[发明专利]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

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，