[发明专利]一种测量半导体材料弹光系数的装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体材料弹光系数测量技术领域，特别是一种测量半导体材料弹光系数的装置及方法。

背景技术

纤锌矿半导体材料被称为第三代半导体材料，因为较宽的带隙可以制作覆盖从近紫外到近红外的光波导，研究应变对波导光学性质主要是对折射率的影响，以及利用弹光效应研制声光调制的集成器件需要测量材料的弹光系数随波长的变化。

目前对于测量材料的弹光系数常用的测试方法为棱镜耦合法，通过测量应变不同的样品来确定弹光系数，测量过程中对入射角的精度有严格的要求，光源要有很好的准直性，所选用的光源往往是单波长的激光光源，探测器也需要相应的移动。测量的过程比较复杂，只能通过更换激光器进行不同波长的测量。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种测量半导体材料弹光系数的装置及方法，以解决弹光系数测量测量装置复杂、测量过程复杂的问题，达到通过一次测量得到不同波长对应的弹光系数目的。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种测量半导体材料弹光系数的装置，该装置沿光路依次包括光源、斩波器、起偏器、相位调制器、检偏器、光谱仪、光电探测器、信号采集系统和计算机控制系统，光源发出的光经过斩波器和起偏器后变成线偏振光，线偏振光经过相位调制器后照在样品上，确保近垂直入射，反射光经过检偏器后经过光谱仪最后被光电探测器接收，通过信号采集系统利用计算机控制系统进行控制和数据采集，其中：光源，用于提供波长连续光波，使半导体材料产生反射；斩波器，用于将光源发出的光调制成特定频率的交流信号，以提高测量精度；起偏器是高消光比的偏振棱镜，用于产生偏振度较高的线偏振光；相位调制器，用于在光波两个互相垂直振动方向上产生固定的位相差；检偏器是高消光比的偏振棱镜，用于检测特定偏振方向上光波的振幅；光谱仪是单色仪，用于将复色光变成单色光按波长输出；光电探测器，用于将光信号转变为电信号并输出；信号采集系统，用于将光电探测器输出的电信号经过三台锁相放大器分别提取出经过斩波器、相位调制器一倍频和相位调制器二倍频调制的信号，通过连接在计算机上的数据采集卡转变为数字信号被计算机记录下来；计算机控制系统，用于控制单色仪和相位调制器的波长变化。

上述方案中，所述样品放置于相位调制器与检偏器之间，所测量的样品为纤锌矿氮化镓样品，表面特征取向为c([0001])向。

上述方案中，所述光源是波长连续的光源，采用氙灯或者是由氘灯和溴钨灯组成的复合光源。

上述方案中，所述作为起偏器和检偏器的偏振棱镜能够达到5000∶1的消光比，保证测量精度。

上述方案中，所述起偏器的偏振方向与水平方向成45度，所述相位调制器的调制方向为水平方向，所述检偏器的方向为垂直于水平方向，通过调节偏振镜架实现上述角度配置。

上述方案中，所述光谱仪采用的光栅能够达到0.1nm的光谱分辨率。

上述方案中，所述光电探测器为光电倍增管，用来将接收的高频、微弱信号中的光强信息变成电流或电压信号并传输给锁相放大器，锁相放大器将斩波器和相位调制器调制的信号提取出来输出模拟信号给模拟/数字数据采集卡，并传送到计算机记录数据。所述光电探测器的响应时间与所述相位调制器的调制频率相匹配。

上述方案中，所述信号采集系统包括第一、第二及第三锁相放大器和数据采集卡，其中第一锁相放大器用于接收来自斩波器控制器的参考信号，斩波器控制器连接于斩波器，用于对斩波器的斩波频率进行控制；第二及第三锁相放大器分别接收来自相位调制器控制器的一倍频和二倍频信号，相位调制器控制器连接于相位调制器，用于对相位调制器的调制波长和位相延迟量进行控制；数据采集卡，用于将锁相放大器输出的模拟信号转变为数字信号传输给计算机进行记录。所述第一锁相放大器用来接收斩波器调制的普通反射率信号，所述第二锁相放大器用来接收相位调制器的一倍频调制的信号，用来测量反射率差异的虚部，所述第三锁相放大器用来接收相位调制器二倍频调制的信号，用来测量反射差分率Δr/r的实部。

上述方案中，所述计算机控制系统是一台计算机，通过串口连接并控制光谱仪和相位调制器控制器。

上述方案中，从光源发出的复色光通过调整光源自身的反射镜和透镜将光源发出的光变成平行光，光斑要小于通光孔径以保证偏振度，然后该平行光依次经过斩波器、起偏器、相位调制器、样品和检偏器，在斩波器、起偏器、相位调制器、样品和检偏器这几个元件中间不加入任何非保持偏振的光学元件以免影响测量结果。