一种检测光通讯波段半导体材料发光单光子特性的方法
【专利摘要】本发明提供了一种检测光通讯波段半导体材料发光单光子特性的方法。该方法依靠准静水压压力装置对光通讯波段的半导体发光材料施加压力，将其发光波长向短波方向移动，而进入硅单光子探测的光谱探测范围，结合配有两个硅单光子探测器的HBT单光子测试系统进行检测，可以快速检测半导体样品位于光通讯波段的发光的单光子特性，具有简单、快速、高效、经济的优点。
【专利说明】一种检测光通讯波段半导体材料发光单光子特性的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于光谱探测【技术领域】，尤其涉及一种检测光通讯波段半导体材料发光单光子特性的方法。
【背景技术】
[0002]单光子探测技术是研究和表征半导体发光过程的量子特性和物理机制的重要手段。材料发光的单光子特性只能通过测试其发光的二阶自相关函数g(2)(0来得出。一般的，当测试所得结果g(2) (O)〈0.5时，说明被测光源具有较好的单光子特性，而且g(2) (O)的值越小说明其单光子特性越好。对于材料发光的单光子特性的检测具体是依靠安装有两个单光子探测器的HBT(Hanbury-Brown-Twiss)单光子测试系统来实现的，而单光子探测器的探测性能的好坏会直接影响到检测结果的好坏。
[0003]发光波长位于光通讯波段(1.3 μ m?1.5 μ m)的半导体材料的单光子源是目前半导体光谱学研究领域的重要的研究对象之一，也是未来基于光纤的量子通信的重要候选光源之一。目前，对于光通讯波段的半导体材料发光的单光子特性的表征还主要依赖于铟镓砷单光子探测器。而铟镓砷单光子探测器具有暗计数高和探测效率低下等缺点，这给光通讯波段的单光子探测带来了很大的困难。因此，不容易实现利用铟镓砷单光子探测器对光通讯波段的半导体材料发光的单光子特性的良好表征。
[0004]另外，虽然针对光通讯波段的半导体材料发光的单光子特性的较好的表征手段有诸如:使用超导单光子探测器、利用量子频率上转换技术和对待检测半导体材料进行微加工处理以提高其发光的收集效率等，但它们大都具有造价昂贵，实用性差等问题。因而，如何提出一种检测光通讯波段半导体材料发光的单光子特性的经济、便捷和高效的方法，是当前所属领域科研、技术人员急需解决的技术难题。
【发明内容】
[0005](一 )要解决的技术问题
[0006]鉴于上述技术问题，本发明提供了一种经济、便捷和高效的检测光通讯波段半导体材料发光单光子特性的方法。
[0007]( 二)技术方案
[0008]本发明提供了一种检测光通讯波段半导体材料发光的单光子特性的方法。该方法包括:步骤A，按照准静水压压力装置腔室的大小切割半导体样品；步骤B，将切割好的半导体样品装入准静水压装置的腔室中；步骤C，向装有半导体样品的准静水压压力装置的腔室中填充透明惰性材料的传压介质；步骤D，利用显微物镜使激发光透过准静水压装置的透明部分聚焦在其腔室中的样品上以激发样品，同时依靠该显微物镜收集样品的发光，通过调节准静水压压力装置内传压介质的压力，使待测半导体样品的发光波长移动至硅单光子探测器所对应的光谱探测范围内；步骤E，结合配有硅单光子探测器的HBT单光子测试系统，对准静水压压力装置内的半导体样品中量子点发光的单光子特性进行检测。[0009](三)有益效果
[0010]本发明检测光通讯波段半导体材料发光单光子特性的方法可以快速检测半导体样品位于光通讯波段的发光的单光子特性，具有简单、快速、高效、经济的优点，能够为相应的半导体发光材料的科学研究和应用提供重要保证和可靠依据。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1为本发明实施例检测光通讯波段半导体材料发光单光子特性方法的流程图；
[0012]图2为利用图1所示方法进行测试获得的半导体样品发光的二阶自相关函数的曲线.[0013]图3为依靠传统方法利用铟镓砷单光子探测器对半导体样品发光的探测获得的二阶自相关函数的曲线。
【具体实施方式】
[0014]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属【技术领域】中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。
[0015]本发明检测光通讯波段半导体材料发光的单光子特性的方法中，依靠准静水压压力装置对光通讯波段的半导体发光材料施加压力，将其发光波长向短波方向移动，而进入硅单光子探测的光谱探测范围，结合配有两个硅单光子探测器的HBT单光子测试系统进行检测。
[0016]在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种用于检测零压下发光波长为1.3μπι的InAs/GaAs量子点的单光子特性的方法。如图1所示，该方法包括:
[0017]步骤A，按照所使用金刚石对顶砧准静水压压力装置腔室的大小切割InAs/GaAs量子点样品，保证该InAs/GaAs量子点样品能够顺利放入该金刚石对顶砧准静水压压力装置的腔室中；
[0018]在零压条件下，InAs/GaAs量子点样品的发光波长在1.3 μ m，并且，随施加其上的外部压力的增加，其发光向短波方向移动。
[0019]待检测半导体样品在尺寸上是适于装入所使用的准静水压压力装置的压室。本实施例中，所使用的准静水压压力装置为金刚石对顶砧准静水压装置，由于其腔室较小，相应的所制备InAs/GaAs量子点样品的大小约为100 μ mX 100 μ mX20 μ m。
[0020]步骤B，将切割好的InAs/GaAs量子点样品装入金刚石对顶砧准静水压装置的压
室中;
[0021 ] 本发明中，准静水压压力装置具有适合安装在低温恒温器中的性质，并且，具有适合对待测半导体样品进行光激发和其发光收集的透明部分。除了金刚石对顶砧准静水压装置，还可以为其它的依靠压力等效的改变半导体样品发光波长的装置(比如，单轴压力装置)。
[0022]步骤C，向装有待测InAs/GaAs量子点样品的金刚石对顶砧准静水压压力装置的腔室中填充液氩作为传压介质；
[0023]本实施例采用液氩作为传压介质，但本发明并不以此为限。本领域技术人员还可以选用液氮、液氦等低温下处于凝聚态的透明惰性材料作为传压介质，能够起到相同的作用。
[0024]步骤D，利用显微物镜使激发光透过所述准静水压装置的透明部分聚焦在其腔室中的样品上以激发样品，同时依靠该显微物镜收集样品的发光，通过传压介质调节金刚石对顶砧准静水压压力装置内的压力及同时调节温度，使待测InAs/GaAs量子点样品的发光波长由1.3 μ m移至0.9 μ m附近，处于能够被硅单光子探测器所对应的光谱探测范围之内；
[0025]由于所使用InAs/GaAs量子点样品只有在低温环境下才能检测到其明显的发光，因而需要在室温下调节金刚石对顶砧准静水压装置的压力，然后再将其降至低温探测其发光的情况。
[0026]本步骤中，对装有待测半导体样品的准静水压压力装置的压力调节所依据的是待测半导体样品的发光波长随压力增加向短波方向移动的情况，如果待测半导体样品的发光波长没有进入硅单光子探测器的光谱探测范围则需要继续对静水压压力装置进行加压。此夕卜，所述的特定温度条件下指得是根据测试者的具体要求而人为设定的温度条件。
[0027]需要说明的是，上述对金刚石对顶砧准静水压压力装置压力和温度的调节不太可能一蹴而就，可能需要反复调节来寻找合适的压力和温度。本实施例经过反复调节，对金刚石在对顶砧准静水压装置施加6.58GPa的压力。经过实验，对待测样品施加的压力应当介于6GPa?7GPa范围之内。本领域技术人员应当清楚，准静水压压力装置所施加的压力的大小应根据被测试材料的性质和具体实验情况而定.[0028]在本发明的另一个优选的实施例中，在对装有待检测半导体样品的准静水压压力装置加压，将待检测半导体样品的发光波长移入硅单光子探测器的光谱探测范围后，还需要进一步调节装有待检测半导体样品的准静水压压力装置的压力，从而在待检测半导体样品的发光的光强在没有明显降低的情况下，使其发光波长尽可能地靠近硅单光子探测器的探测最高效率所对应的波长值。
[0029]步骤E，利用HBT单光子测试系统，对金刚石对顶砧准静水压压力装置内的待测InAs/GaAs量子点样品中的单InAs/GaAs量子点发光的单光子特性进行了检测。
[0030]本步骤中，HBT单光子测试系统配备有两个硅单光子探测器，其探测的波长范围为400nm?1050nm。硅单光子探测器是指以硅基材料为探测材料的探测器，比如硅雪崩二极管等。
[0031]本步骤测试具体花费的时间为2小时，检测结果如图2所示；同时，图3给出了依靠传统方法，利用铟镓砷单光子探测器对同类InAs / GaAs量子点样品的1.3μπι发光的探测而获得的二阶自相关函数的曲线，相应的累积测试时间为10小时。由图2和图3比较可知，本实例的方法可以相对快捷而高效的实现对光通讯波段的半导体材料发光的单光子特性的表征和验证。
[0032]至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明检测半导体样品的光通讯波段的单光子特性的方法有了清楚的认识。
[0033]此外，上述对各元件、方法的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构、形状或方法，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换，例如:
[0034](I)依靠金刚石对顶砧准静水压压力装置移动半导体样品发光波长的方法还可以通过施加外力移动半导体样品发光波长的其它等效的形式来实现(比如，通过特定器械直接挤压或拉伸来实现半导体样品发光波长的改变)；
[0035](2)对于压力的调节也可以通过添加辅助的驱动装置(比如，压电陶瓷、微型液压或气动装置)直接实现在低温下对金刚石对顶砧装置的压力调节；
[0036](3)除了 InAs / GaAs材料之外，本发明还可应用于其他半导体样品，尤其是量子点半导体样品。
[0037]综上所述，本发明提供了一种检测光通讯波段半导体材料发光单光子特性的方法。该方法通过利用准静水压压力装置对待测试半导体样品施加压力，使其发光波长向短波方向移动，直至进入硅单光子探测器的光谱探测范围内，从而其发光可由高效的硅单光子探测器直接探测，以此获得对其发光的单光子特性的良好表征。
[0038]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种检测光通讯波段半导体材料发光的单光子特性的方法，其特征在于，包括: 步骤A，按照准静水压压力装置腔室的大小切割半导体样品； 步骤B，将切割好的半导体样品装入所述准静水压装置的腔室中； 步骤C，向装有半导体样品的准静水压压力装置的腔室中填充透明惰性材料的传压介质； 步骤D，利用显微物镜使激发光透过所述准静水压装置的透明部分聚焦在其腔室中的样品上以激发样品，同时依靠该显微物镜收集样品的发光，通过调节所述准静水压压力装置内所述传压介质的压力，使待测半导体样品的发光波长移动至硅单光子探测器所对应的光谱探测范围内； 步骤E，结合配有硅单光子探测器的HBT单光子测试系统，对所述准静水压压力装置内的半导体样品中量子点发光的单光子特性进行检测。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述准静水压压力装置为金刚石对顶砧准静水压压力装置。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤C中，填充至金刚石对顶砧准静水压压力装置的传压介质为液氮、液氦或液氩。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤D中，硅单光子探测器所对应的光谱探测范围为400nm?1050nm。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤D之后还包括: 步骤D，继续调节所述准静水压压力装置内的压力，使待测半导体样品的发光波长靠近硅单光子探测器探测最高效率所对应的波长值。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述硅单光子探测器探测最高效率所对应的波长值为700nm。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤D中，所述准静水压压力装置内的压力介于6GPa?7GPa范围之内。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述硅单光子探测器为硅雪崩二极管。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述半导体样品为零压下发光波长位于1.3 μ m的InAs/GaAs半导体量子点。
10.根据权利要求1至7所述的方法，其特征在于，适用于发光波长位于光通讯波段的InAs/InP半导体量子点或发光波长位于光通讯波段且非1.3 μ m的InAs/GaAs半导体量子点的发光的单光子特性的表征。
【文档编号】G01N21/63GK103575708SQ201310594591
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年11月21日 优先权日:2013年11月21日
【发明者】周鹏宇, 孙宝权, 窦秀明, 武雪飞, 丁琨 申请人:中国科学院半导体研究所