DE4344201C2 - Verfahren und Vorrichtung zur zeitaufgelösten Messung von physikalischen Abklingprozessen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zeitaufgelösten Messung von physikalischen Abklingprozessen in Materialen, bei welchem nach einer Störung des Gleichgewichtszustandes durch Energiezufuhr mittels eines sich zeitlich ändernden, amplitudenmodulierten Anregungssignals ein Antwortsignal des Materials erfaßt wird, insbesondere zur zeitaufgelösten Photolumineszenzmessung an Halbleitern, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wie aus US 5 196 709 A bekannt.

Weiter betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 10, wie ebenfalls aus US 5 196 709 A bekannt.

Die Untersuchung derartiger Abklingprozesse an vorzugsweise festen Materialien ist insbesondere im Bereich physikalischer Grundlagenforschung von außerordentlicher Bedeutung und nimmt dort sehr breiten Raum ein. Dies trifft für die Messung von zeitaufgelöster Photolumineszenz vor allem für Halbleiter zu, bei der eine Halbleiterprobe beispielsweise mit einem Laserstrahl angeregt und nach dem Anregungsimpuls das dann von dem Halbleiter abgegebene sogenannte Lumineszenzlicht frequenz- und/oder zeitselektiv gemessen wird. Hierdurch läßt sich beispielsweise die energetische Lage von elektronischen Niveaus bestimmen; man erhält also Antwort auf die Frage, wieviele erlaubte Energieniveaus es für Elektronen im betrachteten Halbleiter gibt, und wo sie liegen. Weiter läßt sich ermitteln, wie lange ein Elektron, das sich in einem bestimmten dieser Energieniveaus befindet, im Mittel in diesem verweilt, bevor es unter Energieabgabe in energetisch tiefere Niveaus fällt.

Im Bereich kurzer Lebensdauern, also kurzer Verweilzeiten der Elektronen in den jeweiligen Niveaus, läßt sich das Abklingen des Lumineszenzlichtes in der oben bereits geschilderten Weise durchführen, indem unmittelbar an einen Anregungsimpuls im Anschluß daran die Lumineszenzintensität gemessen wird. Will man jedoch längere Lebensdauern ermitteln, so müssen die einzelnen Anregungsimpulse zeitlich genügend weit voneinander entfernt sein, so daß das Lumineszenzlicht zwischen zwei Anregungsimpulsen auf hinreichend kleine Werte abfallen kann. Darüber hinaus müssen die Anregungsimpulse sehr intensiv sein, damit die Probe ausreichend Lumineszenzlicht abgibt, um ein Abklingen des Lumineszenzlichtes überhaupt noch messen zu können. Schließlich darf hierbei zwischen den Pulsen kein weiteres Anregungslicht auf die Probe fallen, um keine Untergrundlumineszenz zu erzeugen, die möglicherweise um Größenordnungen intensiver wäre, als das zu messende, abklingende Lumineszenzlicht.

Aus der eingangs genannten US 5 196 709 A ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung von Fluoreszenz-Lebensdauern im Bereich der chemischen, biochemischen und biophysikalischen Forschung bekannt. Die Energiezufuhr erfolgt durch moduliertes Licht einer Laserdiode, wobei der Phasenwinkel und/oder die Modulation des durch einen Photomultiplier aufgenommenen Fluoreszenzlichtes ermittelt wird. Die Phasenlage bzw. die Modulation werden dabei in Abhängigkeit von der Anregungsfrequenz bestimmt, woraus sich durch rechnerische Anpassung die Lebensdauer(n) ermitteln lassen.

Ein ähnlicher experimenteller Aufbau ist aus Analytical Chemistry, Vol. 47, No. 3, S. 571-573 bekannt, bei dem zur optischen Anregung ein Argon-Ionen-Laser mit Cavity-dumping eingesetzt ist. Im übrigen erfolgt auch hier die Bestimmung der Lebensdauer aus der gemessenen Phasenverschiebung.

Schließlich ist im Journal of Scientific Instruments, Vol. 38, Juli 1961, S. 282-285 eine weitere derartige Meßanordnung beschrieben, bei der mit einer Entladungslampe angeregt und das Fluoreszenzlicht mittels eines Photomultipliers gemessen wird, wobei das zeitliche Abklingen der Fluoreszenz und somit die Lebensdauer wiederum über die Phasenverschiebung bestimmt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, das es ermöglicht, auch langsam abklingendes Lumineszenzlicht, also große Lebensdauern zu messen, ohne daß sich hierbei die für eine ausreichende Meßgenauigkeit, also einen hinreichend großen Signal-Rausch-Abstand, erforderliche Meßzeit infolge der im Mittel geringen Anregungsleistung verlängert.

Diese Aufgabe wird in verfahrensmäßiger Hinsicht dadurch gelöst, daß das Anregungssignal durch einen Zufallsgenerator mit einer zyklischen Pseudozufallsfolge moduliert und das Antwortsignal mit einer von der Pseudozufallsfolge unmittelbar gebildeten oder einer daraus über eine feste Beziehung abgeleiteten Korrelationsfolge korreliert wird, wobei die Korrelation entweder in analoger Betriebsweise mittels eines Korrelators durch direkte Anwendung der Korrelationsfolge auf das Antwortsignal und taktweise Zeitverschiebung oder aber in digitaler Betriebsweise nach Aufzeichnung des Antwortsignals über eine vollständige Periode der Pseudozufallsfolge rechnerisch erfolgt.

Der durch die Erfindung erreichte Vorteil besteht darin, daß das beispielsweise von einem Laser ausgesandte Anregungslicht nicht die Form eines sehr kurzen Pulses hat, sondern gemäß der zyklischen Pseudozufallsfolge ein- und ausgeschaltet wird, so daß im Mittel die halbe Anregungsenergie und somit auch die halbe cw-Leistung auf die Probe abgegeben wird. Da die mittlere Laserleistung im Pulsbetrieb, dem sogenannten Mode-Locking-Betrieb, gegenüber dem ungepulsten, also dem cw-Betrieb, um mehrere Größenordnungen kleiner ist, läßt sich auf diese Weise aus der Probe ein erheblich größerer Anteil an Lumineszenzlicht herausholen. Darüber hinaus entfällt bei dieser Art des modulierten Betriebs das Problem, daß der Laser in den Anregungspausen kein Licht emittieren darf, das Anlaß für eine Untergrundlimineszenz wäre.

Die Verwendung zyklischer Pseudozufallsfolgen hat auch in der Nachrichtentechnik eine gewisse Bedeutung und wurde auch schon für den Betrieb einer Alkoholdestillieranlage zur Analyse vorgeschlagen (Proc. Instr. Mech. Engrs., Vol. 179 Pt 3H, Seiten 37-51, 1964-65).

Bei analoger Betriebsweise und einem optischen Antwortsignal ist im Rahmen der Erfindung vorgesehen, daß dieses zunächst in ein entsprechendes elektrisches Antwortsignal umgewandelt und die Korrelationsfolge auf das elektrische Antwortsignal angewandt wird. Ebenso besteht bei analoger Betriebsweise und einem optischen Antwortsignal jedoch auch die Möglichkeit, daß dieses zunächst über einen optischen Modulator korreliert und anschließend die Umwandlung in ein elektrisches Signal erfolgt. Dies hat den Vorteil, daß zur Umwandlung des optischen Antwortsignals in ein elektrisches Signal ein langsamer Photodetektor verwendet werden kann, also beispielsweise ein Germaniumdetektor mit hoher Verstärkung und geringer Bandbreite.

Weiter ist im Rahmen der Erfindung vorgesehen, daß die aus der Pseudozufallsfolge abgeleitete Korrelationsfolge durch Differenz- oder Summenbildung der um einen oder mehrere Takte gegen sich selbst zeitverschobenen Zufallsfolge gebildet wird. Durch Wahl einer geeigneten Linearkombination aus Zeitverzögerten des Modulationssignals "r" kann so die Meßdynamik noch weiter erhöht werden. Als vorteilhaft hat sich hierbei herausgestellt, wenn die Korrelationsfunktion durch Differenzbildung der den augenblicklichen Meßzeitpunkt bestimmenden, gegenüber der Pseudozufallsfolge "r" entsprechend zeitverschobenen Folge D^taur und der dem Meßzeitpunkt -1 entsprechenden Folge D^-1r gebildet wird. Das durch Korrelation des Antwortsignals gebildete Ausgangssignal wird zweckmäßigerweise über genau eine Zykluslänge der Pseudozufallsfolge integriert.

Zur Verbesserung des Signal-Rausch-Abstandes kann bei analoger Betriebsweise die Korrelationsfunktion jeweils am Ende eines jeden Zyklus von einem Referenzsignal invertiert werden, ferner das durch Korrelation des Antwortsignals gebildete Ausgangssignal in einem Gegentaktintegrator jeweils mit Beginn eines jeden Zyklus neu aufintegriert werden und schließlich das Signal des Gegentaktintegrators einem Lock-In-Verstärker zugeführt werden, der zur phasenempfindlichen Gleichrichtung dieses Signals mit dem Referenzsignal angesteuert wird.

Bei digitaler Betriebsweise sieht die Erfindung dagegen vor, daß das Antwortsignal durch einen Transientenrekorder mit der Taktfrequenz des Zufallsgenerators aufgezeichnet wird. Hier besteht dann die Möglichkeit, im Anschluß an die Messung, in der Regel also im Anschluß an die Aufaddition des Signals über mehrere Zyklen, die Korrelationsfolge rechnerisch auf die im Rechner gespeicherten Werte anzuwenden. Dabei besteht auch die Möglichkeit, daß die Abtastfrequenz des Transientenrekorders um einen ganzzahligen Teiler kleiner gewählt wird als die Taktfrequenz, der zu 2ⁿ-1 teilerfremd sein muß, wozu n die Anzahl der Stufen des den Zufallsgenerator bildenden rückgekoppelten digitalen Schieberegisters ist. Dies ist insofern möglich, als die aufzuzeichnende Sequenz periodisch ist, so daß sie mit einem Abtast-Halteglied auch langsamer unterabgetastet werden kann.

Eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung, die für zeitaufgelöste Messungen von physikalischen Abklingprozessen in Materialien, insbesondere für zeitaufgelöste Photolumineszenzmessungen an Halbleitern, geeignet ist, weist eine Einrichtung zur Störung des Gleichgewichtszustandes des zu untersuchenden Materials durch ein Anregungssignal und eine Einrichtung zur Erfassung des Antwortsignals des Materials auf.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Modulator für das Anregungssignal vorgesehen ist, der von einem Zufallsgenerator angesteuert ist, wobei der Zufallsgenerator eine binäre zyklische Pseudozufallsfolge r erzeugt, und daß ein Korrelator vorgesehen ist, der das Antwortsignal mit der Pseudozufallsfolge direkt oder mit einer daraus abgeleiteten Korrelationsfolge korreliert.

Die Einrichtung zur Störung des Gleichgewichtszustandes kann dabei von einer optischen Quelle, vorzugsweise von einem Laser, und die Einrichtung zur Erfassung des Antwortsignals von einem optischen Detektor, vorzugsweise einer Photodiode oder einem Photo-Multiplier gebildet sein.

Der Zufallsgenerator ist in bevorzugter Ausführungsform der Erfindung von einem rückgekoppelten digitalen Schieberegister gebildet. Die Rückkopplung erfolgt dabei vorteilhafterweise von den Ausgängen von zwei oder mehr, jeweils frei wählbaren Stufen des Schieberegisters auf dessen Eingang über Exclusiv-ODER-Gatter.

Weiter ist im Rahmen der Erfindung vorgesehen, daß die Ausgänge aller Stufen des Schieberegisters über ein logisches UND-Gatter verknüpft sind, dessen Ausgang das Zyklusende signalisiert.

Zur Steuerung der Zeitverzögerung "tau" für die Erzeugung der zeitverzögerten Folge D^taur sieht die Erfindung eine der Anzahl der Stufen des Schieberegisters entsprechende Zahl von Steuerleitungen vor, deren Signalpegel von einem Prozeßrechner eingestellt wird, wobei jede Steuerleitung mit dem Ausgang der ihr zugeordneten Stufe des Schieberegisters über ein UND-Gatter verknüpft ist, deren Ausgänge jeweils paarweise über Exclusiv-ODER-Gatter und deren Ausgänge wiederum stufenweise über weitere Exclusiv-ODER-Gatter zu einem einzigen, die Folge D^taur liefernden, an die Signalleitung angeschlossenen Ausgang zusammengeführt werden.

Bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung, bei der eine einfache Korrelationsfunktion angewandt wird, ist vorgesehen, daß die Pseudozufallsfolge r am Ausgang der ersten Stufe des Schieberegisters abgegriffen wird.

Bei Anwendung einer Korrelationsfunktion aus einer besonders geeigneten Linearkombination von gegeneinander Zeitverzögerten des Modulationssignals ist vorgesehen, daß für die Erzeugung der Folge D^-1r das Ausgangssignal der ersten Stufe des Schieberegisters und für die Pseudozufallsfolge r die zweite Stufe des Schieberegisters abgegriffen wird.

Weiter ist vorgesehen, daß die Signale der Folge D^taur und D^-1r durch ein Exclusiv-ODER-Gatter invertierbar sind. Hierdurch besteht die Möglichkeit, die Korrelationsfunktion jeweils am Ende eines Meßzyklus zu invertieren und hierzu synchron einen das elektrische Antwortsignal messenden Lock-In-Verstärker anzusteuern.

Im folgenden wird die Erfindung an in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des optischen Meßaufbaus für eine Photolumineszenzmessung,

Fig. 2 ein Blockschaltbild des elektronischen Steuerteils für analoge Meßweise,

Fig. 3 ein Blockschaltbild des elektronischen Steuerteils für digitale Betriebsweise,

Fig. 4 den Korrelator für eine einfache Korrelationsfunktion,

Fig. 5 den Korrelator für eine aus einer Linearkombination gebildeten Korrelationsfunktion,

Fig. 6 den Gegentaktintegrator,

Fig. 7 den Pseudozufallsgenerator,

Fig. 8 den Meßaufbau für eine optische Korrelation.

Die in der Zeichnung dargestellte Vorrichtung ist vorgesehen zur Durchführung von zeitaufgelösten Photolumineszenzmessungen, insbesondere an Halbleitern, und besteht, wie in Fig. 1 wiedergegeben, aus einer optischen Anregungsquelle, hier einem Laser 1, der auf eine in einem Kyrostaten 2 angeordnete Probe 3 aus insbesondere halbleitendem Material einstrahlt. Hierdurch wird der Gleichgewichtszustand in der Probe 3 in der Weise gestört, daß die Ladungsträger in energetisch höhere Zustände verbracht werden, aus denen sie dann mit unterschiedlicher Zeitkonstante in den Grundzustand zurückkehren. Die Rückkehr in den Grundzustand ist in der Regel mit der Emission von Licht einer charakteristischen Wellenlänge begleitet, also mit einer Photolumineszenz, die frequenzselektiv und zeitaufgelöst gemessen Auskünfte über die energetische Lage der Energieniveaus und über die Lebensdauer, d. h. die Verweildauer der Ladungsträger in diesen Energieniveaus gibt.

Das von der Probe 3 ausgesandte Lumineszenzlicht wird über eine Sammellinse 4 einem Monochromator 5 zugeführt, dem ein optischer Detektor 6 nachgeschaltet ist, der das optische Antwortsignal in ein entsprechendes elektrisches Antwortsignal umwandelt. Dieses Signal wird in einer im einzelnen noch zu erläuternden elektronischen Steuereinrichtung 7 weiter verarbeitet.

Im Gegensatz zu konventionellen Messungen, bei welchen nach einer pulsförmigen Anregung durch den Laser 1 das von der Probe 3 abgegebene Lumineszenzlicht zeitabhängig erfaßt wird, befindet sich im Meßaufbau gemäß Fig. 1 zwischen dem Laser 1 und der Probe 3 ein Lasermodulator 8, der durch die elektronische Steuereinrichtung 7 angesteuert wird. Das Anregungssignal wird dabei über den Lasermodulator 8 von einem Zufallsgenerator 9 (Fig. 2) mit einer zyklischen Pseudozufallsfolge amplitudenmoduliert, so daß gegenüber einer rein pulsförmigen Anregung eine wesentlich höhere mittlere Anregungsleistung des Lasers zur Verfügung steht.

In den Fig. 2 und 3 ist die elektronische Steuereinrichtung für analoge bzw. digitale Betriebsweise näher dargestellt. Für beide Betriebsweisen ist dabei zunächst ein Taktgenerator 11 vorgesehen, der den Zufallsgenerator 9 ansteuert. Das für die Modulation des Anregungslichtes vorgesehene Modulationssignal des Zufallsgenerators 9 wird einem Hochspannungsverstärker 10 zugeführt, der den Lasermodulator 8 ansteuert. Das Photolumineszenzlicht wird von dem Detektor 6, also z. B. einer Photodiode bzw. einem Photo-Multiplier registriert und durch einen Transimpedanzverstärker 12 verstärkt.

In der analogen Betriebsweise nach Fig. 2 ist dem Transimpedanzverstärker 12 ein Korrelator 13 nachgeschaltet, der durch eine oder mehrere, aus der Pseudozufallsfolge abgeleitete Korrelationsfolgen des Zufallsgenerators 9 angesteuert wird. An den Korrelator 13 schließt sich ein Gegentaktintegrator 14 an, dessen Ausgangssignal an sich bereits unmittelbar das Meßsignal repräsentiert.

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 gibt der Zufallsgenerator 9 über die Leitung 15 ein Signal für das Ende eines Meßzyklus ab, aus welchem der Gegentaktintegrator 14 ein Referenzsignal 16 bildet, das dem Zufallsgenerator 9 zugeführt wird, wodurch dieser die Korrelationsfolge mit jedem Zyklus invertiert. Dadurch besteht die Möglichkeit, das Ausgangssignal des Gegentaktintegrators 14 einem Lock-In-Verstärker 17 zuzuführen, der ebenfalls von dem Referenzsignal 16 angesteuert wird, wodurch eine Verbesserung im Signal-Rausch-Verhältnis sowie eine Unterdrückung eines eventuellen Gleichspannungspegels erreicht wird.

Zur Bildung der jeweiligen Korrelationsfolge in Abhängigkeit von der eingestellten Zeitverzögerung die quasi den Meßzeitpunkt nach einem fiktiven Anregungsimpuls darstellt, ist ein Prozeßrechner 18 vorgesehen, der die Zeitverzögerung in noch zu erläuternder Weise dem Zufallsgenerator 9 übermittelt.

Bei digitaler Betriebsweise gemäß Fig. 3 wird das Signal des Transimpedanzverstärkers 12 direkt einem Transientenrekorder 19 zugeführt, der das Signal des Transimpedanzverstärkers 12 mit dem Takt des Taktgenerators 11 aufzeichnet und jeweils mit dem das Ende eines Meßzyklus kennzeichnenden Signal 15 auf der Leitung getriggert wird, also eine neue Messung beginnt. Das im Transientenrekorder 19 gemittelte Meßsignal wird anschließend dem Prozeßrechner 18 zugeführt, der dann die Korrelation rechnerisch durchführt.

Fig. 4 zeigt den für eine einfache Korrelationsfunktion vorgesehenen Korrelator 13, der aus einem Operationsverstärker 20 mit symmetrischen Ausgängen besteht, der also ein Gegentaktsignal liefert, an den sich ein von vier FET-Transistoren 21 gebildeter, zweipoliger Umschalter anschließt. Diesem zweipoligen Umschalter ist ein Differenzverstärker 22 nachgeschaltet, wodurch je nach Spannungspegel auf den zu den Ansteuereingängen für die FET-Transistoren 21 führenden Signalleitungen 23 das Eingangssignal des Korrelators 13 invertiert wird oder nicht.

Um die Meßdynamik weiter zu erhöhen, kann die Korrelation durch eine geeignete Linearkombination aus Zeitverzögerten des Modulationssignals gebildet werden. Ein geeigneter Korrelator hierfür ist in Fig. 5 dargestellt, der aus zwei parallel geschalteten Korrelatoren nach Fig. 4 besteht. Jeder der beiden Blöcke 24 in Fig. 5 entspricht also der Schaltung nach Fig. 4. die beiden Ausgänge der Blöcke 24 werden einem weiteren Differenzverstärker 25 zugeführt. Die beiden Korrelatoren werden dabei von den entsprechenden Korrelationssignalen auf den Signalleitungen 23 und 26 des Zufallsgenerators 9 angesteuert, wie dies in Fig. 2 angedeutet ist. Der Korrelator 13 in Fig. 2 entspricht daher entweder der Schaltung nach Fig. 4 (nur Signalleitung 23) oder nach Fig. 5 (Signalleitungen 23 und 26).

Der Gegentaktintegrator 14, wie er für den Betrieb in Verbindung mit einem Lock-In-Verstärker 17 benötigt wird, ist in seinem prinzipiellen Aufbau in Fig. 6 wiedergegeben. Im einzelnen handelt es sich hierbei um ein übliches Integrationsglied in Form eines Operationsverstärkers 27, dessen Ausgang über einen Ladekondensator 28 auf den Eingang rückgekoppelt ist. Um das durch den Chopper-Betrieb alternierende Eingangssignal mit der richtigen Polarität dem Ladekondensator 28 zuzuführen, sind auch hier entsprechende, von FET-Bauelementen gebildete Schalter 29 vorgesehen, die entsprechend dem Chopper-Signal geöffnet bzw. geschlossen werden. Weiter beinhaltet der Gegentaktintegrator 14 ein Flip-Flop 30, das von dem das Ende eines Meßzyklus anzeigenden Signal auf der Leitung 15 jeweils umgesteuert wird. Dieses Flip-Flop 30 sorgt im übrigen in der aus der Fig. 6 ersichtlichen Weise für die Umschaltung der die beiden Ladekondensatoren 28 aufladenden Signale. Der Ausgang des Operationsverstärkers 27 wird einer "sample and hold"-Schaltung 32 zugeführt, die das integrierte Signal jeweils am Ende des Meßzyklus speichert.

Fig. 7 zeigt schließlich den Zufallsgenerator 9, der aus einem hier von vier integrierten Schaltkreisen gebildeten Schieberegister 33 besteht. Die Ausgänge der Schieberegister 33 können in dem durch die Klammer 34 bezeichneten Bereich durch eine Steckermatrix und über Exclusiv-ODER-Gatter 35 auf den Eingang des ersten Schieberegisters 33 zurückgeführt werden. Durch die über die Steckermatrix gebildete Rückkopplung läßt sich die von dem Schieberegister 33 erzeugte Pseudozufallsfolge beeinflussen. Weiter werden die Ausgänge aller Stufen des Schieberegisters 33 über ein logisches UND-Gatter 36 miteinander verknüpft, wobei aus schaltungstechnischen Gründen im Ausführungsbeispiel zwei jeweils 8 Eingänge aufweisende NAND-Gatter vorgesehen sind, deren Ausgänge über ein NOR-Gatter miteinander verknüpft sind und das Ende eines vollständigen Zyklus über die Leitung 15 signalisieren.

Zur Steuerung der Zeitverzögerung tau für die Erzeugung der zeitverzögerten Folge D^taur ist eine der Anzahl der Stufen des Schieberegisters 33 entsprechende Zahl von Steuerleitungen 37 vorgesehen, hier also 16 Steuerleitungen, deren Signalpegel von dem Prozeßrechner eingestellt wird. Jede der Steuerleitungen 37 ist dabei zunächst mit dem Ausgang der ihr zugeordneten Stufe des Schieberegisters 33 über ein UND-Gatter 38 verknüpft. Jeweils zwei Ausgänge der UND-Gatter 38 werden einem Exclusiv-ODER-Gatter 39 zugeführt, wobei wiederum paarweise die Ausgänge zweier Exclusiv-ODER-Gatter 39 den Eingängen eines weiteren Exclusiv-ODER-Gatters 39 zugeführt werden und so fort, bis schließlich am Ausgang des Exclusiv-ODER-Gatters 40 der letzten Stufe die Korrelationsfolge entnommen werden kann. In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 ist ein weiteres, nachgeschaltetes Exclusiv-ODER-Gatter 41 vorgesehen, durch welches über das Referenzsignal 16 bzw. die Chopper-Frequenz eine Signalinvertierung möglich ist. Der Ausgang dieses Exclusiv-ODER-Gatters 41 wird schließlich dem Eingang eines flankengetriggerten D-Flip-Flops 42 zugeführt, an dessen Ausgang die beiden für die Ansteuerung des Korrelators 13 benötigten, zueinander inversen Signale auf der Signalleitung 23 zur Verfügung stehen.

Das für den Korrelator nach Fig. 5 benötigte weitere Korrelationssignal wird dem Ausgang der ersten Stufe des Schieberegisters 33 entnommen und ebenfalls über ein Exclusiv-ODER-Gatter 43 mit der Chopper-Frequenz invertiert, sowie einem D-Flip-Flop 44 zugeführt.

Das eigentliche Modulationssignal 31 wird dem Ausgang der zweiten Stufe des Schieberegisters 33 entnommen und ebenfalls einem D-Flip-Flop zugeführt. Die Datenübernahme der D-Eingänge sämtlicher Flip-Flops 42, 44, 45 erfolgt durch den auch die Schieberegister 33 ansteuernden Takt des Taktgenerator 11 über die Leitung 46. Die Leitung 47 dient zum Rücksetzen der Schieberegister 33.

In Fig. 8 ist schließlich eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei welcher die einzelnen Komponenten mit gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 1 bezeichnet sind. Das von der Probe 3 ausgesandte Lumineszenzlicht durchläuft zunächst einen zweiten Modulator 48, der einerseits von dem Modulationssignal des Zufallsgenerators und darüber hinaus mit der oben schon erläuterten Chopper-Frequenz angesteuert wird. Dem Modulator 48 ist dann wiederum ein optischer Detektor 6 nachgeschaltet, der dann jedoch nur eine geringe Bandbreite, folglich eine hohe Verstärkung aufweisen kann. Bei Verwendung eines langsamen Photodetektors führt dieser bereits die notwendige Integration durch, so daß das Ausgangssignal des Detektors 6 direkt dem nachgeschalteten Lock-In-Verstärker 17 zugeführt werden kann.

Claims (18)

1. Verfahren zur zeitaufgelösten Messung von physikalischen Abklingprozessen in Materialien, bei welchem nach einer Störung des Gleichgewichtszustands durch Energiezufuhr mittels eines sich zeitlich ändernden, amplitudenmodulierten Anregungssignals ein Antwortsignal des Materials erfaßt wird, insbesondere zur zeitaufgelösten Photolumineszenzmessung an Halbleitern, dadurch gekennzeichnet, daß das Anregungssignal durch einen Zufallsgenerator mit einer zyklischen Pseudozufallsfolge moduliert und das Antwortsignal mit einer von der Pseudozufallsfolge unmittelbar gebildeten oder einer daraus über eine feste Beziehung abgeleiteten Korrelationsfolge korreliert wird, wobei die Korrelation entweder in analoger Betriebsweise mittels eines Korrelators durch direkte Anwendung der Korrelationsfolge auf das Antwortsignal und taktweise Zeitverschiebung oder aber in digitaler Betriebsweise nach Aufzeichnung des Antwortsignals über eine vollständige Periode der Pseudozufallsfolge rechnerisch erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei analoger Betriebsweise und einem optischen Antwortsignal dieses zunächst in ein entsprechendes elektrisches Antwortsignal umgewandelt und die Korrelationsfunktion auf das elektrische Antwortsignal angewandt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei analoger Betriebsweise und einem optischen Antwortsignal dieses zunächst über einen optischen Modulator korreliert und anschließend die Umwandlung in ein elektrisches Signal erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die aus der Pseudozufallsfolge abgeleitete Korrelationsfolge durch Differenz- oder Summenbildung der um einen oder mehrere Takte gegen sich selbst zeitverschobenen Pseudozufallsfolge gebildet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrelationsfunktion durch Differenzbildung der den augenblicklichen Meßzeitpunkt bestimmenden, gegenüber der Pseudozufallsfolge r entsprechend zeitverschobenen Folge D^taur und der dem Meßzeitpunkt -1 entsprechenden Folge D^-1r gebildet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das durch Korrelation des Antwortsignals gebildete Ausgangssignal über genau eine Zykluslänge der Pseudozufallsfolge integriert wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei analoger Betriebsweise die Korrelationsfunktion jeweils am Ende eines jeden Zyklus von einem Referenzsignal invertiert wird, daß ferner das durch Korrelation des Antwortsignals gebildete Ausgangssignal in einem Gegentaktintegrator jeweils mit Beginn eines jeden Zyklus neu aufintegriert wird, und daß das Signal des Gegentaktintegrators einem Lock-In-Verstärker zugeführt wird, der zur phasenempfindlichen Gleichrichtung dieses Signals mit dem Referenzsignal angesteuert wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei digitaler Betriebsweise das Antwortsignal durch einen Transientenrekorder mit der Taktfrequenz des Zufallsgenerators aufgezeichnet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastfrequenz des Transientenrekorders um einen ganzzahligen Teiler kleiner gewählt wird als die Taktfrequenz, der zu 2ⁿ-1 teilerfremd sein muß, wobei n die Anzahl der Stufen des den Zufallsgenerator bildenden, rückgekoppelten digitalen Schieberegisters ist.

10. Vorrichtung zur Durchführung von zeitaufgelösten Messungen von physikalischen Abklingprozessen in Materialien, insbesondere zur zeitaufgelösten Photolumineszenzmessung an Halbleitern, mit einer Einrichtung zur Störung des Gleichgewichtszustands des zu untersuchenden Materials durch ein Anregungssignal und mit einer Einrichtung zur Erfassung des Antwortsignals des Materials, dadurch gekennzeichnet, daß ein Modulator (Lasermodulator 8) für das Anregungssignal vorgesehen ist, der von einem Zufallsgenerator (9) angesteuert ist, wobei der Zufallsgenerator (9) eine binäre zyklische Pseudozufallsfolge r erzeugt, und daß ein Korrelator (13) vorgesehen ist, der das Antwortsignal mit der Pseudozufallsfolge direkt oder mit einer daraus abgeleiteten Korrelationsfolge korreliert.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Störung des Gleichgewichtszustands von einer optischen Quelle, vorzugsweise einem Laser (1), und die Einrichtung zur Erfassung des Antwortsignals von einem optischen Detektor (6), vorzugsweise einer Photodiode oder einem Photomultiplier gebildet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Zufallsgenerator (9) von einem rückgekoppelten digitalen Schieberegister (33) gebildet ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopplung von den Ausgängen von zwei oder mehr, jeweils frei wählbaren Stufen des Schieberegisters (33) auf dessen Eingang über Exklusiv-ODER-Gatter (35) erfolgt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge aller Stufen des Schieberegisters (33) über ein logisches UND-Gatter (36) verknüpft sind, dessen Ausgang (15) das Zyklusende signalisiert.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung der Zeitverzögerung tau für die Erzeugung der zeitverzögerten Folge D^taur eine der Anzahl der Stufen des Schieberegisters (33) entsprechende Zahl von Steuerleitungen (37) vorgesehen ist, deren Signalpegel von einem Prozeßrechner (18) eingestellt wird, wobei jede Steuerleitung (37) mit dem Ausgang der ihr zugeordneten Stufe des Schieberegisters (33) über ein UND-Gatter (38) verknüpft ist, deren Ausgänge jeweils paarweise über Exklusiv-ODER-Gatter (39) und deren Ausgänge wiederum stufenweise über weitere Exklusiv-ODER-Gatter (39) zu einem einzigen, die Folge D^taur liefernden, an die Signalleitung (23) angeschlossenen Ausgang zusammengeführt werden.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Pseudozufallsfolge r am Ausgang der ersten Stufe des Schieberegisters (33) abgegriffen wird.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß für die Erzeugung der Folge D^-1r das Ausgangssignal der ersten Stufe des Schieberegisters (33) und für die Pseudozufallsfolge r die zweite Stufe des Schieberegisters (33) abgegriffen wird.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale der Folgen D^taur und D^-1r durch ein Exklusiv-ODER-Gatter (41, 43) invertierbar sind.