基于微波光电导衰退法的新型少子寿命测量仪张浩.pdfVIP

 应用技术 * 基于微波光电导衰退法的新型少子寿命测量仪 张浩 1,2 陈长缨 1,2 何璇 1,2 （1.广东省高等学校光电信息与传感技术重点实验室（暨南大学） 2.暨南大学光电工程系） 摘要：本文在传统微波光电导衰退法的基础上，提出了一种可用于测量半导体少数载流子寿命的新型少子 寿命测量仪。通过增加频移器和混频器，对高频微波探测信号进行调制和解调，得到包含了样品少子浓度信息的 低频信号。同时介绍了测量仪的基本原理和测量装置的结构，并分别对仪器内部的微波源、激光器、频移器和混 频器的原理和参数选择进行了探讨。实验表明：测量结果波形与理论预期波形相吻合，证实了测量仪的可行性； 新的测量仪保持了传统方法非接触、无损伤的优点，并降低了系统检测设备的性能要求，提高了测量信噪比。 关键词：微波光电导衰退法；少子寿命；频移器；混频器；半导体；硅片 1 引言 境噪声的影响，提高信噪比（SNR）；同时还降低了 系统接收端器件的频率特性要求，使系统成本下降。 少数载流子寿命（简称少子寿命）是半导体晶体 2 测量原理 硅材料的一项重要参数，它对半导体器件的性能、晶 体硅太阳能的光电转换效率都有重要的影响[1] 。在小 微波光电导衰退法测量少子寿命，主要包括激光 注入条件下，撤销注入后，载流子浓度随时间按指数 注入产生电子-空穴对和微波探测少子的浓度变化两 规律衰减[1,4]，载流子浓度衰减到原来的 1/e 时所经历 个过程[3] 。由于光电效应，当半导体材料受到满足一 的时间称为少子寿命。对半导体材料的少子寿命进行 定条件的外界光照（光的能量必须大于半导体材料的 测量，可以评价半导体器件的性能，了解太阳能电池 禁带宽度）时，光的能量被材料吸收，然后在其表面 的光电转换效率，而且在半导体材料的生产过程中可 和体内激发出电子-空穴对，从而引起少子浓度增加， 进行质量监控，以优化生产工艺流程。目前关于少子 在宏观角度上表现为半导体材料附加电导率的增加； 寿命的主要测量方法有：直流光电导法（PCD ）、表 当外界光照撤销后，电子和空穴发生复合，因此少子 面光电压法（SPV）、微波光电导衰退法（MW-PCD ） 浓度降低，在宏观角度上表现为半导体材料附加电导 等。不同的测量方法由于注入方法、样品表面状况、 率的减少。由此可见，半导体材料的附加电导率的变 探测和算法的差异而呈现不同的测量结果。PCD 法的 化与材料少子的浓度变化成正比： 优点是准确度高、对样品的电阻率要求低，缺点是对  n （1） 样品的尺寸有一定要求，在测量时必须接触样品，因 式中Δσ为附加电导率；Δn 为少子浓度。 而具有破坏性；SPV 法是一种半接触式的测量方法， 用激光在半导体材料中产生电子-空穴对后，便 测量装置与样品的接触表面势垒，对测量结果的影响 可以用微波信号对材料进行探测。微波从微波源发 较大；与上述两种方法相比，MW-PCD 法由于其非 出，传播到半导体材料表面，一部分被吸收和透射， 接触、无损伤的特点被广泛采用，成为少子寿命的标 另一部分被反射。为了减少透射的微波能量，可以通 准测量方法[2] 。本文在 MW-PCD 法的基础上改进， 过选择合适的微波频率，使微波对材料的透入深度减 将微波分为两路信号，一路信号直接测量样品，另一 小，从而忽略透射波，只需考虑被吸收和被反