專(zhuān)利名稱(chēng)：砷化鎵/鋁鎵砷紅外量子阱材料峰值響應(yīng)波長(zhǎng)的檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及紅外量子阱材料的檢測(cè)技術(shù)，特別涉及一種砷化鎵/鋁鎵砷紅外量子阱材料 峰值響應(yīng)波長(zhǎng)的檢測(cè)方法。
(二)
背景技術(shù)：
量子阱紅外探測(cè)器是上世紀(jì)八十年代出現(xiàn)的新型紅外探測(cè)器，被廣泛的用于國(guó)防、工業(yè) 和醫(yī)療等領(lǐng)域，量子阱紅外探測(cè)器的峰值響應(yīng)波長(zhǎng)是器件設(shè)計(jì)中應(yīng)首先考慮的一個(gè)重要參
數(shù)。而量子阱紅外探測(cè)器的響應(yīng)波長(zhǎng)取決于砷化鎵/鋁鎵砷(GaAS/Al。,,Ga(,7AS)量子阱材料 結(jié)構(gòu)參數(shù)。在結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)中，通過(guò)調(diào)節(jié)阱寬、壘寬以及AlGaAs中Al組分含量等參數(shù)，使 量子阱子帶輸運(yùn)的激發(fā)態(tài)被設(shè)計(jì)在阱內(nèi)(束縛態(tài))、阱外(連續(xù)態(tài))或者在勢(shì)壘的邊緣或者稍低 于勢(shì)壘頂(準(zhǔn)束縛態(tài))，以便滿(mǎn)足不同的探測(cè)器件的需要，獲得最優(yōu)化的探測(cè)靈敏度。因此.量 子阱材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)又稱(chēng)為"能帶工程"。按設(shè)計(jì)要求生長(zhǎng)出的多量子阱材料是否能制出預(yù)計(jì) 響應(yīng)波長(zhǎng)的紅外探測(cè)器， 一般通過(guò)兩種方法進(jìn)行檢測(cè)。第一種方法是將生成的材料制成紅外 器件，然后迸行光電流譜的測(cè)試，得到器件的峰值響應(yīng)波長(zhǎng)，據(jù)此判斷是否與理論設(shè)計(jì)一致。 而器件制備需要采用有關(guān)器件工藝，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間才能完成，這樣既消耗原材料，又浪費(fèi)時(shí) 間，極不經(jīng)濟(jì)實(shí)用；第二種方法是將生成材料樣品的側(cè)面進(jìn)行切割并拋光處理形成與表面為 45度的斜角，利用紅外吸收測(cè)量可判斷響應(yīng)峰值波長(zhǎng)，但處理樣品的過(guò)程是相當(dāng)繁瑣復(fù)雜 的，且造成材料的損壞和消耗浪費(fèi)。
拉曼散射的應(yīng)用涉及許多學(xué)科領(lǐng)域，例如物理學(xué)，化學(xué)，材料科學(xué)等。它可以用于研 究固體的元激發(fā)，包括極化聲子，激子，磁振子，朗道能級(jí)等；研究薄膜小顆粒，薄膜，超 晶格系統(tǒng)振動(dòng)特性的尺寸效應(yīng)，界面效應(yīng)，應(yīng)力效應(yīng)，聲子限制效應(yīng)，介電限域效應(yīng)，量子 效應(yīng)等；研究半導(dǎo)體鍵角，無(wú)序性，應(yīng)變，應(yīng)力效應(yīng)，量子點(diǎn)，量子線以及應(yīng)變層超晶格可 靠性等。在研究砷化鎵/鋁鎵砷紅外量子阱材料時(shí)通常是利用拉曼散射來(lái)反映材料的晶格振 動(dòng)情況，而拉曼散射的應(yīng)用從來(lái)就未涉及到紅外量子阱材料的峰值響應(yīng)波長(zhǎng)。
(三)

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，解決傳統(tǒng)方法在測(cè)量過(guò)程中所遇到的困難，本發(fā)明利用拉曼散 射光譜方法研究量子阱紅外材料子帶間躍遷，提出一種砷化鎵/鋁鎵砷紅外量子阱材料峰值 響應(yīng)波長(zhǎng)的檢測(cè)方法。
一種砷化鎵/鋁鎵砷紅外量子阱材料峰值響應(yīng)波長(zhǎng)的檢測(cè)方法，歩驟如下
a. 把砷化鎵/鋁鎵砷紅外多量子阱材料切割成矩形樣品；
b. 將材料樣品用固定夾固定，放置在拉曼光譜儀的樣品測(cè)試臺(tái)上；
c. 打開(kāi)拉曼光譜儀的電源開(kāi)關(guān)，將拉曼光譜儀的激光器作為激發(fā)光源，選擇波長(zhǎng)為782rnn 的激光，調(diào)整入射激光光束使其聚焦成直徑為l陶的光斑，將其匯集并照射在材料樣品上； 材料樣品測(cè)試面放置應(yīng)選擇使量子阱層面平行于入射光束照射方向，在室溫下采用背散射 (即散射角180°)方式進(jìn)行測(cè)試；
d. 材料樣品測(cè)試面的散射光線經(jīng)透鏡的匯聚返回拉曼光譜儀中，拉曼光譜儀中CCD探測(cè)
器接收到光信號(hào)，經(jīng)拉曼光譜儀中的計(jì)算機(jī)對(duì)光信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到材料的拉曼散射光 譜e.把拉曼散射光譜圖中最強(qiáng)峰對(duì)應(yīng)的拉曼頻移A巧帶入關(guān)系式、=1中可換算成波
長(zhǎng)，該波長(zhǎng)即為紅外量子阱材料峰值響應(yīng)波長(zhǎng)。
本發(fā)明材料的量子阱結(jié)構(gòu)為摻Si的砷化鎵(GaAs)和鋁鎵砷(Al。.3Ga。.7As)按設(shè)計(jì)要求 交替生長(zhǎng)出的薄層結(jié)構(gòu)，多量子阱結(jié)構(gòu)為砷化鎵/鋁鎵砷(GaAS/Al(,,Ga(,7AS)薄層結(jié)構(gòu)的周 期性重復(fù)。
拉曼譜圖的最強(qiáng)峰對(duì)應(yīng)的頻移A巧與材料峰值響應(yīng)波長(zhǎng)A,'之間的關(guān)系為義。=-.-、--，因
p A巧
此本發(fā)明方法可通過(guò)對(duì)譜圖的分析，利用最強(qiáng)峰對(duì)應(yīng)的頻移A巧，通過(guò)上述公式求得材料的 峰值響應(yīng)波長(zhǎng)入p 。
本發(fā)明方法的工作過(guò)程如下
拉曼光譜儀的激光束通過(guò)準(zhǔn)直擴(kuò)束后經(jīng)由拉曼光譜儀的顯微鏡輸出，并由透鏡聚焦于樣 品表面，樣品表面的散射光通過(guò)透鏡的匯聚返回拉曼光譜儀中，經(jīng)過(guò)拉曼光譜儀中的瑞利濾
光片和光柵分光系統(tǒng)最后匯聚到CCD探測(cè)器上，計(jì)算機(jī)分析處理探測(cè)器采集的數(shù)據(jù)得到樣品 的拉曼光譜圖，依據(jù)拉曼光譜圖可得到材料的峰值響應(yīng)波長(zhǎng)。
利用本發(fā)明方法所測(cè)得被測(cè)材料的拉曼散射光譜，得到材料的峰值響應(yīng)波長(zhǎng)，與同一材 料制作的紅外探測(cè)器光電流譜所測(cè)得波長(zhǎng)比較，精度相當(dāng)。
本發(fā)明方法不僅適用于GaAs /Al .3Ga。.7As量子阱紅外材料，也可用于其他紅外量子阱 材料峰值響應(yīng)波長(zhǎng)的檢測(cè)，如HgTe-CdTe超晶格材料等。
本發(fā)明方法的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)材料峰值響應(yīng)波長(zhǎng)的檢測(cè)即不用制作成器件，也不用切割并拋 光處理材料表面，從而節(jié)約了時(shí)間，減少了勞動(dòng)成本，省時(shí)省力；樣品的處理過(guò)程相當(dāng)簡(jiǎn)單， 避免了繁瑣復(fù)雜的處理過(guò)程；且不易造成材料的損壞和消耗浪費(fèi)。
(四)


圖1是本發(fā)明方法的測(cè)試光路示意圖，圖2是本發(fā)明材料樣品的量子阱結(jié)構(gòu)示意圖， 圖3是本發(fā)明拉曼散射光譜圖，圖4是探測(cè)器響應(yīng)峰值波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的電子躍遷示意圖。
其中1.材料樣品，2.顯微鏡，3.瑞利濾光片，4.光柵，5. CCD探測(cè)器，6.擴(kuò)束器 7. 激光器，8.砷化鎵(GaAs)襯底，9.鋁鎵砷(Al .3Ga。.7As)薄層，10.砷化鎵(GaAs)薄層，11. 透鏡
具體實(shí)施方式
實(shí)施例
本發(fā)明實(shí)施例如圖1和圖2所示，所測(cè)砷化鎵/鋁鎵砷紅外多量子阱材料的砷化鎵襯底8 上生長(zhǎng):Um厚慘Si (n=2X1018cm—3)的砷化鎵(GaAs)接觸層，然后，在此基礎(chǔ)上生長(zhǎng)50 個(gè)周期的GaAs /Al .:iGa(1.7As量子阱，其中砷化鎵(GaAs)薄層10阱寬4, 8nra.，摻Si濃度 n=l X 10lscm—、鋁鎵砷(Al,).:(Ga .7As)薄層9壘寬為10nm 。最后生長(zhǎng)O. 5um的GaAs接觸 層(摻Si，濃度為n=2X1018cm—:')。
砷化鎵/鋁鎵砷紅外量子阱材料峰值響應(yīng)波長(zhǎng)的檢測(cè)方法，步驟如下
a. 把砷化鎵/鋁鎵砷紅外多量子阱材料切割成矩形材料樣品1;
b. 將材料樣品1用固定夾同定，放置在拉曼光譜儀的樣品測(cè)試臺(tái)上；
C.打開(kāi)拉曼光譜儀的電源開(kāi)關(guān)，將拉曼光譜儀的激光器7作為激發(fā)光源，選擇波長(zhǎng)為 782nm的激光，調(diào)整入射激光光束使其聚焦成直徑為lWn，該激光光束經(jīng)由拉曼光譜儀內(nèi)的 擴(kuò)束器6和濾光片3，由拉曼光譜儀的顯微鏡2輸出，將其匯集并照射在材料樣品1 h:材 料樣品1測(cè)試面放置應(yīng)選擇使量了阱層面平行于出射光束照射方向(如圖1中虛線橢圓所括 的放大圖所示)，在室溫下(300K)采用背散射(即散射角180")方式進(jìn)行測(cè)試；
d. 材料樣品1測(cè)試面的散射光線經(jīng)透鏡11的匯聚返回拉曼光譜儀中，拉曼光譜儀中CCD 探測(cè)器5接收到光信號(hào)，經(jīng)拉曼光譜儀中的計(jì)算機(jī)對(duì)光信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到材料的拉曼 散射光譜e. 把拉曼散射光譜圖中最強(qiáng)峰對(duì)應(yīng)的拉曼頻移A^帶入關(guān)系式義。=1中可換算成波
長(zhǎng)，該波長(zhǎng)即為紅外量子阱材料峰植響應(yīng)波長(zhǎng)。
本實(shí)施例測(cè)試過(guò)程中所用拉曼光譜儀是英國(guó)Renishaw公司生產(chǎn)的RM2000型共聚焦顯微 拉曼光譜儀，該光譜儀的分辨率為2cnT1，半導(dǎo)體激光器7的功率是25mW。
本實(shí)施例所測(cè)材料樣品1的拉曼散射光譜如圖3所示，圖中縱坐標(biāo)代表材料的光譜響應(yīng)
強(qiáng)度，橫坐標(biāo)代表拉曼頻移，所測(cè)曲線的最強(qiáng)峰值處對(duì)應(yīng)橫坐標(biāo)為Ag=1171. 2cm—'。
根據(jù)材料量子阱結(jié)構(gòu)的阱寬，壘寬和阱深等參數(shù)可計(jì)算得到量子阱中的基態(tài)能級(jí)的能量 R。和阱口的第」激發(fā)態(tài)能級(jí)的能量E,，由于GaAs/Al(uGa。.7As量子阱紅外材料的峰值響應(yīng)波 長(zhǎng)對(duì)應(yīng)量子阱中基態(tài)電子向第一激發(fā)態(tài)躍遷，如圖4所示，峰值響應(yīng)波長(zhǎng)可通過(guò)公式 、=Ac/(^7。-￡。)計(jì)算得到(〃。是阱深)，這也是材料峰值響應(yīng)波長(zhǎng)的理論計(jì)算值。由此
可知實(shí)施例中材料的峰值響應(yīng)波長(zhǎng)的理論計(jì)算值為
、—￡。) = Ac/(227 —78) =8.33， (he為常數(shù))。
譜圖中的最強(qiáng)峰對(duì)應(yīng)的拉曼頻移A巧二l] 71. 2cm—1換算成波長(zhǎng)為
義 = =——^——=8.53萍， pAS 1171.2
通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)材料的峰值響應(yīng)波長(zhǎng)的理論計(jì)算值和譜圖中最強(qiáng)峰的拉曼頻移對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)值
符合得非常好，這說(shuō)明了本發(fā)明方法得到的拉曼譜閣的最強(qiáng)處峰值對(duì)應(yīng)GaAs /Al。.3Ga .7As量 子阱紅外材料的峰值響應(yīng)。利用本發(fā)明的方法，通過(guò)GaAs /Ala:fGa。.7As量子阱紅外材料的 拉曼光譜即可獲得材料峰值響應(yīng)波長(zhǎng)。
權(quán)利要求
1.一種砷化鎵/鋁鎵砷紅外量子阱材料峰值響應(yīng)波長(zhǎng)的檢測(cè)方法，步驟如下a.把砷化鎵/鋁鎵砷紅外多量子阱材料切割成矩形樣品；b.將材料樣品用固定夾固定，放置在拉曼光譜儀的樣品測(cè)試臺(tái)上；c.打開(kāi)拉曼光譜儀的電源開(kāi)關(guān)，將拉曼光譜儀的激光器作為激發(fā)光源，選擇波長(zhǎng)為782nm的激光，調(diào)整入射激光光束使其聚焦成直徑為1μm，該激光光束經(jīng)由拉曼光譜儀內(nèi)的擴(kuò)束器和濾光片，由拉曼光譜儀的顯微鏡輸出，將其匯集并照射在材料樣品上；材料樣品測(cè)試面放置應(yīng)選擇使量子阱層面平行于出射光束照射方向，在室溫下采用背散射方式進(jìn)行測(cè)試；d.材料樣品測(cè)試面的散射光線經(jīng)透鏡的匯聚返回拉曼光譜儀中，拉曼光譜儀中CCD探測(cè)器接收到光信號(hào)，經(jīng)拉曼光譜儀中的計(jì)算機(jī)對(duì)光信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到材料的拉曼散射光譜圖；e.把拉曼散射光譜圖中最強(qiáng)峰對(duì)應(yīng)的拉曼頻移帶入關(guān)系式<math-cwu><![CDATA[<math> <mrow><msub> <mi>&lambda;</mi> <mi>p</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mn>1</mn> <mrow><mi>&Delta;</mi><msub> <mover><mi>v</mi><mo>~</mo> </mover> <mn>1</mn></msub> </mrow></mfrac> </mrow></math>]]></math-cwu><!--img id="icf0002" file="S2007101161227C00012.gif" wi="70" he="42" img-content="drawing" img-format="tif"/-->中可換算成波長(zhǎng)，該波長(zhǎng)即為紅外量子阱材料峰值響應(yīng)波長(zhǎng)。
全文摘要
一種砷化鎵/鋁鎵砷紅外量子阱材料峰值響應(yīng)波長(zhǎng)的檢測(cè)方法。利用拉曼光譜儀對(duì)紅外量子阱材料進(jìn)行背散射測(cè)試，得到材料的拉曼散射光譜圖；把測(cè)得的最強(qiáng)峰值拉曼頻移Δv₁換算成波長(zhǎng)，即為該紅外量子阱材料的峰值響應(yīng)波長(zhǎng)。本發(fā)明方法的優(yōu)點(diǎn)是省時(shí)省力；樣品的處理過(guò)程簡(jiǎn)單，避免了繁瑣復(fù)雜的處理過(guò)程；且不易造成材料的損壞和消耗浪費(fèi)。
文檔編號(hào)G01N21/63GK101201324SQ20071011612
公開(kāi)日2008年6月18日 申請(qǐng)日期2007年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月7日
發(fā)明者王青圃, 程興奎, 潔 連 申請(qǐng)人:山東大學(xué)