專利名稱：一種瞬態(tài)光柵衰減動力學的瞬態(tài)飽和吸收光譜測試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種瞬態(tài)光柵衰減動力學的光學測試方法。其特點是在瞬態(tài)光柵后放 置一個與其同周期、取向一致的黑/白透射光柵。探測光同時透過兩個光柵，實現(xiàn)對瞬態(tài)光 柵的局部周期采樣。其透射光功率隨時間的變化反映了瞬態(tài)光柵的衰減動力學。屬半導(dǎo)體 動態(tài)輸運光學測試技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
瞬態(tài)光柵指壽命短暫的一種空間周期調(diào)制分布。如周期調(diào)制分布的光強瞬間激發(fā) 半導(dǎo)體，在半導(dǎo)體中產(chǎn)生載流子濃度空間周期分布，稱為瞬態(tài)載流子光柵；光強度均勻，但 圓偏振度空間周期調(diào)制分布的光場瞬間激發(fā)半導(dǎo)體，能在半導(dǎo)體中產(chǎn)生電子自旋極化度空 間周期分布，稱為瞬態(tài)電子自旋光柵。這些瞬態(tài)光柵的衰減動力學反映了載流子及其自旋 的復(fù)合與輸運動力學，因而被廣泛用于輸運動力學測試，獲取輸運參數(shù)，如擴散系數(shù)。目前 廣泛使用的瞬態(tài)光柵衰減動力學測試方法是光柵衍射法，即一束探測光透過瞬態(tài)光柵產(chǎn)生 衍射，測試衍射光功率隨時間的變化，獲得瞬態(tài)光柵的衰減動力學。然而，瞬態(tài)光柵衍射測 試法具有靈敏度低、尋找衍射信號困難等缺點。為了提高衍射法測試靈敏度，國際上發(fā)展了 衍射信號的外差干涉放大技術(shù)，即引入一束與衍射信號光空間和時間上重疊的附加光束， 兩者干涉信號強度正比于附加光束強度，因而，通過增加附加光束的強度就能獲得增益。然 而，這種外差放大技術(shù)又增加了實驗設(shè)備的復(fù)雜性和實驗操作的難度，因為增加了一束附 加光，并要調(diào)節(jié)其與衍射信號光時間和空間重疊是不容易的。已有報道表明，對同一瞬態(tài)光柵，其飽和吸收感應(yīng)的探測光的透射功率變化是其 衍射信號功率的200倍以上。所以，基于飽和吸收效應(yīng)的瞬態(tài)光柵測試技術(shù)應(yīng)該能極大地 提高瞬態(tài)光柵衰減動力學的測試靈敏度。另一方面，瞬態(tài)光柵衍射測試法只能獲得載流子 的擴散信息，或者說只能測量載流子或自旋的擴散系數(shù)，而不能測試遷移輸運，或者說不能 測量電荷或自旋的遷移率。然而，半導(dǎo)體物理學中要驗證愛因斯坦關(guān)系是否成立或正確與 否，需要同時測量擴散系數(shù)與遷移率。所以，發(fā)明高靈敏度的、實驗裝置與操作相對簡單的、 能夠同時測量瞬態(tài)光柵的擴散和遷移輸運動力學的測試方法，對半導(dǎo)體物理與器件發(fā)展都 是重要的，具有廣泛的應(yīng)用價值。本發(fā)明正是這樣一種測試技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明發(fā)展了一種瞬態(tài)光柵的局部周期采樣瞬態(tài)飽和吸收光譜測試技術(shù)，其實驗 測試原理如圖1所示，實驗裝置結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的瞬態(tài)光柵衍射測試法相同，只是在測試樣品8 后增加了一個一維黑/白透射光柵9。泵浦光脈沖4和5通過透鏡7聚焦、迭加在樣品8 上。迭加光場形成強度或圓偏振度空間周期分布的光場。此光場激發(fā)半導(dǎo)體樣品8，則在樣 品內(nèi)產(chǎn)生瞬態(tài)載流子濃度光柵或自旋光柵。光柵9與此瞬態(tài)光柵具有相同的周期和光柵線 取向，并盡量接近樣品8，所以，它的每一條透射縫對應(yīng)瞬態(tài)光柵中相同的局部區(qū)域。時間 延遲可調(diào)的探測光脈沖6透過瞬態(tài)光柵和光柵9后，則只能探測瞬態(tài)光柵中與光柵9的透射縫(白色區(qū))對準部分的瞬態(tài)光柵(以下簡稱“亮柵區(qū)”)的信息，而與光柵9的不透光 縫(黑色區(qū))對準的瞬態(tài)光柵部分(以下簡稱“暗柵區(qū)”)的信息不能被測量(探測光被阻 擋)。所以，光柵9實現(xiàn)了對瞬態(tài)光柵的局部周期采樣，稱其為采樣光柵。然而，由于輸運效 應(yīng)，“亮柵區(qū)”與“暗柵區(qū)”之間的信息會相互交換，從而引起“亮柵區(qū)”的信息變化，進而導(dǎo) 致探測光的透射功率變化。所以，實驗測量探測光脈沖6的透射功率隨延遲時間的變化，則 反映了瞬態(tài)光柵的輸運動力學。通過分析此透射功率隨延遲時間變化信號，就能獲得載流 子或自旋的輸運參數(shù)，如擴散系數(shù)、遷移率。需要特別強調(diào)的是，正因為采樣光柵9的引入， 透射功率變化才能夠反映輸運信息，否則，不能夠；因為如果沒有采樣光柵9，探測光束6探 測整個瞬態(tài)光柵。這時，瞬態(tài)光柵中輸運盡管能導(dǎo)致不同區(qū)域間的信息交換，但并不改變整 個被探測的瞬態(tài)光柵中的總信息。所以，并不影響探測光束6的透射功率變化。由于瞬態(tài) 光柵的多樣性，本發(fā)明具體包括如下三部分內(nèi)容一、瞬態(tài)電子濃度光柵衰減動力學測量當圖1中光束4和5為平行線偏振光時，它們在樣品8上相干迭加，形成強度周期分布的光柵。此強度光柵激發(fā)樣品，則在樣品內(nèi)激發(fā)瞬態(tài)電子濃度光柵。此電子濃度光柵 的壽命由電子_空穴復(fù)合壽命決定。為了保證采樣光柵9與瞬態(tài)電子濃度光柵具有相同的周期和一致的光柵條紋取向。將采樣光柵9安裝在一個四維光學調(diào)節(jié)架上，其中三維平動、一維旋轉(zhuǎn)。當移動光柵9 接近瞬態(tài)光柵時，在光柵后的屏上應(yīng)該能觀察到平行亮條紋(暫時阻擋探測光6)，此即為 莫爾條紋。旋轉(zhuǎn)光柵9，直至莫爾條紋間距達到最大，這時候瞬態(tài)光柵與采樣光柵9的柵線 就平行了。然后，調(diào)節(jié)透鏡前的平行泵浦光束4和5之間的距離，使莫爾條紋間距繼續(xù)增大， 直至無窮、條紋消失。這時，瞬態(tài)光柵具有與采樣光柵9相同的周期和取向。讓線偏振探測光6透過瞬態(tài)電子濃度光柵和采樣光柵9，到達光電探測器10。用 鎖相放大器測量探測器10輸出的電信號變化幅度隨延遲時間的變化，即s(t)。則實現(xiàn)了電 子濃度瞬態(tài)光柵的衰減動力學測量。設(shè)置XY坐標系在樣品面上，X軸垂直光柵條紋方向，則理論上可以導(dǎo)出此衰減動 力學信號由如下方程描述S(t) = A[1 + M sinc(a/A) sin(2π/A(x0 + μαΕt)) exp(-(2π/A)2 Dat)] exp(-t / Tr)(1)式中A為擬合常數(shù)，M為瞬態(tài)光柵的調(diào)制度，a和Λ分別為采樣光柵的透射縫寬度 和周期；μ a和Da分別為電子的雙極遷移率和擴散系數(shù)； ；為電子的復(fù)合壽命；E為在樣品 面內(nèi)沿垂直光柵條紋方向施加的電場強度；Χ(ι( < Λ)為采樣光柵9的透射縫中心坐標。用方程(1)擬合本發(fā)明方法實驗測試的瞬態(tài)電子濃度光柵感應(yīng)的探測光的飽和 吸收衰減(等效透射衰減)動力學信號s(t)，則能夠獲取電子的雙極擴散系數(shù)Da和遷移率 Pa，進而驗證愛因斯坦關(guān)系。二、瞬態(tài)電子自旋光柵衰減動力學測量首先，重復(fù)發(fā)明內(nèi)容一中的調(diào)節(jié)瞬態(tài)光柵與采樣光柵9具有相同的周期和平行條 紋取向的實驗操作步驟。然后，轉(zhuǎn)動光束4的線偏振面90度(不會改變瞬態(tài)光柵周期與取 向)，則光束4和5為正交線偏振的。它們在樣品面上迭加，形成光強度均勻，但圓偏振度空 間周期調(diào)制的光場。此光場激發(fā)半導(dǎo)體(如GaAs)樣品8，則能在樣品面內(nèi)產(chǎn)生均勻分布的電子濃度，但電子的自旋極化度卻是周期變化的，稱為瞬態(tài)電子自旋光柵。設(shè)置時間延遲探 測光6為左或右旋圓偏振態(tài)，分別使它們透過瞬態(tài)自旋光柵和采樣光柵9，測試各自的透射 功率變化的時間延遲掃描曲線，分別記為Sjt)和SK(t)。求它們的差S(t) =SE(t)-SL(t), 即為圓二色飽和吸收差信號。此信號反映了瞬態(tài)電子自旋光柵的衰減動力學。設(shè)置XY坐標系在樣品面上，X軸垂直光柵條紋方向，則理論上可以導(dǎo)出瞬態(tài)電子 自旋光柵的圓二色飽和吸收差信號衰減動力學由如下方程描述<formula>formula see original document page 5</formula>式中！^和隊分別為電子的自旋遷移率和擴散系數(shù)；為電子的有效自旋弛豫時 間。其余參數(shù)與方程(1)中相同。用方程(2)擬合本發(fā)明內(nèi)容實驗測試的瞬態(tài)電子自旋光柵的圓二色飽和吸收差 衰減動力學信號S (t)，則能夠獲得電子自旋的擴散系數(shù)Ds和遷移率y s，進而驗證自旋電子 學中愛因斯坦關(guān)系的有效性。三、瞬態(tài)電子自旋濃度光柵衰減動力學測量首先，重復(fù)發(fā)明內(nèi)容一中的調(diào)節(jié)瞬態(tài)光柵與采樣光柵9具有相同的周期和平行條 紋取向的實驗操作步驟。然后，設(shè)置泵浦光束4和5為同旋向圓偏振態(tài)(不會改變瞬態(tài)光 柵周期與取向)，它們在樣品8上相干迭加，形成圓偏振態(tài)的強度周期分布的光場。此光場 激發(fā)半導(dǎo)體樣品8，在樣品內(nèi)產(chǎn)生瞬態(tài)電子自旋濃度光柵，即電子濃度空間周期分布，類似 發(fā)明內(nèi)容一中的瞬態(tài)電子濃度光柵，但此處電子自旋是極化的(即任一點處相反自旋取向 的電子濃度不同)。這樣的瞬態(tài)光柵衰減動力學既受電子濃度輸運影響，又受電子自旋輸運 影響，所以稱為自旋雙極輸運。設(shè)置時間延遲探測光6為左旋圓偏振態(tài)，并通過瞬態(tài)電子自旋濃度光柵和采樣光 柵9，由光電探測器10測量其透射功率隨延遲時間的變化，記測試信號為Sjt)。然后，設(shè) 置光束6為右旋圓偏振態(tài)，重復(fù)上述測量，記測量信號為SK(t)。求差S(t) =SE(t)-SL(t), 即為圓二色飽和吸收差信號，它反映了瞬態(tài)電子自旋濃度光柵的衰減動力學，涉及自旋雙 極輸運。設(shè)置XY坐標系在樣品面上，X軸垂直光柵條紋方向，則理論上可以導(dǎo)出瞬態(tài)電子 自旋濃度光柵的圓二色飽和吸收差信號由如下方程描述
<formula>formula see original document page 5</formula>式中ii as和Das分別為電子的自旋雙極遷移率和擴散系數(shù)；Tre為電子的有效自旋 弛豫時間。P為瞬態(tài)電子自旋濃度光柵的自旋極化參數(shù)；其余參數(shù)與方程(1)中相同。


圖1瞬態(tài)光柵衰減動力學的瞬態(tài)飽和吸收光譜測試原理26aAs量子阱的電子自旋弛豫動力學的瞬態(tài)圓二色飽和吸收光譜測試結(jié)果圖3GaAs量子阱中瞬態(tài)自旋光柵衰減動力學的局部周期采樣瞬態(tài)圓二色飽和吸 收光譜測試結(jié)果圖1中，1為飛秒激光器；2為1輸出的飛秒脈沖激光束；3為通常的非共線時間分辨泵浦-探測實驗裝置，主要包括麥克爾遜非共線干涉儀、光學延遲線和光學斬波器；光學 斬波器設(shè)置在泵浦光路中，而光學延遲線在探測光路中；激光束2通過3后，被分成強的泵 浦光和弱的探測光束6，而強的泵浦光束由分束片再次分成兩束強度和光程相等的泵浦光 束4和5 ;4，5和6三束光平行，通過透鏡7聚焦在其后焦平面上的同一點。它們各自的偏 振態(tài)由1/2波片(線偏振面旋轉(zhuǎn)90度)或1/4波片(產(chǎn)生左、右旋圓偏振態(tài))調(diào)節(jié)。樣品 8位于7的后焦平面上；9為黑/白一維透射光柵，用于對樣品8中的瞬態(tài)光柵局部周期采 樣。10為光電探測器，測量探測光束6的透射功率變化。圖2中，1為圖1中阻擋泵浦光束4，并去除光柵9后，光束5和6均為右旋圓偏振態(tài)時測量的GaAs量子阱樣品8的瞬態(tài)飽和吸收變化(正比于透射變化)的時間延遲掃描 曲線；2為探測光束6為左旋圓偏振態(tài)時測量的GaAs量子阱的瞬態(tài)飽和吸收變化的時間延 遲掃描曲線；曲線3中空心圓曲線為1與2之差，而實線為單指數(shù)衰減函數(shù)對空心圓曲線的 最小二乘擬合結(jié)果，給出衰減時間常數(shù)為49. 8士0. 4ps。圖3中，1為圖1中泵浦光束4和5為正交線偏振態(tài)，在GaAs量子阱樣品8中激發(fā) 起周期為4 μ m的瞬態(tài)電子自旋光柵，樣品面內(nèi)外加電場E = 0，采樣光柵9的透射縫寬度為 1 μ m時，右旋圓偏振態(tài)探測光束6透過瞬態(tài)自旋光柵和采樣光柵9的瞬態(tài)透射功率變化的 時間延遲掃描曲線；2為左旋圓偏振態(tài)探測光束6透過瞬態(tài)自旋光柵和采樣光柵9的瞬態(tài) 透射功率變化的時間延遲掃描曲線；3中空心圓曲線為1與2之差，而實線曲線為本發(fā)明中 方程(2)對空心圓曲線的最小二乘擬合結(jié)果，給出電子自旋擴散系數(shù)Ds = 100 士 6cm2/S。
具體實施例方式本發(fā)明已具體實施，應(yīng)用于GaAs量子阱中瞬態(tài)電子自旋光柵衰減動力學測量，并 利用我們發(fā)展的理論模型擬合實驗數(shù)據(jù)，獲得了電子自旋擴散系數(shù)。實驗所用黑/白透射 采樣光柵之參數(shù)為3=1μπι，Λ=4μπι。實驗裝置原理圖如圖1所示。所使用激光器(1)為鈦寶石自鎖模飛秒激光器，其 輸出脈沖寬度約150fs，脈沖重復(fù)率為90MHz，中心波長調(diào)諧到838nm，與GaAs量子阱的重空 穴激子能量共振；泵浦光束4和5的功率各為3mW，而探測光束6的功率為1. 5mW。樣品上 未施加面內(nèi)電場，即E = 0。首先，阻擋泵浦光束4，并去除采樣光柵9。設(shè)置泵浦光束5和探測光束6同為右 旋圓偏振光，測試探測光6透過GaAs量子阱樣品8的透射功率變化的時間延遲掃描曲線， 如圖2中曲線1所示。然后，設(shè)置探測光6為左旋圓偏振光，再次測量其透射功率變化的延 遲時間掃描曲線，如圖2中曲線2所示。曲線1與2之差如曲線3中空心圓曲線所示，而 實線為其之單指數(shù)衰減函數(shù)的最小二乘擬合結(jié)果，給出電子自旋的有效弛豫時間為= 49. 8 + 0. 4ps。然后，設(shè)置泵浦光4和5為平行線偏振光，在樣品8平面上產(chǎn)生干涉條紋光柵；移動采樣光柵9盡量接近樣品8，在其后的觀察屏上能看到莫爾條紋。旋轉(zhuǎn)光柵9，使莫爾條 紋間距增大，直至最大時停止，然后再調(diào)節(jié)泵浦光束4和5之間的平行距離，使莫爾條紋間 距繼續(xù)增加，直至無窮，則實現(xiàn)了瞬態(tài)光柵與采樣光柵9同周期和光柵條紋平行。然后，旋 轉(zhuǎn)泵浦光束4的偏振面90度，這時，樣品面上的亮暗條紋光柵變成強度均勻，但圓偏振度周 期變化的光柵(通過偏振片能觀察到亮暗條紋)；此光場激發(fā)GaAs量子阱樣品8，則產(chǎn)生瞬態(tài)電子自旋光柵。設(shè)置探測光6為右旋圓偏振態(tài)，并測量其透過瞬態(tài)電子自旋光柵和采 樣光柵9后的瞬態(tài)功率變化的時間延遲掃描曲線，如圖3中曲線1所示。然后，設(shè)置探測 光6為左旋圓偏振態(tài)，再次測量其瞬態(tài)透射功率變化的時間延遲掃描曲線，如圖3中2所 示。1與2之差如曲線3中空心圓曲線所示。使用方程(2)最小二乘擬合之(設(shè)置= 49. 8士0.4ps)，結(jié)果如曲線3中實線所示。給出電子自旋擴散系數(shù)03 = 100士6cm2/s。此 結(jié)果與目前國際上使用自旋光柵衍射法測試的自旋擴散系數(shù) 120cm2/S基本一致。小的差別可能來自樣品差別，如阱寬度。顯示本發(fā)明測試方法的可靠性和有益效果。
權(quán)利要求
一種瞬態(tài)光柵衰減動力學的瞬態(tài)飽和吸收光譜測試方法，其特點是在瞬態(tài)光柵后設(shè)置一個與其周期和光柵條紋取向均一致的黑/白透射光柵，并與其盡量貼近；時間延遲探測光透過瞬態(tài)光柵和黑/白光柵，只有對應(yīng)黑/白光柵之白縫部分的光射出，實現(xiàn)了黑/白光柵對瞬態(tài)光柵的局部周期采樣；透射光的瞬態(tài)功率變化的時間延遲掃描曲線反映了瞬態(tài)光柵的衰減動力學。本發(fā)明的特征在于當瞬態(tài)光柵由兩束平行線偏振泵浦光之迭加光場激發(fā)半導(dǎo)體樣品產(chǎn)生時，測試線偏振探測光的瞬態(tài)透射功率變化的時間延遲掃描曲線，反映了電子雙極輸運動力學；用說明書中描述的方程(1)擬合該曲線，能夠獲得電子的雙極擴散常數(shù)和遷移率。
2.權(quán)利要求1中所述的一種瞬態(tài)光柵衰減動力學的瞬態(tài)飽和吸收光譜測試方法，其 特征是當瞬態(tài)光柵由兩束正交線偏振泵浦光之迭加光場激發(fā)半導(dǎo)體樣品產(chǎn)生時，分別測試 左、右旋圓偏振探測光之瞬態(tài)透射功率變化的時間延遲掃描曲線，并求兩者的差，反映了電 子自旋輸運動力學；用說明書中描述的方程(2)擬合該差曲線，則能獲得電子自旋的擴散 系數(shù)和遷移率。
3.權(quán)利要求1中所述的一種瞬態(tài)光柵衰減動力學的瞬態(tài)飽和吸收光譜測試方法，其特 征是當瞬態(tài)光柵由兩束同旋向圓偏振泵浦光之迭加光場激發(fā)半導(dǎo)體樣品產(chǎn)生時，分別測試 左、右旋圓偏振探測光之瞬態(tài)透射功率變化的時間延遲掃描曲線，并求兩者的差，反映了電 子自旋雙極輸運動力學；用說明書中描述的方程(3)擬合該差曲線，則能獲得電子自旋的 雙極擴散系數(shù)和遷移率。
全文摘要
一種瞬態(tài)光柵衰減動力學的瞬態(tài)飽和吸收光譜測試方法，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的瞬態(tài)光柵衰減動力學的衍射測試方法，能極大地提高測試靈敏度和信噪比，并能同時測量兩個輸運參數(shù)擴散系數(shù)和遷移率，在半導(dǎo)體動態(tài)輸運光學測試領(lǐng)域具有應(yīng)用價值。其特點是在瞬態(tài)光柵后設(shè)置一個與其周期和光柵條紋取向均一致的黑/白透射光柵，并與其盡量貼近。時間延遲探測光透過瞬態(tài)光柵和黑/白透射光柵，只有與黑/白光柵中白縫對應(yīng)的部分探測光射出，實現(xiàn)了對瞬態(tài)光柵的局部周期采樣。透射探測光的瞬態(tài)功率變化的時間延遲掃描曲線反映了瞬態(tài)光柵的衰減動力學。使用不同偏振態(tài)的探測光，能測試瞬態(tài)電子濃度光柵、瞬態(tài)電子自旋光柵和瞬態(tài)電子自旋濃度光柵的衰減動力學。
文檔編號G01J3/42GK101806722SQ201010123758
公開日2010年8月18日 申請日期2010年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月11日
發(fā)明者王文芳, 賴天樹, 陳科 申請人:中山大學