УСТРОЙСТВО ДЛЯ СКАНИРУЮЩЕЙ РАДИОЧАСТОТНО-ОПТИЧЕСКОЙ МОДУЛЯЦИОННОЙ СПЕКТРОСКОПИИ
DEVICE FOR SCANNING RADIO FREQUENCY OPTICAL MODULATION SPECTROSCOPY

Изобретение относится к модуляционной спектроскопии, в которой производят измерения зависимости спектров материалов от внешнего воздействия, при котором производят модуляцию параметра образца на низкой частоте и измеряют изменения в спектре оптического отражения. Таким параметром может быть электрическое поле, температура, механическое напряжение и т.д. Применение синхронного детектирования позволяет производить измерения с высокой точностью. В результате измерений можно получить информацию о встроенных электрических полях, температуре, электронных состояниях в поверхностном слое полупроводника, металла и диэлектрика, толщина которого определяется проникновением света в исследуемый материал.
В частности, изобретение относится к радиочастотной оптической модуляционной спектроскопии. В этом случае в качестве параметра выступает внешнее радиочастотное поле в диапазоне от 100 кГц до 100 МГц, дополнительно промодулированное на низкой частоте (100-1000 Гц).
Известно устройство и способ измерений, получивший название радиочастотное модуляционное отражение (РМО) [Рябушкин О.А., Сабликов В.А. «Модулированное радиочастотным полем отражения света в полупроводниковых гетероструктурах», Письма в ЖЭТФ, том. 67, вып. 3, стр. 217-221, 1998]. Полупроводниковую структуру с двумерным электронным газом помещают между пластинами плоского конденсатора. К металлическим пластинам прикладывают напряжение на частоте радио диапазона, которое модулируют по амплитуде. Зондирующий луч света подводится к образцу с помощью оптического волокна через отверстие в стенке конденсатора. Отраженный луч выводится наружу через такое же волокно. В результате получаются изменения спектра в диапазоне длин волн, соответствующем краю запрещенной зоны. Они обусловлены эффектами Франца-Келдыша и экситонными состояниями. Замечено, что сигнал возрастает с понижением температуры, поэтому данные измерения удобно проводить в области азотных или гелиевых температур. Особенностью данного метода, по сравнению с другими методами модуляционной спектроскопии, является взаимодействие внешнего излучения только с проводящими слоями структуры. Преимущество описанного метода, по сравнению с таким методом модуляционной спектроскопии, как фотоотражение, состоит в том, что отсутствует яркая люминесценция прямозонных полупроводников, которая нивелирует особенности спектра модуляционного отражения исследуемых структур. К тому же, в некоторых случаях появляется сигнал с энергией кванта меньшей, чем ширина запрещенной зоны, обусловленный акцепторными состояниями. Это дает возможность наблюдать легированные слои структуры.
Похожий способ измерений заключается в том, что структуру помещают в поля различных пространственных конфигураций [А.О. Волков, О.А. Рябушкин, М.С. Поволоцкий «Модуляция радиочастотным полем двух поляризаций отражения света от полупроводниковых гетероструктур» Письма в ЖТФ, 2001, Т. 27, вып. 18. С. 8-13]. Для этого одну из обкладок конденсатора заменяют металлической гребенкой. Это дает возможность прикладывать продольное или поперечное электрическое поле к структуре. Поля с разной эффективностью взаимодействуют с различными сломи структуры, что позволяет выделять вклады отдельных слоев.
Еще один способ измерений, при котором образец помещают в резонатор с металлическими стенками, в котором создается переменное СВЧ-поле, получил название Микроволновое модуляционное отражение (ММО) [М.А. Черников, О.А. Рябушкин «Микроволновое модуляционное отражение света полупроводников», Письма в ЖТФ, 2001, т. 27, вып. 24. С. 29-34]. Преимущество данного метода над предыдущими состоит в повышении эффективности разогрева полупроводника за счет высокой частоты поля. Кроме того, резонатор позволяет увеличить во много раз значение напряженности поля.
Разогревать электронный газ можно еще одним методом с помощью пропускания переменного тока через гетероструктуру («Current modulated light reflectance spectroscopy with submicronspatial resolution in semiconductor heterostructures» O.A. Ryabushkin, E.I. Lonskaya, Physica E 13 (2002) 374-376). Этот метод дает близкие к предыдущим методам спектры. Он удобнее в случае, когда образец имеет электрические контакты и значительно труднее для случая, когда этих контактов нет. Его преимущество в том, что разогреваются носители заряда только в тех слоях, через которые протекает ток, в отличие от РМО и ММО методов, где поле взаимодействует со всеми проводящими слоями.
Наиболее близким к данному изобретению является устройство, описанное в работе [A.O. Volkov and O.A. Ryabushkin «Spatial distribution of light reflectance modulated by near-field radio-frequency excitation in semiconductor structures)) Institute of Radio Engineering and Electronics, Russian Academy of Sciences, Compound Semiconductors 1998: Proceedings of the Twenty-Fifth International Symposium on Compound Semiconductors held in Nara, Japan, 12-16 October 1998.]. Образец кладется на металлическую пластину, которая является одним из электродов. Над поверхностью образца находятся два оптических волокна. Через одно из них освещается поверхность образца, а второе волокно принимает отраженный сигнал. Металлический цилиндрический стержень над поверхностью образца является вторым электродом. Это увеличивает локализацию радиочастотного поля и на порядок усиливает сигнал. Тем не менее, радиочастотное поле воздействует на все слои гетероструктуры.
Из вышесказанного следует, что все известные устройства, в том числе и прототип, реализующий описанные выше методы, предполагают воздействие электрическим полем на весь полупроводниковый образец, либо на его значительную часть, что затрудняет интерпретацию спектров отражения света для неоднородных образцов. К тому же, источниками электрического поля и света служат различные устройства, что создает дополнительные трудности совмещения их в пространстве.
Технической задачей, решаемой в предлагаемом изобретении, является создание устройства для воздействия высокочастотным электрическим полем на малую область образца и снятия оптических спектров отражения от этой области.
Техническим результатом является повышение разрешающей способности устройства за счет улучшения локальности воздействия.
Технический результат достигается тем, что устройство для сканирующей радиочастотно-оптической модуляционной спектроскопии, содержит по крайней мере два металлических электрода, выполненных в виде стержней, расположеных внутри оптического волокна либо в светоотражающей оболочке, либо в защитном покрытии.
Оптическое волокно может быть выполнено в виде усеченного конуса (тейпера), сужающегося к выходному торцу. Это позволяет произвести дальнейшее уменьшение области воздействия на образец, сохранив при этом возможности заведения излучения в волокно и прикладывания напряжения к электродам.
Устройство может содержать от 2-х до 6-ти металлических электродов, что позволяет подбирать оптимальное направление напряженности поля в образцах с анизотропной проводимостью.
Для заведения излучения накачки к оптическому волокну может быть присоединен тройной ответвитель. Это позволяет снимать как спектры радиочастотно-оптического модуляционного отражения, так и спектры фотоотражения.
Оптическое волокно для уменьшения внешнего электромагнитного воздействия (экранировки) может быть покрыто сверху металлическим слоем.
На фиг. 1 представлена схема устройства, где 1 - электроды, 2 -внутренняя светоотражающая оболочка, 3 - защитное покрытие (внешняя оболочка), 4 - световедущая сердцевина оптического волокна, на фиг. 2 - волоконная структура в форме тейпера. На фиг. 3 - вид с торца. На фиг. 4 изображена экспериментальная установка, где 5 - лампа, 6 - лазер, 7 - монохроматор, 8 - фотоприемник, 9 - синхронный детектор, 10 - высокочастотный генератор, 11 - персональный компьютер, 12 - оптическое волокно с электродами, 13 - исследуемый образец, 14 - оптические волокна, 15 - тройной ответвитель. Устройство работает следующим образом. Компьютер (11) управляет высокочастотным генератором (10), который прикладывает к электродам (1) высокочастотное промодулированное напряжение. Несущая частота составляет десятки мегагерц, а частота модуляции - сотни герц. Свет от галогеновой лампы (5) заводится в одно из волокон (14) тройного ответвителя (15) с помощью согласующей линзы. Отраженный от образца (13) свет направляется через другое волокно тройника в монохроматор (7). Их апертуры согласовываются при помощи объектива. Разрешение монохроматора не более одного мэВ для наблюдения осциллирующей структуры спектра. На выходе монохроматора установлен фотоприемник (8). Его полоса пропускания должна быть больше частоты модуляции (несколько килогерц). Сигнал с фотоприемника разделялся на переменную и постоянную составляющие. Переменная составляющая выделяется с помощью синхронного детектора. Опорная частота для него поступает с компьютера, она равна частоте модуляции. Затем обе составляющие оцифровываются и заносятся в память компьютера. Компьютер управляет положением дифракционной решетки монохроматора с помощью шагового двигателя. Для каждого положения решетки проводятся описанные выше измерения. Так осуществляется сканирование по спектру. Результатом измерений является величина ΔR(λ)/R, где R - коэффициент отражения, a ΔR - его изменение под действием приложенного поля.
Существует еще несколько способов, отличных от вышеописанного. Например, электрическое поле не модулируется, а его несущая частота составляет несколько мегагерц. При этом сигнал фотоприемника детектируется на несущей частоте. По сути, описанный способ является высокочастотным электроотражением. Его преимущество по сравнению с обычным электроотражением состоит в локальности и в возможности наблюдать отклик не только от изолирующих слоев, но и от тех проводящих слоев, где электроны не успевают перераспределиться за период поля.
Еще одним способом является периодическая оптическая накачка с помощью одного из волокон тройника и наблюдение отклика на частоте этой накачки. Это модификация известного метода фотоотражения. Она обладает тем преимуществом, что используется одно волокно для накачки, зондирования и заведения отраженного сигнала вместо трех различных волокон.