太赫兹瞬态吸收光谱探测系统及载流子寿命测量方法技术方案

本发明专利技术涉及太赫兹光谱技术领域，为降低高时间精度的太赫兹瞬态吸收光谱仪的装置复杂程度和搭建成本，提升工作窗口宽度，提高探测响应速度。同时，提供一种测量半导体中非平衡态少数载流子寿命的方法。提供一种新的表征光电材料载流子动力学性质的方法，克服现阶段测量载流子瞬态过程装置的缺点：动态时间探测范围窄、同步两台纳秒激光器难、装置使用维护成本高，本发明专利技术，太赫兹瞬态吸收光谱探测系统及载流子寿命测量方法，包括：探测单元；激发单元；接收单元：设置有皮秒级响应太赫兹超快探头作为光谱分布探测器，由示波器将光谱分布探测器输出的电信号加以处理，直接呈现。本发明专利技术主要应用于太赫兹光谱测试场合。

【技术实现步骤摘要】
太赫兹瞬态吸收光谱探测系统及载流子寿命测量方法
本专利技术涉及太赫兹光谱
具体讲，涉及太赫兹瞬态吸收光谱探测系统及载流子寿命测量方法。
技术介绍
在“电子设备无处不在”的21世纪，半导体材料的改进和优化对于解决生产成本、环境污染等问题有重要的意义。硅(Silicon)、砷化镓(GaAs)、锑化铟(InSb)等已经成为光电子学领域应用广泛的半导体材料。现阶段有很多表征半导体光电特性的方法，例如表面光伏法(surfacephotovoltaic)[1]、开路电压衰减法(opencircuitvoltagedecay)[2]等，这些方法需要与待测样品进行电接触，测量方式复杂，不便于实时原物测量。另一种常用方式是基于热成像技术的载流子密度成像法(carrierdensityimaging)[3]，以波长范围在5μm以下的热辐射电磁波来探测样品中光生载流子，然而光电材料在这一波长范围内的吸收率极低，限制了探测结果的准确性。上述的方式都属于对光电材料稳态特性的表征测量。此外，对半导体瞬态响应光谱的探测分析，也是一种研究瞬态载流子动力学和光电材料性质的重要工具，是推动半导体元器件制备和创新的基础。瞬态动力学性质的表征为深入研究光电材料工作原理提供依据，为进一步优化材料的功能特性奠定基础。瞬态吸收光谱(Transientabsorptionspectroscopy)即泵浦-探测吸收光谱实验方法，一般利用特定波长的飞秒激光激发样品，以宽带、连续光谱探测样品的光致响应，研究光激励后材料的基态漂白、激发态吸收等特性，进而分析计算材料中电子空穴复合过程、能量转移过程等动力学现象，是现阶段研究半导体、光电材料瞬态动力学特性的一种重要实验方法。近些年，太赫兹时域光谱系统(Terahertztime-domainspectroscopysystem)成为电磁领域和光谱学领域的研究热点。物质的太赫兹光谱包含着丰富的物理和化学信息，研究物质在该波段的光谱对于物质特性的探索具有重要意义。随着太赫兹光源的不断发展，探测信号强度、单色性等得到显著提升，为太赫兹瞬态响应光谱探测的研究奠定基础，为研究光与物质相互作用的诸多超快过程提供可能。光泵太赫兹探测(Optical-pumpterahertz-probe)是一种无创无接触式探测方法[4],[5]，使用泵浦光(一般需要飞秒量级的脉冲泵浦源)作为激励，待测样品中产生的光生载流子通过能带填充，带隙重整，陷阱填充以及载流子吸收等一系列作用影响瞬态光电导率，从而进一步改变瞬态响应光谱。由于太赫兹波的吸收与样品内部电导率的变化存在函数关系，通过对瞬态响应光谱中衰减信号的处理，可以得到待测样品内载流子浓度、载流子寿命、载流子迁移率等材料信息，为研究电子捕获、电子空穴复合、扩散现象等超快动力学过程的材料相关参数提供帮助。但是常规的光泵太赫兹瞬态吸收光谱测量仍存在一些局限性。由于探测光谱的时间响应窗口受泵浦光和探测脉冲之间时间延迟调控的影响，纳秒及纳秒量级以上的时间延迟是不可能单纯靠增加光学延迟线的长度来实现的。因此，使用光学延迟线的太赫兹瞬态响应光谱系统仅能实现时间窗口较窄的光谱探测(皮秒到纳秒)，严重制约对半导体中纳秒到微秒甚至若干秒时间范围内的动力学过程的研究[6]。纳秒到微秒时间窗口的瞬态吸收光谱探测可通过同步一台飞秒激光器(泵浦光源)和一台纳秒超连续激光器(探测光源)实现，现在已属于相对成熟的商业产品，但是价格十分昂贵。也有一些科研团队在不断探索皮秒到微秒甚至秒量级的宽时间窗口太赫兹瞬态吸收光谱系统的搭建。然而在纳秒时间精度同步两台激光器在技术实现上具有高困难性，搭建的探测系统光路复杂，成本较高，需要搭配使用高精度电子元器件和设计反馈回路，调试过程繁复，维护检修困难[7],[8]。现在比较成熟的测量宽时间窗口半导体载流子寿命的方法是时间分辨荧光光谱法，可实现皮秒到秒量级中皮秒时间精度的光生载流子寿命测量。这种方法成本相对较高，需要使用飞秒激光器、光谱仪、高精度窗口采样等设备。而且，载流子复合过程除电子空穴复合辐射荧光外，还存在非辐射复合，因此，在物理原理上限制了使用荧光光谱测量载流子寿命的精确性。参考文献：[1]A.M.Goodman,Amethodforthemeasurementofshortminoritycarrierdiffusionlengthsinsemiconductors,J.Appl.Phys.32(12),2550-2552(1961).[2]C.J.Bruno,M.G.MartnezBogado,J.C.Plaandetal.,Determinationoftheminoritycarrierlifetimeinsolarcells:anovelbiasedOCVDtechnique,Phys.Stat.Sol.(A)174(1),231-238(1999).[3]J.Isenberg,S.Riepe,S.W.Glunz,andetal.,in29thIEEEPhotovoltaicSpecialistsConference(PVSC),p.266(2002).[4]P.Parkinson,C.Dodson,H.J.Joyceandetal.,NoncontactmeasurementofchargecarrierlifetimeandmobilityinGaNnanowires,NanoLett.12(9),4600-4604(2012).[5]J.H.Strait,H.Wang,S.Shivaramanandetal.,Veryslowcoolingdynamicsofphotoexcitedcarriersingrapheneobservedbyoptical-pumpterahertz-probespectroscopy,NanoLett.11(11),4902-4906(2011).[6]V.K.Magusara,S.Funkner,G.Niehuesandetal.,Lowtemperature-grownGaAscarrierlifetimeevaluationbydoubleopticalpumpterahertztime-domainemissionspectroscopy,Opt.Express,24(23),26175-26185(2016).[7]M.C.Beard,G.M.Turner,andC.A.Schmuttenmaer,Sub-picosecondcarrierdynamicsinlow-temperaturegrownGaAsasmeasuredbytime-resolvedTHzspectroscopy,J.Appl.Phys.90(12),5915-5923(2001).[8]J.NeuandM.Rahm,Terahertztimedomainspectroscopyforcarrierlifetimemappinginthepicosecondtomicrosecondregime,Opt.Express,23(10),12900-12909(2015)。
技术实现思路
为克服现有技术的不足，本专利技术旨在降低高时间精度的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种太赫兹瞬态吸收光谱探测系统，其特征是，包括：探测单元：设置有太赫兹连续波激光器作为探测光源，采用短焦透镜组将探测光源输出的空间自由光准直聚焦到待测品表面；激发单元：设置有由激光振荡器、放大器以及光学参量放大器组成的可调谐飞秒激光系统作为泵浦光源,泵浦光经过一个反射镜照射到待测品表面；接收单元：设置有皮秒级响应太赫兹超快探头作为光谱分布探测器，由示波器将光谱分布探测器输出的电信号加以处理，直接呈现。

【技术特征摘要】
1.一种太赫兹瞬态吸收光谱探测系统，其特征是，包括：探测单元：设置有太赫兹连续波激光器作为探测光源，采用短焦透镜组将探测光源输出的空间自由光准直聚焦到待测品表面；激发单元：设置有由激光振荡器、放大器以及光学参量放大器组成的可调谐飞秒激光系统作为泵浦光源,泵浦光经过一个反射镜照射到待测品表面；接收单元：设置有皮秒级响应太赫兹超快探头作为光谱分布探测器，由示波器将光谱分布探测器输出的电信号加以处理，直接呈现。2.如权利要求1所述的太赫兹瞬态吸收光谱探测系统，其特征是，光谱分布探测器与待测品之间设置有接收用短焦透镜组，穿过待测品的透射光由接收用短焦透镜组输出，并由透镜焦点上的光谱分布探测器接收。3.一种太赫兹瞬态吸收光谱载流子寿命测量方法，其特征是，利用权利要求1所述的探测系统实现，具体步骤如下：首先探测光经短焦透镜组聚...

【专利技术属性】
技术研发人员：田震，张钊，张伟力，陈勰宇，刘丽媛，张逸竹，何明霞，欧阳春梅，谷建强，韩家广，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12