專利名稱：一種光致發(fā)光掃描測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種半導(dǎo)體材料的光致發(fā)光測(cè)量裝置，尤其涉及一種小型化低成 本可實(shí)現(xiàn)掃描測(cè)量的光致發(fā)光測(cè)量裝置。
背景技術(shù)：
光致發(fā)光測(cè)量方法是一種檢測(cè)材料電子結(jié)構(gòu)的方法，測(cè)量時(shí)不需要接觸到材料， 且不會(huì)對(duì)材料造成損害。實(shí)際測(cè)量中，光直接照射到材料表面，光被材料吸收后將能量傳遞 給材料，這些能量一部分轉(zhuǎn)換為熱能損耗掉，另一部分就以發(fā)光的形式消耗掉，這種由光激 發(fā)而發(fā)光的過(guò)程就稱為光致發(fā)光。如附圖1所示，被材料吸收的光與材料內(nèi)部的電子相互作用，電子吸收光子的能 量從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，當(dāng)被激發(fā)的電子回到價(jià)帶時(shí)，多余的能量就通過(guò)發(fā)光和其他的形式 釋放出來(lái)，所以這種被激發(fā)光的能量就與材料內(nèi)部?jī)蓚€(gè)能帶的間隙(帶隙)寬度相聯(lián)系，被 激發(fā)光的強(qiáng)度與輻射過(guò)程的貢獻(xiàn)有關(guān)。光致發(fā)光光譜的測(cè)量，可以應(yīng)用于材料的帶隙檢測(cè)、 雜質(zhì)等級(jí)和缺陷檢測(cè)，材料的復(fù)合機(jī)制和材料的品質(zhì)鑒定?，F(xiàn)有的光致發(fā)光測(cè)量裝置多采用空間光路的形式，激光器發(fā)出的激發(fā)光經(jīng)多個(gè)反 射鏡轉(zhuǎn)折光路，再經(jīng)一個(gè)線形偏振片轉(zhuǎn)為線偏光，由透鏡聚焦后，經(jīng)反射鏡照射到樣品上， 樣品固定在樣品臺(tái)上放置在一個(gè)恒溫箱中，進(jìn)行低溫下的光致發(fā)光測(cè)量時(shí)使用這個(gè)恒溫箱 保持低溫。使用一個(gè)反射鏡將樣品表面直接反射的激發(fā)光引出恒溫箱，避免對(duì)光致發(fā)光產(chǎn) 生干擾，樣品的光致發(fā)光由一個(gè)透鏡收集，經(jīng)線形偏振光濾掉剩余的激發(fā)光，再由一個(gè)透鏡 聚焦后進(jìn)入分光儀，由分光儀和CCD探測(cè)器組成一個(gè)光譜儀，測(cè)出光致發(fā)光光譜，將數(shù)據(jù)發(fā) 送到計(jì)算機(jī)處理并保存。這種光致發(fā)光測(cè)量裝置在光路中使用了大量的反射鏡和透鏡，增加了整個(gè)裝置的 體積以及調(diào)整的復(fù)雜度；使用了大量的機(jī)械固定裝置和機(jī)械調(diào)節(jié)裝置，增加了整套裝置的 成本；使用了垂直的固定樣品臺(tái)，不便于更換樣品也難以實(shí)現(xiàn)大塊樣品的掃描測(cè)量。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種光致發(fā)光掃描測(cè)量裝置。本實(shí)用新型的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的一種光致發(fā)光掃描測(cè)量裝置， 它包括激光器、耦合裝置、光纖耦合器、電動(dòng)樣品臺(tái)、光譜儀、系統(tǒng)控制器。其中，耦合裝置 由五維調(diào)節(jié)架和顯微鏡物鏡組成，激光器的出射光通過(guò)顯微鏡物鏡的中心并聚焦在光纖耦 合器的一個(gè)光纖端口上，光纖耦合器同側(cè)的另一個(gè)光纖端口連接光譜儀，光纖耦合器另一 側(cè)的一個(gè)光纖端口在電動(dòng)樣品臺(tái)的上方。電動(dòng)樣品臺(tái)和光譜儀分別通過(guò)數(shù)據(jù)線連接到系統(tǒng) 控制器上。進(jìn)一步地，所述光纖耦合器是一個(gè)三端口的光纖循環(huán)器。進(jìn)一步地，所述光纖耦合器是一個(gè)四端口的2x2光纖耦合器，該小型化低成本的 光致發(fā)光掃描測(cè)量裝置還包括一光探測(cè)器，所述四端口的2x2光纖耦合器的最后一個(gè)端口與光探測(cè)器相連。進(jìn)一步地，所述光纖耦合器的光纖是多模光纖。進(jìn)一步地，所述激光器1是半導(dǎo)體泵浦的摻釹釔鋁石榴石激光器。進(jìn)一步地，所述 系統(tǒng)控制器是計(jì)算機(jī)或嵌入式單片機(jī)。本實(shí)用新型的有益效果是，本實(shí)用新型小型化低成本的光致發(fā)光掃描測(cè)量裝置， 通過(guò)使用光纖光路來(lái)取代原有的空間光路，簡(jiǎn)化了對(duì)光路的調(diào)節(jié)步驟，去除了大量的機(jī)械 固定裝置和機(jī)械調(diào)整裝置，使用小型化的光譜儀，降低了成本，實(shí)現(xiàn)了整套裝置的小型化， 使用了系統(tǒng)控制器控制電動(dòng)樣品臺(tái)和光譜儀還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大塊樣品的掃描檢測(cè)。

圖1為光致發(fā)光現(xiàn)象在微觀領(lǐng)域的示意圖；圖2為本實(shí)用新型小型化低成本的光致發(fā)光掃描測(cè)量裝置示意圖；圖3為室溫條件下以InP為基底的InGaAsP量子阱材料的光致發(fā)光光譜；圖4為掃描測(cè)量樣品光致發(fā)光時(shí)的掃描路徑示意圖；圖5為掃描測(cè)量方式測(cè)得的大塊樣品的光致發(fā)光光譜峰值波長(zhǎng)分布圖；圖中，激光器1、耦合裝置2、光纖耦合器3、樣品4、電動(dòng)樣品臺(tái)5、光譜儀6、光探測(cè) 器7、系統(tǒng)控制器8。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型使用光纖光路代替了空間光路，簡(jiǎn)化了整套光致發(fā)光掃描測(cè)量裝置， 去除了大量的機(jī)械固定裝置和機(jī)械調(diào)節(jié)裝置，使用了小型化的光譜儀，實(shí)現(xiàn)整套系統(tǒng)的小 型化和低成本，利用系統(tǒng)控制器控制電動(dòng)樣品臺(tái)和光譜儀，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)大塊樣品的掃描測(cè)量。下面將根據(jù)附圖和實(shí)施例，具體說(shuō)明此實(shí)用新型，本實(shí)用新型的目的和效果將變 得更加明顯。如圖2所示，本實(shí)用新型的小型化低成本的光致發(fā)光掃描測(cè)量裝置包括激光器 1、耦合裝置2、光纖耦合器3、電動(dòng)樣品臺(tái)5、光譜儀6、光探測(cè)器7、系統(tǒng)控制器8。激光器1可以采用輸出波長(zhǎng)為1064nm的半導(dǎo)體泵浦摻釹釔鋁石榴石激光器，耦合 裝置2由五維調(diào)節(jié)架和顯微鏡物鏡組成，光纖耦合器3為2X2多模光纖耦合器，系統(tǒng)控制器 8可以為普通計(jì)算機(jī)。將激光器1固定在一個(gè)平臺(tái)上，在激光器1出射端的正前方放置耦合裝置2，調(diào)節(jié) 五維調(diào)節(jié)架使出射光正好通過(guò)顯微鏡物鏡的中心，并聚焦在光纖耦合器3的一個(gè)光纖端口 上，光纖耦合器3同側(cè)的另一個(gè)光纖端口連接到光譜儀6，光纖耦合器3另一側(cè)的兩個(gè)光纖 端口一個(gè)連到光探測(cè)器7，一個(gè)通過(guò)可以上下調(diào)節(jié)的支撐架固定在樣品4的正上方，樣品4 放置在電動(dòng)樣品臺(tái)上5上。電動(dòng)樣品臺(tái)5和光譜儀6分別通過(guò)數(shù)據(jù)線連接到系統(tǒng)控制器8 上。本實(shí)用新型的工作過(guò)程如下激光器1發(fā)出的激發(fā)光通過(guò)耦合裝置2中的顯微鏡 物鏡聚焦到光纖耦合器3的一個(gè)端口，該光纖耦合器3可以是2x2多模光纖耦合器，使用多 模光纖使得激發(fā)光更容易耦合進(jìn)入光纖端口，得到的耦合效率也更高。激發(fā)光經(jīng)光纖耦合器3分成兩路，一路傳送到它連接光探測(cè)器7的光纖端口，進(jìn)入光探測(cè)器7用于監(jiān)測(cè)光強(qiáng)， 如果光強(qiáng)低于正常的水平，就需要調(diào)節(jié)耦合裝置3中的五維調(diào)節(jié)架，直到光強(qiáng)達(dá)到正常水 平并固定。一路激發(fā)光傳送到光纖耦合器3同一方向上的另一個(gè)光纖端口，這個(gè)端口的光 纖固定在一個(gè)可上下調(diào)節(jié)的支架上，并垂直對(duì)準(zhǔn)電動(dòng)樣品臺(tái)5，將樣品4放置在電動(dòng)樣品臺(tái) 5上，手動(dòng)調(diào)節(jié)電動(dòng)樣品臺(tái)5，使樣品4剛好位于這個(gè)光纖端口的正下方，向下調(diào)節(jié)這根光纖 靠近樣品4，最后保持在樣品上方Imm的高度，既保證足夠高的光致發(fā)光效率，也保證了樣 品4移動(dòng)時(shí)不會(huì)碰到這個(gè)光纖。激發(fā)光從該光纖端口出射后照射到樣品4表面，激發(fā)出光 致發(fā)光，同時(shí)再由這個(gè)端口接收，2x2光纖耦合器3使用了多模光纖使得這個(gè)端口能接收更 多的光致發(fā)光用于測(cè)量。進(jìn)入端口的光致發(fā)光通過(guò)2x2光纖耦合器3傳送到它連接光譜儀 6的光纖端口，進(jìn)入光譜儀6，在光譜儀6上設(shè)置合適的參數(shù)，如初始波長(zhǎng)，終止波長(zhǎng)，參考 功率等，最終在光譜儀6上看到光致發(fā)光光譜譜線。在檢測(cè)過(guò)程中，幾乎不需要做機(jī)械的調(diào) 整，當(dāng)測(cè)量多個(gè)樣品4時(shí)，可以將所有樣品4同時(shí)放置在電動(dòng)樣品臺(tái)5上，通過(guò)調(diào)節(jié)電動(dòng)樣 品臺(tái)5將各個(gè)樣品4移到光纖端口下做檢測(cè)，在此過(guò)程中，不需要再做任何的光路調(diào)整。上述光纖耦合器3也可以是三端口的光纖循環(huán)器，則本實(shí)用新型的小型化低成本 的光致發(fā)光掃描測(cè)量裝置還可以省略光探測(cè)器7，這樣使得由靠近樣品4的光纖端口接受 到的光致發(fā)光能傳送到光譜儀6而只有很少的損耗。單次測(cè)量時(shí)，作為系統(tǒng)控制器8的計(jì)算機(jī)只需要控制光譜儀6，接受光譜儀6測(cè)量 的結(jié)果進(jìn)行處理并保存。如附圖3所示，為計(jì)算機(jī)上保存的光致發(fā)光光譜，使用的樣品是 InGaAsP/InP量子阱材料。掃描測(cè)量時(shí)，使用的樣品為InGaAsP/InP量子阱材料的基片，測(cè)量裝置組裝與單 次測(cè)量時(shí)相同。測(cè)量時(shí)，抬起電動(dòng)樣品臺(tái)5上方2x2光纖耦合器3的光纖端口，將樣品4放 置在電動(dòng)樣品臺(tái)5上，手動(dòng)調(diào)節(jié)電動(dòng)樣品5將樣品4的一個(gè)角移到這個(gè)光纖端口的正下方， 向下調(diào)節(jié)光纖靠近樣品4，最終保持在樣品4上方Imm的位置，設(shè)置光譜儀6上的參數(shù)，在光 譜儀6上得到光致發(fā)光光譜譜線。通過(guò)計(jì)算機(jī)控制電動(dòng)樣品臺(tái)5和光譜儀6，設(shè)置電動(dòng)樣品臺(tái)5要在χ方向和y方向 走過(guò)的長(zhǎng)度Lx和Ly，整個(gè)范圍Lx*Ly就是需要測(cè)量的樣品區(qū)域，設(shè)置電動(dòng)樣品臺(tái)5在兩個(gè) 方向移動(dòng)的步長(zhǎng)dx和dy，步長(zhǎng)大，掃描整塊樣品4的時(shí)間短，測(cè)量結(jié)果粗略，步長(zhǎng)小，掃描 整塊樣品4的時(shí)間長(zhǎng)，測(cè)量結(jié)果精細(xì)。設(shè)置測(cè)量樣品4上每個(gè)點(diǎn)的光致發(fā)光光譜時(shí)光譜儀 6需要傳送到計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)，如峰值波長(zhǎng)，峰值強(qiáng)度，譜線的半高全寬，甚至整個(gè)完整光致發(fā) 光光譜，本實(shí)施例中，設(shè)置光譜儀6返回光致發(fā)光光譜的峰值波長(zhǎng)。光譜儀6首先測(cè)量樣品4角上的光致發(fā)光光譜，以這個(gè)點(diǎn)為原點(diǎn)，如附圖4所示， 測(cè)到該點(diǎn)的光致發(fā)光光譜后，得到峰值波長(zhǎng)的值并傳送到計(jì)算機(jī)中，計(jì)算機(jī)確認(rèn)接收到光 譜儀6返回的數(shù)據(jù)后，發(fā)送命令到電動(dòng)樣品臺(tái)5，電動(dòng)樣品臺(tái)5帶動(dòng)樣品4在χ方向移動(dòng)一 個(gè)dx的長(zhǎng)度，測(cè)出這個(gè)點(diǎn)即(dx，0)的光致發(fā)光譜線，返回此時(shí)的峰值波長(zhǎng)，如此直到χ方 向到達(dá)點(diǎn)(Lx，0)，接著在y方向移動(dòng)一個(gè)dy的長(zhǎng)度到達(dá)點(diǎn)(Lx，dy)，然后向-χ方向移動(dòng)一 直到達(dá)點(diǎn)(0，dy)，整個(gè)測(cè)量過(guò)程遵循這條移動(dòng)路線測(cè)完整個(gè)樣品4，計(jì)算機(jī)將得到所有數(shù) 據(jù)保存到一個(gè)二維數(shù)組中，并畫出測(cè)量結(jié)果，如附圖5所示。本實(shí)用新型使用光纖光路取代了空間光路，減少了裝置裝配和實(shí)際檢測(cè)時(shí)的調(diào)整 步驟。去除了大量的機(jī)械固定裝置和機(jī)械調(diào)節(jié)裝置，使用小型化的光譜儀，實(shí)現(xiàn)了整套系統(tǒng)的小型化和低成本。使用了一個(gè)電動(dòng)樣品臺(tái)來(lái)放置樣品，并可通過(guò)計(jì)算機(jī)控制電動(dòng)位移臺(tái) 帶動(dòng)樣品移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)樣品的掃描檢測(cè)。上述系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)也可以用一個(gè)嵌入式單片 機(jī)取代，以實(shí)現(xiàn)便攜式、小型化的完整系統(tǒng)。 以上內(nèi)容僅為本實(shí)用新型的實(shí)施例，其目的并非用于對(duì)本實(shí)用新型所提出的系統(tǒng) 及方法的限制。在本實(shí)用新型的精神和權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，對(duì)本實(shí)用新型做出的任何 修改和改變，都落入本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求1.一種光致發(fā)光掃描測(cè)量裝置，其特征在于，它包括激光器(1)、耦合裝置(2)、光纖 耦合器(3)、電動(dòng)樣品臺(tái)(5)、光譜儀(6)、系統(tǒng)控制器(8)；其中，耦合裝置(2)由五維調(diào) 節(jié)架和顯微鏡物鏡組成，激光器(1)的出射光通過(guò)顯微鏡物鏡的中心并聚焦在光纖耦合器 (3)的一個(gè)光纖端口上，光纖耦合器(3)同側(cè)的另一個(gè)光纖端口連接光譜儀(6)，光纖耦合 器(3)另一側(cè)的一個(gè)光纖端口在電動(dòng)樣品臺(tái)(5)的上方；電動(dòng)樣品臺(tái)(5)和光譜儀(6)分 別通過(guò)數(shù)據(jù)線連接到系統(tǒng)控制器(8)上。
2.如權(quán)利要求1所述光致發(fā)光掃描測(cè)量裝置，其特征在于，所述光纖耦合器(3)是一個(gè) 三端口的光纖循環(huán)器。
3.如權(quán)利要求1所述光致發(fā)光掃描測(cè)量裝置，其特征在于，所述光纖耦合器(3)是一個(gè) 四端口的2x2光纖耦合器，該光致發(fā)光掃描測(cè)量裝置還包括一光探測(cè)器(7)，所述四端口的 2x2光纖耦合器的最后一個(gè)端口與光探測(cè)器(7)相連。
4.如權(quán)利要求1所述光致發(fā)光掃描測(cè)量裝置，其特征在于，所述光纖耦合器(3)的光纖 是多模光纖。
5.如權(quán)利要求1所述光致發(fā)光掃描測(cè)量裝置，其特征在于，所述激光器(1)是半導(dǎo)體泵 浦的摻釹釔鋁石榴石激光器。
6.如權(quán)利要求1所述光致發(fā)光掃描測(cè)量裝置，其特征在于，所述系統(tǒng)控制器(8)是計(jì)算機(jī)。
7.如權(quán)利要求1所述光致發(fā)光掃描測(cè)量裝置，其特征在于，所述系統(tǒng)控制器(8)是嵌入 式單片機(jī)。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種光致發(fā)光掃描測(cè)量裝置，它包括激光器、耦合裝置、光纖耦合器、電動(dòng)樣品臺(tái)、光譜儀、系統(tǒng)控制器；本實(shí)用新型通過(guò)使用光纖光路來(lái)取代原有的空間光路，簡(jiǎn)化了對(duì)光路的調(diào)節(jié)步驟，去除了大量的機(jī)械固定裝置和機(jī)械調(diào)整裝置，使用小型化的光譜儀，降低了成本，實(shí)現(xiàn)了整套裝置的小型化，使用了系統(tǒng)控制器控制電動(dòng)樣品臺(tái)和光譜儀還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大塊樣品的掃描檢測(cè)。
文檔編號(hào)G01N21/63GK201780269SQ20102050465
公開日2011年3月30日 申請(qǐng)日期2010年8月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月20日
發(fā)明者何建軍, 魏文雄 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)