少數(shù)載流子壽命測試系統(tǒng)研究.doc

-專業(yè)文檔，值得下載!-專業(yè)文檔，值得珍藏！-少數(shù)載流子壽命測試系統(tǒng)研究趙毅強(qiáng)，翟文生，王健，劉鐵臣摘要：少數(shù)載流子壽命是衡量半導(dǎo)體材料性能的關(guān)鍵參數(shù)之一，文中介紹了光電導(dǎo)衰退法少數(shù)載流子壽命測試系統(tǒng)。闡述了光電導(dǎo)衰退法測試原理，分析了測試系統(tǒng)構(gòu)成，以及光脈沖下降沿時(shí)間、微弱信號放大處理、前放帶寬、精密定位等關(guān)鍵技術(shù)，其主要性能指標(biāo)是：少數(shù)載流子壽命測試范圍：10*-76*10-6；可測樣品尺寸：小于20mm；單色光光點(diǎn)大?。?.3mm；測試數(shù)據(jù)穩(wěn)定度優(yōu)于10%。關(guān)鍵詞：少數(shù)載流子壽命；光電導(dǎo)衰退法；測試系統(tǒng)引言衡量紅外探測器性能的主要技術(shù)指標(biāo)是探測率和響應(yīng)率，而該指標(biāo)與制作紅外探測器的各種半導(dǎo)體材料（碲鎘汞、銻化銦、硅等）的少數(shù)載流子壽命有著密切的關(guān)系。通過研究少數(shù)載流子壽命，了解其壽命的復(fù)合機(jī)構(gòu)，更好地掌握材料性能，可有效地進(jìn)行晶片篩選，提高器件成品率和性能。少數(shù)載流子壽命的測試方法有多種，但對于工藝線上的在線測試而言，要求簡潔方便且為非破壞性測試。文中采用光電導(dǎo)衰退法（PCD）測量半導(dǎo)體材料的少數(shù)載流子壽命及其空間分布直觀、準(zhǔn)確、可靠。該系統(tǒng)采用雙光路折反射設(shè)計(jì)，適用窗口封裝于底面和側(cè)面杜瓦瓶樣品的測試。操作軟件以Windows98,為平臺(tái)，可自動(dòng)或半自動(dòng)測試，其步進(jìn)精度高，壽命測試范圍寬。測試原理少數(shù)載流子壽命（體）定義為在一均勻半導(dǎo)體中少數(shù)載流子在產(chǎn)生和復(fù)合之間的平均時(shí)間間隔。在一定溫度條件下，處于熱平衡狀態(tài)的半導(dǎo)體，載流子濃度是一定的，當(dāng)用某波長的光照射半導(dǎo)體材料，如果光子的能量大于禁帶寬度，位于價(jià)帶的電子受激發(fā)躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生電子空穴對，形成非平衡載流子np，對于n型材料非平衡電子稱為非平衡多數(shù)載流子，非平衡空穴稱為非平衡少數(shù)載流子，對-型材料則相反。用光照使半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生非平衡載流子的方法稱為非平衡載流子的光注入。光注入時(shí)，半導(dǎo)體電導(dǎo)率的變化為：=nqn+pqp(1)假設(shè)符合下列條件：（1）樣品所加的電場很小，以至少數(shù)載流子的漂移導(dǎo)電電流可忽略；（2）樣品是均勻的，即p0或n0在樣品各處是相同的；（3）在樣品中沒有陷阱存在（即符合n=p）；（4）表面復(fù)合可以忽略不計(jì)；（5）小注入條件。公式（2）可簡化為：=pq(n+p)(2)如果在t=0時(shí)，光照突然停止，光生載流子由于復(fù)合效應(yīng)，其濃度隨時(shí)間減小至平衡態(tài)。載流子濃度變化率用下式表示：式中p少數(shù)載流子空穴復(fù)合壽命，在t=0時(shí)，p(t)=(p)-o，這就是說非平衡載流子濃度隨時(shí)間的變化按指數(shù)規(guī)律衰減，若t=p，則p(t)=(p)o/e求出非平衡載流子濃度減少到原值的1/e的時(shí)間就可得到少數(shù)載流子壽命。將公式（3）公式（2)得：-專業(yè)文檔，值得下載!-專業(yè)文檔，值得珍藏！-（4）可見，正比于非平衡載流子濃度p(t)，其亦呈指數(shù)衰減的規(guī)律，故通過觀察光照停止后電導(dǎo)率的變化可得到少數(shù)載流子壽命值。的變化可用圖.所示的裝置觀察，其中R=，不論光照與否通過半導(dǎo)體的電流,近似不變，半導(dǎo)體兩端電壓降V=I*光照后由于光生載流子的作用，引起電壓的變化V:通過測量電壓波形從最大值下降到其1/e的時(shí)間，就可得到少數(shù)載流子壽命p。以上就是PCD法測量少數(shù)載流子壽命的基本原理。3試系統(tǒng)組成及關(guān)鍵技術(shù)3.1測試系統(tǒng)組成少數(shù)載流子壽命測試系統(tǒng)原理如圖2所示。3.2主要部分關(guān)鍵技術(shù)（1）激光發(fā)射器組件激光發(fā)射器組件由激光激勵(lì)電路和脈沖激光發(fā)射器組成。其中脈沖激勵(lì)重復(fù)頻率為200Hz，光脈沖下降沿時(shí)間小于15ns，該參數(shù)直接影響壽命的測試低限。激光發(fā)射管是GaAs/GaAlAs:異質(zhì)結(jié)單管激光器輸出波長0.83s，峰值功率5W，發(fā)散角15o30o，結(jié)面積10ns150ns，精確安裝在光學(xué)系統(tǒng)的入射焦面上。-專業(yè)文檔，值得下載!-專業(yè)文檔，值得珍藏！-（2）光學(xué)聚焦折反射系統(tǒng)光學(xué)聚焦折反射系統(tǒng)主要用于實(shí)現(xiàn)光子流的匯聚。為了調(diào)節(jié)光強(qiáng)方便和消除像差，采用雙透鏡系統(tǒng)，其原理如圖3所示。激光發(fā)射器發(fā)出的光經(jīng)透鏡組變?yōu)槠叫泄?，到濾光片（為防止大注入現(xiàn)象而衰減光強(qiáng)），經(jīng)折反射鏡片后分為兩束光，一束經(jīng)鏡頭組5匯聚到直窗杜瓦瓶焦面，另一束經(jīng)鏡頭組7匯聚到側(cè)窗杜瓦瓶焦面。其中濾光片3是為防止大注入產(chǎn)生而設(shè)計(jì)的，可根據(jù)不同的半導(dǎo)體材料來選擇合適的濾光效果。（3）閉環(huán)精密微動(dòng)裝置由精密步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的X-Y微動(dòng)平臺(tái)，裝有讀數(shù)光柵尺，具有準(zhǔn)確初始定位功能。光學(xué)系統(tǒng)置于精密平臺(tái)上，由計(jì)算機(jī)發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號，通過讀取光柵尺數(shù)值監(jiān)測X-Y位置的變化，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)償，從而達(dá)到閉環(huán)控制，使步進(jìn)精度達(dá)到2ns。（4）專用測試杜瓦瓶對于碲鎘汞和銻化銦等材料而言，用其制作的紅外探測器都在低溫狀態(tài)下工作，因此也需在低溫下測試其少數(shù)載流子壽命，測試杜瓦瓶是引入系統(tǒng)噪聲的主要原因，我們設(shè)計(jì)了一種專用杜瓦瓶，不論在結(jié)構(gòu)上還是引線連接方式上都作了特殊處理，有效地保證了信號傳輸、降低了噪聲。（5）微弱信號放大及顯示采樣由光激發(fā)產(chǎn)生的信號極其微弱且噪聲較高，放大信號、抑制噪聲是準(zhǔn)確測量的關(guān)鍵，對前置放大器要求有足夠的帶寬（10Hz50MHz）和增益，以滿足測量范圍和大面積樣品的要求。我們選用進(jìn)口前置放大器及輔助電路，實(shí)現(xiàn)了信號放大HP54616B存儲(chǔ)示波器用來完成放大器輸出波形的顯示，下降沿時(shí)間的測量和數(shù)字化傳輸。該示波器頻帶寬度為500MHz，最大采樣頻率2GSa/s，水平分辨率20ps，電壓靈敏度20Mv/div5V/div。（6）計(jì)算機(jī)采樣和控制部分計(jì)算機(jī)完成微動(dòng)平臺(tái)控制，光柵尺數(shù)據(jù)讀取，少數(shù)載流子壽命數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理等功能。通過I/O接口發(fā)出X-Y方向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號，使精密平臺(tái)移動(dòng)，計(jì)算機(jī)不斷讀取光柵尺返回?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正，確保X-Y平臺(tái)移動(dòng)精度。通過GPIB488接口與HP54616B存儲(chǔ)示波器通訊，完成初始化、下降沿時(shí)間的讀取。在WIN98上應(yīng)用專用測試軟件TESTPOINT平臺(tái)設(shè)計(jì)各測試、顯示程序。軟件功能強(qiáng)大，可完成對不同半導(dǎo)體樣品的自動(dòng)和半自動(dòng)測試，單步步長任意可調(diào)。測試完畢計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成數(shù)據(jù)處理并產(chǎn)生各種報(bào)表文件，供用戶進(jìn)行二次處理、記錄存盤、打印輸出。4系統(tǒng)主要性能指標(biāo)-專業(yè)文檔，值得下載!-專業(yè)文檔，值得珍藏！-（1）載流子壽命測試范圍:10*-76*10-6S（2）可測樣品尺寸：小于20mm；（3）X-Y平臺(tái)單步步長范圍：1-4