[发明专利]碲镉汞材料光学激活深能级上载流子弛豫时间的检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体薄膜材料特性的检测技术，具体是指一种用脉冲激光泵 浦-探测实验检测碲镉汞薄膜材料光学激活深能级上载流子弛豫时间的方法。

背景技术

碲镉汞(HgCdTe)红外探测器在军事及航天领域有着重要的应用价值。 尽管碲镉汞材料的制备工艺日趋成熟，但是由分子束外延生长的碲镉汞薄膜材 料仍然不可避免地存在缺陷，形成能隙中的深能级。由于深能级缺陷的存在， 使器件的少子寿命、电学噪声等性质受到影响，从而也影响到器件性能，限制 了它的应用。因此对碲镉汞材料中的深能级缺陷特性的研究就显得尤为重要。 目前对于深能级特性的表征通常使用深能级瞬态谱(DLTS)等方法进行测试。 作为一种电学方法，其给出的是深能级的电学特性，不能独立地分离性地给出 对器件光电响应有影响的那部分深能级的信息。对于碲镉汞这样一种光电探测 材料，人们最关心的往往是影响器件光电响应的那部分深能级的特性。因此， 本发明中采用的光学激发(泵浦)-探测方法得到碲镉汞薄膜材料中光学活性 深能级上非平衡载流子的弛豫时间特性对于碲镉汞红外探测器性能的优化具 有更为重要的实际意义。

发明内容

由于现有检测深能级的常规方法会使所有的深能级信息全部包含在其中， 本发明的目的是提出一种检测深能级缺陷的方法，能够直接表征光学活性的深 能级，排除非光学激活深能级的干扰。

本发明采用的皮秒泵浦-探测实验技术使用脉冲宽度为30皮秒的脉冲激 光，经分束器分光后形成泵浦光和探测光，通过两束光脉冲之间不同的延迟时 间得到探测光相对透射率变化曲线。这种方法研究碲镉汞深能级优势在于：直 接用光学方法进行检测，所考察是光学激活的深能级，也就是对于碲镉汞光电 探测具有直接影响的深能级，这些都是探测器性能中最需要关注的深能级；与 包含所有的深能级信息的常规深能级谱检测方法不同，本方法是只探测光学激 活的深能级，探测信息来自于具有较大偶极矩，即对于载流子散射较大，对器 件性能影响大的深能级，而把偶极矩小的，对器件影响小的深能级排除在外。 因此本发明能够在深能级特性上为器件优化提供更明确的材料参数。

本发明的工作原理是：用一束光子能量大于碲镉汞禁带宽度并且相对较强 的脉冲激光束作为泵浦光对碲镉汞半导体薄膜进行激发，用另一束相同光子能 量但强度相对较弱的脉冲激光束作为探测光对泵浦光照射的点进行探测。两脉 冲抵达样品表面的相对时间可以通过延迟线上反射镜的位置变化进行调节。泵 浦光激发样品中的载流子跃迁到导带，在带隙中存在深能级的情况下，脉冲光 激发结束后导带中的光生载流子将被深能级俘获，之后通过向价带释放电子形 成电子-空穴复合，样品中的电子分布逐渐恢复到平衡时的状态。在整个载流 子跃迁-复合过程中，光生载流子的浓度是随时间变化的。而这种浓度随时间 的变化决定着探测光束的透过率。在载流子浓度最大时，如果探测光脉冲此时 到达，则由于可供探测光激发跃迁的载流子数和状态数均为最小，探测光脉冲 的光子被吸收得最少，因此其透射强度有一个极大值。在此之前和之后的时刻， 由泵浦光激发的载流子浓度不在最大值，因此对探测光的吸收也要大于最小 值，导致探测光脉冲的透射强度均小于极大值。尤其是对于探测光脉冲在泵浦 光脉冲之后到达样品的时间段，探测光脉冲的透射强度随延迟时间的变化反映 出导带中载流子浓度随时间的变化。因此，通过测量探测光脉冲透过率随延迟 时间变化的关系能够得到光生载流子的复合时间常数，反映出载流子的复合寿 命。

在带隙中深能级达到一定浓度的情况下，深能级参与载流子复合过程的作 用变得相对更为重要，使得探测光脉冲的透射强度随延迟时间的变化关系变得 较为复杂。在所测量的碲镉汞情形，导带中的光生载流子在泵浦结束之后将首 先被深能级俘获，之后通过向价带释放电子而逐渐恢复到平衡态。在此过程中 部分载流子会被探测光脉冲重新激发进入导带，导致探测光子被大量吸收，使 得观察到的探测光透射强度甚至小于不加泵浦光时的透射强度T₀，造成在相对 透射强度的延时变化曲线中出现一个数值为负的吸收谷，如图2所示。随着时 间的推移，深能级上的载流子数目逐渐减小，探测光脉冲的透射强度因此也逐 渐恢复到平衡态时的情形。这样的时间过程反映出深能级上载流子浓度的变 化，体现了深能级上非平衡载流子的弛豫时间。

本发明专利的优势要点在于：