时间分辨阴极荧光与超快扫描电子成像系统

本申请涉及半导体测量，具体而言，涉及一种时间分辨阴极荧光与超快扫描电子成像系统。

背景技术：

1、在扫描电子显微镜中，时间分辨阴极荧光测量是直接评估半导体中载流子寿命的关键实验技术。这项技术不仅能够提供二次电子图像和阴极荧光图像等补充数据，还具备分析多层半导体材料的强大非接触、非破坏性能力。电子显微镜的多模成像功能使得在纳米尺度上能够实现光学特性与表面形态的关联。通过时间分辨阴极荧光表征技术，研究人员可以直接观察并测量半导体中载流子的寿命，从而深入了解其动力学行为。此外，该技术的非接触性和非破坏性使其成为分析多层半导体材料时的重要工具。综合利用电子显微镜的多模成像功能，研究人员能够在微观层面上全面了解半导体材料的结构、光学特性和载流子动力学，为半导体器件设计和制造提供关键信息。

2、然而，大部分研究工作都集中在使用阴极荧光光谱成像和深度分辨阴极技术进行定性分析。由于缺乏具有高光谱、空间和时间分辨率的测量系统，时间分辨阴极荧光分析工作受到了阻碍。由于在开发可提供极高空间和时间分辨率的时间分辨阴极荧光实验装置方面所做的努力很少，因此经济、简单且性能高的系统并不多。时间分辨阴极荧光需要对扫描电子显微镜进行若干修改，以提供时间信息。

3、相关技术中，需要对扫描电子显微镜的电子腔进行开腔，以便激光能够用外壁进入到内部的电子枪上。但是此工作难度比较大，造价高昂，极易对电子腔和灯丝造成不可逆的损害。

技术实现思路

1、本申请在于提供一种时间分辨阴极荧光与超快扫描电子成像系统，旨在降低对电子显微镜的损害。

2、本申请提供一种时间分辨阴极荧光与超快扫描电子成像系统，包括：

3、电子显微镜及电子成像系统，用于实现时间分辨的二次电子超快成像；

4、飞秒激光器，用于输出近红外飞秒激光；

5、波长选择光路，用于产生超连续光谱并对的激发波长进行选择；

6、泵浦光路，用于将经过所述波长选择光路选择后的光脉冲引入电子显微镜的样品室，激发样品使样品处于激发态；

7、电子束闸，用于将连续电子束转换为脉冲电子束，以激发样品或进行超快扫描成像，所述电子束闸设置在所述电子显微镜的镜筒内，且所述电子束闸位于远离所述电子显微镜的电子腔的位置；

8、频率发生器，与所述电子束闸连接，用于改变电子束闸的电压，以生成电子脉冲；

9、阴极荧光收集分析装置，用于收集样品产生的阴极荧光，并对荧光信号进行分析处理。

10、可选地，所述电子束闸由平板式电容器组成。

11、可选地，所述波长选择光路包括延迟光路、超连续谱光路以及选择光路；

12、所述延迟光路包括依次设置的多个第一反射镜，且多个所述第一反射镜中，相邻的两个所述第一反射镜相对设置；

13、所述超连续谱光路包括依次设置的衰减片、第一聚焦透镜和氟化钙晶体；

14、所述选择光路包括依次设置的第二反射镜和滤波片，所述第二反射镜朝向所述氟化钙晶体。

15、可选地，所述泵浦光路包括至少两个第三反射镜、第二分束镜、第二聚焦透镜和第二光学传感器，其中，所述第二分束镜将部分光反射至所述第二光学传感器；所述第二光学传感器用于监控光斑位置。

16、可选地，所述样品室包括光学窗口，所述近红外飞秒激光从所述光学窗口射入所述样品室，且所述近红外飞秒激光与电子显微镜产生的电子脉冲光路之间的夹角为大于或等于45°，且小于或等于50°。

17、可选地，所述阴极荧光收集分析装置包括可伸缩探头和棱镜光谱仪，所述可伸缩探头的一端位于所述样品室上方，另一端与所述棱镜光谱仪连接；

18、所述棱镜光谱仪包括第一光信号出口和第二光信号出口，所述第一光信号出口与第一光学传感器连接，所述第二光信号出口与单光子计数器连接。

19、可选地，所述系统还包括：控制系统，与所述第一光学传感器和所述单光子计数器连接；

20、所述控制系统用于接收所述第一光学传感器和所述单光子计数器采集的时间分辨阴极荧光信号，并对所述时间分辨阴极荧光信号进行处理分析。

21、可选地，所述近红外飞秒激光从所述可伸缩探头射入所述样品室。

22、可选地，所述系统还包括：第一分束镜，所述第一分束镜用于将所述近红外飞秒激光的一部分引入与所述单光子计数器连接的光电二极管。

23、有益效果：

24、本申请提供一种时间分辨阴极荧光与超快扫描电子成像系统，通过设置电子显微镜及电子成像系统、飞秒激光器、波长选择光路、泵浦光路、电子束闸、频率发生器和阴极荧光收集分析装置，可以同时提供时间分辨阴极荧光测量和进行超快扫描电子成像，并且本申请利用电子束闸实现了脉冲电子束的生成，无需将激光引入电子显微镜的电子腔，电子束闸位于电子显微镜的镜筒位置，可以降低对电子显微镜的损害，从而使得本申请提供的时间分辨阴极荧光与超快扫描电子成像系统更加经济简单。

技术特征：

1.一种时间分辨阴极荧光与超快扫描电子成像系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的时间分辨阴极荧光与超快扫描电子成像系统，其特征在于：

3.根据权利要求1所述的时间分辨阴极荧光与超快扫描电子成像系统，其特征在于：

4.根据权利要求3所述的时间分辨阴极荧光与超快扫描电子成像系统，其特征在于：

5.根据权利要求1所述的时间分辨阴极荧光与超快扫描电子成像系统，其特征在于：

6.根据权利要求1所述的时间分辨阴极荧光与超快扫描电子成像系统，其特征在于：

7.根据权利要求6所述的时间分辨阴极荧光与超快扫描电子成像系统，其特征在于，所述系统还包括：

8.根据权利要求6所述的时间分辨阴极荧光与超快扫描电子成像系统，其特征在于：

9.根据权利要求6所述的时间分辨阴极荧光与超快扫描电子成像系统，其特征在于，所述系统还包括：

技术总结
本申请提供一种时间分辨阴极荧光与超快扫描电子成像系统，属于半导体测量技术领域，包括电子显微镜及电子成像系统，用于实现时间分辨的超快电子成像；飞秒激光器；波长选择光路，用于产生超连续光谱并对特定波长进行选择；泵浦光路，用于将目标波长的光脉冲引入电子显微镜的样品室，并对样品进行激发；电子束闸，设置在电子显微镜的镜筒内，且电子束闸位于远离电子显微镜的电子腔的位置，用于产生脉冲电子；频率发生器，与电子束闸连接，用于产生可调的方波信号；阴极荧光收集分析装置，用于收集样品产生的阴极荧光，并对荧光信号进行分析处理。通过本申请提供的一种时间分辨阴极荧光与超快扫描电子成像系统，可以降低对电子显微镜的损害。

技术研发人员：王睿,刘运全
受保护的技术使用者：北京大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/17