半导体材料的锁相载流子辐射成像

发布时间：2020-08-28 09:01

　　作为表征半导体材料和器件性能的重要物理参数,载流子输运参数(体复合寿命、迁移率、扩散系数、表面复合速率等)的测量受到科研和工业界的广泛关注,是半导体检测领域的热点。光载流子辐射测量(Photocarrier Radiometry, PCR)是一种基于频域锁相检测原理的载流子输运参数测量技术,具有高信噪比、无损、全光、非接触等优点,已经成功应用于多种半导体材料和器件的局域载流子输运参数测量。随着半导体基底材料向着大尺寸的方向发展,局域点检测已经不能满足需求,发展面检测成像技术势在必行。2010年,利用近红外InGaAs相机、以PCR技术为基础的锁相载流子辐射成像技术(Lock-in Carrierography, LIC)应运而生。本论文进一步完善了PCR技术,并在此基础上开展了LIC定量成像技术的研究,主要工作可以概括为以下三个方面。建立了更加完备的PCR理论,完善了PCR测量技术PCR技术是LIC技术的基础,传统的PCR理论没有考虑信号的非线性特性,本论文深入分析了PCR信号的非线性特征,建立了两套理论模型：幂函数模型和n-p product模型。前者是从部分实验现象中总结出的经验规律；后者基于严格的光载流子复合理论,从完备的非线性偏微分方程组出发推导得出。理论分析和实验研究结果表明,n-p product模型能更准确地描述信号的非线性特征,是更加完善的PCR理论模型。此外,建立了PN结太阳能电池在开路和短路状态下的PCR解析理论,通过理论模型对实验数据的拟合,首次实现了PCR技术对多晶硅太阳能电池的硅基载流子体寿命测量。同时,建立了等效载流子寿命模型,得到了等效载流子寿命同载流子输运参数之间的解析关系,并区分了稳态和频域模式所测得的不同寿命,为不同检测技术的测量结果提供了可比性的理论依据。基于实验中测得的单晶硅片的载流子输运参数,估算出等效载流子寿命,同微波光电导衰减技术的测量结果一致。二、建立了低频LIC定量成像方法,实现了单晶硅片的等效载流子寿命成像首先建立了LIC成像系统中相机的相位信号校准方法。相机记录的原始数据显示,始终存在一个系统附加相位叠加在真实信号上。采用白纸作为零相位滞后反射体,记录相机在不同光学密度的中性衰减片下的相位和幅度信息,对每一个像素点的数据进行分析,得到了相机相位校准矩阵。实验结果表明该校准方法可以准确恢复相位信号。基于上述相位校准方法,在不同调制频率下,得到了单晶硅片的LIC相位图像。利用所建立的频域等效载流子寿命理论模型,对相机每个像素点的相位频率数据进行拟合,得到该点的等效载流子寿命,最终实现了单晶硅片的等效载流子寿命分布成像。三、提出了外差LIC原理,利用非线性混频,突破了相机采样速率的瓶颈,实现了高频LIC成像受近红外相机帧率和曝光时间的限制,在传统锁相模式下,相机无法实现对高频信号的采样。成像频率的瓶颈导致无法区分载流子的表面复合和体复合寿命,同时也无法实现深度选择性成像,这使得频域技术的独特优势无法在LIC技术中发挥。本论文提出外差锁相成像方法,基于载流子辐射复合信号的非线性特性,利用非线性混频,构造出了携带高频信息的低频信号分量,该低频信号可以很好地被相机记录,从而实现了从低频(100Hz)到高频(20kHz)的外差LIC成像,突破了近红外相机采样速率的限制。其次,建立了外差PCR理论,解释了外差信号产生的物理机理,并对实验测得的单晶硅片的外差频率响应数据进行拟合,得到了载流子输运参数。拟合结果同传统零差PCR技术测得的结果一致性很好。同时,利用零差和外差LIC成像系统,实现了对多晶硅太阳能电池从10Hz到20kHz的锁相成像。建立了硅太阳能电池在开路状态下的外差PCR解析理论,利用理论模型对相机记录的外差幅度频率响应数据的拟合,实现了外差LIC技术对太阳能电池的硅基载流子体寿命的测量。LIC不仅有望为微电子、光电子、传感器、光伏能源等半导体材料科学领域的基础创新研究服务,而且具有广阔的工业在线无损检测应用前景。
【学位单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TN304
【部分图文】：

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图１－１邋Ｓｅｍｉｂｂ邋公司＾－ＰＣＤ载流子寿命成像仪１＂１逡逑（ａ）ＷＴ－２０００产品照片；（ｂ）桂片的等效载流子寿命图像逡逑目前来看，Ｈ－ＰＣＤ技术主要存在Ｗ下几点不足之处：逡逑第一，就检测原理而言，＾ｉ－ＰＣＤ实际上是基于传统的累浦检测模式逡逑（ｐｕｍｐ－ｐｒｏｂｅ），即用光激发载流子，然后用微波来测量电导率的变化，这意味着逡逑n,量系统需要两套＂光路＂。而近年来新兴的技术，如后面将要介绍的光热箱射法、逡逑光致发光法、光载流子福射法等，在保留了全光、非接触等优点外，省去了检测逡逑光路，只需要一束累浦光即可。因此，只要徏些新兴技术在测量精度上可Ｗ和Ｍ－ＰＣＤ逡逑比拟，那么就系统简洁度、成本而言，新兴技术完全可Ｗ取代Ｍ－ＰＣＤ。逡逑第二，只能得到等效载流子寿命图。受测量原理的限制，＾ｉ－ＰＣＤ只能测量样逡逑品内总的载流子密度随着时间变化的衰减速率，这正是等效载流子寿命的定义。逡逑Ｈ－ＰＣＤ测量的信号是四个载流子输运参数（体寿命、扩散系数、前后表面复合速逡逑率）综合作用的结果，但无法进一步分辨这四个参数。因此，Ｍ－ＰＣＤ成像无法区逡逑分载流子的表面复合和体复合。需要指出的是，接触式、非成像的ＰＣＤ技术可逡逑

示意图,准稳态,化成,多晶

相机的一大主流应用。但是，受ＩｎＧａＡｓ相机的巾贞率和曝光时间的限制，ＰＬ成像逡逑技术无法像单点探测那样对高速信号进行时间分辨的记录。因此，目前基于相机逡逑的ＰＬ成像一般是工作在准稳态模式或是低频正弦调制的动态模式下。图１－８所示逡逑为多晶娃片的准稳态ＰＬ成像示意图，图１－９所示为低频正弦调制的ＰＬ成像。逡逑准稳态ＰＬ成像采用低频方波调制的激励光。在一个调制周期内，一般记录四逡逑幅图像。利用等时域的等效载流子寿命理论模型，拟合出每一个像素的等效载流逡逑子寿命。低频正弦调制的动态化成像原理同准稳态类似，其最大的优点在于不需逡逑要校准即可得到载流子寿命图。逡逑比起ＬＩＴ技术，ＰＬ技术的优势是，其测量到的信号主要是来源于载流子福射逡逑复合。非福射复合Ｗ及晶格去激励热福射等信号被ＩｎＧａＡｓ探测器的响应频段自然逡逑滤除。送样ＰＬ成像体现的是纯粹的载流子行为ＩＷ。此外，近红外相机不需要制冷，逡逑对测量环境的要求不像中波相机那么苛刻，且近红外相机的倾率目前己经可Ｗ达逡逑到数百赫兹。氋速的拍摄性能使得研究载流子的动态物理行为成为可能。逡逑９逡逑

框图,相机,实验系统,频率扫描

。台上，方便定位。由Ｍａｔｌａｂ程序控制仪器读取数据Ｗ及实现频率扫描。逡逑基于相机的ＬＩＣ实验系统逡逑于相机的ＬＩＣ实验系统是单点ＰＣＲ系统的成像改进，实验系统框图如下所逡逑

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