＝EI(λ，λ0)/I0(λ)/A(λ)。这表明要实现ANPLES的实验测量，需要同时测量单色发光强度EI(λ，λ0)、单色激发光强I0(λ)和样品的吸收率谱A(λ)。然而，吸收率谱A(λ)难于直接实验测量。但是，它与样品的反射率谱R(λ)和透射率谱T(λ)之间存在关系：A(λ)＝1-T(λ)-R(λ)。所以，ANPLES光谱可表示为：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光谱最终可表示为：
ANES(λ，λ0)＝EI(λ，λ0)/I0(λ)/[1-T(λ)-R(λ)]＝EI(λ，λ0)/[I0(λ)-It(λ)-Ir(λ)] (5)
本发明的有益效果通过一个实验结果来说明。非掺杂GaN薄膜总是存在黄色发光，中心波长在550nm左右。这表明GaN薄膜的的结晶质量是不完美的，存在杂质或缺陷，因为室温下GaN的带间发射波长应在362nm左右。对黄色发光的机理和起源研究至今已长达20余年，通过各种传统的光谱方法、光谱温度依赖实验、光谱激发强度依赖实验、光谱压力依赖实验和光学探测磁共振实验等研究，确定黄色发光的机理为施主--受主复合发射。然而，对施主、受主的能级位置至今仍有争议。目前仍有两种发光模型之争：浅施主---深受主复合和深施主---浅受主复合模型。出现这种争论的根本原因在于这些光谱方法不能直接实验测量发光的初始态能级或末态能级，而只能根据实验数据，在某些假设下，推测发光的初始能级位置。例如D M Hofmann和E R Glaser都使用发射光谱、激发光谱和光学探测磁共振研究了非掺杂GaN薄膜的黄色发光，但由于使用不同的判别标准，结果却分别支持上述两种不同的发光模型。由于黄色发光的初始能级是由杂质或缺陷引起的，它的吸收率低，所以，对应的共振激发峰在传统的激发光谱中被抑制掉。然而，本项目提出的ANPLES光谱不受吸收的影响，因此，对应黄色发光的初始态能级的共振激发峰将突显在ANPLES光谱中。
我们使用本发明的吸收归一化光致发光激发光谱仪测量了非掺杂GaN薄膜的ANPLES光谱。在2.25eV(λ0＝550nm)处探测的结果如图2中曲线a所示，曲线b为用Hitach F-4500荧光光谱仪测量的传统发光激发谱，图中插图为黄色发光谱。显然，在ANPLES光谱中3.377eV处显示出一个强的激发峰。根据ANPLES光谱的原理，此峰位的能量即为黄色发光的初始态能级。根据已报道的室温下GaN的带隙能量Eg(300K)＝3.412eV，可计算得引起黄光发射的初始态的杂质或缺陷的束缚能为3.412-3.377＝35meV。这样小的束缚能杂质或缺陷显然为浅施主型。因此，我们的直接实验测量结果确定黄光发射为浅施主--深受主复合发光，解决了非掺杂GaN薄膜的黄光发射模型的长期争论。此实验结果表明了本发明的优异的有益效果。
本发明提出的吸收归一化光致发光激发光谱仪除了具有实验获取上述优异的ANPLES光谱外，还具有传统的吸收/透射光谱仪和荧光光谱仪的功能。也能够实验测量样品的吸收谱、透射谱、反射谱和发光的发射谱、传统的激发谱。因为在吸收归一化光致发光激发光谱仪中，四路信号(激发I0(λ)、发光EI(λ，λ0)、透射It(λ)和反射Ir(λ))同时被获取，它们的不同组合即可给出不同的光谱。1.反射光谱测量功能
样品反射率谱可表示为：
R(λ)＝Ir(λ)/I0(λ) (6)2.透射光谱测量功能
样品透射率谱可表示为：
T(λ)＝It(λ)/I0(λ) (7)3.吸收光谱测量功能
样品吸收率谱可表示为：
A(λ)＝1-R(λ)-T(λ)＝[I0(λ)-Ir(λ)-It(λ)]/I0(λ) (8)
样品吸收系数谱可表示为：
α(λ)＝ln[(I0(λ)-Ir(λ))/It(λ)]/L (9)式中ln为自然对数，L为样品厚度。
4.传统激发光谱测量功能
样品激发光谱可表示为：
ES(λ，λ0)＝EI(λ0，λ)/I0(λ) (10)
5.发射光谱测量功能
当固定激发波长λ，扫描发光色散单色仪21，使被探测发光波长λ0变化，并同时采样四路信号时，样品发射光谱可表示为：
EMS(λ，λ0)＝EI(λ0，λ)/I0(λ) (11)注意方程(11)和(10)式形式上一样，但意义是不同的。方程(10)中激发光波长λ变化，因此，I0(λ)是激发光的功率谱。而(11)式中λ是不变的，I0(λ)表示激发光强度随时间的波动，EI(λ0，λ)被I0(λ)除可以消除光源功率波动对发射光谱的影响。
综上所述，吸收归一化光致发光激发光谱仪实际上是一台多功能光谱仪。它不仅能测量ANPLES光谱，而且能代替传统的吸收/透射光谱仪和荧光光谱仪，提供吸收谱、透射谱、反射谱、发射谱和发光激发谱。
附图说明
图1为吸收归一化光致发光激发光谱仪结构示意图。
图2为非掺杂GaN薄膜的发射谱、传统激发光谱和吸收归一化光致发光激发光谱。
图1中，1为连续光谱点光源，可采用氙灯，位于旋转椭球面反射镜2内的焦点上；3为激发单色仪的宽度可调输入狭缝，位于旋转椭球面反射镜的另一焦点处，与1互为物象共轭关系；激发单色仪4色散来自1的连续光谱，并在激发单色仪的宽度可调输出狭缝5处输出单色光，用以激发样品；激发单色仪的结构与目前商品化的单色仪相同，由一块反射光栅和两个凹面反射镜组成，反射光栅位于步进电机控制的旋转平台上，由计算机控制选择输出波长；6为消球差石英透镜，用以准直或聚焦来自5的单色光到样品11上；7为分束镜，可采用宽光谱带低反射的分束镜，位于透镜6与样品11之间，来自6的单色光束以45度斜入射穿过7，7的反射光谱为Br(λ)，透射光谱为Bt(λ)；8为分束镜7的反射光束，其光谱强度记为I1(λ)；9为带光密封罩的光电转换探测器，在分束镜的反射光路上，接收反射光束8，转换I1(λ)为电信号；10为分束镜7的透射光束，用以激发样品，其光谱强度记为I0(λ)，数值上等于I0(λ)＝I1(λ)Bt(λ)/Br(λ)；11为被测试样品，放在样品架上，样品架可旋转，以使样品反射光束通过孔径光栏13，到达14；12为样品的反射光束，其光谱强度记为Ir(λ)；孔径光栏13让样品的反射光束12通过，而阻止其它杂散光；14为带光密封罩的光电转换探测器，在经样品后的反射光路上，接收样品的反射光束12，转换Ir(λ)为电信号；15为透过样品的光束，其光谱强度记为It(λ)；16为孔径光栏，让透过样品的光束15通过，而阻挡其它杂散光；17为带光密封罩的光电转换探测器，在经样品后的透射光路上，接收透过样品的光束15，并转换It(λ)为电信号；18为样品发光中被收集的部分；19为样品发光收集透镜，并聚焦发光到发光色散单色仪21的宽度可调输入狭缝20处，它与样品上的发光点对透镜19互为物象共轭；发光色散单色仪21用以色散样品的发光，其结构也与目前商品化的单色仪相同，输出波长选择也由计算机控制；22为发光色散单色仪21的宽度可调输出狭缝，波长为λ0的单色发光在此输出，记输出的单色发光强度为EI(λ，λ0)；23为带光密封罩的光电转换探测器，在可调输出狭缝22后，转换EI(λ，λ0)为电信号；24为连续光谱点光源***光密封罩；25为整台ANPLES光谱仪的光密封罩。上述所有光学元件固定在钢性基板上，如钢板或铝合金板。四个探测器9、14、17和23的电信号通过A/D转换器数字化，送入计算机保存。激发单色仪4和发光色散单色仪21的输出波长选择由计算机控制。整台光谱仪在计算机控制下全自动化工作。另外，旋转椭球面反射镜2可用透镜和凹面反射镜的组合代替，降低造价。
图中2中a标注光谱为ANPLES光谱，b标注光谱为传统的发光激发光谱，插图为黄色发光的发射光谱。
Claims (2)
1、一种吸收归一化光致发光激发光谱仪，其特征是该光谱仪包含有激发单色仪、光电转换探测器、连续光谱点光源、样品架、样品发光收集透镜、旋转椭球面反射镜、分束镜和发光色散单色仪；连续光谱点光源位于旋转椭球面反射镜内的焦点上，激发单色仪的宽度可调输入狭缝位于旋转椭球面反射镜的另一焦点处，与连续光谱点光源互为物象共轭；激发单色仪的输出狭缝后有准直或聚焦作用的透镜；分束镜位于此透镜与样品架之间；在分束镜的反射光路上有一测量反射光光强的光电转换探测器；在经样品后的透射光路上有测量透射光光强的光电转换探测器；另有光电转换探测器在经样品反射后的反射光路上；样品发光收集透镜置于样品与发光色散单色仪的输入狭缝之间；在发光色散单色仪的输出狭缝后有一测量发光单色强度的光电转换探测器；所有的光电转换探测器通过A/D连接计算机。
2、一种如权利要求1所述的吸收归一化光致发光激发光谱仪，其特征是旋转椭球面反射镜可采用透镜和凹球面反射镜的组合代替。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| AR01 | Abandonment of patent right to avoid double patenting |
According to article 9 of the patent law and article 13 of the detailed rules for the implementation of the patent law: 1130186.4 of the invention patents in this issue as a notice of authorization, and at the same time corresponding to the 2225087.5 utility model patent to be given up, and in the 19 volume of the 45 issue of the new type of communique on the patent right to abandon the announcement. |
|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C19 | Lapse of patent right due to non-payment of the annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |