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少数载流子寿命测试系统研究
赵毅强,翟文生,王健,刘铁臣

  摘要:少数载流子寿命是衡量半导体材料性能的关键参数之一,文中介绍了光电导衰退法少数载流子寿命测试系统。阐述了光电导衰退法测试原理,分析了测试系统构成,以及光脉冲下降沿时间、微弱信号放大处理、前放带宽、精密定位等关键技术,其主要性能指标是:少数载流子寿命测试范围:10*-7 ~6 *10-6;可测样品尺寸:小于20mm;单色光光点大小:Φ0.3mm;测试数据稳定度优于10%。
关键词: 少数载流子寿命; 光电导衰退法; 测试系统

引言
  衡量红外探测器性能的主要技术指标是探测率和响应率,而该指标与制作红外探测器的各种半导体材料(碲镉汞、锑化铟、硅等)的少数载流子寿命有着密切的关系。通过研究少数载流子寿命,了解其寿命的复合机构,更好地掌握材料性能,可有效地进行晶片筛选,提高器件成品率和性能。少数载流子寿命的测试方法有多种,但对于工艺线上的在线测试而言,要求简洁方便且为非破坏性测试。文中采用光电导衰退法(PCD)测量半导体材料的少数载流子寿命及其空间分布直观、准确、可靠。该系统采用双光路折反射设计,适用窗口封装于底面和侧面杜瓦瓶样品的测试。操作软件以Windows98, 为平台,可自动或半自动测试,其步进精度高,寿命测试范围宽。

测试原理
  少数载流子寿命(体)定义为在一均匀半导体中少数载流子在产生和复合之间的平均时间间隔。在一定温度条件下,处于热平衡状态的半导体,载流子浓度是一定的,当用某波长的光照射半导体材料,如果光子的能量大于禁带宽度,位于价带的电子受激发跃迁到导带,产生电子’空穴对,形成非平衡载流子⊿n ⊿p,对于n型材料非平衡电子称为非平衡多数载流子,非平衡空穴称为非平衡少数载流子,对-型材料则相反。用光照使半导体内部产生非平衡载流子的方法称为非平衡载流子的光注入。光注入时,半导体电导率的变化为:
            ⊿σ=⊿nqμn+⊿pqμp(1)
假设符合下列条件:
(1) 样品所加的电场很小,以至少数载流子的漂移导电电流可忽略;
(2) 样品是均匀的,即p0或n0在样品各处是相同的;
(3) 在样品中没有陷阱存在(即符合⊿n=⊿p);
(4) 表面复合可以忽略不计;
(5) 小注入条件。
公式(2)可简化为:
         ⊿σ=⊿pq(μn+μp) (2)
如果在t=0 时,光照突然停止,光生载流子由于复合效应,其浓度随时间减小至平衡态。载流子浓度变化率用下式表示:
          
式中τp—少数载流子空穴复合寿命,在t=0 时,⊿p(t)=( ⊿p)\-o,这就是说非平衡载流子浓度随时间的变化按指数规律衰减,若t=τp,则⊿p(t)=( ⊿p)o/e求出非平衡载流子浓度减少到原值的1/e的时间就可得到少数载流子寿命。将公式(3)公式(2)得:

  (4)
可见,⊿σ正比于非平衡载流子浓度⊿p(t),其亦呈指数衰减的规律,故通过观察光照停止后电导率的变化可得到少数载流子寿命值。⊿σ的变化可用图. 所示的装置观察,其中R>=τ,不论光照与否通过半导体的电流, 近似不变,半导体两端电压降V=I*τ
 
光照后由于光生载流子的作用,引起电压的变化⊿V:
通过测量电压波形从最大值下降到其1/e的时间,就可得到少数载流子寿命τp。以上就是PCD法测量少数载流子寿命的基本原理。

3试系统组成及关键技术
3.1测试系统组成
少数载流子寿命测试系统原理如图2所示。

3.2主要部分关键技术
(1) 激光发射器组件
   激光发射器组件由激光激励电路和脉冲激光发射器组成。其中脉冲激励重复频率为200Hz,光脉冲下降沿时间小于15ns,该参数直接影响寿命的测试低限。
激光发射管是GaAs/GaAlAs: 异质结单管激光器输出波长0.83μs,峰值功率5W,发散角15o×30 o,结面积10ns×150ns,精确安装在光学系统的入射焦面上。
(2) 光学聚焦折反射系统
  光学聚焦折反射系统主要用于实现光子流的汇聚。为了调节光强方便和消除像差,采用双透镜系统,其原理如图3 所示。激光发射器发出的光经透镜组’ 变为平行光,到滤光片(为防止大注入现象而衰减光强),经折反射镜片后分为两束光,一束经镜头组5汇聚到直窗杜瓦瓶焦面,另一束经镜头组7汇聚到侧窗杜瓦瓶焦面。其中滤光片3是为防止大注入产生而设计的,可根据不同的半导体材料来选择合适的滤光效果。
(3) 闭环精密微动装置
  由精密步进电机驱动的X-Y微动平台,装有读数光栅尺,具有准确初始定位功能。光学系统置于精密平台上,由计算机发出驱动信号,通过读取光栅尺数值监测X-Y位置的变化,实现自动补偿,从而达到闭环控制,使步进精度达到2ns。
(4) 专用测试杜瓦瓶
  对于碲镉汞和锑化铟等材料而言,用其制作的红外探测器都在低温状态下工作,因此也需在低温下测试其少数载流子寿命,测试杜瓦瓶是引入系统噪声的主要原因,我们设计了一种专用杜瓦瓶,不论在结构上还是引线连接方式上都作了特殊处理,有效地保证了信号传输、降低了噪声。
(5) 微弱信号放大及显示采样
  由光激发产生的信号极其微弱且噪声较高,放大信号、抑制噪声是准确测量的关键,对前置放大器要求有足够的带宽(10Hz50MHz)和增益,以满足测量范围和大面积样品的要求。我们选用进口前置放大器及辅助电路,实现了信号放大HP54616B存储示波器用来完成放大器输出波形的显示,下降沿时间的测量和数字化传输。该示波器频带宽度为500MHz,最大采样频率2GSa/s,水平分辨率20ps,电压灵敏度20Mv/div5V/div。
(6) 计算机采样和控制部分
  计算机完成微动平台控制,光栅尺数据读取,少数载流子寿命数据采集,数据处理等功能。
通过I/O接口发出X-Y方向步进电机驱动信号,使精密平台移动,计算机不断读取光栅尺返回数据进行动态修正,确保X-Y平台移动精度。通过GPIB488接口与HP54616B存储示波器通讯,完成初始化、下降沿时间的读取。在WIN98上应用专用测试软件TESTPOINT平台设计各测试、显示程序。软件功能强大,可完成对不同半导体样品的自动和半自动测试,单步步长任意可调。测试完毕计算机自动完成数据处理并产生各种报表文件,供用户进行二次处理、记录存盘、打印输出。

4系统主要性能指标
(1) 载流子寿命测试范围:10*-7 ~6 *10-6S
(2) 可测样品尺寸:小于20mm;
(3) X-Y平台单步步长范围:1-4mm;
(4) 单色光光点大小:Φ0.3mm;
(5) 测试数据稳定度:优于10%。

5结论
  研究中对影响系统主要性能的光脉冲下降沿时间和前放带宽进行了特殊设计,对抑制噪声提高信噪比采取了特殊措施。该测试系统已分别对碲镉汞和锑化铟样品进行了长时间测试,测试数据稳定可靠。已有一套系统出口。


 
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