专利名称：预测量子阱红外探测器响应波长的设备和方法
技术领域：
本发明涉及GaAs/AlGaAs量子阱材料，特别是一种预测关于由GaAs/AlGaAs量子阱材料形成的红外探测器红外响应波长的设备和方法，更确切地说是一种量子阱材料无需制备成器件、直接在相应材料的非接触式测量基础上精确预测其红外响应波长的设备和方法。
红外探测器的制备中首先需要根据其应用的具体要求确定其响应波长、响应率、探测率等基本特征参数，其中响应波长尤为重要。为此在对典型的红外探测器材料碲镉汞在器件制备前筛选时，首先是用红外吸收光谱方法确定其响应波长，但对GaAs/AlGaAs多量子阱红外探测器材料的红外响应波长确定就不象碲镉汞材料那样简单了，其原因在于适合于响应率与探测率好的材料需将量子阱中激发态的能级设计在势垒之上，从而导致基态向激发态跃迁的吸收系数很小，使实验上的探测有困难，另外由于这类探测器材料在正入射时无吸收，做吸收光谱实验时需要对样品进行特殊的光波道结构的加工，对材料形成破坏，导致被测过的样品难以再做器件。另一种简单的方法是直接采用材料生长过程中的设计参数来估计响应波长，但由于量子阱红外探测器响应波长对量子阱材料宽度的敏感度是在一个原子层量级，即便是当前人们可最精确地控制材料生长的分子束外延技术也难以保证有很好的稳定性，为此采用生长过程的设计参数估计红外响应波长会有较大的误差。目前对材料的波长特性筛选是通过制备一个单元器件，再测量其响应光谱来获得。鉴于器件制备工序较多，为测量响应光谱也还需完成封装、制冷与光谱测量等步骤，工作量较大。为此，人们希望对GaAs/AlGaAs量子阱材料能象碲镉汞材料那样，在器件制备材料筛选中，可有一种简单快速的方法来完成。
本发明的目的是提供一种预测量子阱红外探测器材料响应波长的设备和方法，它区别于常用的途径，可以使整个测量过程被大大地简化。
本发明是通过微区的激光荧光测量，同时测定量子阱与势垒的光荧光光谱信号，再与GaAs/AlGaAs量子阱材料的基本能带理论模型相结合，获得高精度的量子阱红外探测器响应波长的预测值，测量过程属于非接触式，对材料无任何损伤，从而使测量过的材料仍可用于器件制备。
本发明的具体技术方案如下一种用于GaAs/AlGaAs量子阱材料预测量子阱红外探测器响应波长的设备，其特点是该设备包括A、共焦激光荧光探测系统，由样品台、物镜、分色片、滤光片、会聚镜、共焦孔、光栅、探测器组成；B、激光器；C、计算机，该计算机安装有可根据输入量子阱荧光光谱数据和势荧光光谱数据即能计算量子阱红外探测器响应波长的计算机软件。
所说的激光器发出的激光束经分色片反射，物镜会聚可形成直径小于1微米的激光焦斑。
利用所述设备预测量子阱红外探测器响应波长的方法，其包括下列步骤a．将量子阱材料测试样品(2)的上电极层腐蚀，裸露出量子阱层；b、用一质量较大的平整的小块物体固定测试样品(2)并置于共焦激光荧光探测系统的样品台上；c、调整样品台使样品的量子阱层处于物镜的焦平面，而激光器发出的平行激光束经分色片反射并通过物镜聚焦后，正好照射在样品(2)的量子阱层上；d、调节共焦孔的位置使之处于会聚镜的焦平面上；e、当共焦激光荧光探测系统各部件处于完好的等待工作状态时，启动激光器，激光束经分色片反射，通过物镜会聚后，照射在位于平面的测试样品的约1微米直径的量子阱层上，该量子阱受激光发出荧光，部分荧光向上经过物镜、分色片、滤光片、会聚镜，穿过共焦孔由光栅反射进入探测器，探测器的信号送入计算机便形成来自多量子阱区域的激光荧光光谱；f、计算机根据荧光光谱数据拟合势垒荧光峰，并给出势垒组分；g、计算机根据势叠组分再拟合势阱荧光峰；h、给出势阱宽度；i、根据势阱宽度和势叠组分计算出量子阱红外探测器响应波长。
下面结合附图对发明作进一步说明
图1是本发明测试设备--共焦激光荧光探测系统结构示意图。
图2是量子阱材料的量子阱子带跃迁和势叠带间跃迁荧光光谱图。
图3是从荧光光谱获得量子阱红外探测器响应波长的计算机处理程序流程图。
图4是本发明方法获得的量子阱红外探测器材料红外响应波长预测结果与器件真实响应波长的比对图。
图1给出了本发明获取多量子阱材料的量子阱与势叠的荧光光谱测试设备--共焦激光荧光探测系统的基本构造示意图，由置放测试样品2的样品台1、聚焦激光的物镜3、分色片4、滤光片5、共焦孔7、色散光荧光的光栅8和探测光谱的硅CCD探测器9。探测器9的信号送入到计算机(图中未画出)后便得到来自多量子阱区域的光荧光谱。
为了通过对量子阱材料的无损伤测量预测量子阱红外探测器的红外响应波长，我们首先需要确定量子阱区域的光荧光光谱，为此对量子阱与势垒的光荧光光谱的测量不能象常规测量中那样，先将电极层腐蚀掉，裸露出量子阱层后再进行光谱测量。我们的测量是从量子阱材料的侧面进行微区的光荧光光谱测量。为了使获得的光谱有足够的信噪比以确保对势垒带跃迁能量与量子阱中子带间跃迁能量确定的准确性，在具体测量过程中需注意以下几点1、在测量过程中需确保样品在微米量级的稳定性，为此要用一质量较大的平整小块物体来固定直列的测试样品2；2、物镜3采用高倍的显微物镜(如100倍)，将入射激光聚焦到样品2上，形成小于1微米直径的激光光斑，如此，既满足了小光点的局域性激发目的，也同时使激光的激发功率大幅度地上升，以利于对势垒的带间跃迁荧光光谱的观测；
3、测试光学系统必须满足共焦条件，通过图1中所示的共焦孔大小和位置的调节，确保探测的光荧光区域就是激光激发的微米量级的微小区域，使多量子阱区域附近的电极层的很强的荧光信号不会窜扰到量子阱区域的荧光光谱中，样品的发光通过共焦孔后被光栅反射到高灵敏度的硅CCD探测器上获得荧光光谱，并确保所需的光谱信噪比；图2是由图1所示的设备获得的量子阱红外探测器材料的多量子阱区域显微光荧光光谱，从光谱上可清晰观测到位于800纳米的来自量子阱中子带跃迁的荧光光谱，同时位于670纳米处来自势垒的带间跃迁荧光光谱，其荧光峰虽然较弱，但也已明显可辩。根据这2个光谱结果可以获得势垒的禁带宽度和量子阱中的子带间能量差。通过与现有的半导体能带模型及其GaAs、AlGaAs材料的基本参数，如带阶参数、有效质量等的结合，可明确地确定量子阱的势垒高度与势阱宽度，再由这两个参量结合半导体能带模型定出基态与激发态间的能量差，这一能量差对应着红外响应峰值出现的红外光子能量，根据光子的能量我们可直接获得其相应的波长。
图3给出了根据上述原理的具体计算机处理程序流程图，首先将光谱数据输入计算机，而后采用拟合计算的方法获得来自势垒与势阱中的光荧光峰位，并根据半导体的能带理论获得相应的势垒中铝组分和势阱的宽度参量，基于这两个基本参量，进一步根据有效质量近拟理论计算出位于量子阱中的基态和第一激发态的能级位置。可获得第一激发态与基态的能量差ΔE，取ΔE的单位为波数，那么量子阱红外探测器的响应波长λ为λ=10000/ΔE(μm)最终将推算的λ结果输出。
图4给出了采用上述方法获得的对8个样品相应红外响应波长的预测结果，在图4中同时也给出了根据材料的分子束外延生长参数预测的红外响应波长的结果和最终器件的响应波长。比较的结果表明，本发明的预测技术途径是十分有效的，预测的结果与最终器件的结果的吻合程度明显优于用生长参数预测的结果，同时采用本发明的设备和方法，预测的红外响应波长在8微米响应波段上误差小于0.2微米，已能满足许多实际应用的需求。
综上所述，本发明有如下积极效果和优点1、由于红外探测器均是根据探测波段的要求进行制备的，为此在器件制备前的材料第一筛选参数就是材料制备成器件后的响应波长，本发明给出的对波长这一筛选过程比传统的通过形成器件后来确定响应波长要快得多，将筛选的工作时间从一天降到半小时。而相对用材料生长过程参数来确定响应波长，虽然确定时间从约5分钟上升到半小时，但准确度有近5倍的提高，满足了应用的需求；2、相对做成器件后再确定响应波长而言，本发明的优点在于测试过程是微区非接触式的检测，对材料不形成任何损伤与沾污，有利于对重要的直接用于器件制备的材料进行预测，但不损耗任何高质量的材料；3、由于本发明中采用的是微区非接触式检测，可对形成器件的材料在微区的响应波长均匀性方面进行直接测定，这是传统的两种方法均无法实现的。
权利要求
1.一种用于GaAs/AlGaAs量子阱材料预测量子阱红外探测器响应波长的设备，其特点是该设备包括A、共焦激光荧光探测系统，由样品台(1)、物镜(3)、分色片(4)、滤光片(5)、会聚镜(6)、共焦孔(7)、光栅(8)、探测器(9)组成；B、激光器；C、计算机，该计算机安装有可根据输入量子阱荧光光谱数据和势垒荧光光谱数据即能计算量子阱红外探测器响应波长的计算机软件。
2.根据权利要求1所述的预测量子阱红外探测器响应波长的设备，其特征在于所说的激光器发出的激光束经分色片(4)反射，物镜(3)会聚可形成小于直径1微米的激光焦斑。
3.利用权利要求1或2所述的预测量子阱红外探测器响应波长的预测量子阱红外探测器响应波长的设备方法，其特征在于它包括下列步骤a．将量子阱材料测试样品(2)的上电极层腐蚀，裸露出量子阱层；b、用一质量较大的平整的小块物体固定测试样品(2)并置于共焦激光荧光探测系统的样品台(1)上；c、调整样品台(1)使样品(2)的量子阱层处于物镜(3)的焦平面，而激光器发出的平行激光束经分色片(4)反射并通过物镜(3)聚焦后，正好照射在样品(2)的量子阱层上；d、调节共焦孔(7)的位置使之处于会聚镜(6)的焦平面上；e、当共焦激光荧光探测系统各部件处于完好的等待工作状态时，启动激光器，激光束经分色片(4)反射，通过物镜(3)会聚后，照射在位于焦平面的测试样品(2)的约1微米直径的量子阱层上，该量子阱受激光发出荧光，部分荧光向上经过物镜(3)、分色片(4)、滤光片(5)、会聚镜(6)，穿过共焦孔(7)由光栅(8)反射进入探测器(9)，探测器(9)的信号送入计算机便形成来自多量子阱区域的激光荧光光谱；f、计算机根据荧光光谱数据拟合势垒荧光峰，并给出势垒组分；g、计算机根据势叠组分再拟合势阱荧光峰；h、给出势阱宽度；i、根据势阱宽度和势叠组分计算出量子阱红外探测器响应波长。
全文摘要
一种预测由GaAs/AlGaAs量子阱材料形成的红外探测器红外响应波长的设备和方法,主要是采用共焦激光荧光探测系统获得量子阱材料的量子阱子带跃迁和势垒带间跃迁的两种荧光光谱,通过计算机拟合势垒荧光峰并给出势垒组分,进而拟合势阱荧光峰,给出势阱宽度,再计算出量子阱红外探测器响应波长。其优点是无需制备成器件、直接在相应材料的非接触式测量基础上即可完成红外响应波长的预测,而且结果相当准确。
文档编号G01N21/64GK1299045SQ00135189
公开日2001年6月13日 申请日期2000年12月27日 优先权日2000年12月27日
发明者陆卫, 蔡炜颖, 李志锋, 李宁, 江俊 申请人:中国科学院上海技术物理研究所