專利名稱:砷化鎵/鋁鎵砷紅外量子阱材料峰值響應波長的檢測方法
技術領域:
本發明涉及紅外量子阱材料的檢測技術,特別涉及一種砷化鎵/鋁鎵砷紅外量子阱材料 峰值響應波長的檢測方法。
(二)
背景技術:
量子阱紅外探測器是上世紀八十年代出現的新型紅外探測器,被廣泛的用于國防、工業 和醫療等領域,量子阱紅外探測器的峰值響應波長是器件設計中應首先考慮的一個重要參
數。而量子阱紅外探測器的響應波長取決于砷化鎵/鋁鎵砷(GaAS/Al。,,Ga(,7AS)量子阱材料 結構參數。在結構參數設計中,通過調節阱寬、壘寬以及AlGaAs中Al組分含量等參數,使 量子阱子帶輸運的激發態被設計在阱內(束縛態)、阱外(連續態)或者在勢壘的邊緣或者稍低 于勢壘頂(準束縛態),以便滿足不同的探測器件的需要,獲得最優化的探測靈敏度。因此.量 子阱材料結構設計又稱為"能帶工程"。按設計要求生長出的多量子阱材料是否能制出預計 響應波長的紅外探測器, 一般通過兩種方法進行檢測。第一種方法是將生成的材料制成紅外 器件,然后迸行光電流譜的測試,得到器件的峰值響應波長,據此判斷是否與理論設計一致。 而器件制備需要采用有關器件工藝,經過一定時間才能完成,這樣既消耗原材料,又浪費時 間,極不經濟實用;第二種方法是將生成材料樣品的側面進行切割并拋光處理形成與表面為 45度的斜角,利用紅外吸收測量可判斷響應峰值波長,但處理樣品的過程是相當繁瑣復雜 的,且造成材料的損壞和消耗浪費。
拉曼散射的應用涉及許多學科領域,例如物理學,化學,材料科學等。它可以用于研 究固體的元激發,包括極化聲子,激子,磁振子,朗道能級等;研究薄膜小顆粒,薄膜,超 晶格系統振動特性的尺寸效應,界面效應,應力效應,聲子限制效應,介電限域效應,量子 效應等;研究半導體鍵角,無序性,應變,應力效應,量子點,量子線以及應變層超晶格可 靠性等。在研究砷化鎵/鋁鎵砷紅外量子阱材料時通常是利用拉曼散射來反映材料的晶格振 動情況,而拉曼散射的應用從來就未涉及到紅外量子阱材料的峰值響應波長。
(三)
發明內容
為克服現有技術的缺陷,解決傳統方法在測量過程中所遇到的困難,本發明利用拉曼散 射光譜方法研究量子阱紅外材料子帶間躍遷,提出一種砷化鎵/鋁鎵砷紅外量子阱材料峰值 響應波長的檢測方法。
一種砷化鎵/鋁鎵砷紅外量子阱材料峰值響應波長的檢測方法,歩驟如下
a. 把砷化鎵/鋁鎵砷紅外多量子阱材料切割成矩形樣品;
b. 將材料樣品用固定夾固定,放置在拉曼光譜儀的樣品測試臺上;
c. 打開拉曼光譜儀的電源開關,將拉曼光譜儀的激光器作為激發光源,選擇波長為782rnn 的激光,調整入射激光光束使其聚焦成直徑為l陶的光斑,將其匯集并照射在材料樣品上; 材料樣品測試面放置應選擇使量子阱層面平行于入射光束照射方向,在室溫下采用背散射 (即散射角180°)方式進行測試;
d. 材料樣品測試面的散射光線經透鏡的匯聚返回拉曼光譜儀中,拉曼光譜儀中CCD探測
器接收到光信號,經拉曼光譜儀中的計算機對光信號進行數據處理,得到材料的拉曼散射光 譜e.把拉曼散射光譜圖中最強峰對應的拉曼頻移A巧帶入關系式、=1中可換算成波
長,該波長即為紅外量子阱材料峰值響應波長。
本發明材料的量子阱結構為摻Si的砷化鎵(GaAs)和鋁鎵砷(Al。.3Ga。.7As)按設計要求 交替生長出的薄層結構,多量子阱結構為砷化鎵/鋁鎵砷(GaAS/Al(,,Ga(,7AS)薄層結構的周 期性重復。
拉曼譜圖的最強峰對應的頻移A巧與材料峰值響應波長A,'之間的關系為義。=-.-、--,因
p A巧
此本發明方法可通過對譜圖的分析,利用最強峰對應的頻移A巧,通過上述公式求得材料的 峰值響應波長入p 。
本發明方法的工作過程如下
拉曼光譜儀的激光束通過準直擴束后經由拉曼光譜儀的顯微鏡輸出,并由透鏡聚焦于樣 品表面,樣品表面的散射光通過透鏡的匯聚返回拉曼光譜儀中,經過拉曼光譜儀中的瑞利濾
光片和光柵分光系統最后匯聚到CCD探測器上,計算機分析處理探測器采集的數據得到樣品 的拉曼光譜圖,依據拉曼光譜圖可得到材料的峰值響應波長。
利用本發明方法所測得被測材料的拉曼散射光譜,得到材料的峰值響應波長,與同一材 料制作的紅外探測器光電流譜所測得波長比較,精度相當。
本發明方法不僅適用于GaAs /Al .3Ga。.7As量子阱紅外材料,也可用于其他紅外量子阱 材料峰值響應波長的檢測,如HgTe-CdTe超晶格材料等。
本發明方法的優點是對材料峰值響應波長的檢測即不用制作成器件,也不用切割并拋 光處理材料表面,從而節約了時間,減少了勞動成本,省時省力;樣品的處理過程相當簡單, 避免了繁瑣復雜的處理過程;且不易造成材料的損壞和消耗浪費。
(四)
圖1是本發明方法的測試光路示意圖,圖2是本發明材料樣品的量子阱結構示意圖, 圖3是本發明拉曼散射光譜圖,圖4是探測器響應峰值波長對應的電子躍遷示意圖。
其中1.材料樣品,2.顯微鏡,3.瑞利濾光片,4.光柵,5. CCD探測器,6.擴束器 7. 激光器,8.砷化鎵(GaAs)襯底,9.鋁鎵砷(Al .3Ga。.7As)薄層,10.砷化鎵(GaAs)薄層,11. 透鏡
具體實施方式
實施例
本發明實施例如圖1和圖2所示,所測砷化鎵/鋁鎵砷紅外多量子阱材料的砷化鎵襯底8 上生長:Um厚慘Si (n=2X1018cm—3)的砷化鎵(GaAs)接觸層,然后,在此基礎上生長50 個周期的GaAs /Al .:iGa(1.7As量子阱,其中砷化鎵(GaAs)薄層10阱寬4, 8nra.,摻Si濃度 n=l X 10lscm—、鋁鎵砷(Al,).:(Ga .7As)薄層9壘寬為10nm 。最后生長O. 5um的GaAs接觸 層(摻Si,濃度為n=2X1018cm—:')。
砷化鎵/鋁鎵砷紅外量子阱材料峰值響應波長的檢測方法,步驟如下
a. 把砷化鎵/鋁鎵砷紅外多量子阱材料切割成矩形材料樣品1;
b. 將材料樣品1用固定夾同定,放置在拉曼光譜儀的樣品測試臺上;
C.打開拉曼光譜儀的電源開關,將拉曼光譜儀的激光器7作為激發光源,選擇波長為 782nm的激光,調整入射激光光束使其聚焦成直徑為lWn,該激光光束經由拉曼光譜儀內的 擴束器6和濾光片3,由拉曼光譜儀的顯微鏡2輸出,將其匯集并照射在材料樣品1 h:材 料樣品1測試面放置應選擇使量了阱層面平行于出射光束照射方向(如圖1中虛線橢圓所括 的放大圖所示),在室溫下(300K)采用背散射(即散射角180")方式進行測試;
d. 材料樣品1測試面的散射光線經透鏡11的匯聚返回拉曼光譜儀中,拉曼光譜儀中CCD 探測器5接收到光信號,經拉曼光譜儀中的計算機對光信號進行數據處理,得到材料的拉曼 散射光譜e. 把拉曼散射光譜圖中最強峰對應的拉曼頻移A^帶入關系式義。=1中可換算成波
長,該波長即為紅外量子阱材料峰植響應波長。
本實施例測試過程中所用拉曼光譜儀是英國Renishaw公司生產的RM2000型共聚焦顯微 拉曼光譜儀,該光譜儀的分辨率為2cnT1,半導體激光器7的功率是25mW。
本實施例所測材料樣品1的拉曼散射光譜如圖3所示,圖中縱坐標代表材料的光譜響應
強度,橫坐標代表拉曼頻移,所測曲線的最強峰值處對應橫坐標為Ag=1171. 2cm—'。
根據材料量子阱結構的阱寬,壘寬和阱深等參數可計算得到量子阱中的基態能級的能量 R。和阱口的第」激發態能級的能量E,,由于GaAs/Al(uGa。.7As量子阱紅外材料的峰值響應波 長對應量子阱中基態電子向第一激發態躍遷,如圖4所示,峰值響應波長可通過公式 、=Ac/(^7。-£。)計算得到(〃。是阱深),這也是材料峰值響應波長的理論計算值。由此
可知實施例中材料的峰值響應波長的理論計算值為
、—£。) = Ac/(227 —78) =8.33, (he為常數)。
譜圖中的最強峰對應的拉曼頻移A巧二l] 71. 2cm—1換算成波長為
義 = =——^——=8.53萍, pAS 1171.2
通過比較發現材料的峰值響應波長的理論計算值和譜圖中最強峰的拉曼頻移對應的波長值
符合得非常好,這說明了本發明方法得到的拉曼譜閣的最強處峰值對應GaAs /Al。.3Ga .7As量 子阱紅外材料的峰值響應。利用本發明的方法,通過GaAs /Ala:fGa。.7As量子阱紅外材料的 拉曼光譜即可獲得材料峰值響應波長。
權利要求
1.一種砷化鎵/鋁鎵砷紅外量子阱材料峰值響應波長的檢測方法,步驟如下a.把砷化鎵/鋁鎵砷紅外多量子阱材料切割成矩形樣品;b.將材料樣品用固定夾固定,放置在拉曼光譜儀的樣品測試臺上;c.打開拉曼光譜儀的電源開關,將拉曼光譜儀的激光器作為激發光源,選擇波長為782nm的激光,調整入射激光光束使其聚焦成直徑為1μm,該激光光束經由拉曼光譜儀內的擴束器和濾光片,由拉曼光譜儀的顯微鏡輸出,將其匯集并照射在材料樣品上;材料樣品測試面放置應選擇使量子阱層面平行于出射光束照射方向,在室溫下采用背散射方式進行測試;d.材料樣品測試面的散射光線經透鏡的匯聚返回拉曼光譜儀中,拉曼光譜儀中CCD探測器接收到光信號,經拉曼光譜儀中的計算機對光信號進行數據處理,得到材料的拉曼散射光譜圖;e.把拉曼散射光譜圖中最強峰對應的拉曼頻移帶入關系式<math-cwu><![CDATA[<math> <mrow><msub> <mi>λ</mi> <mi>p</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mn>1</mn> <mrow><mi>Δ</mi><msub> <mover><mi>v</mi><mo>~</mo> </mover> <mn>1</mn></msub> </mrow></mfrac> </mrow></math>]]></math-cwu><!--img id="icf0002" file="S2007101161227C00012.gif" wi="70" he="42" img-content="drawing" img-format="tif"/-->中可換算成波長,該波長即為紅外量子阱材料峰值響應波長。
全文摘要
一種砷化鎵/鋁鎵砷紅外量子阱材料峰值響應波長的檢測方法。利用拉曼光譜儀對紅外量子阱材料進行背散射測試,得到材料的拉曼散射光譜圖;把測得的最強峰值拉曼頻移Δv<sub>1</sub>換算成波長,即為該紅外量子阱材料的峰值響應波長。本發明方法的優點是省時省力;樣品的處理過程簡單,避免了繁瑣復雜的處理過程;且不易造成材料的損壞和消耗浪費。
文檔編號G01N21/63GK101201324SQ20071011612
公開日2008年6月18日 申請日期2007年12月7日 優先權日2007年12月7日
發明者王青圃, 程興奎, 潔 連 申請人:山東大學