一种半导体载流子动力学测试仪器及测试方法技术

本发明专利技术公开了一种半导体载流子动力学测试仪器和测试方法，该半导体载流子动力学测试方法包括：将半导体样品置于微波谐振腔内；提供连续激发光激发半导体样品产生载流子，同时提供稳态偏置背景光以填充半导体的缺陷态；采用微波分析仪作为微波源和检测器，探测半导体的微波信号，获得时间分辨微波光电导曲线；对微波信号进行整个频段的扫频，获得时间分辨微波频谱；根据时间分辨微波频谱获取半导体载流子动力学信息。该测试方法能有效区分载流子辐射复合和缺陷捕获造成的不同载流子动力学过程。程。程。

【技术实现步骤摘要】
一种半导体载流子动力学测试仪器及测试方法


[0001]本专利技术涉及半导体材料检测
，尤其涉及半导体载流子动力学测试仪器及测试方法。

技术介绍

[0002]近几年，随着信息技术和微电子领域的飞速发展，人们对半导体材料和半导体器件的需求也逐年增长。实际应用中，工程技术人员经常需要对半导体晶圆的质量进行检测，以往抽样送检的方式，往往效率低下且成本较高。而常规的电学性能测试和光学性能测试又是比较独立的，比如利用反射、吸收和荧光光谱等来表征半导体材料的吸收因子、折射率和禁带宽度等。利用四探针法和霍尔效应测试半导体材料的导电率、载流子迁移率和载流子浓度等。利用LCR表测试不同频率下材料的介电性能。但这些常规的测试只能测试获得比较基础的信息，而且测试繁杂、需要各类仪器配合使用。此外，对于半导体材料的光电性能测试，尤其是载流子动力学方面的测试(包括载流子寿命和迁移率等重要参数)。
[0003]通过时间分辨光致发光(TRPL)来研究电荷载流子动力学。一旦半导体被脉冲激光所激发，它就会自发地产生电荷载流子，这些载流子可以以辐射或非辐射的方式相互重组。然而，TRPL衰变只能反映辐射过程。如果需要全面了解整个载流子的电荷复合，还必须确定非辐射复合损耗。对于大多数有效的铅基钙钛矿，复合损耗确实可以由辐射部分主导。因此，由TRPL确定的寿命或多或少地代表了它们的光电性能，并且可能与器件性能密切相关。然而，最近开发的2D/3D钙钛矿、锡基钙钛矿和添加剂增强钙钛矿显示出由时间分辨微波传导率(TRMC)测试确定的超长载流子寿命。原则上，如果非辐射损耗可以忽略不计，则TRMC衰减应与TRPL衰减重叠。然而，如果样品中的浅陷阱引起额外的电荷捕获和去捕获过程，则光激发后的电荷载流子衰变可能会更复杂，需要额外的技术来表征这些非辐射复合损耗。
[0004]目前市场上主流的电荷载流子动力学测试技术是瞬态荧光光谱(TRPL)，也有少量国外进口的时间分辨微波光电导(TRMC)和瞬态太赫兹光谱(OPTP)。但这些高端仪器一般价格昂贵，市场保有量较低，且操作维护繁琐，对实验人员的技术要求较高，需要对光路和电学测量系统都具备较好的理论和实验基础。此外，目前市面上商业化的瞬态光电分析表征系统功能还较为单一，比如瞬态荧光光谱只能测试表征辐射复合损失，而传统的时间分辨微波光电导技术对不同缺陷能级造成的复杂动力学又缺乏有效区分手段。其中时间分辨微波光电导技术虽然在半导体迁移率表征上已有较好的应用，但目前的技术主要利用超快纳秒激光器来激发半导体，然后利用单点微波源和微波探测器来探测半导体内载流子的浓度变化，从而把载流子浓度与微波透射/反射率关联起来。但是目前主流的TRMC技术还存在不少缺点，比如不能分别区分空穴和电子的载流子迁移率，测出的是一个综合的迁移率值。此外，目前的TRMC技术，虽然也有应用白光背景的，但是受限于单点微波探测，还未见有对整个频段进行扫频获得整个波段的时间分辨频谱，而这对半导体中载流子缺陷的研究尤为重要。综上所述，目前市场上还缺少小型化、操作简单、功能强大的载流子动力学分析仪器，特别是在载流子迁移率、寿命和缺陷捕获造成的复杂动力学方面能进行分析的有效手段。

技术实现思路

[0005]本申请的第一目的是提供一种半导体载流子动力学测试方法，该方法是一种通过光学泵浦
‑
微波探测的技术，额外了增加稳态偏置光对半导体的缺陷态进行选择性填充，通过对微波信号的时间分辨频谱扫描，可以有效区分半导体内不同类型的载流子动力学过程。
[0006]本申请的第二目的是提供一种半导体载流子动力学测试仪器。
[0007]本申请提供的技术方案具体如下：
[0008]一种半导体载流子动力学测试方法，包括：
[0009]将半导体样品置于微波谐振腔内；
[0010]提供连续激发光激发半导体样品产生载流子，同时提供稳态偏置背景光以填充半导体的缺陷态；
[0011]采用微波分析仪作为微波源和检测器，探测半导体的微波信号，获得时间分辨微波光电导曲线；
[0012]对微波信号进行整个频段的扫频，获得时间分辨微波频谱；
[0013]根据时间分辨微波频谱获取半导体载流子动力学信息。
[0014]在上述技术方案的基础上，改变不同偏置背景光光强和辐照波长，获得一组时间分辨微波光电导曲线，对该组时间分辨微波光电导曲线的时间分辨微波频谱进行拟合，获得载流子动力学信息。
[0015]在上述技术方案的基础上，改变不同偏置背景光光强和辐照波长，获取不同缺陷填充态下的时间分辨微波光电导曲线，根据幅值和频率的变化，计算腔体Q值或微波反射率的变化，分析半导体样品在稳态和激发态下的微波复电导特性。
[0016]在上述技术方案的基础上，时间分辨微波频谱的相位对应半导体介电常数的虚部，用来分析深能级缺陷捕获的动力学；所述时间分辨微波频谱的幅值信息对应半导体介电常数的实部，用来分析载流子的光产生率和浅能级缺陷捕获造成的动力学。
[0017]在上述技术方案的基础上，根据时间分辨微波频谱分析半导体载流子动力学包括：拟合不同的时间分辨微波频谱，分析半导体缺陷的能级和密度。
[0018]在上述技术方案的基础上，该方法还包括：检测不同时间延迟下微波信号的衰减，记录半导体样品中载流子的动态过程。
[0019]在上述技术方案的基础上，该方法还包括：
[0020]比较不同的时间分辨微波频谱，解析出微波信号中相位和幅值信息的变化，区分半导体内不同类型的载流子动力学过程。
[0021]本申请提供的半导体载流子动力学测试仪器，包括：
[0022]激发光光源，其用于向半导体样品提供脉冲激发光，以激发半导体样品产生光生载流子；
[0023]背景光光源，其用于向半导体样品提供不同光强的偏置背景光，以填充半导体样品的不同缺陷态；
[0024]微波分析仪，其用作微波源和检测器，其用于获取时间分辨微波频谱。
[0025]在上述技术方案的基础上，所述半导体载流子动力学测试仪器还包括：
[0026]光谱仪，其用于记录稳态光致发光光谱；
[0027]时间相关单光子计数器，其用于获取时间分辨光致发光光谱。
[0028]在上述技术方案的基础上，半导体载流子动力学测试仪器还包括：
[0029]光纤耦合器，所述光纤耦合器用于所述脉冲激发光和所述偏置背景光耦合到一根光纤上；和
[0030]混光器，所述混光器用于接受所述光纤传递的脉冲激发光和偏置背景光，并将二者混匀。
[0031]在上述技术方案的基础上，激发光光源的脉冲重复频率、激光功率密度、波长连续可调。进一步地，激发光光源的脉冲重复频率在1Hz～1kHz之间连续可调，激光功率密度在100nJ/cm2～100μJ/cm2之间连续可调；脉冲激发光的脉冲宽度在20fs到20ns之间，波长在190nm～2400nm之间。
[0032]在上述技术方案的基础上，偏置背景光的光强和波长可调。进一步地，偏置背景光的光本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种半导体载流子动力学测试方法，其特征在于，包括：将半导体样品置于微波谐振腔内；提供连续激发光激发半导体样品产生载流子，同时提供稳态偏置背景光以填充半导体的缺陷态；采用微波分析仪作为微波源和检测器，探测半导体的微波信号，获得时间分辨微波光电导曲线；对微波信号进行整个频段的扫频，获得时间分辨微波频谱；根据时间分辨微波频谱获取半导体载流子动力学信息。2.根据权利要求1所述的半导体载流子动力学测试方法，其特征在于：改变不同偏置背景光光强和辐照波长，获得一组时间分辨微波光电导曲线，对该组时间分辨微波光电导曲线的时间分辨微波频谱进行拟合，获得载流子动力学信息。3.根据权利要求1所述的半导体载流子动力学测试方法，其特征在于：改变不同偏置背景光光强和辐照波长，获取不同缺陷填充态下的时间分辨微波光电导曲线，根据幅值和频率的变化，计算腔体Q值或微波反射率的变化，分析半导体样品在稳态和激发态下的微波复电导特性。4.根据权利要求1所述的半导体载流子动力学测试方法，其特征在于：所述时间分辨微波频谱的相位对应半导体介电常数的虚部，用来分析深能级缺陷捕获的动力学；所述时间分辨微波频谱的幅值信息对应半导体介电常数的实部，用来分析载流子的光产生率和浅能级缺陷捕获造成的动力学。5.根据权利要求1所述的半导体载流子动力学测试方法，其特征在于：所述根据时间分辨微波频谱分析半导体载流...

【专利技术属性】
技术研发人员：林乾乾，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：