一种电子电荷与自旋双极输运的透射光栅调制泵浦-探测光谱测试方法

摘要

一种透射光栅调制的泵浦-探测饱和吸收光谱测试方法，其特点是在样品前使用黑/白透射光栅调制泵浦光，产生周期矩形强度分布光栅，代替传统的双光束干涉形成的光栅，在样品中激发周期矩形浓度分布的电子光栅；使用探测光的饱和吸收变化代替传统的光栅衍射信号强度变化测量瞬态电子浓度光栅的衰减动力学；具有高灵敏度、实验装置简单等优点；实验装置原理图如摘要附图1所示，可以测量电子自旋的双极扩散常数；而当样品上沿光栅条纹垂直方向施加电场时，则可以同时测量电子自旋的双极扩散常数和迁移率。当去除1/4波片2和3时，则能够测量电子电荷的双极扩散常数和迁移率。应用于GaAs半导体的测试实例，显示了本发明的有益效果。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电子电荷与自旋的双极输运的光学测试方法。其特点是利用透射光栅调制脉冲激发光强的空间分布，在样品中激发起浓度周期分布的电子；再用另一弱脉冲光透过光栅探测此周期分布电子的衰减动力学；应用所发展的理论模型拟合此衰减动力学，就能获取电子的电荷与自旋的双极扩散常数和迁移率。在半导体测试与科学研究领域具有重要应用价值。

背景技术

电子的电荷与自旋输运是半导体中信息传递的重要途径。决定输运速度的两个物理量分别是扩散常数和迁移率。它们的测量是半导体物理与器件发展所必需的。迁移率在传统的半导体测试技术中通过测量霍尔系数和电阻率来间接测量。而扩散常数目前尚无成熟的电/磁学测试方法。通常只能通过测试迁移率(μ)，然后应用爱因斯坦关系eD＝μkT计算扩散常数(D)，式中e，k和T分别为电子电荷，波尔兹曼常数和绝对温度。然而，已有研究表明爱因斯坦关系并不总是成立的。近年来发展了扩散常数的瞬态电子光栅或自旋极化电子光栅衍射测试法。使用三束光入射在样品上，其中两束光干涉，形成光栅，在样品中激发瞬态电子光栅。第三束光透过瞬态电子光栅，产生衍射。通过测量衍射信号的衰减过程，则可以推算出电子的扩散常数。但这种衍射测试法的灵敏度低，光路复杂，需要三束光。此外，近年也报道了聚焦泵浦-探测光斑相对扫描时-空分辨饱和吸收光谱和法拉第转角光谱。但这些方法的实验装置都较复杂，需要时间和空间二维扫描系统，测试数据量也大，并且难于获得小的聚焦光斑，因而难于实现高空间分辨。更重要的是这些方法均不能同时测量迁移率，以验证爱因斯坦关系的有效性和有效条件。因而，发明高灵敏度、实验简单、能同时测量扩散常数和迁移率的测试方法，对半导体物理与器件发展都是重要的。

发明内容

本发明发展了一种透射光栅调制的泵浦-探测饱和吸收光谱测试方法，其实验测试原理如图1所示。与目前报道的瞬态光栅衍射测试方法对比，本发明的新方法具有如下三个优点。第一，灵敏度高；因为已有文献研究表明，瞬态光栅感应的饱和吸收变化比衍射信号强几乎2个数量级。第二，实验测试装置简单；因为只需要泵浦(4)和探测(5)两束光，而衍射测试法中需要至少三束光。第三，能同时测量扩散常数和迁移率，而目前的衍射测量法和时-空分辨扫描法均只能测量扩散常数，不能测量迁移率。

本发明的实验测试原理如图1所示。其关键特征在于引入黑/白透射光栅7。它位于样品8之前，并与样品8尽量靠近、以避免衍射效应。泵浦脉冲光束4和探测脉冲光束5透过光栅7照射在样品8上。受黑/白光栅调制，照射样品8的泵浦光斑的强度分布变成周期亮/暗分布的，因而在样品8中激发起浓度呈方波形周期分布的电子瞬态光栅。当1/4波片2不在光路中时，泵浦光为线偏振的、激发的瞬态电子光栅称为瞬态电荷光栅。而当2在泵浦光路中时，泵浦光是圆偏振的、激发的电子是自旋极化的，对应的瞬态光栅称为自旋极化瞬态光栅。线偏振(1/4波片3不在探测光路中)探测脉冲光束5透过光栅7与样品8中的瞬态电荷光栅，其瞬态透射功率变化动力学反映了瞬态电荷光栅的扩散与复合动力学。利用我们推导的如下理论模型，

$\mathrm{\Delta P}\left(t\right)=\mathrm{Aexp}(-t/\tau )[\frac{a^2{\pi }^2}{2{\Lambda }^2}+\underset{n=1}{\overset{+\infty }{\Sigma }}\frac{1}{n^2}{\sin }^2\left(\frac{\mathrm{n\pi }}{\Lambda }a\right)\exp (-\frac{4n^2{\pi }^2}{{\Lambda }^2}\mathrm{Dt})]---\left(1\right)$

拟合实验测试的瞬态透射功率变化动力学曲线，则可获得电子电荷的双极扩散常数D。式中A为拟合参数，τ为无透射光栅时电子或自旋极化电子的复合时间常数，为拟合参数；a为透射光栅中透射缝宽度，Λ为光栅周期；t为泵浦-探测脉冲间的延迟时间，为自变量。D为扩散常数，作为拟合参数。

当1/4波片2在泵浦光路中时，泵浦光为圆偏振的，假设为右旋圆偏振光(σ⁺)。它通过光栅7激发样品8，产生自旋极化电子瞬态光栅。当1/4波片3在探测光路中时，控制其方位角，可以产生右(σ⁺)或左(σ^-))旋圆偏振光。测量它们透过光栅7和样品8的瞬态透射功率变化动力学，并用σ⁺圆偏振光的瞬态透射功率变化动力学曲线减去σ^-圆偏振光的瞬态透射功率变化动力学曲线，并用方程(1)拟合此动力学差曲线。则可获得电子自旋双极扩散常数D。

本发明的另一目标是要测量电子电荷与自旋双极迁移率μ。因而，在样品面内沿光栅条纹垂直方向施加电场E，则泵浦光透过光栅7激发样品8产生的瞬态电子光栅就会随时间沿电场E的相反方向漂移。电子浓度的峰和谷就会依次扫过光栅的透射狭峰，因而调制探测光的瞬态透射功率，产生周期振荡的衰减动力学。因此，在样品上施加电场条件下，重复上面的线偏振光和圆偏振光实验测试，则能获得如图4所示的振荡衰减动力学曲线1和2。用我们推导的如下理论模型，

$\mathrm{\Delta P}\left(t\right)=\mathrm{Aexp}(-t/\tau )[\frac{a^2{\pi }^2}{2{\Lambda }^2}+\underset{n=1}{\overset{+\infty }{\Sigma }}\frac{1}{n^2}{\sin }^2\left(\frac{\mathrm{n\pi }}{\Lambda }a\right)\cos \left(\frac{2\mathrm{n\pi }}{\Lambda }\mathrm{\mu Et}\right)\exp (-\frac{4n^2{\pi }^2}{{\Lambda }^2}\mathrm{Dt})]---\left(2\right)$

拟合实验测量到的振荡衰减动力学曲线，就能同时获得电子电荷或自旋的双极扩散常数D和迁移率μ。

附图说明

图1透射光栅调制泵浦-探测实验装置原理图

图2GaAs的有/无透射光栅调制的线偏振光泵浦-探测瞬态饱和吸收衰减动力学

图3GaAs的有/无透射光栅调制的圆偏振光泵浦-探测瞬态饱和吸收衰减动力学

图4GaAs的电子电荷或自旋双极扩散与迁移引起瞬态饱和吸收振荡衰减动力学

图1中，1为通常的非共线时间分辨泵浦-探测实验装置，包括超短脉冲激光器，麦克尔逊非共线干涉仪，光学延迟线和光学斩波器；2和3为1/4波片，分别调节光束4和5为圆偏振光，其外面的虚线框表示它们是可根据实验需要拆卸的；4和5分别为泵浦和探测光，4的强度至少2倍于5的，并且4和5光束平行；6为透镜，聚焦光束4和5到位于其后焦平面上的样品8上的同一点；7为黑/白透射光栅，黑缝不透光，白缝透光，黑缝的宽度大于白缝的宽度；8为GaAs实验测试样品薄膜；9为光电探测器，测量探测光5的透射功率变化；10为透镜6的主光轴。

图2中，1为图1中无波片2和3及光栅7时测量的泵浦光激发电子的复合动力学；2为图1中无波片2和3但有光栅7时测量的泵浦光激发电子的复合与扩散动力学，其中空心方框线表示实验测试数据，而虚线表示方程(1)对实验测试数据的最小二乘拟合结果。

图3中，1为图1中有波片2和3但无光栅7时，同旋向圆偏振光泵浦-探测测量的自旋极化电子的复合动力学；2为图1中有波片2和3及光栅7时，同旋向圆偏振泵浦-探测光测量的自旋极化电子的复合与扩散动力学；3为图1中有波片2和3及光栅7时，相反旋向圆偏振泵浦-探测光测量的自旋极化电子的复合与扩散动力学；4为2减去3的差，其中空心圆表示实验值差，而虚线表示方程(1)对实验差数据的最小二乘拟合结果。

图4所示为使用方程(2)模拟计算的沿光栅条纹垂直方向施加电场E后，电子电荷或自旋的扩散与迁移同时发生时电子或自旋极化电子的复合、扩散和迁移动力学；模拟计算使用GaAs的典型参数。曲线1演示电荷双极扩散与迁移输运时，探测光的透射功率变化。计算使用的参数为μ＝6500cm²/(v.s)，τ＝12000ps，D＝17cm²/s及E＝4000V/cm，a＝1μm，Λ＝6μm。曲线2演示电子自旋双极扩散与迁移输运时，探测光的透射功率变化，计算使用的参数为μ＝3000cm²/(v.s)，τ＝150ps，D＝8.0cm²/s及E＝6000V/cm，a＝1μm，Λ＝6μm。

具体实施方式

本发明已具体实施，应用于GaAs的电荷和自旋极化电子的双极扩散输运测试。实验所用透射光栅参数为a＝1μm，Λ＝6μm。

实例一GaAs的电子电荷双极输运常数测试

实验装置原理图如图1所示，但1/4波片2和3去除，即保持泵浦光束4和探测光束5均为线偏振光。飞秒激光脉冲宽度约150fs，中心波长850nm，脉冲重复率90MHz。聚焦透镜6的焦距为50mm。设置飞秒泵浦光束4的平均功率为6.4mW，泵浦/探测光束功率比约为3。首先，去除透射光栅7，测试泵浦脉冲激发的电子的复合衰减动力学，如图2中曲线1所示。然后，放回透射光栅7，测试泵浦脉冲激发的电子光栅的复合与扩散衰减动力学，如图2中空心方框曲线2所示。比较曲线1和2，2的衰减速率明显快于1的，显示出扩散的明显作用。利用方程(1)最小二乘拟合曲线2中的空心方框曲线，获得电子的复合时间常数为τ＝12465ps，电荷的双极扩散常数D＝17.2cm²/s，后者与报道的结果一致，显示测试结果的可靠性和本发明测试方法的简单、高灵敏度等有益效果。拟合结果也显示在图2中，如曲线2中的虚线所示。

类似地，在样品上沿光栅条纹垂直方向施加电场，并重复上述实验测试。在样品前有光栅7的情况下，测试泵浦光脉冲激发电子光栅的复合与输运衰减动力学，应该能观察到图4中曲线1所示的振荡衰减曲线。利用方程(2)最小二乘拟合它，就能同时获得电子电荷的双极扩散常数D和迁移率μ。由于目前尚无带光刻制作微电极的GaAs样品，所以实验尚未进行。图4中曲线1是利用方程(2)，使用GaAs的典型参数值μ＝6500cm²/(v.s)，τ＝12000ps，D＝17cm²/s及E＝4000V/cm，a＝1μm，Λ＝6μm模拟计算的结果，演示实验测试的可行性。

实例二GaAs的电子自旋极化双极输运常数测试

实验装置原理图如图1所示，泵浦光束4和探测光束5均为圆偏振光。飞秒激光脉冲宽度约150fs，中心波长850nm，脉冲重复率90MHz。聚焦透镜6的焦距为50mm。设置飞秒泵浦光束4的平均功率为6.4mW，泵浦/探测光束功率比约为3。首先，去除透射光栅7，并设置泵浦和探测脉冲具有相同的圆偏振旋向，测试泵浦脉冲激发的自旋极化电子的复合衰减动力学，如图3中曲线1所示。然后，放回透射光栅7，重复同样的测试，得到图3中曲线2。对比曲线1和2，2比1明显衰减的快，显示出扩散输运的明显作用。旋转1/4波片3的方位角90度，使泵浦和探测激光脉冲具有相反的圆偏振旋向，再次测试圆偏振光泵浦脉冲激发的自旋电子光栅的扩散与复合衰减动力学，如图3中曲线3。用曲线2减去曲线3，得空心圆曲线4。用方程(1)最小二乘拟合空心圆曲线4，获得时间常数τ＝124.2ps，并首次获得电子自旋双极扩散常数D＝7.7cm²/s。拟合曲线也绘制在图3中，如虚线曲线4所示。能够首次测试出GaAs的电子自旋极化双极扩散系数，显示本发明测试方法的有益效果和重要应用价值。

类似地，在样品上沿光栅条纹垂直方向施加电场，并重复上述实验测试。在样品前有光栅7的情况下，测试泵浦光脉冲激发的自旋极化电子光栅的复合与输运衰减动力学，应该能观察到图4中曲线2所示的振荡衰减曲线。利用方程(2)最小二乘拟合它，就能同时获得电子自旋极化的双极扩散常数D和迁移率μ。同样地，由于尚无带微电极的GaAs样品，所以实验尚未进行。图4中曲线2是利用方程(2)，使用GaAs的典型参数值μ＝3000cm²/(v.s)，τ＝150ps，D＝8.0cm²/s及E＝6000V/cm，a＝1μm，Λ＝6μm模拟计算的结果，演示实验测试的可行性。