圖 1：使用 LDTLS 進(jìn)行鉆石檢測(cè)的示意圖

由 Energetiq 的激光驅(qū)動(dòng)光源 (LDLS ? ) 驅(qū)動(dòng)的寬帶激光驅(qū)動(dòng)可調(diào)諧光源 (LDTLS ? ) 被提議用于鉆石檢測(cè)應(yīng)用。給出了系統(tǒng)性能的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和鉆石樣品檢測(cè)的總結(jié)。

介紹

金剛石是一種超寬帶隙半導(dǎo)體，以其眾多卓越品質(zhì)而聞名，包括已知材料中比較高的導(dǎo)熱率、高擊穿電壓、高載流子遷移率(摻雜時(shí))和高電阻率(未摻雜時(shí))。與硅等傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料不同，金剛石半導(dǎo)體器件可以在更高的電壓和電流下工作，同時(shí)提供低功耗。它們還可以有效散熱，而不會(huì)影響電氣性能。除了在珠寶行業(yè)中的令人垂涎的地位之外，鉆石還可以通過(guò)支持社會(huì)電氣化在未來(lái) 30 年內(nèi)實(shí)現(xiàn)碳中和方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。

雖然許多人仍然認(rèn)為鉆石是一種天然存在的礦物，必須從地球上開(kāi)采，但現(xiàn)在可以在實(shí)驗(yàn)室中更經(jīng)濟(jì)、更可持續(xù)地生產(chǎn)鉆石。這使得金剛石成為可行且重要的半導(dǎo)體選擇。這些實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)的鉆石的質(zhì)量檢查對(duì)于工業(yè)應(yīng)用(無(wú)論是研發(fā)工作還是生產(chǎn))尤其重要。金剛石材料中可能會(huì)出現(xiàn)位錯(cuò)和雜質(zhì)等各種缺陷，需要在電子和其他應(yīng)用中仔細(xì)監(jiān)測(cè)和控制。以下研究提出了專門(mén)為促進(jìn)此類檢查而設(shè)計(jì)的寬帶 LDTLS。LDTLS 的輸出波長(zhǎng)范圍為 200 nm 至 770 nm，有助于在金剛石中產(chǎn)生熒光并準(zhǔn)確識(shí)別各種內(nèi)部缺陷。驅(qū)動(dòng) LDTLS 的 LDLS 中的發(fā)光氙氣等離子體是通過(guò)將連續(xù)波激光束聚焦到高壓氙燈泡中來(lái)維持的。與其他光源相比，LDLS 裝置具有多種優(yōu)勢(shì)，包括更高的亮度、更寬的波長(zhǎng)范圍、更高的空間和時(shí)間穩(wěn)定性、更小的等離子體尺寸、更長(zhǎng)的使用壽命和更低的維護(hù)成本。

原理圖及原理

使用 LDTLS 進(jìn)行鉆石檢測(cè)的示意圖如圖 1 所示; LDTLS的工作原理可以參見(jiàn)之前的出版物。簡(jiǎn)而言之，EQ-77X 型 LDLS 充當(dāng) LDTLS 的光源。具有增強(qiáng)型 UV 涂層的球形后向反射器 (2) 經(jīng)對(duì)準(zhǔn)后可將 Xe 等離子體成像回自身上，以獲得更高的前向發(fā)射輻射率。消色差反射光學(xué)器件，包括兩個(gè)離軸拋物面 (OAP) 鏡 (3、4)，經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可通過(guò)匹配 LDLS 和單色儀 (7) 來(lái)很大程度地提高光學(xué)吞吐量。 UV 單色儀選擇單個(gè)波長(zhǎng)，然后將其發(fā)送到 UV 光纖 (8)。階次排序?yàn)V光片和寬度可調(diào)狹縫旨在抑制二階衍射并控制單色光譜輸出的波長(zhǎng)帶寬。鉆石樣品的圖像 (10)，由 LDTLS 輸出照明，由成像系統(tǒng) (9) 形成用于質(zhì)量分析。

測(cè)量結(jié)果與分析

圖 2 說(shuō)明了 LDTLS 的輸出性能。圖 2(a) 和 2(b) 分別顯示了使用 1.5 mm 芯直徑光纖和 0.6 mm 芯直徑光纖進(jìn)行光收集時(shí)的帶內(nèi)通量和半峰全寬 (FWHM)。圖 2(c) 顯示了 205 nm 至 500 nm 范圍內(nèi)的歸一化光譜輸出。如圖 2(a) 所示，芯徑為 0.6 mm 的光纖從 200 nm 到 500 nm 的帶內(nèi)平均通量達(dá)到 1.14mW，芯徑為 1.5 mm 的光纖則達(dá)到 2.79mW。相應(yīng)的 FWHM 平均值為 4.5 nm 和 7.6 nm。高帶內(nèi)通量、可調(diào)帶寬以及整個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)一致的光譜輸出使 LDTLS 適用于各種應(yīng)用。

圖 2： LDTLS 的性能，(a) 使用 1.5 mm 芯徑光纖的帶內(nèi)通量和 FWHM; (b) 使用 0.6 mm 芯徑光纖的帶內(nèi)通量和 FWHM; (c) 205 nm 至 500 nm 范圍內(nèi)的歸一化光譜輸出。

圖 3 顯示了使用不同波長(zhǎng)的 LDTLS 輸出照明進(jìn)行鉆石檢測(cè)的示例。鉆石樣品 I 故意分多個(gè)步驟生長(zhǎng)，以引入可以使用 LDTLS 照明觀察到的生長(zhǎng)缺陷。圖像(a)、(b)、(c)和(d)顯示了鉆石樣品 I 在 400 nm、300 nm、222 nm 和 205 nm 照明下的檢測(cè)結(jié)果。圖像 (e)、(f)、(g) 和 (h) 顯示了鉆石樣品 II 在 350 nm、300 nm、250 nm 和 222 nm 照明下的檢測(cè)結(jié)果。在可見(jiàn)光照射下不會(huì)出現(xiàn)熒光，但對(duì)于表面檢查非常有用，如圖 (a) 所示。熒光隨紫外線波長(zhǎng)的不同而變化，影響內(nèi)部缺陷的可見(jiàn)度。樣品 I 中的黑色圓形線缺陷只能使用 222 nm 或更短的波長(zhǎng)檢測(cè)到。樣品 II 中的黑色圓形線缺陷可使用 350 nm 至 222 nm 的波長(zhǎng)進(jìn)行檢測(cè)。這證明了 LDTLS 對(duì)于檢測(cè)各種內(nèi)部缺陷的有效性。

圖 3：使用 LDTLS 輸出照明檢查的鉆石，(a) 使用 400 nm 照明的樣品 I; (b) 300 nm 照明下的樣品 I; (c) 222 nm 照明下的樣品 I; (d) 205 nm 照明下的樣品 I; (e) 350 nm 照明下的樣品 II; (f) 300 nm 照明下的樣品 II; (g) 250 nm 照明下的樣品 II; (h) 222 nm 照明下的樣品 II。

概括

提出了一種由 LDLS 技術(shù)支持的寬帶 LDTLS 用于鉆石檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在200 nm至500 nm范圍內(nèi)，芯徑0.6 mm的光纖帶內(nèi)通量平均為1.14 mW，芯徑1.5 mm的光纖帶內(nèi)通量平均為2.79 mW。相應(yīng)的 FWHM 平均值分別為 4.5 nm 和 7.6 nm。通過(guò)使用 LDTLS 的各種光譜輸出進(jìn)行成像和照明，可以檢測(cè)到不同的內(nèi)部缺陷，正如對(duì)兩個(gè)鉆石樣品的檢查所證明的那樣。

審核編輯 黃宇