專利名稱：一種利用差譜法收集激光誘導反射光譜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光譜分析技術(shù)，尤其涉及一種激光誘導紫外-可見反射光譜的測 試方法。
背景技術(shù)：
紫外-可見光譜儀是半導體材料表征的重要工具，常常用來測量半導體材料的禁 帶寬度、薄膜厚度、折射率等主要參數(shù)。然而，紫外-可見光譜儀對禁帶寬度的測量需要通 過數(shù)學方程(Tauc方程)的擬合才能獲得半導體材料的禁帶寬度，精度不高。特別是在測 量納米或非晶半導體材料時，由于散射以及雜質(zhì)吸收等因素的存在，吸收邊附近的譜線往 往存在很大的拖尾，導致數(shù)學方程擬合時誤差較大，因此得不到精確的禁帶寬度值。又如， 薄膜樣品的光譜中往往存在強烈的光干涉現(xiàn)象，以致對譜線造成很大的干擾，使得通過擬 合得到的禁帶寬度精度較差。再者，半導體材料的雜質(zhì)和缺陷以及它們的能級位置對材料 的光電性能有著重要的影響，但是由于紫外-可將光譜儀的靈敏度和波長分辨率的限制， 一般很難通過紫外-可見光譜儀測量半導體材料中雜質(zhì)和缺陷引起的能級。雖然可以通過 其他方法如熒光光譜法和載流子濃度-溫度變化法測量半導體材料中的雜質(zhì)和缺陷能級， 但是，這種測量一般需要在很低的溫度下進行，導致儀器設備結(jié)構(gòu)復雜，同時，漫長的冷卻 時間也使得測試時間大大延長，測試成本增加。激光誘導紫外_可見反射光譜可以在很大程度上解決上述缺點。該測試技術(shù)于 I960年代被提出，并于1985年首次用來分析半導體材料的微結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)與一臺普通的反 射光譜儀十分相似，只不過增加了一臺附帶斬波器的激光器和一臺鎖相放大器。光子能量 大于材料禁帶寬度的激光器以周期性的脈沖方式工作，導致半導體材料表面載流子濃度的 周期性變化，因而使得材料表面激光照射區(qū)的折射率也發(fā)生相應的變化。由于反射率與折 射率相關(guān)，因此折射率的變化又導致反射率的變化。通過對激光強度的調(diào)制并用鎖相放大 器檢出微弱的信號，即可得到材料的禁帶寬度以及雜質(zhì)和缺陷的電離能。由于激光誘導產(chǎn)生的反射率變化很小，強度的相對變化值僅為沒有激光照射時反 射率的萬分之一，甚至百萬分之一。因此，普通的紫外-可見光譜儀由于受數(shù)據(jù)動態(tài)范圍的 限制和檢測靈敏度低的制約無法用于激光誘導反射光譜的測量，因而傳統(tǒng)的激光誘導反射 光譜儀均采用斬波器結(jié)合鎖相放大器的方法采集數(shù)據(jù)，例如“基于步進掃描的光調(diào)制反射 光譜方法及裝置”(CN200610023427.9)。但是這樣一來，儀器設備相對復雜，而且光譜數(shù)據(jù) 只能一個波長點一個波長點進行采集，因此數(shù)據(jù)采集速度較慢。更加嚴重的時通過鎖相放 大器采集到的數(shù)據(jù)是微分信號，在后續(xù)的數(shù)據(jù)處理以及對材料的機理分析方面顯得很不直 觀、方便。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是根據(jù)現(xiàn)有激光誘導紫外_可見反射光譜技術(shù)的不足，提供一種利 用差譜法收集激光誘導反射光譜的方法。
本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的一種利用差譜法收集激光誘導反射 光譜的方法，其特征在于，包括以下步驟(1)在沒有開啟激光器的情況下收集反射譜作為參考光譜Rq ；(2)在開啟激光器的情況下收集帶有激光誘導成分的反射譜隊；(3)把上述兩條譜線利用相減獲得的差譜AR =禮-R。就是激光器開啟前后紫 外_可見反射光譜的變化情況，即激光誘導紫外_可見反射光譜?！?R即反映出了激光照射 前后因為電子躍遷引起的樣品紫外-可見反射光譜變化。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明與傳統(tǒng)的光調(diào)制結(jié)合鎖相放大器的激光誘導紫 外-可見反射光譜儀相比，具有以下技術(shù)效果1、省略了鎖相放大器和斬波器，使得設備體積縮小，成本降低；2、使用了基于線性CCD的微型光譜儀，動態(tài)范圍極大，而且可以同時測量所有波 長的強度，測試速度大大提高；3、收集到的差譜呈現(xiàn)的是強度譜的形式，而利用光調(diào)制和鎖相放大器技術(shù)獲得的 反射光譜的微分形式，因此數(shù)據(jù)處理和機理分析更加方便、直觀。


圖1為利用差譜法測量激光誘導紫外_可見反射光譜的儀器結(jié)構(gòu)原理圖；圖2為實驗測得的激光誘導紫外_可見反射光譜；圖3為實驗測得的激光誘導紫外_可見反射光譜；圖中，1、激光器，2、紫外-可見光源，3、樣品，4、(XD微型光譜儀。
具體實施例方式本發(fā)明的激光誘導紫外-可見反射光測量方法是一種全新的方法，它的特點是不 使用光調(diào)制技術(shù)，不需要斬波器和鎖相放大器，而且采用線性CCD微型光譜儀直接把激光 照射前后的兩條紫外_可見反射譜相減，并利用兩者的差譜獲得激光誘導反射光譜。簡單 說，就是利用一臺可同時檢測各種波長的線性CCD微型光譜儀、一個紫外-可見光源和一臺 激光器就可以構(gòu)成激光誘導反射光譜。如圖1所示，本發(fā)明基于線性CCD的激光誘導反射光譜儀包括激光器1、紫外-可 見光源2和CCD微型光譜儀4，其中紫外-可見光源發(fā)出的光線與CCD微型光譜儀的接收光 線相對于樣品3表面的法線5對稱。本發(fā)明利用差譜法收集激光誘導紫外-可見反射光譜的方法，包括以下步驟1、在沒有開啟激光器的情況下收集反射譜作為參考光譜禮；2、在開啟激光器的情況下收集帶有激光誘導成分的反射譜隊；3、把上述兩條譜線利用相減獲得的差譜AR =禮-禮就是激光器開啟前后紫 外_可見反射光譜的變化情況，即激光誘導紫外_可見反射光譜?！?R即反映出了激光照射 前后因為電子躍遷引起的樣品紫外-可見反射光譜變化。實施例激光器采用YAG高能脈沖激光器，基頻光波長1064nm，倍頻光波長532nm，脈沖頻 率為每秒10次，脈寬10nS，單一脈沖能量lOOmJ。實驗時采用倍頻532nm作為激光光源，氙燈作為紫外-可見反射光譜的光源，微型光譜儀為美國海洋光學的HR4000微型光譜儀，分 辨率為0. 2nm，譜線的收集時間為50秒，總計數(shù)接近107/秒。圖2為實際測得的GaP晶片 的激光誘導反射譜AR，圖3為把橫坐標轉(zhuǎn)換成光子能量后的反射譜，圖中的強峰為激光光 源倍頻對應的峰(532nm)。在A R譜中可見，在光子能量為2. 262eV和2. 145eV處出現(xiàn)了明 顯的正峰，而在2. 218eV出現(xiàn)了一個負峰。其中2. 262eV的峰與GaP的禁帶寬度2. 261eV 非常一致，因此2. 262eV峰對應的為6aP材料的禁帶寬度，即電子的本征躍遷引起的。另外 兩個峰分別與2. 262eV峰相差0. 123eV和0. 044eV,從能量看，應該與GaP中雜質(zhì)和缺陷相 關(guān)?？梢娎帽景l(fā)明所述的方法，可以在室溫下非常精確地測量出GaP材料的禁帶寬度和 雜質(zhì)、缺陷的電離能。
權(quán)利要求
一種利用差譜法收集激光誘導反射光譜的方法，基于線性CCD的激光誘導反射光譜儀包括激光器、紫外 可見光源和CCD微型光譜儀，其特征在于，包括以下步驟(1)在沒有開啟激光器的情況下收集反射譜作為參考光譜R0。(2)在開啟激光器的情況下收集帶有激光誘導成分的反射譜R1。(3)把上述兩條譜線利用相減獲得的差譜ΔR＝R1 R0就是激光器開啟前后紫外 可見反射光譜的變化情況，即激光誘導紫外 可見反射光譜。ΔR即反映出了激光照射前后因為電子躍遷引起的樣品紫外 可見反射光譜變化。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用差譜法收集激光誘導反射光譜的方法，本發(fā)明通過比較激光器開啟前后接收到的反射光譜的信號的變化，得出兩者的之間的差譜信號，由此獲得激光誘導紫外-可見反射光譜。本發(fā)明的方法省略了鎖相放大器和斬波器，使得設備體積縮小，成本降低；使用了基于線性CCD的微型光譜儀，動態(tài)范圍極大，而且可以同時測量所有波長的強度，測試速度大大提高；收集到的差譜呈現(xiàn)的是強度譜的形式，而利用光調(diào)制和鎖相放大器技術(shù)獲得的反射光譜的微分形式，因此數(shù)據(jù)處理和機理分析更加方便、直觀。
文檔編號G01N21/63GK101975766SQ20101028171
公開日2011年2月16日 申請日期2010年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月14日
發(fā)明者季振國, 席俊華, 李鐵強 申請人:杭州電子科技大學