专利名称：小型化低成本的光致发光扫描测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体材料的光致发光测量装置，尤其涉及一种小型化低成本可 实现扫描测量的光致发光测量装置。
背景技术：
光致发光测量方法是一种检测材料电子结构的方法，测量时不需要接触到材料， 且不会对材料造成损害。实际测量中，光直接照射到材料表面，光被材料吸收后将能量传递 给材料，这些能量一部分转换为热能损耗掉，另一部分就以发光的形式消耗掉，这种由光激 发而发光的过程就称为光致发光。如附图1所示，被材料吸收的光与材料内部的电子相互作用，电子吸收光子的能 量从价带跃迁到导带，当被激发的电子回到价带时，多余的能量就通过发光和其他的形式 释放出来，所以这种被激发光的能量就与材料内部两个能带的间隙(带隙)宽度相联系，被 激发光的强度与辐射过程的贡献有关。光致发光光谱的测量，可以应用于材料的带隙检测、 杂质等级和缺陷检测，材料的复合机制和材料的品质鉴定。现有的光致发光测量装置多采用空间光路的形式，激光器发出的激发光经多个反 射镜转折光路，再经一个线形偏振片转为线偏光，由透镜聚焦后，经反射镜照射到样品上， 样品固定在样品台上放置在一个恒温箱中，进行低温下的光致发光测量时使用这个恒温箱 保持低温。使用一个反射镜将样品表面直接反射的激发光引出恒温箱，避免对光致发光产 生干扰，样品的光致发光由一个透镜收集，经线形偏振光滤掉剩余的激发光，再由一个透镜 聚焦后进入分光仪，由分光仪和CCD探测器组成一个光谱仪，测出光致发光光谱，将数据发 送到计算机处理并保存。这种光致发光测量装置在光路中使用了大量的反射镜和透镜，增加了整个装置的 体积以及调整的复杂度；使用了大量的机械固定装置和机械调节装置，增加了整套装置的 成本；使用了垂直的固定样品台，不便于更换样品也难以实现大块样品的扫描测量。

发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种小型化低成本的光致发光扫描
测量装置。本发明的目的是通过以下技术方案来实现的一种小型化低成本的光致发光扫描 测量装置，它包括激光器、耦合装置、光纤耦合器、电动样品台、光谱仪、系统控制器。其中， 耦合装置由五维调节架和显微镜物镜组成，激光器的出射光通过显微镜物镜的中心并聚焦 在光纤耦合器的一个光纤端口上，光纤耦合器同侧的另一个光纤端口连接光谱仪，光纤耦 合器另一侧的一个光纤端口在电动样品台的上方。电动样品台和光谱仪分别通过数据线连 接到系统控制器上。进一步地，所述光纤耦合器是一个三端口的光纤循环器。进一步地，所述光纤耦合器是一个四端口的2x2光纤耦合器，该小型化低成本的光致发光扫描测量装置还包括一光探测器，所述四端口的2x2光纤耦合器的最后一个端口 与光探测器相连。进一步地，所述光纤耦合器的光纤是多模光纤。进一步地，所述激光器1是半导体泵浦的掺钕钇铝石榴石激光器。进一步地，所述系统控制器是计算机或嵌入式单片机。本发明的有益效果是，本发明小型化低成本的光致发光扫描测量装置，通过使用 光纤光路来取代原有的空间光路，简化了对光路的调节步骤，去除了大量的机械固定装置 和机械调整装置，使用小型化的光谱仪，降低了成本，实现了整套装置的小型化，使用了系 统控制器控制电动样品台和光谱仪还可以实现对大块样品的扫描检测。


图1为光致发光现象在微观领域的示意图；图2为本发明小型化低成本的光致发光扫描测量装置示意图；图3为室温条件下以InP为基底的InGaAsP量子阱材料的光致发光光谱；图4为扫描测量样品光致发光时的扫描路径示意图；图5为扫描测量方式测得的大块样品的光致发光光谱峰值波长分布图；图中，激光器1、耦合装置2、光纤耦合器3、样品4、电动样品台5、光谱仪6、光探测 器7、系统控制器8。
具体实施例方式本发明使用光纤光路代替了空间光路，简化了整套光致发光扫描测量装置，去除 了大量的机械固定装置和机械调节装置，使用了小型化的光谱仪，实现整套系统的小型化 和低成本，利用系统控制器控制电动样品台和光谱仪，还可实现对大块样品的扫描测量。下面将根据附图和实施例，具体说明此发明，本发明的目的和效果将变得更加明
Mo如图2所示，本发明的小型化低成本的光致发光扫描测量装置包括激光器1、耦 合装置2、光纤耦合器3、电动样品台5、光谱仪6、光探测器7、系统控制器8。激光器1可以采用输出波长为1064nm的半导体泵浦掺钕钇铝石榴石激光器，耦合 装置2由五维调节架和显微镜物镜组成，光纤耦合器3为2X2多模光纤耦合器，系统控制器 8可以为普通计算机。将激光器1固定在一个平台上，在激光器1出射端的正前方放置耦合装置2，调节 五维调节架使出射光正好通过显微镜物镜的中心，并聚焦在光纤耦合器3的一个光纤端口 上，光纤耦合器3同侧的另一个光纤端口连接到光谱仪6，光纤耦合器3另一侧的两个光纤 端口一个连到光探测器7，一个通过可以上下调节的支撑架固定在样品4的正上方，样品4 放置在电动样品台上5上。电动样品台5和光谱仪6分别通过数据线连接到系统控制器8 上。本发明的工作过程如下激光器1发出的激发光通过耦合装置2中的显微镜物镜 聚焦到光纤耦合器3的一个端口，该光纤耦合器3可以是2x2多模光纤耦合器，使用多模光 纤使得激发光更容易耦合进入光纤端口，得到的耦合效率也更高。激发光经光纤耦合器3
4分成两路，一路传送到它连接光探测器7的光纤端口，进入光探测器7用于监测光强，如果 光强低于正常的水平，就需要调节耦合装置3中的五维调节架，直到光强达到正常水平并 固定。一路激发光传送到光纤耦合器3同一方向上的另一个光纤端口，这个端口的光纤固 定在一个可上下调节的支架上，并垂直对准电动样品台5，将样品4放置在电动样品台5上， 手动调节电动样品台5，使样品4刚好位于这个光纤端口的正下方，向下调节这根光纤靠近 样品4，最后保持在样品上方Imm的高度，既保证足够高的光致发光效率，也保证了样品4移 动时不会碰到这个光纤。激发光从该光纤端口出射后照射到样品4表面，激发出光致发光， 同时再由这个端口接收，2x2光纤耦合器3使用了多模光纤使得这个端口能接收更多的光 致发光用于测量。进入端口的光致发光通过2x2光纤耦合器3传送到它连接光谱仪6的光 纤端口，进入光谱仪6，在光谱仪6上设置合适的参数，如初始波长，终止波长，参考功率等， 最终在光谱仪6上看到光致发光光谱谱线。在检测过程中，几乎不需要做机械的调整，当测 量多个样品4时，可以将所有样品4同时放置在电动样品台5上，通过调节电动样品台5将 各个样品4移到光纤端口下做检测，在此过程中，不需要再做任何的光路调整。上述光纤耦合器3也可以是三端口的光纤循环器，则本发明的小型化低成本的光 致发光扫描测量装置还可以省略光探测器7，这样使得由靠近样品4的光纤端口接受到的 光致发光能传送到光谱仪6而只有很少的损耗。单次测量时，作为系统控制器8的计算机只需要控制光谱仪6，接受光谱仪6测量 的结果进行处理并保存。如附图3所示，为计算机上保存的光致发光光谱，使用的样品是 InGaAsP/InP量子阱材料。扫描测量时，使用的样品为InGaAsP/InP量子阱材料的基片，测量装置组装与单 次测量时相同。测量时，抬起电动样品台5上方2x2光纤耦合器3的光纤端口，将样品4放 置在电动样品台5上，手动调节电动样品5将样品4的一个角移到这个光纤端口的正下方， 向下调节光纤靠近样品4，最终保持在样品4上方Imm的位置，设置光谱仪6上的参数，在光 谱仪6上得到光致发光光谱谱线。通过计算机控制电动样品台5和光谱仪6，设置电动样品台5要在χ方向和y方向 走过的长度Lx和Ly，整个范围Lx*Ly就是需要测量的样品区域，设置电动样品台5在两个 方向移动的步长dx和dy，步长大，扫描整块样品4的时间短，测量结果粗略，步长小，扫描 整块样品4的时间长，测量结果精细。设置测量样品4上每个点的光致发光光谱时光谱仪 6需要传送到计算机的数据，如峰值波长，峰值强度，谱线的半高全宽，甚至整个完整光致发 光光谱，本实施例中，设置光谱仪6返回光致发光光谱的峰值波长。光谱仪6首先测量样品4角上的光致发光光谱，以这个点为原点，如附图4所示， 测到该点的光致发光光谱后，得到峰值波长的值并传送到计算机中，计算机确认接收到光 谱仪6返回的数据后，发送命令到电动样品台5，电动样品台5带动样品4在χ方向移动一 个dx的长度，测出这个点即(dx，0)的光致发光谱线，返回此时的峰值波长，如此直到χ方 向到达点(Lx，0)，接着在y方向移动一个dy的长度到达点(Lx，dy)，然后向-χ方向移动一 直到达点(0，dy)，整个测量过程遵循这条移动路线测完整个样品4，计算机将得到所有数 据保存到一个二维数组中，并画出测量结果，如附图5所示。本发明使用光纤光路取代了空间光路，减少了装置装配和实际检测时的调整步 骤。去除了大量的机械固定装置和机械调节装置，使用小型化的光谱仪，实现了整套系统的小型化和低成本。使用了一个电动样品台来放置样品，并可通过计算机控制电动位移台带 动样品移动，实现了对样品的扫描检测。上述系统中的计算机也可以用一个嵌入式单片机 取代，以实现便携式、小型化的完整系统。 以上内容仅为本发明的实施例，其目的并非用于对本发明所提出的系统及方法的 限制。在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入 本发明的保护范围。
权利要求
一种小型化低成本的光致发光扫描测量装置，其特征在于，它包括激光器(1)、耦合装置(2)、光纤耦合器(3)、电动样品台(5)、光谱仪(6)、系统控制器(8)。其中，耦合装置(2)由五维调节架和显微镜物镜组成，激光器(1)的出射光通过显微镜物镜的中心并聚焦在光纤耦合器(3)的一个光纤端口上，光纤耦合器(3)同侧的另一个光纤端口连接光谱仪(6)，光纤耦合器(3)另一侧的一个光纤端口在电动样品台(5)的上方。电动样品台(5)和光谱仪(6)分别通过数据线连接到系统控制器(8)上。
2.如权利要求1所述小型化低成本的光致发光扫描测量装置，其特征在于，所述光纤 耦合器(3)是一个三端口的光纤循环器。
3.如权利要求1所述小型化低成本的光致发光扫描测量装置，其特征在于，所述光纤 耦合器(3)是一个四端口的2x2光纤耦合器，该小型化低成本的光致发光扫描测量装置还 包括一光探测器(7)，所述四端口的2x2光纤耦合器的最后一个端口与光探测器(7)相连。
4.如权利要求1所述小型化低成本的光致发光扫描测量装置，其特征在于，所述光纤 耦合器(3)的光纤是多模光纤。
5.如权利要求1所述小型化低成本的光致发光扫描测量装置，其特征在于，所述激光 器(1)是半导体泵浦的掺钕钇铝石榴石激光器。
6.如权利要求1所述小型化低成本的光致发光扫描测量装置，其特征在于，所述系统 控制器(8)是计算机。
7.如权利要求1所述小型化低成本的光致发光扫描测量装置，其特征在于，所述系统 控制器(8)是嵌入式单片机。
全文摘要
本发明公开了一种小型化低成本的光致发光扫描测量装置，它包括激光器、耦合装置、光纤耦合器、电动样品台、光谱仪、系统控制器；本发明通过使用光纤光路来取代原有的空间光路，简化了对光路的调节步骤，去除了大量的机械固定装置和机械调整装置，使用小型化的光谱仪，降低了成本，实现了整套装置的小型化，使用了系统控制器控制电动样品台和光谱仪还可以实现对大块样品的扫描检测。
文档编号G01N21/63GK101949845SQ20101026255
公开日2011年1月19日 申请日期2010年8月20日 优先权日2010年8月20日
发明者何建军, 魏文雄 申请人:浙江大学