專利名稱：光激發(fā)半導體材料響應(yīng)分析的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光激發(fā)半導體材料響應(yīng)分析的方法和裝置，其中借助激光束在被測物中產(chǎn)生電子能量蓄積，并且以從樣品發(fā)出熒光的形式測量其馳豫過程。
事實上，在固體中主要是在半導體中，以高局部分辨率分析復(fù)合溝道的任務(wù)，當前在測量技術(shù)上使用的是接觸法或非接觸法。
在使用簡單的鎖相檢測調(diào)制(在頻域情況)或簡單的脈沖串積分調(diào)制(在時域情況)的電學的或光電方法的本質(zhì)缺點在于需要接觸。至于非接觸法，光致發(fā)光的測量是描述輻射復(fù)合特征的最古老方法之一(例如，見W.D.Johnston，Appl.Phys.Lett.33(1978)992).如由J.Marek在Appl.phys.Lett.49(1986)1732.中的文章可知，調(diào)制激發(fā)可以保證所需的測量靈敏度和通過選擇調(diào)制頻率有可能實現(xiàn)高的局部分辨率。一般局部可分辨的光致發(fā)光是用低激發(fā)密度載流子波的調(diào)制激光所產(chǎn)生。用這種方法，光強計算帶有很大誤差，所以一般只進行光譜分析。此外，為了容易分離直流光分量，光強調(diào)制限于低頻。
從以前測量技術(shù)中已知，許多用高激發(fā)能量的光熱譜方法均是非接觸測量法，其中例如US-PS4.579.463，DE4035266，和DE4223337作為代表。這些方法中的問題在于熱波占主導地位，所以在所測參數(shù)中材料熱特性的影響起主要作用，而具有載流子壽命小于1的載流子波的作用接近于零。這種情況極大地消弱了測量電學特性的能力。
因此，本發(fā)明的目的在于找到一種新的光激發(fā)半導體材料響應(yīng)分析的方法，該方法還可以足夠精確地測量較高激發(fā)功率和較短載流子壽命情況下的載流子波。
本發(fā)明的另一個目的是，借助光激發(fā)半導體測量載流子復(fù)合的光發(fā)射和非光發(fā)射溝道，并使這些溝道能夠分別用于計算處理。
在光激發(fā)半導體材料的響應(yīng)分析方法中，電子能量在被測物中的蓄積是用激光束來實現(xiàn)的，其馳豫過程是以被測物中發(fā)生熒光輻射的形式進行測量的，本發(fā)明的目的在于激勵激光束是強度調(diào)制的，其中頻率譜具有兩個分立的調(diào)制頻率，從被測物中發(fā)出的熒光以混頻測量，即或者用調(diào)制頻率的和頻率或者用差頻率進行測量，并且該熒光作為調(diào)制頻率的數(shù)學平均值的函數(shù)進行分析。
在激勵激光束中，產(chǎn)生兩個調(diào)制頻率是有利的，該激光束由兩個分光束組成，每個分光束由一個調(diào)制頻率進行強度調(diào)制。
為了從簡單的熒光測繪中(局部分辨的熒光測量)獲得測量數(shù)值，由這些數(shù)值可以通過以模型為基礎(chǔ)的計算直接得到半導體的電學參數(shù)，激勵激光束的調(diào)制頻率可適當?shù)卦诤軐挼念l率范圍內(nèi)(頻率掃描)變化，其中調(diào)制頻率之差保持恒定。
兩個分光束最好相互呈直角偏振。另外這兩個分光束最好聚焦于被測物上空間分離且很鄰近的兩個入射點上以便測量載流子壽命。為此目的，兩個分光束聚焦于被測物上的距離最多為受激載流子預(yù)期擴散長度的兩部是適宜的。
在激勵激光束中產(chǎn)生兩個分立調(diào)制頻率的另一種有效的方法是利用適當?shù)姆日{(diào)制提供的，其中激光束用載波頻率f1＝(Ω1＋Ω2)/2和基準時鐘頻率f2＝(Ω1－Ω2)調(diào)制，其中基準時鐘頻率的一個分量與一個由載波頻率和邊帶頻率(f1±f2)所組成的混合頻率相位相同，該分量被檢測并通過反饋將其作為調(diào)制過程的干擾量予以消除。在激勵激光束的雙調(diào)制方案中，兩個頻制頻率在保持固定的差頻情況下，在寬的頻率范圍內(nèi)適當變化(頻率掃描)，以便能夠測定被測物的電學參數(shù)。
通常，有三種有意義的方案(不考慮激勵類型)，用于檢測熒光輻射，一種常規(guī)的、便利的方案，尤其是用于具有相當厚度的半導體被測物，在于在被測物激勵的一側(cè)測量熒光。特別是由于對激勵激光束自動地有利屏蔽，在被測物受激勵一側(cè)的背面記錄熒光是適宜的。當然，相對于被測物的激勵面也能夠在任何側(cè)表面方便地測量熒光，例如在半導體晶片的周圍表面。
為了解決更多的問題，除了對熒光進行測量外，以有利的方式從與被測物作用后的激光束中記錄光熱響應(yīng)，并對其進行了分析和相關(guān)性研究，以使非發(fā)光響應(yīng)能與光熱響應(yīng)和熒光響應(yīng)區(qū)分開。光熱響應(yīng)的檢測是用已知方法進行的，如DE4035266和DE4223337中所述。
在光致發(fā)光響應(yīng)和光熱響應(yīng)結(jié)合在一起的同步測量中，被測信號最好取自空間分離的位置，其中兩個被測數(shù)值是在被測物的不同面上被檢測的。由于被測物通常對激光的透明度較弱，光熱響應(yīng)在激發(fā)一側(cè)檢測是合適的，而熒光則在被測物的另一面接收是合適的(例如，背面和側(cè)表面)。
在光激發(fā)半導體材料響應(yīng)分析的裝置中，激光束聚焦于被測物上產(chǎn)生電子能量蓄積，熒光檢測器用于測量由被測物發(fā)出的熒光輻射。根據(jù)本發(fā)明，激光束是強度調(diào)制的，并且在調(diào)制頻譜中含有兩個分立的調(diào)制頻率，熒光檢測器與頻率選擇部件相連，其中只有發(fā)生在被測物中有頻率轉(zhuǎn)換的熒光輻射分量可以在調(diào)制頻率的混合頻率、和頻率或差頻率下被檢測到，其中信號處理部件把以頻率選擇方式檢測到的檢測信號作為調(diào)制頻率算術(shù)平均值的函數(shù)進行分析，該部件安裝在熒光檢測器的后面。
用一個激光源產(chǎn)生雙調(diào)制的激光束是有利的，并且調(diào)制器元件組或調(diào)制器組件用兩個調(diào)制頻率調(diào)制激光源。產(chǎn)生雙調(diào)制激光束的另一合理方案在于，激光束由兩個分光束組成，每個分光束分別由調(diào)制頻率之一調(diào)制，而調(diào)制是由調(diào)制組件進行控制的。
一方面，這兩個分光束可以方便地由一個激光源經(jīng)過一個分光器來產(chǎn)生，每個分光束配置一個光學調(diào)制器，分別以調(diào)制頻率之一進行調(diào)制，在調(diào)制器后面安裝光學部件把分光束匯集在一起。在分光束光路中設(shè)備偏振光學部件是適宜的，使分光束相互呈正交偏振。
另一方面，分光束可方便地由兩個獨立的激光源提供，每個激光源由兩個調(diào)制頻率之一驅(qū)動。在這種情況下使用兩個激光二極管被證明是有利的，這兩個二極管的偏振光構(gòu)成偏振方向相互垂直的分光束。在最簡單的例子中，以這種方式產(chǎn)生的分光束被導入一個共同的光學系統(tǒng)，使其相互平行并聚焦于被測物表面的一個點上。把兩個分光束匯集一起使其重合是適宜的。
在一特殊裝置中，分光束以不平行的方式便利地導入共同的光學系統(tǒng)中，使得在被測物上形成很鄰近的、空間分離的分光束激發(fā)中心。受激載流子的擴散長度和遷移率可以這種方式進行測定。為了便于材料電學參數(shù)的計算，在準備雙調(diào)制激光束過程中，將驅(qū)動部件與調(diào)制器組件相結(jié)合，該驅(qū)動部件使調(diào)制頻率在很寬的頻率范圍內(nèi)變動(頻率掃描)，使調(diào)制頻率的算術(shù)差值總保持恒定。半導體中的發(fā)光馳豫過程特征參數(shù)可由頻率與熒光強度測量值的關(guān)系曲線來確定。
根據(jù)本發(fā)明在該裝置的另一結(jié)構(gòu)中，除熒光檢測器外，再提供一個激光檢測器，檢測與被測物相互作用后的激光束是可行的。該裝置根據(jù)由DE4035266和DE4223337已知的熱波響應(yīng)檢測原理所擴充，這種裝置可把受激載流子的熒光信號分量與總信號(由激光檢測器提供)分離。該分離是以光熱響應(yīng)和熒光響應(yīng)的測量為基礎(chǔ)，這兩種響應(yīng)在被測物光激勵的一個很寬的調(diào)制頻率范圍內(nèi)是彼此相關(guān)的。分離的結(jié)果提供半導體中有關(guān)發(fā)光和非發(fā)光溝道部分的信息。
為了防止激勵激光對熒光檢測器中熒光信號的干擾，有兩個可行的措施尤其適合于反射熒光和透射熒光的測量。其一是用二向色反射鏡，而另一是用吸收濾光片將激光束分離。這兩個措施也可聯(lián)合使用，而當被測物足以屏蔽激光束時也可將其省略。
本發(fā)明的基本構(gòu)思是以作為半導體中載流子發(fā)光弛豫機理的熒光知識為基礎(chǔ)的，該知識同樣可類似地應(yīng)用于材料中所有其它可能的發(fā)光馳豫過程。
已知，有多種周期性調(diào)制和非周期性調(diào)制光激發(fā)材料的方法用于熒光測量，例如EP0545523。另一面，采用多個頻率進行激發(fā)，最簡單的情況是用兩個頻率Ω1和Ω2，從測量技術(shù)來說，能夠提供從激發(fā)頻率范圍的頻率轉(zhuǎn)換獲得一個測量技術(shù)上合宜的測量頻率是具優(yōu)點的，該測量頻率是根據(jù)利用激發(fā)和馳豫過程中固有的非線性特性而獲得。在最簡單的情況下，當熒光強度與激發(fā)強度呈平方關(guān)系時，由被測物發(fā)出的熒光輻射不僅含有初始激發(fā)頻率Ω1和Ω2而且還含有其和頻率和差頻率Ω1±Ω2。因此在很寬的激發(fā)頻率范圍內(nèi)，以一種簡單方式，在固定的差頻率Ω1－Ω2下通過檢測各分量進行馳豫分析是可能的，并且用此種方法也可以進入高頻和超高頻范圍，而用已知方法只能困難地并損失部分精度才能進入該頻率范圍。發(fā)光馳豫過程的特性例如首先是其時間特性，可以由測量的熒光強度與頻率的關(guān)系來確定。
在本發(fā)明基本構(gòu)思的第一擴展中，有可能獲得有關(guān)被測物中受激載流子的擴散長度和遷移率的信息。將兩個分光束結(jié)合用于激發(fā)，兩個分光束各用兩個頻率Ω1和Ω2之一進行強度調(diào)制并且引導通過光學部件使兩個分光束射在被測物的空間分離的點上。在激發(fā)中心產(chǎn)生的載流子濃度與射入的分光束相一致，具有調(diào)制頻率Ω1或Ω2。在這種情況下被差頻Ω1－Ω2調(diào)制的熒光只出現(xiàn)在被Ω1或Ω2調(diào)制的載流子濃度重疊的空間區(qū)域。當激發(fā)位置的相互間距離最多等于受激載流子的兩個擴散長度時可獲得充分的重疊。因此激勵激光束兩個入射點之間距離的變化允許借助分析差頻Ω1－Ω2下的熒光強度與分光束間距離和其平均調(diào)制頻率(Ω1＋Ω2)/2間的關(guān)系以簡單的方式來確定該空間區(qū)域的大小。
本發(fā)明構(gòu)思的第二個擴展是發(fā)光馳豫(光致發(fā)光)的分析與光熱響應(yīng)信號的分析相結(jié)合。
眾所周知，在光熱測量中尤其是對半導體的測量，作為一個普遍的問題是受激載流子對被測物總的響應(yīng)有顯著貢獻。利用分別測量由載流子復(fù)合產(chǎn)生的光，有可能把受激載流子的發(fā)光馳豫信號分量與總信號分開。這種分開建立在一個寬的光激發(fā)調(diào)制頻率范圍內(nèi)測量被測物相關(guān)的光熱響應(yīng)和發(fā)光信號。在此測量過程中，光熱響應(yīng)分析同樣在頻率轉(zhuǎn)換(光熱外差作用)基礎(chǔ)上進行，如在Meas.Sci.Technol.2(1991)1088-1093.中所述。
在離開被測物的激勵光束部分中含有頻率轉(zhuǎn)換分量，這些分量帶有非發(fā)光的和發(fā)光的馳豫過程相互作用的明顯標記，而被測物熒光中的頻率轉(zhuǎn)換只來自發(fā)光過程。因此有可能利用兩種響應(yīng)類型的相關(guān)測量，把發(fā)光過程的響應(yīng)分量分開，并得到非發(fā)光分量的信息。
利用本發(fā)明方法的基本方案，用高頻激發(fā)和短的載流子壽命(小于1μs)的發(fā)光馳豫過程，可以簡單方式由能帶—到—能帶躍遷范圍得到空間的和關(guān)于信噪比方面的高分辨率熒光測量。這種測量也可以可靠地應(yīng)用于處在高溫下的被測物(例如，半導體襯底)。根據(jù)本發(fā)明方法的擴展方案和相應(yīng)的特殊裝置有可能完成載流子波的頻率分析，以便得到關(guān)于受激載流子的擴散長度和遷移率的信息，和分開被測物的發(fā)光和非發(fā)光響應(yīng)的信號分量，以便得到有關(guān)半導體中發(fā)光溝道和非發(fā)光溝道的信息和材料的各種電學參數(shù)。
下面借助實施例進一步闡述本發(fā)明。附圖如下

圖1示出根據(jù)本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)，在一個方案中，于被測物受激面的背面檢測熒光；圖2示出根據(jù)本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)，在一個方案中，于被測物的受激面檢測熒光；圖3示出一種根據(jù)本發(fā)明的裝置，用于組合的具有頻率轉(zhuǎn)換的熒光譜和光熱譜，在該裝置中激勵激光束由兩個偏振方向相互垂直的分光束組成；圖4示出一種根據(jù)本發(fā)明的裝置，用于組合的具有頻率轉(zhuǎn)換的熒光譜和光熱譜，在該裝置中在被測物的受激面檢測熒光；圖5示出一種根據(jù)本發(fā)明的裝置，用于組合的熒光譜和光熱譜，在該裝置中，用一個時鐘調(diào)制的激光束進行激發(fā)；圖6示出圖5所示實施例的強度調(diào)制時間分布曲線；圖7示出根據(jù)本發(fā)明的裝置，該裝置具有兩個分光束，這兩個分光束在空間分開的激發(fā)中心來激發(fā)被測物；圖8示出根據(jù)本發(fā)明的另一種裝置，該裝置具有兩個相互分開的激勵分光束；圖9示出根據(jù)本發(fā)明的裝置，該裝置具有熒光的側(cè)面檢測；圖10示出熒光形狀函數(shù)FCL與平均調(diào)制頻率Ω和過剩載流子平均壽命τ乘積的關(guān)系；圖11示出具有修正的、規(guī)一化參數(shù)的圖10的熒光形狀函數(shù)；本發(fā)明方法在其基本方案中包括●用具有兩個分立調(diào)制頻率Ω1和Ω2強度-調(diào)制的激光束向被測物輸入能量，●在和頻率(Ω1＋Ω2)和差頻率(Ω1－Ω2)下檢測由被測物4發(fā)出的熒光，以及●把檢測到的熒光作為調(diào)制頻率算術(shù)平均值的函數(shù)進行分析。該方法用圖1所示裝置實現(xiàn)。
用激光源1產(chǎn)生激光束，該激光束強度用調(diào)制器組件2調(diào)制成兩個調(diào)制頻率Ω1和Ω2。輸入的調(diào)制頻率Ω1和Ω2可以優(yōu)先在100KHz到2MHz頻率范圍內(nèi)選擇，并且一般選擇的兩個頻率彼此較接近(例如，(Ω1－Ω2)≈10KHz)。這種情況用調(diào)制器組件2附近的Ω1和Ω2的輸入箭頭表示。激光束用光學系統(tǒng)3聚焦并導向被測物4。用熒光檢測器5檢測由被測物4背面發(fā)出的熒光。因為熒光不是以平行的方式發(fā)出，為了減少信號損失該探測器應(yīng)該檢測盡可能大的空間角。由于這種原因該探測器被放置在盡可能靠近被測物4的背面。測量信號由熒光檢測器5進入鎖相放大器6，該放大器調(diào)整到差頻(Ω1－Ω2)并且從調(diào)制器組件2獲得參考信號。隨后的信號處理用信號處理器7完成，該處理器檢測鎖相放大器6的輸出信號并且記錄并把此信號作為Ω1和Ω2的函數(shù)進行計算。
在圖2裝置中，用激光二極管1產(chǎn)生激光束，借助調(diào)制組件2用兩個調(diào)制頻率Ω1和Ω2對該二極管進行強度調(diào)制。用二向色反射鏡8和光學系統(tǒng)3把激光束導向被測物4。二向色反射鏡8對激光波長是透明的而對熒光卻有較大的反射系數(shù)。由被測物4正面發(fā)出的熒光經(jīng)光學系統(tǒng)3使成平行光，于二向色反射鏡8處反射，并經(jīng)光學系統(tǒng)10導向熒光檢測器5。在二向色反射鏡8不能充分有效地分離激光束的情況下，在光束路徑中插入一個吸收濾光片9。測量信號還是由熒光檢測器5送到鎖相放大器6。信號的進一步處理與圖1所述一致。
本發(fā)明方法的一種擴展是借助使用掃頻來實現(xiàn)的，該掃頻容易實現(xiàn)而不必對檢測方法做任何改動。調(diào)制頻率Ω1和Ω2可在寬的頻率范圍內(nèi)變動，其中只需保證差頻(Ω1－Ω2)保持恒定。用這種方法極大地擴展了計算測量值的范圍，如下面將借助理論分析予以說明。
本發(fā)明的另一種實施結(jié)構(gòu)在于，把熒光檢測與光熱響應(yīng)的記錄相結(jié)合，該記錄從和被測物4相互作用后的激光束獲得。兩種響應(yīng)過程是在同一時刻記錄的，從而它們都與被測物4上的同一位置有關(guān)。下面將說明其計算模型。
根據(jù)本發(fā)明檢測差頻或基本時鐘頻率的發(fā)光響應(yīng)，可以用改變激勵頻率束來對載流子波進行頻率分析，該激勵頻率應(yīng)在盡可能大的范圍內(nèi)，但無論如何應(yīng)在復(fù)蓋載流子壽命τ的倒數(shù)的范圍內(nèi)改變。信號S表示接收到的熒光功率，該信號可以經(jīng)空間積分經(jīng)檢測器檢測的所有熒光分量獲得(理想情況下，檢測半空間HS內(nèi)的熒光輻射)S=LEgβ∫HSd3r→{ncos(Ω1t+ψn)pcos(Ω2t+ψp)+ncos(Ω2t+ψn)pcos(Ω1+ψp)}---(1)]]>其中各電子波n( t)或空穴波p( t)是幅度n或p(過剩載流子能帶中的濃度)和相位φn或φp與位置 的函數(shù)。根據(jù)公式(1)信號功率是由熒光衰減系數(shù)L、熒光的平均能量Eg和在熒光溝道中的復(fù)合率β＝σLV給出。這后一項是由發(fā)光復(fù)合俘獲截面σL和在能帶中載流子的熱速度給出并且有量綱[m3s-1]。
公式(1)中經(jīng)少數(shù)n個三角函數(shù)變換后，信號分量s可表示如下，該分量僅由差頻Ω12＝Ω1－Ω2確定
S=LEgβcos(Ω12t)·∫HSd3r→{npcos(ψn-ψp)}---(2)]]>=LEgβcos(Ω12t)·∫HSd3r→12{n·^p^*+n^*p^}]]>其中載流子波(n，p)和相位(φn，φp)已被復(fù)數(shù)變量 ＝ceiφ所取代(復(fù)數(shù)的共軛用*表示)。
人們知道，關(guān)于相應(yīng)波的相位信息是不能分開的，并且對過剩載流子(φn＝φp)相位等于零。但是仍然可以由 中提取材料的電參數(shù)，雙極性擴散系數(shù)D、表面復(fù)合速度S和過剩載流子壽命τ。在理想的載流子波(球面波)的情況下，可以用簡單的方法計算積分。假如在一個由激光光斑半徑W所確定的吸收區(qū)內(nèi)所蓄積的、調(diào)制激光功率為P，那么信號就可用下式計算S=L·P2w(hωD)2-β·Eg|1+wsD+p|21{p+p*};p2=(1+iΩτ)w2Dτ---(3)]]>從中可以看出，比式以激光光斑半徑W作為長度的度量進行絕對測量的計算。需要指出公式(3)中定義的變量p，如常規(guī)，表示載流子波的復(fù)數(shù)波數(shù)，因此不要與過?？昭舛萷( )混淆?，F(xiàn)在引入下面得到的具有量綱[w-1m-1]的變量作為在差頻時熒光輸出功率的轉(zhuǎn)換效率KLKL=SP2w=L·β·Eg(hωD)2·FcL---(4)]]>
借助掃頻利用平均調(diào)制頻率Ω＝(Ω1＋Ω2)/2確定無量綱發(fā)光形狀函數(shù)FcL(Ω)。過剩載流子壽命τ根據(jù)下式1τ=1τL+1τs---(5)]]>由熒光的(τL)和非發(fā)光的(τs)溝道所組成。圖10和圖11示出形狀函數(shù)的幾個函數(shù)關(guān)系。圖10示出發(fā)光形狀函數(shù)FcL與平均調(diào)制頻率Ω和過剩載流子平均壽命τ乘積的關(guān)系曲線。其曲線參數(shù)是在表面復(fù)合速度S＝0的情況下，用激光光斑半徑W規(guī)一化的載流子擴散長度lc=(2Dτ).]]>圖11示出發(fā)光形狀函數(shù)FcL與平均調(diào)制頻率Ω和過剩載流子平均壽命τ乘積的關(guān)系曲線，其曲線參數(shù)是在固定的擴散長度lc的情況下，用激光光斑半徑W和擴散系數(shù)D規(guī)一化的表面復(fù)合速度S。
為了把熒光和光熱響應(yīng)結(jié)合在一起進行分析計算，在設(shè)備技術(shù)上有多種方案。
在圖3的裝置中，激勵激光束由兩個偏振方向相互垂直的分光束組成，其中一個是由激勵二極管21，而另一個是由激光二極管22產(chǎn)生的。激光二極管21的光強由調(diào)制器組件2用頻率Ω1調(diào)制，激光二極管22的光強由調(diào)制器組件2用頻率Ω2調(diào)制。兩個分光束經(jīng)偏振開關(guān)19組合在一起，通過分光片12并用光學系統(tǒng)3聚焦到被測物4上。除由被測物4發(fā)出的熒光外，與被測物4相互作用后的激光束在該裝置中也應(yīng)被檢測。從被檢測物4出來的激光束用光學系統(tǒng)3使成平行，經(jīng)分光片12反射后到達適于檢測此激光的檢測器13。在此激光檢測器13的前面安置一個偏振濾光片26，其取向是只有由被測物4反回的兩個激勵分光束之一被激光檢測器13檢測。通過偏振濾光片的激光束分量含有所有關(guān)于經(jīng)頻率轉(zhuǎn)換的光熱響應(yīng)的信息。在選用另一種的偏振濾光片26(例如，偏振開關(guān))時，這個事實為把第二激光束分量用于其它目的(例如，參數(shù)檢測器、自聚焦檢測器等)提供了可能性，且不會對到達激光檢測器13的響應(yīng)信號產(chǎn)生不利影響。
特別是當缺少空間妨礙安置熒光檢測器5使其直接靠近被測物表面時，把由被測物4背面發(fā)出的熒光用一個光波導11收集是有利的，并且把它輸送到熒光檢測器。在該實施例中，作為示例使用了一個光波導11，因為熒光檢測器5(與其結(jié)構(gòu)形狀有關(guān))不能總是足夠近的接近被測物4的背面。例如，一個各面拋光的玻璃棒或者一束有足夠輸入截面的玻璃光纖可以用作光波導11。也可以用一個具有足夠大的入光孔徑的平行光學系統(tǒng)來檢測強發(fā)散熒光代替光波導11。在被測物4對激勵激光束的波長有明顯的或者起干擾作用的透明度的情況下，在光路中另外插入一個對熒光是透明的而吸收激光的吸收濾光片9。測量信號由熒光檢測器5和由激光檢測器13到達上面已述鎖相放大器6和另一鎖相放大器14，因此放大器分析激光檢測器13所提供的信號幅度和相位。這兩個鎖相放大器6和14被調(diào)到差頻(Ω1－Ω2)并且由調(diào)制器組件2得到它們的參考信號。它們的輸出信號送至信號處理器7，該處理器借助激勵頻率，用上述對測量信號的記錄和計算建立起鎖相放大器6和14提供測量信號的相關(guān)性。該處理器利用上述適當?shù)睦碚撃Ｐ退惴ㄌ峁┍粶y物中有關(guān)各發(fā)光和非發(fā)光馳豫機構(gòu)的信息。例如一個微計算機系統(tǒng)可以作為信號處理器用于這類大量信號的分析。
在圖4的裝置中，激光束用激光二極管1產(chǎn)生，其光強借助調(diào)制器組件2用兩個調(diào)制頻率Ω1和Ω2調(diào)制。激光束通過分光片12和二向色反射鏡8并借助光學系統(tǒng)3導至被測物4上，從被測物4再出來的激光由光學系統(tǒng)3接收并使成平行，穿過二向色反射鏡8，經(jīng)分光片12反射后到達適合于接收此激光的激光檢測器13。由被測物4正面發(fā)出的熒光經(jīng)光學系統(tǒng)3使成平行，在二向色反射鏡8處反射并經(jīng)光學系統(tǒng)10導向熒光檢測器5。結(jié)果二向色反射鏡8不能足夠有效地把激光分開，就在該光路中插入一個吸收濾光片9。測量信號由熒光檢測器5到達鎖相放大器6，和由激光檢測器13到達鎖相放大器14。信號的進一步處理與圖3所述相當。
在圖5的裝置中，用激光二極管1產(chǎn)生激勵激光束，其強度用調(diào)制器組件15調(diào)制。在圖6中示出用此調(diào)制器組件15調(diào)制產(chǎn)生的激光束的強度與時間的關(guān)系曲線。經(jīng)分光器16從激光束中耦合出一分光束并導向光學參考檢測器17，此參考檢測器17與鎖相放大器18和調(diào)制器組件15組成調(diào)整回路。該調(diào)整回路導致由參考檢測器17檢測的激勵激光束在頻率f2的分量調(diào)整到零。這種類型的調(diào)制在專利DE4223337中已有敘述。激勵激光束在通過偏振開關(guān)19和一個 一片20后，由光學系統(tǒng)3導向被測物4。由被測物4出來的部分激光束再由光學系統(tǒng)3接收，再通過 一片20，并在偏振開關(guān)19處耦合出通向激光檢測器13。用光波導11從被測物4的背面收集熒光并導向熒光檢測器5。吸收濾光片9可以再次插入光路中，以便分離起干擾作用的透過被測物4的激勵激光分量。測量信號由熒光檢測器5和由激光檢測器13到達鎖相放大器6和14，這些放大器調(diào)到基準時鐘頻率f2并由調(diào)制器組件15得到它們的參考信號。信號的進一步處理，根據(jù)圖3所述，由信號處理器7完成。
在所有上述方案中，根據(jù)本發(fā)明對與被測物4相互作用后的熒光和激光束在差頻(Ω1－Ω2)下進行分析。這種實施結(jié)構(gòu)是特別有利的，因為可以以簡單的方式在一寬的頻率范圍內(nèi)，在保持頻率差恒定的情況下，以相同的方向調(diào)節(jié)兩個調(diào)制頻率Ω1和Ω2來完成該分析。然后，這種方法有時是有缺點的，因為由檢測的熒光得不到響應(yīng)的相位信息，為了得到相位信息在和頻率(Ω1＋Ω2)下進行分析是可取的。這種運行方式參照圖7和圖8所示裝置是特別有利的，當然，本發(fā)明并不限于這些特定裝置。
在圖7所示裝置中，兩個激光二極管21和22產(chǎn)生兩個激光束，其強度用調(diào)制器組件2調(diào)制，調(diào)制頻率分別為Ω1和Ω2。兩個激光束進入光學系統(tǒng)3，并且作為空間分開的激勵分光束聚焦在被測物4上。入射點之間的距離可以借助兩個可滑動的透鏡23和24變動分光束的傾斜角來改變。用熒光檢測器5檢測由被測物4背面發(fā)出的熒光。測量信號由熒光檢測器5到達鎖相放大器6，該放大器調(diào)節(jié)到差頻(Ω1－Ω2)并且由調(diào)制器組件2得到其參考信號。信號的進一步處理用信號處理器7完成，該處理器接收和記錄鎖相放大器6的輸出信號，并且把這個信號作為Ω1和Ω2的函數(shù)和對分光束入射點的空間距離的依賴關(guān)系進行計算處理。
對調(diào)制頻率Ω1和Ω2的和頻率(Ω1＋Ω2)的測量值的頻率-選擇的記錄方法，該方法實質(zhì)上同樣屬于本發(fā)明，可以在這種結(jié)構(gòu)方案中(以及在下面敘述的圖8裝置中)有利地予以實現(xiàn)，在該方案中，在固定調(diào)制頻率Ω1和Ω2的情況下，把熒光作為激勵分光束入射點間相互距離的函數(shù)進行分析。
在圖8所示裝置中，用激光二極管21和22產(chǎn)生兩個激光束，它們的強度分別用頻率Ω1和Ω2進行調(diào)制。信號強度的調(diào)制是用調(diào)制器組件2實現(xiàn)的，兩個激光束通過偏振開關(guān)19和 一片20進入光學系統(tǒng)3，并且作為空間分離的激勵分光束聚焦在被測物4上。入射點之間的距離可以借助兩個滑動透鏡23和24變動分光束的入射角來改變。離開被測物的部分激勵光束重新被光學系統(tǒng)3接收，再通過 一片在偏振開關(guān)19處耦合出，并借助透鏡25導向激光探測器13。從被測物背面發(fā)出的熒光用光波導11接收，并導向熒光檢測器5，在有穿過被測物4的激勵激光干擾透射分量的情況下，在光路中可以再插入一個吸收濾光片9。測量信號由熒光檢測器5到達鎖相放大器6，該放大器調(diào)節(jié)到差頻(Ω1－Ω2)并由調(diào)制器組件2得到其參考信號。進一步的信號處理用處理7完成，該處理器接收和記錄鎖相放大器6的輸出信號，并把這個信號作為Ω1和Ω2的函數(shù)，依據(jù)分光束入射點的空間距離進行計算處理，此外，與圖3所示實施例相似完成對檢測器5和13提供信號的相關(guān)分析。
圖9示出圖1所示基本裝置的一種改型。這種改型的裝置可以用于分析被測物，其中從被測物4的側(cè)面發(fā)出一個較強的熒光分量，并且在此位置易被熒光檢測器5接收。這樣的情況是經(jīng)常出現(xiàn)的，例如在分析拋光的半導體片時，在這些片子中由于光導效應(yīng)熒光的較大部分可以在材料中傳播。在圖9所示裝置中，用激光二極管1產(chǎn)生激光束，其強度用調(diào)制器組件2調(diào)制成具有Ω1和Ω2的兩個頻率。該激光束用光學系統(tǒng)3聚焦并導向被測物4。從被測物4側(cè)面發(fā)出的熒光由透鏡10收集并傳給熒光檢測器5。測量信號由熒光檢測器5到達鎖相放大器6，該放大器調(diào)節(jié)到差頻(Ω1－Ω2)并由調(diào)制器組件2得到其參考信號。進一步的信號處理由信號處理器7完成。該處理器接收并記錄鎖相放大器6的輸出信號并把該信號作為Ω1和Ω2的函數(shù)進行計算處理。
當然，圖9示出的由被測物4側(cè)面發(fā)出的熒光的檢測，也可以用于圖2至圖8所示本發(fā)明基本裝置的所有其它改型中。
權(quán)利要求
1.用于光激發(fā)半導體材料響應(yīng)分析的方法，其中借助一個激光束在一被測物中產(chǎn)生電子能量蓄積，其馳豫過程以由被測物發(fā)出熒光輻射的形式被測量，其特征在于，—激勵激光束是強度調(diào)制的，其中調(diào)制頻譜具有兩個分立的調(diào)制頻率(Ω1；Ω2)，—由被測物(4)發(fā)出的熒光以調(diào)制頻率(Ω1；Ω2)的差頻(Ω1－Ω2)測量，以及—熒光被作為調(diào)制頻率(Ω1；Ω2)的算術(shù)平均值的函數(shù)進行分析。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，在入射激光束中的兩個調(diào)制頻率(Ω1；Ω2)是借助兩個分光束組成的激光束產(chǎn)生的，這兩個分光束各用一個調(diào)制頻率(Ω1；Ω2)進行強度調(diào)制。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其特征在于，激勵激光束的調(diào)制頻率(Ω1；Ω2)是在寬的范圍內(nèi)變化的，其中調(diào)制頻率(Ω1；Ω2)的差頻保持不變。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其特征在于，兩個分光束是相互呈直角偏振的。
5.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其特征在于，兩個分光束在被測物(4)上聚焦在空間分離的、很鄰近的入射點上。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其特征在于，分光束以最多兩倍于預(yù)期的受激載流子擴散長度的距離聚焦在被測物(4)上。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，入射激光束中兩個調(diào)制頻率(Ω1；Ω2)是借助激光束用載頻(f1)和基準時鐘頻率(f2)幅度調(diào)制產(chǎn)生的，其中載頻(f1)和基準時鐘頻率(f2)根據(jù)下列規(guī)則調(diào)整f1＝(Ω1＋Ω2)/2f2＝(Ω1－Ω2)以及基準時鐘頻率(f2)的一個分量，該分量與由載頻(f1)和邊頻帶(f1±f2)組成的混合頻率同相位，被檢測，并借助反饋此分量把它作為調(diào)制過程的干擾量予以消除。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其特征在于，調(diào)制頻率(Ω1；Ω2)在保持恒定差頻情況下，在寬的頻率范圍內(nèi)變化。
9.用于光激發(fā)半導體材料響應(yīng)分析的方法，其中借助一個激光束在一被測物中產(chǎn)生電子能量蓄積，其馳豫過程以由被測物發(fā)出熒光輻射的形式被測量，其特征在于，—激勵激光束是強度調(diào)制的，其中調(diào)制頻率具有兩個分立的調(diào)制頻率(Ω1；Ω2)，—由被測物(4)發(fā)出的熒光以調(diào)制頻率(Ω1；Ω2)的和頻率(Ω1＋Ω2)測量，以及—熒光被作為調(diào)制頻率(Ω1；Ω2)的算術(shù)平均值的函數(shù)進行分析。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其特征在于，在使用兩個分光束、這兩個分光束于被測物(4)上聚焦在空間分離的、很鄰近的入射點的情況下，熒光作為具有固定調(diào)制頻率Ω1和Ω2的激勵激光束的入射點的相互距離的函數(shù)進行分析。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，在被測物(4)受激光束激勵的一面測量熒光響應(yīng)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，在相對于被測物(4)受激勵面的背面測量熒光響應(yīng)。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，在相對于被測物(4)受激勵面的任意側(cè)面測量熒光響應(yīng)。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，除測量熒光外，還由與被測物(4)相互作用后的激光束記錄光熱響應(yīng)。并且完成兩個響應(yīng)過程的分析和相關(guān)性處理，以便能夠分離被測物(4)的非發(fā)光響應(yīng)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其特征在于，兩個測量過程在被測物(4)的不同側(cè)面進行。
16.光激發(fā)半導體材料響應(yīng)分析的裝置，其中為了電子能量蓄積，把一個激光束聚焦在被測物上和設(shè)置一個熒光檢測器測量從被測物發(fā)出的熒光輻射，其特征在于，—激光束是強度調(diào)制的并且在其調(diào)制譜中含有兩個分立的調(diào)制頻率(Ω1；Ω2)，—熒光檢測器(5)與一個頻率選擇部件(6)連接在一起，其中僅只有調(diào)制頻率(Ω1；Ω2)的差頻(Ω1－Ω2)的熒光輻射分量可以被檢測，這些分量是由在被測物中發(fā)生的頻率轉(zhuǎn)換所形成的，以及—一個分析檢測器信號的信號處理部件，檢測器信號是以頻率選擇方式檢測的，該信號作為調(diào)制頻率(Ω1；Ω2)的算術(shù)平均值的函數(shù)進行分析，此處理部件安置在熒光檢測器(5)的后面。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的裝置，其特征在于，有一個用于產(chǎn)生雙調(diào)制激光束的激光源(1)，和設(shè)置一個用兩個調(diào)制頻率(Ω1；Ω2)調(diào)制激光源(1)的調(diào)制器組件(2)。
18.根據(jù)權(quán)利要求16的裝置，其特征在于，激光束是由兩個分光束組成的，每個分光束用調(diào)制頻率(Ω1；Ω2)之一調(diào)制，并且這種調(diào)制是用調(diào)制器組件(2)控制的。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的裝置，其特征在于，激光源(1)后面設(shè)置一個分光器用于產(chǎn)生兩個分光束，其中在每一個分光束中安裝一個光學調(diào)制器，以便分別用調(diào)制頻率(Ω1；Ω2)之一對其進行調(diào)制，并且在調(diào)制器后面安裝光學部件把分光束匯集在一起。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的裝置，其特征在于，在分光束中設(shè)置偏振光學部件，使分光束的偏振方向相互呈直角。
21.根據(jù)權(quán)利要求18的裝置，其特征在于，有兩個獨立的激光源(21，22)，它們與調(diào)制器組件(2)連接，用調(diào)制頻率(Ω1；Ω2)之一對每個激光源(21，22)進行調(diào)制。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的裝置，其特征在于，兩個激光二極管用作兩個激光源(21，22)并且進行調(diào)整，使其偏振光成為相互呈直角偏振的分光束。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的裝置，其特征在于，這兩個分光束被導入一個共同的光學系統(tǒng)使其相互平行，并且聚焦在被測物表面的一點上。
24.根據(jù)權(quán)利要求22的裝置，其特征在于，分光束被聚在一起使其重合。
25.根據(jù)權(quán)利要求22的裝置，其特征在于，分光束以不平行的方式導入一個共同的光學系統(tǒng)，使在被測物(4)上形成靠的很近的、空間分離的分光束的入射點。
26.根據(jù)權(quán)利要求25的裝置，其特征在于，入射點被數(shù)值為最多兩倍于預(yù)期的受激載流子擴散長度的距離所分開。
27.根據(jù)權(quán)利要求25的裝置，其特征在于，可以這樣調(diào)整頻率選擇部件(6)，使選擇性地為檢測在差頻率(Ω1－Ω2)下，只有從發(fā)生在被測物(4)中的頻率轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的熒光輻射分量，在調(diào)制頻率(Ω1，Ω2)的和頻率(Ω1＋Ω2)下才能檢測到。
28.根據(jù)權(quán)利要求16的裝置，其特征在于，設(shè)置一個驅(qū)動部件用于在寬的范圍內(nèi)移動調(diào)制頻率(Ω1，Ω2)，其中驅(qū)動部件與調(diào)制器組件(2)連接，并且調(diào)制頻率(Ω1，Ω2)的算術(shù)差值總保持恒定。
29.根據(jù)權(quán)利要求16的裝置，其特征在于，除熒光檢測器(5)外，設(shè)置一個激光檢測器(13)檢測與被測物(4)相互作用后的激光束。
30.根據(jù)權(quán)利要求30的裝置，其特征在于，熒光檢測器(5)和激光檢測器(13)的輸出被送到各有關(guān)的鎖相放大器(6；14)，其中兩個鎖相放大器(6；14)作為頻率選擇部件被調(diào)節(jié)到調(diào)制頻率(Ω1；Ω2)的差頻率(Ω1－Ω2)，并且與調(diào)制器組件(2)連接以便獲得參考信息，以及信號處理部件是一個信號處理器(7)，用于對兩個鎖相放大器(6；14)的輸出信號進行記錄、計算和相關(guān)性處理，并提供被測物(4)中有關(guān)發(fā)光和非發(fā)光馳豫過程各自的信息。
31.根據(jù)權(quán)利要求16的裝置，其特征在于，設(shè)置一個二向色反光鏡(8)，用于把激光與熒光輻射分開。
32.根據(jù)權(quán)利要求16的裝置，其特征在于，在熒光檢測器(5)前面安裝一個吸收濾光片(9)，用于把干擾激光與熒光輻射分開。
全文摘要
本發(fā)明涉及用光激發(fā)半導體材料響應(yīng)分析的方法和裝置。根據(jù)本發(fā)明，激勵激光束用兩個分立調(diào)制頻率(Ω
文檔編號G01J3/28GK1135041SQ96104150
公開日1996年11月6日 申請日期1996年3月29日 優(yōu)先權(quán)日1995年3月31日
發(fā)明者M·瓦格納, H·-D·蓋勒 申請人:楊光學公開有限公司