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少數載流子壽命測試系統(tǒng)研究

少數載流子壽命是衡量半導體材料性能的關鍵參數之一，文中介紹了光電導衰退法少數載流子壽命測試系統(tǒng)。闡述了光電導衰退法測試原理，分析了測試系統(tǒng)構成，以及光脈沖下降沿時間、微弱信號放大處理、前放帶寬、精密定位等關鍵技術，其主要性能指標是：少數載流子壽命測試范圍：10*-7 ~6 *10-6；可測樣品尺寸：小于20mm；單色光光點大?。害?.3mm；測試數據穩(wěn)定度優(yōu)于10%。
關鍵詞：少數載流子壽命；光電導衰退法；測試系統(tǒng)

引言
　　衡量紅外探測器性能的主要技術指標是探測率和響應率，而該指標與制作紅外探測器的各種半導體材料（碲鎘汞、銻化銦、硅等）的少數載流子壽命有著密切的關系。通過研究少數載流子壽命，了解其壽命的復合機構，更好地掌握材料性能，可有效地進行晶片篩選，提高器件成品率和性能。少數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。文中采用光電導衰退法（PCD）測量半導體材料的少數載流子壽命及其空間分布直觀、準確、可靠。該系統(tǒng)采用雙光路折反射設計，適用窗口封裝于底面和側面杜瓦瓶樣品的測試。操作軟件以Windows98, 為平臺，可自動或半自動測試，其步進精度高，壽命測試范圍寬。

測試原理
　　少數載流子壽命（體）定義為在一均勻半導體中少數載流子在產生和復合之間的平均時間間隔。在一定溫度條件下，處于熱平衡狀態(tài)的半導體，載流子濃度是一定的，當用某波長的光照射半導體材料，如果光子的能量大于禁帶寬度，位于價帶的電子受激發(fā)躍遷到導帶，產生電子’空穴對，形成非平衡載流子⊿n ⊿p，對于n型材料非平衡電子稱為非平衡多數載流子，非平衡空穴稱為非平衡少數載流子，對-型材料則相反。用光照使半導體內部產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，半導體電導率的變化為：
　　　　　　　　　　　　⊿σ=⊿nqμn+⊿pqμp(1)
假設符合下列條件：
（1）樣品所加的電場很小，以至少數載流子的漂移導電電流可忽略；
（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）表面復合可以忽略不計；
（5）小注入條件。
公式（2）可簡化為：
　　　　　　　　　⊿σ=⊿pq(μn+μp) (2)
如果在t=0 時，光照突然停止，光生載流子由于復合效應，其濃度隨時間減小至平衡態(tài)。載流子濃度變化率用下式表示：
　　　　　　　　　　
式中τp—少數載流子空穴復合壽命，在t=0 時，⊿p(t)=( ⊿p)\-o，這就是說非平衡載流子濃度隨時間的變化按指數規(guī)律衰減，若t=τp，則⊿p(t)=( ⊿p)o/e求出非平衡載流子濃度減少到原值的1/e的時間就可得到少數載流子壽命。將公式（3）公式（2)得：

　?。?）

可見，⊿σ正比于非平衡載流子濃度⊿p(t)，其亦呈指數衰減的規(guī)律，故通過觀察光照停止后電導率的變化可得到少數載流子壽命值。⊿σ的變化可用圖. 所示的裝置觀察，其中R>=τ，不論光照與否通過半導體的電流, 近似不變，半導體兩端電壓降V=I*τ

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的時間，就可得到少數載流子壽命τp。以上就是PCD法測量少數載流子壽命的基本原理。

3試系統(tǒng)組成及關鍵技術
3.1測試系統(tǒng)組成
少數載流子壽命測試系統(tǒng)原理如圖2所示。

3.2主要部分關鍵技術
（1）激光發(fā)射器組件
　　激光發(fā)射器組件由激光激勵電路和脈沖激光發(fā)射器組成。其中脈沖激勵重復頻率為200Hz，光脈沖下降沿時間小于15ns，該參數直接影響壽命的測試低限。
激光發(fā)射管是GaAs/GaAlAs: 異質結單管激光器輸出波長0.83μs，峰值功率5W，發(fā)散角15o×30 o，結面積10ns×150ns，精確安裝在光學系統(tǒng)的入射焦面上。
（2）光學聚焦折反射系統(tǒng)
　　光學聚焦折反射系統(tǒng)主要用于實現光子流的匯聚。為了調節(jié)光強方便和消除像差，采用雙透鏡系統(tǒng)，其原理如圖3 所示。激光發(fā)射器發(fā)出的光經透鏡組’ 變?yōu)槠叫泄?，到濾光片（為防止大注入現象而衰減光強），經折反射鏡片后分為兩束光，一束經鏡頭組5匯聚到直窗杜瓦瓶焦面，另一束經鏡頭組7匯聚到側窗杜瓦瓶焦面。其中濾光片3是為防止大注入產生而設計的，可根據不同的半導體材料來選擇合適的濾光效果。

（3）閉環(huán)精密微動裝置
　　由精密步進電機驅動的X-Y微動平臺，裝有讀數光柵尺，具有準確初始定位功能。光學系統(tǒng)置于精密平臺上，由計算機發(fā)出驅動信號，通過讀取光柵尺數值監(jiān)測X-Y位置的變化，實現自動補償，從而達到閉環(huán)控制，使步進精度達到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，我們設計了一種專用杜瓦瓶，不論在結構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)產生的信號極其微弱且噪聲較高，放大信號、抑制噪聲是準確測量的關鍵，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。我們選用進口前置放大器及輔助電路，實現了信號放大HP54616B存儲示波器用來完成放大器輸出波形的顯示，下降沿時間的測量和數字化傳輸。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）計算機采樣和控制部分
　　計算機完成微動平臺控制，光柵尺數據讀取，少數載流子壽命數據采集，數據處理等功能。
通過I/O接口發(fā)出X-Y方向步進電機驅動信號，使精密平臺移動，計算機不斷讀取光柵尺返回數據進行動態(tài)修正，確保X-Y平臺移動精度。通過GPIB488接口與HP54616B存儲示波器通訊，完成初始化、下降沿時間的讀取。在WIN98上應用專用測試軟件TESTPOINT平臺設計各測試、顯示程序。軟件功能強大，可完成對不同半導體樣品的自動和半自動測試，單步步長任意可調。測試完畢計算機自動完成數據處理并產生各種報表文件，供用戶進行二次處理、記錄存盤、打印輸出。

4系統(tǒng)主要性能指標
（1）載流子壽命測試范圍:10*-7 ~6 *10-6S
（2）可測樣品尺寸：小于20mm；
（3） X-Y平臺單步步長范圍：1-4mm；
（4）單色光光點大?。害?.3mm；
（5）測試數據穩(wěn)定度：優(yōu)于10%。

5結論
　　研究中對影響系統(tǒng)主要性能的光脈沖下降沿時間和前放帶寬進行了特殊設計，對抑制噪聲提高信噪比采取了特殊措施。該測試系統(tǒng)已分別對碲鎘汞和銻化銦樣品進行了長時間測試，測試數據穩(wěn)定可靠。已有一套系統(tǒng)出口。

少數載流子壽命測試系統(tǒng)研究少數載流子壽命是衡量半導體材料性能的關鍵參數之一，文中介紹了光電導衰退法少數載流子壽命測試系統(tǒng)。闡述了光電導衰退法測試原理，分析了測試系統(tǒng)構成，以及光脈沖下降沿時間、微弱信號放大處理、前放帶寬、精密定位等關鍵技術，其主要性能指標是：少數載流子壽命測試范圍：10-7 ~6 10-6；可測樣品尺寸：小于20mm；單色光光點大?。害?.3mm；測試數據穩(wěn)定度優(yōu)于10%。關鍵詞：少數載流子壽命；光電導衰退法；測試系統(tǒng) 引言　　衡量紅外探測器性能的主要技術指標是探測率和響應率，而該指標與制作紅外探測器的各種半導體材料（碲鎘汞、銻化銦、硅等）的少數載流子壽命有著密切的關系。通過研究少數載流子壽命，了解其壽命的復合機構，更好地掌握材料性能，可有效地進行晶片篩選，提高器件成品率和性能。少數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。文中采用光電導衰退法（PCD）測量半導體材料的少數載流子壽命及其空間分布直觀、準確、可靠。該系統(tǒng)采用雙光路折反射設計，適用窗口封裝于底面和側面杜瓦瓶樣品的測試。操作軟件以Windows98, 為平臺，可自動或半自動測試，其步進精度高，壽命測試范圍寬。測試原理　　少數載流子壽命（體）定義為在一均勻半導體中少數載流子在產生和復合之間的平均時間間隔。在一定溫度條件下，處于熱平衡狀態(tài)的半導體，載流子濃度是一定的，當用某波長的光照射半導體材料，如果光子的能量大于禁帶寬度，位于價帶的電子受激發(fā)躍遷到導帶，產生電子’空穴對，形成非平衡載流子⊿n ⊿p，對于n型材料非平衡電子稱為非平衡多數載流子，非平衡空穴稱為非平衡少數載流子，對-型材料則相反。用光照使半導體內部產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，半導體電導率的變化為：　　　　　　　　　　　　⊿σ=⊿nqμn+⊿pqμp(1) 假設符合下列條件：（1）樣品所加的電場很小，以至少數載流子的漂移導電電流可忽略；（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）表面復合可以忽略不計；（5）小注入條件。公式（2）可簡化為：　　　　　　　　　⊿σ=⊿pq(μn+μp) (2) 如果在t=0 時，光照突然停止，光生載流子由于復合效應，其濃度隨時間減小至平衡態(tài)。載流子濃度變化率用下式表示：　　　　　　　　　　式中τp—少數載流子空穴復合壽命，在t=0 時，⊿p(t)=( ⊿p)\-o，這就是說非平衡載流子濃度隨時間的變化按指數規(guī)律衰減，若t=τp，則⊿p(t)=( ⊿p)o/e求出非平衡載流子濃度減少到原值的1/e的時間就可得到少數載流子壽命。將公式（3）公式（2)得：
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可見，⊿σ正比于非平衡載流子濃度⊿p(t)，其亦呈指數衰減的規(guī)律，故通過觀察光照停止后電導率的變化可得到少數載流子壽命值。⊿σ的變化可用圖. 所示的裝置觀察，其中R>=τ，不論光照與否通過半導體的電流, 近似不變，半導體兩端電壓降V=I*τ

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的時間，就可得到少數載流子壽命τp。以上就是PCD法測量少數載流子壽命的基本原理。 3試系統(tǒng)組成及關鍵技術 3.1測試系統(tǒng)組成少數載流子壽命測試系統(tǒng)原理如圖2所示。

3.2主要部分關鍵技術（1）激光發(fā)射器組件　　激光發(fā)射器組件由激光激勵電路和脈沖激光發(fā)射器組成。其中脈沖激勵重復頻率為200Hz，光脈沖下降沿時間小于15ns，該參數直接影響壽命的測試低限。激光發(fā)射管是GaAs/GaAlAs: 異質結單管激光器輸出波長0.83μs，峰值功率5W，發(fā)散角15o×30 o，結面積10ns×150ns，精確安裝在光學系統(tǒng)的入射焦面上。（2）光學聚焦折反射系統(tǒng) 　　光學聚焦折反射系統(tǒng)主要用于實現光子流的匯聚。為了調節(jié)光強方便和消除像差，采用雙透鏡系統(tǒng)，其原理如圖3 所示。激光發(fā)射器發(fā)出的光經透鏡組’ 變?yōu)槠叫泄?，到濾光片（為防止大注入現象而衰減光強），經折反射鏡片后分為兩束光，一束經鏡頭組5匯聚到直窗杜瓦瓶焦面，另一束經鏡頭組7匯聚到側窗杜瓦瓶焦面。其中濾光片3是為防止大注入產生而設計的，可根據不同的半導體材料來選擇合適的濾光效果。

（3）閉環(huán)精密微動裝置　　由精密步進電機驅動的X-Y微動平臺，裝有讀數光柵尺，具有準確初始定位功能。光學系統(tǒng)置于精密平臺上，由計算機發(fā)出驅動信號，通過讀取光柵尺數值監(jiān)測X-Y位置的變化，實現自動補償，從而達到閉環(huán)控制，使步進精度達到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，我們設計了一種專用杜瓦瓶，不論在結構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)產生的信號極其微弱且噪聲較高，放大信號、抑制噪聲是準確測量的關鍵，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。我們選用進口前置放大器及輔助電路，實現了信號放大HP54616B存儲示波器用來完成放大器輸出波形的顯示，下降沿時間的測量和數字化傳輸。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）計算機采樣和控制部分　　計算機完成微動平臺控制，光柵尺數據讀取，少數載流子壽命數據采集，數據處理等功能。通過I/O接口發(fā)出X-Y方向步進電機驅動信號，使精密平臺移動，計算機不斷讀取光柵尺返回數據進行動態(tài)修正，確保X-Y平臺移動精度。通過GPIB488接口與HP54616B存儲示波器通訊，完成初始化、下降沿時間的讀取。在WIN98上應用專用測試軟件TESTPOINT平臺設計各測試、顯示程序。軟件功能強大，可完成對不同半導體樣品的自動和半自動測試，單步步長任意可調。測試完畢計算機自動完成數據處理并產生各種報表文件，供用戶進行二次處理、記錄存盤、打印輸出。 4系統(tǒng)主要性能指標（1）載流子壽命測試范圍:10-7 ~6 10-6S （2）可測樣品尺寸：小于20mm；（3） X-Y平臺單步步長范圍：1-4mm；（4）單色光光點大?。害?.3mm；（5）測試數據穩(wěn)定度：優(yōu)于10%。 5結論　　研究中對影響系統(tǒng)主要性能的光脈沖下降沿時間和前放帶寬進行了特殊設計，對抑制噪聲提高信噪比采取了特殊措施。該測試系統(tǒng)已分別對碲鎘汞和銻化銦樣品進行了長時間測試，測試數據穩(wěn)定可靠。已有一套系統(tǒng)出口。

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