利用瞬态载流子光栅技术的信号测量方法与流程

本发明涉及光学领域及材料领域。通过光的衍射在材料表面形成明暗相间的条纹，材料吸收不同强度的光会产生不同浓度的载流子，这样就会在材料中生成一个载流子光栅，通过利用载流子光栅将半导体器件中的光信号衍射出来以实现信号采集与测量，同时由于载流子在材料中会发生扩散与复合，还可以利用这种技术来测量材料的载流子迁移率与寿命。

背景技术：

光栅也称衍射光栅，精确要求极高，性能稳定，分辨率高，角色散高而且随波长的变化小，是光学信息处理中非常重要的一种器件。它是在玻璃或金属表面刻划大量平行狭缝而成，这些狭缝也被称为刻线。光栅的狭缝数量非常庞大，一般每毫米具有几百甚至上千条狭缝。单色平行光通过光栅每个缝的衍射和各缝间的干涉，形成暗条纹很宽、明条纹很细的图样，这些锐细而明亮的条纹称作谱线。谱线的位置随波长而异，当复色光通过光栅后，在单缝衍射和多缝干涉的共同作用下，不同波长的谱线在不同的位置出现而形成光谱。

通常所讲的衍射光栅是基于夫琅禾费多缝衍射效应工作的。波在传播时，波阵面上的每个点都可以被认为是一个单独的次波源；这些次波源再发出球面次波，则以后某一时刻的波阵面，就是该时刻这些球面次波的包迹面(惠更斯原理)。一个理想的衍射光栅可以认为由一组等间距的无限长无限窄狭缝组成，狭缝之间的间距为d，称为光栅常数。当波长为λ的平面波垂直入射于光栅时，每条狭缝上的点都扮演了次波源的角色；从这些次波源发出的光线沿所有方向传播(即球面波)。由于狭缝为无限长，可以只考虑与狭缝垂直的平面上的情况，即把狭缝简化为该平面上的一排点。则在该平面上沿某一特定方向的光场是由从每条狭缝出射的光相干叠加而成的。在发生干涉时，由于从每条狭缝出射的光在干涉点的相位都不同，它们之间会部分或全部抵消。然而，当从相邻两条狭缝出射的光线到达干涉点的光程差是光的波长的整数倍时，两束光线相位相同，就会发生干涉加强现象。以公式来描述，当衍射角θ_m满足关系dsinθ_m/λ＝|m|时发生干涉加强现象，这里d为狭缝间距，即光栅常数，m是一个整数，取值为0，±1，±2，……。这种干涉加强点称为衍射极大。因此，衍射光将在衍射角为θ_m时取得极大，当平面波以入射角θ_i入射时，光栅方程可表示为d(sinθ_m+sinθ_i)＝mλ(m＝1，2，3，4...)。

当入射光的能量大于材料能带宽度时，光子被材料吸收产生光生电子与空穴，而根据公式(e为电子电荷，λ为工作波长，c为光速，ε₀为传播常数，ΔN_e和ΔN_h为光生电子与空穴浓度，和为电子和空穴的有效质量)，材料的折射率与载流子浓度有关。以常用的半导体硅为例，当产生的载流子浓度足够大(10¹⁸以上)时，就足够使折射率发生较明显的变化(0.01以上)。

技术实现要素：

本发明利用光对折射率的影响形成一种瞬态的载流子光栅，使半导体材料中的光信号能直接地衍射出来，而不再需要外接转换元件，能够实现对半导体器件任意部位的信号采集，而且不对器件产生伤害；同时利用这种瞬态载流子光栅技术还可以实现对材料载流子迁移率的测量。

本发明采用的技术方案如下：

利用瞬态载流子光栅技术的信号测量方法，通过利用脉冲激光光源在半导体材料的表面形成明暗相间的条纹，产生瞬态载流子光栅，采集经过光栅的衍射光实现信号的测量。

其中，产生瞬态载流子光栅的一种方法：所述脉冲激光光源经分光镜分光变为两束，这两束光再分别经过两个反射镜反射，在半导体材料表面形成明暗相间的干涉条纹。在半导体材料表面形成干涉条纹的两束光的光程差必须小于脉冲激光光源的相干长度。

产生瞬态载流子光栅的另一种方法：所述脉冲激光光源经过光栅掩模板发生多缝衍射，在半导体材料表面形成明暗相间的衍射条纹。

利用载流子的迁移与复合所导致载流子光栅会不断变化直至平衡，通过探测激光光源和信号激光光源在半导体材料表面形成干涉，在产生的瞬态载流子光栅达到平衡之前，测量信号激光光源经过瞬态载流子光栅的透射光或者反射光的变化，计算出半导体材料的载流子迁移率与载流子寿命。

进一步地，所述探测激光光源和信号激光光源的波长相等。

进一步地，测量反射光的变化时，探测激光光源的入射角与信号激光光源的入射角不相等。

所述半导体材料采用能够吸收光源波长的材料；如果半导体材料为不能直接吸收光源波长的材料，则可以在半导体材料表面放置一层能够吸收光源波长的二维材料。

本测量方法可以实现对半导体器件任何部位的信号采集与测量，该过程无需将受测部位单独拿出，同时不会对器件造成损伤，能够实现对信号实时且方便快捷的测量。相比较传统方法，本发明不需要其他的耦合器件与信号的输出端口相连就能直接测量，节约时间而且操作方便，并且能够在所测材料的任意位置引出信号光进行测量，这一点是用现有光栅之类的耦合器件都无法做到的。此外，利用载流子的迁移与复合所导致载流子光栅会不断变化直至平衡的特性，本发明通过测量信号光受载流子光栅的影响可以计算出材料的载流子迁移率与载流子寿命。

附图说明

图1是干涉法实现瞬态载流子光栅的光路示意图。

图2是掩模法实现瞬态载流子光栅的光路示意图。

图3是被测量的半导体材料中折射率的变化量示意图。

图4是透射法测量半导体材料中的载流子迁移率与载流子寿命。

图5是反射法测量半导体材料中的载流子迁移率与载流子寿命。

其中1是激光器，2是分光镜，3是反射镜，4是被测的半导体器件,5是光栅掩模板，6是探测光，7是信号光，8是半导体材料，9是反射光。

具体实施方式

本发明的原理在于：两束相干光在半导体器件表面形成明暗相间的条纹，对于吸收材料而言，光会在材料中产生光生载流子，载流子的浓度与光的强度有关，于是在明条纹的地方载流子浓度高，在暗条纹的地方载流子浓度低，载流子会改变材料折射率，折射率的改变与载流子浓度有关，这样就形成了一个折射率交替变化的光栅结构。而对于不可吸收的材料而言，可以在表面覆盖一层二维材料，如石墨烯，这样就会在二维材料中形成载流子光栅。利用光栅的衍射特性可以将被测器件中的信号衍射出来，实现采集与测量。

要形成明暗相间的条纹，可以通过干涉法实现。干涉法实现载流子光栅如图1所示，脉冲激光光源由激光器1激发，经过分光镜2分成两束相干光，这两束光在经过相同的路程后分别被两块反射镜3反射，最后在被测的半导体器件4表面形成干涉。可以通过控制激光器1的波长与强度，控制两片反射镜3来控制干涉角度，以此实现载流子光栅的灵活调控，实现对于衍射角度的选择。

此外还可使用掩模法，形成明暗相间的条纹。如图2所示，即在材料上方放置光栅掩模板5，这样激光光源经过光栅掩模板5发生多缝衍射，在被测的半导体器件4表面形成衍射条纹，衍射条纹受激发光与光栅掩模板控制。

半导体材料吸收光子产生载流子，折射率也随之改变，折射率的改变量与载流子浓度有关，而载流子浓度与干涉条纹的强弱有关，都可以用图3来表示。材料中形成了瞬态的载流子光栅，其中的信号光就会被衍射出来，根据所要的不同衍射角可以通过改变两束干涉光的干涉角度来实现，而这个干涉角度可以通过反射镜处的反射角或者光栅掩模板控制。

由于光源选择的是脉冲激光，同时考虑非平衡载流子的扩散与复合，所以形成的载流子光栅在达到平衡之前会不断变化，将相干的探测光与信号光在材料表面形成干涉，载流子将在材料中发生扩散，通过观察信号光在透过材料后的变化，或者观察信号光被材料反射的反射光的变化，可以知道材料中载流子光栅的变化情况，以此计算出材料的载流子迁移率与载流子寿命。需注意的是，在选择观察反射光的时候，应使得探测光与信号光的入射角度不同，这样才方便对信号光的反射光进行采集。

透射法测量半导体材料8中的载流子迁移率与载流子寿命如图4所示，探测光6脉冲与信号光7脉冲在半导体材料8表面发生干涉，对信号光7的透射光信号进行采集。

反射法测量材料中的载流子迁移率与载流子寿命如图5所示，入射角度不相等的探测光脉冲6与信号光脉冲7在半导体材料8表面发生干涉，对信号光7的反射光9信号进行采集。

信号光的透射或反射受材料中形成的载流子光栅影响，由于载流子会发生扩散与复合，所以在短时间内载流子光栅会不断变化直到平衡，在信号光出射处放置固定的CCD耦合阵列，观测信号光的出射强度与角度的变化，可以知道材料中载流子光栅折射率的变化情况。由可知折射率的变化与载流子浓度成正比，由载流子浓度随时间的变化可知载流子迁移率，最终载流子全部复合，瞬态载流子光栅消失，根据可知载流子寿命τ_f。