[发明专利]基于傅立叶变换红外光谱仪的磁光调制反射光谱装置

说明书

技术领域：

本发明涉及一种半导体材料磁光-光调制反射光谱测试方法及装置。具体地说，主要是基于傅立叶变换红外(Fourier Transform Infrared,FTIR)光谱仪步进扫描功能和外加泵浦光调制，实现对置于低温光学磁体杜瓦中的光电材料进行光调制反射光谱测量的装置与测试方法，具有精确、充分且无损表征半导体电子能带结构及参数的功能。

背景技术：

低温强磁场极端条件对半导体材料和器件的研究一直发挥至关重要的作用。对半导体材料施加磁场，引起时间反演对称性破缺，可反映材料磁致能级移动、分裂等能态结构变化；也可获取载流子有效质量、库伦相互作用等参数信息。通常，磁场中材料光学特性的测试手段包括光致发光、透射及反射谱。光致发光谱(Photoluminescence,PL)所揭示的信息局限于带-带、带边浅能级发光过程；透射、反射谱可以在更宽的范围反映能带、能级信息，但较强的背景增加了信号指认、处理的难度。光调制反射(Photoreflectance,PR)光谱作为一种有效的非接触式检测方法，广泛应用于半导体材料及其微结构的光学性质研究。由于其物理微分特性，PR谱可有效抑制背景信号，提供丰富的光跃迁信息。如果进一步将PR测试技术与低温强磁场条件创新性地结合，就将能够为半导体材料和器件研究开辟新的有效路径。

传统PR测试技术在两个方面受到限制：(1)泵浦光漫反射信号和泵浦光诱致PL信号导致假信号和检测器灵敏度局限；(2)仅能工作在5微米以短波段。低温、强磁场下的PR光学测量将变得尤为困难：(1)磁体及其容器的较大体积导致无法便捷地调整和优化样品在光路中的位置；(2)磁体与光谱测试系统之间必须保持足够距离以确保光谱仪中的机械、光电部件不受强磁场的干扰。这就使得现实情况是，磁光-PR极难、中远红外波段更是因机理局限而无法实施。

发明内容：

本发明旨在提供一种基于傅立叶变换红外光谱仪的磁光调制反射光谱装置，为研究半导体材料光电性质在磁场中的演化提供高效、精确、无损的技术手段。利用基于步进FTIR光谱仪的PR测试技术在信噪比、分辨率、灵敏度以及覆盖波段等方面显著优势，通过设计、优化泵浦/探测/检测光路，实现低温强磁场条件下的PR谱的有效测量是本发明核心内容。

本发明所利用的的核心设备是具有步进扫描功能的FTIR光谱仪和低温光学磁体杜瓦。此外，系统还包括泵浦激光、激光功率控制器、光学斩波器、高速数据采集与处理系统、锁相放大器、低通滤波器、外置检测器及配套低噪声高速前置放大器、泵浦/探测/检测光路、微调节减振隔震平台等组件。PR测试包括泵浦光和探测光两束光源。探测光引自光谱仪内置宽波段光源，通过干涉仪部件及探测光路后聚焦到样品表面，反射信号(R)经由检测光路送入检测器中转化为电信号，馈入低通滤波器；泵浦光引自激光器，通过泵浦光路聚焦到样品表面探测光相同位置，引起反射信号变化(ΔR)，经由检测器转化为电信号，馈入锁相放大器。两路信号由高速数据采集与处理系统收集、变换为PR光谱。通过选择不同波长的激光器，切换光谱仪中检测器、分束器、宽波段光源以及光学磁体窗片，可以实现不同波段PR光谱的有效测量。例如但不仅限于，选择氩离子激光器，卤素灯或硅碳棒，氟化钙或溴化钾分束器，硅、铟镓砷或液氮制冷的碲镉汞检测器，能够实现0.5-20微米波段PR光谱的有效测量。综上所述，本发明的技术方案如下：

本发明的一种基于FTIR光谱仪的磁光-PR光谱装置，包括：

-傅立叶调制与变换系统，其包括FTIR光谱仪和实施快速傅立叶变换操作的计算机；FTIR光谱仪内部位于干涉仪部件前端的宽波段光源输出探测光，通过干涉仪部件、探测光路后入射到样品上并反射。

-光调制与探测系统，其包括锁相放大器、光学斩波器、泵浦激光器及检测器。斩波器周期性调制激光，检测器接收转化为电信号。

-低温光学磁场系统，其主要用来提供测量中样品所需低温强磁场极端条件。-光路耦合系统，包括微调节减振隔震平台和反射-透射镜组。用来确保FTIR光谱仪、低温光学磁体杜瓦、激光器的振动隔离以及高度调节；构建探测/泵浦/检测光路。

以上所述的锁相放大器、斩波器均可采用商用产品，如Standford SR830DSP锁相放大器、Standford SR540光学机械斩波器等，但不限于此。所述FTIR光谱仪需具有步进扫描功能，如Bruker IFS66/S，但不限于此。低温光学磁场系统可选用但不限于Oxford SM4000-10光学磁体杜瓦。

根据本发明的构思，一种基于步进扫描的磁光调制反射光谱方法，具体步骤包括：