2.高频光电导衰减法测量硅单晶少子寿命

实验2高频光电导衰退法测量硅单晶少子寿命1．实验目的掌握一种测量硅单晶少子寿命的方法。2．实验内容用高频光电导衰退法测量硅单晶棒或单晶片的少子寿命。3．实验原理3.1直流光电导衰退法直流光电导衰退法是根据恒定电流作用下半导体样品的光电导随时间衰减的特性来测量少子寿命的。其测试简图见图1。图中，R是被测半导体样品的体电阻，E是直流电源，RC是测试回路的限流电阻，且选择RRC，故可近似认为流过样品的电流I恒定不变。这样，用示波器记录光照停止后R两端电压随时间的变化就等同于记录R随时间的变化，实际上也就是记录半导体中非平衡载流子浓度随时间的衰减的曲线，由此衰减曲线就可以得到单晶材料的少子寿命。以N型半导体为例，设样品暗电导率为0，光照下的电导率为，那么100nqn20式（2）中，为附加光电导率。假设光注入下非平衡载流子浓度为pn,，若无明显的陷阱效应，近似有pn，所以附加光电导（）与非平衡少数载流子浓度（p）之间有如下关系3pnpq在小注入条件下，近似有0，故光照条件下电阻率的改变量为411200相应电阻的改变量近似为520slslR式中sl,分别为样品的长度和截面积。将式（1）、（3）代入式（5），得到600RnpRnpn式中，nqnR00，它是无光照条件下半导体样品的体电阻。于是，样品体电阻（R）两端电压的改变量为7000VnpIRnpRIVnpnnpn把式（7）换一种写法，可以得到光照前后样品两端电压的相对变化与样品中少数载流子浓度之间的关系80npnnpVV式中V为无光照时直流电流I在样品上产生的电压降。由式（8）可以看出，光照后被测样品上电压的相对变化VV与非平衡载流子浓度p成正比，同时也与光注入的注入比0np成正比。由半导体物理可知，在光照停止以后，半导体中由外部光照产生的非平衡少数载流子，遵循指数衰减规律而复合消失，即90tepp式中0p为光照停止瞬间少数载流子的浓度，t为时间，为少子寿命。因为p在光照停止后是随时间减少的，所以V也是随时间减少的。由此可见，当脉冲光照射样品时，从示波器上观察的电压随时间变化曲线所反应的是，两次脉冲光照间隙光生非平衡载流子衰减的曲线，只要测出该曲线的衰减常数就可以由式（9）得到非平衡少数载流子的寿命。3.2高频光电导衰退法高频光电导衰退法测少子寿命的示意图见图2。它主要由光学和电学这两部分组成。光学部分主要是脉冲光源系统。充电到数千伏的电容器经脉冲电源触发放电，为氙气灯提供电源，使其给出余辉时间小于s10的光脉冲（1次/秒），再经过光栏、聚光镜、滤光片投射于被测样品表面。这种光源光强度大，频谱丰富，能为硅、锗提供能量高于吸收边的有效激发光（硅的本征吸收边波长为m1.1），在样品厚度范围内产生分布均匀的非平衡载流子。但是由于短波强吸收光只在样品表面产生非平衡载流子，并在表面处复合掉，故高阻、中阻单晶要用硅或锗滤光片滤去强吸收短波光，以减小表面效应。对于s10的样品采用余辉时间小于s1的红外脉冲光源（3次/秒及30次/秒），其光强由发光管两端的电压来调节。电学系统主要是MC30的高频电源、宽频带前置放大器以及脉冲示波器。要求高频电源内阻小且恒压，放大系统灵敏度高、线性度好，示波器要有一标准的时基线。将被测样品放在图2的镀银铜电极上，没有光照时，MHz30的高频电源送出等幅的高频正弦波，经过镀银铜电极耦合至被测样品，并在其中产生同频率的等幅高频电流（见图3a）100tSinIi式中，I0为无光照时样品中高频电流的幅值，为圆频率。当有脉冲光持续照射样品时，半导体中光激发的非平衡载流子使得电导率增加，电阻率减小，流过半导体样品中的高频电流幅值亦增加(见图3b)。设电流增加的幅值等于0I，则持续光照时样品中的高频电流为一个幅值更高的等幅正弦波1100tSinIIi当光照停止时，样品中的非平衡载流子将因为复合而逐渐消失，流过其中的高频电流幅值也会因此而逐渐减小，直到恢复光照前的幅值为止，因此流过样品的电流为一调幅的高频正弦电流（见图3c）1200tSineIIit上式表明，光照停止后样品中的高频电流幅值按指数规律衰减，是少数载流子寿命。因为上述三种情况下的高频电流都流经信号取样电阻R2（见图2），所以光照停止后在信号取样电阻上就得到一个调幅的高频电压1300tSineVVVt式中V0是无光照时取样电阻上高频电压的幅值，0V是持续光照时取样电阻上高频电压的幅值比无光照时多出来的那一部分，即幅值的增量，teV0表示高频电压增量以指数规律减少。在取样电阻上得到的高频调幅波经过检波二极管（D）检波后，滤去高频成分，然后将随时间指数衰减的调幅信号送入前置放大器加以放大后，再送到脉冲示波器的Y偏转板，在一定的扫描频率下显示出少数载流子随时间衰减的波形，由此便可得到少数载流子寿命的大小。下面进一步分析在高频光电导衰退法中取样电阻上高频电压幅值的指数衰减与少数载流子的衰减是否也有一定的比例关系。我们可以把图2中的高频信号取样回路单独画出来，示于图4。图中、r分别为图2高频电源的等效电动势和等效内阻，C为一对镀银铜电极之间的分布电容，L为布线电感，R1为被测样品体电阻，R2为高频电流信号取样电阻。无光照时，由图4可知回路电流为14121CjLjrRRI于是取样电阻R2上的电压降为1512122CjLjrRRRRIV有光照时，设样品电阻的改变是R，那么，样品电阻就由R1变为RR1，回路电流I变为161'21CjLjrRRRI取样电阻上电压降变为1712122''CjLjrRRRRRIV于是光照前后取样电阻上电压的改变量为18111112121212212212'VCjLjrRRRRCjLjrRRCjLjrRRRRRCjLjrRRRCjLjrRRRRVVV对体电阻为R1的N型半导体样品，可以导出光照（小注入）前后电阻的相对变化与少子浓度之间有如下关系1901npnnpRR它表示小注入条件下，N型样品光照后电阻的相对变化与注入比（0np）成正比。当注入比很小时，有1RR,故将式（19）代入式（18）可以得到光照时样品电阻两端电压的相对变化为2012110CjLjrRRRnpVVnpn取上述复数的模得到211222110CLrRRRnpVVnpn上式是由高频光电导衰退法推出的，将其与直流光电导法推出的式（8）比较可知，上式多出了分母带有根号的分式项。在图4中，电源内阻r很小，约10左右，电容C大于pF100，电感L约等于H27.0，在MC30时，回路中的容抗和感抗近似等于50。测量时若选用高阻单晶和较小的取样电阻（502R），使得21RR,则式（21）分母带有根号的分式项近似等于1,VV可近似表示注入比（0np），但是，对于低阻单晶和较大的取样电阻误差就较大。为了让大家对整个高频光电导衰退法测试系统有一个清晰的图像，在图5中给出了测试系统框图。4.实验步骤4.1用金刚砂打磨被测样品端面，清洗烘干后备用，将准备好的被测样品置于镀银铜电极上。测量过程中，如果噪声过大或者信号强度太低，可在电极接触处涂一薄层水。4.2根据样品电阻率及值范围选择光源（s10选用红外LED光源，s10选用氙灯光源）。4.3接通示波器电源，调好辉光亮度和清晰度。4.4启动寿命测试仪电源开关。如果选用氙灯光源，缓慢调节氙灯高压至适当大小，使取样信号达到最大值。调节氙灯高压、选用滤光片及改变光栏均是为了改变测量光强。使用红外光时，则通过调节发光管电压大小来调节光强。4.5将示波器时基单元置于触发，适当调节触发电平，调节Y轴信号以及时基扫描速度和光强，使实际测量的光电导指数衰减曲线（虚线）与标准衰减曲线（实线）的2~2段，即图中BC段基本重合（见图6）。在标准曲线上Y值衰减到初始值（Y0）的e1时的x值等于L。L的大小视所选取的格数而定，如1.4格、2格、2.5格，每格为1cm。读取寿命值LS。L为Y值衰减为eY0所对应的x轴上的设定距离（单位:厘米），S为示波器的扫描速度（单位:cmS）5．测试精准度分析5.1满足体复合条件为了确保所测量到的少子寿命是真实的体内少子寿命v，应尽量减小表面复合寿命SsR1对测量结果的影响。提倡采用贯穿光(m1.1单色光)、加硅滤光片。贯穿光能穿透整个半导体，硅滤光片能大量吸收短波光，避免其在硅表面的强吸收作用。图6给出了表面复合效应和陷阱效应对测量结果的影响，图中标准指数衰减曲线（实线）刻在示波器显示部分的有机玻璃面板上。一般做成4.14xeY、26xeY或5.26xeY指数衰减曲线。和实际测量曲线（图中虚线）比较，在AB段出现了偏差，这是因为表面复合使非平衡少数载流子迅速减少（0npVV）。5.2满足小注入条件从测试原理可知，寿命测量公式是从小注入的假设得出的，所以如果测试过程偏离了小注入条件，将会给测量结果带来误差。为了满足小注入条件，一般01.00np（n型材料）即认为符合小注入条件。对直流光电导法来说，当01.0VV时，示波器所显示的寿命就代表体寿命v，当01.0VV时，示波器所显示的寿命与体寿命v之间有如下关系VVv1。对高频光电导法来说，只有满足条件21RR，502R，R1两端电压的变化VV才近似等于注入比0np。测量高阻单晶（如cm5000），选择502R时，只要保证闪光电压01.0VV，就能满足小注入条件。但是对中阻单晶（例如cm130），如果选1802R,那么，闪光电压0035.0VV才能满足小注入条件，若01.0VV，则注入比大大增加，测量的寿命值也会偏大很多。这种情况下，VV必须按公式（20）进行修正。注入比可按下下面方式来控制：a.控制氙灯闪光电压，使其尽量低，只要可以观察就行了；b.加滤光片，吸收一部分短波能量；c.加光栏，限制光通量。5.3样品内电场和光照面积的影响如果测量过程中，样品内电场强度太大，对少数载流子的牵引速度过大，光激发的少数载流子还未来得及复合就被强电场抽出，就会使测得的少子寿命偏低，所以体内电场E必须小于临界电场300CE（非平衡载流子扩散运动速度和漂移运动速度相一致时的体内电场强度）。在实际测量中，可以在回路上串一只电流表，监视恒流电流的大小，便知道样品中的电场强度。对直流光电导法，光照面应选在样品正中央四分之一的面积上，光照面积不能太大。如果光照面太靠近电极，所激发的非平衡载流子容易被电场牵引到电极中，使测得的少子寿命偏低。在高频光电导法中，理论分析表明，临界电场非常大，实际测量中的高频电场远低于这个临界电场，故无需考虑高频电场的大小。高频法也不必考虑受光面的部位和面积的大小，因而简化了测量手续。5.4.陷阱效应的影响如果样品中存在少数载流子的陷阱，那么，光激发的少子首先要填充满陷阱，然后才有少子的积累。光照停止后，陷阱中的少子要经过远高于少子寿命的时间才能被缓慢释放出来，然后复合掉。这就使得时实际测量的少子寿命偏大，在少子衰减曲线上出现一条长长的尾巴（参见图6中的CD段）。为了减少陷阱效应对测量结果的影响，可以采用以下方法。a.对