非平衡少数载流子寿命的测量.ppt

1.3 非平衡少数载流子寿命的测量,少数载流子寿命是半导体材料的的一个重要的电学参数，不仅可以表征半导体材料的质量，也是还可以评价器件制造过程中的质量控制，如集成电路器件中的金属玷污程度，并可以研究制造器件性能下降的原因。（如太阳电池的转换效率、晶体管的放大倍数、开关管的开关时间等）,一、少数载流子的寿命 1、非平衡载流子的产生 （1）平衡载流子浓度：在一定温度下，处于平衡状态的半导体材料的载流子的浓度时一定的。这种处于热平衡状态下的载流子的浓度称为平衡载流子浓度。表达式如下： 式中N0和p0分别表示平衡电子浓度和空穴浓度,（2）非平衡载流子 如对半导体材料施加外界条件（如光照），破坏了平衡条件，就会偏离热平衡状态，称为非平衡状态。此时载流子浓度就不再是n0和p0，可以比他们多出一部分载流子，这些比平衡状态多出的载流子称为非平衡载流子。 （3）非平衡载流子分为非平衡多数载流子和非平衡少数载流子，对于n型半导体，多出来的电子为非平衡多数载流子，多出的空穴为非平衡少数载流子；对于p型半导体，多出来的空穴为非平衡多数载流子，多出的电子为非平衡少数载流子。,（4）非平衡载流子的产生 产生非平衡载流子的方式：光照、电注入或其他能量传递方式。 如：对n型半导体材料，当没有光照时，电子和空穴的平衡浓度分别为n0和p0，且n0 p0.当用适当波长的光照射到该半导体时， 只要光子产生的能量大于该半导体的禁带时，光子就能把价带上的电子激发到导带上，产生电子-空穴对，使导带多一部分电子n,价带上对一部分空穴p， n和p分别为非平衡多数载流子和非平衡少数载流子。其过程如图所示：,光照,光照产生非平衡载流子的能带结构示意图,在一般情况下，注入的非平衡载流子浓度比平衡时的多数载流子浓度小很多，如n型材料，nn0, pn0,满足这个条件称小注入。但是即使在小注入的条件下，只要pp0,非平衡少数载流子的影响十分显著。因此往往非平衡少数载流子对材料和器件起着重要的、决定性的作用。通常把非平衡少数载流子简称少数载流子或少子。,2、非平衡少数载流子寿命 当给半导体材料去掉外界条件（停止光照）时，由于净复合的作用，非平衡载流子会逐渐衰减以致消失，最后载流子浓度恢复到平衡状态时的值。但非平衡载流子不是立刻消失，而是由一个过程，即他们在导带和价带有一定的生存时间。这些非平衡少数载流子在半导体内平均存在的时间称为非平衡载流子的寿命，简称少子寿命， 用表示。,对于n型半导体，非平衡载流子分别为n和p ，通常把单位时间单位体积内净复合消失的电子-空穴对数称非平衡载流子的复合率， p/ 就是复合率。 假定n型半导体在t=0时刻，突然停止光照， p将会随时间变化，单位时间内非平衡少数载流子浓度的减少为-dp(t)/dt ，应当等于复合率，即有,小注入时， 是一个恒量，上式通解为 设t=0, p(t)= p0,则有 即非平衡少数载流子寿命的衰减规律成指数衰减，如图所示,非平衡载流子浓度变化衰减曲线,二、少数载流子寿命测试方法及其测试原理,随着半导体材料的应用不断发展，少数载流子寿命测试技术也在不断发展，从早期体材料的接触式测量，逐渐发展到片状材料的无破坏式、无接触式和无污染的在线检测，有利于其在生产中的广泛应用。方法也多种多样。 1、测试方法 （1）瞬态法或直接法（光电导衰退法、表面光电压法等） （2）稳态法或间接法（扩散长度法、光磁法等）,瞬态法：利用电脉冲或光脉冲的一种方式，从半导体内激发出非平衡载流子，调制了半导体内的电阻，通过测量体电阻或样品两端电压的变化规律直接观察半导体材料中的非平衡少数载流子的衰减过程，从而测量其寿命。 稳态法：利用稳态光照的方法，使半导体材料中非平衡载流子的分布达到稳定状态，然后测量半导体中某些与寿命有关的物理量（如扩散长度）来推算少子的寿命。,三、光电导衰退法 1、直流光电导衰退法 （1）如图所示为直流光电导衰退法测量少子寿命的装置（如下图所示），必须满足以下几个条件: A、样品内的电场强度： B、RL20R,保证电流I恒定。 C、直流电源和RL为可调。,（2）基本原理：如上图所示 样品上无光照时，样品内无非平衡载流子，样品两端电压为： （1-2-1） 若给样品光照，样品中产生了非平衡载流子，引起点导增加，电阻下降，引起样品两端的电压也发生变化。则有 （1-2-2） 则有 （1-2-3）,设样品在无光照时的电阻率为 0，光照后的电导率为，则 （1-2-4） 将上式代入（1-2-2）得 （1-2-5） 假定在光照不太强的情况下，注入半导体中的非平衡载流子较少，因此样品电导率变化也小，此时满足小注入的条件：,所以有 （1-3-6） 如样品为n型半导体 （1-3-7） 式中，p为激发的非平衡载流子浓度 将以上两式代入（1-3-6），则有 （1-3-8）,令 则有 （1-3-9） 由上式可知，在满足小注入的条件下，样品两端电压的衰减规律与产生的少子衰减规律相同。,（3）直流光电导衰退法的优缺点 优点： 1）测量准确度高 2) 测量下限比较低（几个s） 缺点： 1）对样品的尺寸及几何形状有一定要求 2）需制备一定要求的欧姆接触。,（4）直流光电导衰退法测试的影响因素： 1）电场强度: 电场过大时，产生的少子在电场作用下飘移过快，还没来得及复合就被被电场牵引出半导体外，显然测得的少子寿命值偏低。因此有一个“临界电场”确保少子飘移不会引起测试值的偏差，因此满足： 2）注入比:(p/n0) a、当小注入时，即p/n01%，则V/V0 1%,=v b、当大注入时，即p/n01%，则V/V0 1%,=v（1- V/V0 ）,3）表面复合的修正 当半导体内注入非平衡载流子后，有两个复合中心：体内杂质、缺陷产生的复合中心、表面能级复合中心，使非平衡载流子逐渐衰减。则有 表面复合影响较大时，非平衡载流子的衰减偏离指数曲线，测量的寿命比实际寿命值要短，所以一个按以上公式进行修正。,增加表面复合作用的影响因素 a） 对表面进行研磨或喷砂； b）样品的尺寸和形状：样品越小，即其比表面积越大，表面复合作用的影响也越大 因此为了测量准确： a）要求尽量使用较大尺寸的样品测量，减小比表面积 b）测量时，使用带有滤光片的贯穿光，光源波长约1.1m,以减少少数载流子的影响,4）光照面积 测量时，要求光照射导样品的中央，此时输出信号强度最大。若光照在样品边缘，电极附近的非平衡载流子容易被电场扫到电极上，从而加快非平衡载流子的衰减，导致测试寿命偏低。在1/2周期内，其临界电场： 通过上式可知，要求光照限制在1/4正中央面积上。,2、高频光电导衰退法 （1）高频光电导衰退法的测试装置和原理基本与直流光电导相同，只是用高频电源代替了直流电源，且此方法用电容耦合的方法，如图所示,（2）测试原理 如图所示，为高频光电导衰退法测试的有效电路。 当无光照时，高频电磁场（30MHz)的作用，由高频源流经样品，电阻R2的电流：,当样品受到光照时，样品中产生非平衡载流子，其电导率增加，电阻减小，因此样品两端的高频电压下降，因此高频电流的幅值增加。则有 当光照停止后，非平衡少数载流子按指数衰减，逐渐复合而消失，直到回到无光照时的状态，此过程中电流时一个调幅波，有,相应匹配电阻R2上的电压也是一个高频调幅波，如图所示： 则有,因此，只要满足小注入的条件，R2两端电压成指数衰减，可以代表非平衡少数载流子的衰减规律，使所以可以通过电压信号测得寿命值。 再通过检波器和旁路电容进行检波滤波，在示波器得到电压的衰减曲线，通过其电压曲线测量少子寿命的大小。,(3)高频光电导衰退法的特点(最广泛的一种测试方法) 其优点： 1）样品无需切割 2）测量不必制备欧姆电阻 3）依靠电容耦合，样品不易受污染 4）测试简单 缺点： 1）仪器线路复杂，干扰大 2）测量寿命下限高(受脉冲余辉的限制）,（4）高频光电导衰退法测试仪（LT-1）,设备配置及参数 寿命测试范围：106000s 按测量标准对仪器设备的要求，本仪器设备配有： 2.1 光脉冲发生装置 重复频率25次/s 脉宽60s 光脉冲关断时间5s 红外光源波长：1.061.09m（测量硅单晶） 脉冲电源：5A20A 2.2 高频源 频率：30MHz 低输出阻抗 输出功率1W 2.3 放大器和检波器 频率响应：3Hz1MHz 2.4 配用示波器 配用示波器：频带宽度不低于10MHz Y轴增益及扫描速度均应连续可调,操作方法: 1、合上少子寿命测试仪和示波器电源开关，使仪器预热10分钟。 2、将清洁处理后的样品置于电极上面，为提高灵敏度，请在电极上涂抹一点自来水。 3、打开光电源开关，适当调节电压，粗调扫描速度，使示波器上出现清晰地衰减曲线，且头部略高于坐标点（0，6），衰减曲线的尾部相切于X轴。 4、调整示波器相关旋钮（电平，Y轴衰减，微调X轴扫描速度及曲线的上下左右位置等），使仪器输出的指数衰减光电导信号波形尽量标准曲线重合。,（5）侧准因素的分析 1）严格控制在“注入比1%”的范围内。一般取使注入比近似等于V /V。 2）衰减曲线的初始部分为快速衰减（由于表面复合引起），在测量中要去除。如图所示。 a、用滤波片去掉非贯穿光，减小少子； b、读数时要将信号幅度的头部去掉再读数。,3）陷阱效应的影响 陷阱效应：在有非平衡载流子出现的情况下，半导体中的某些杂质能级中所具有的电子数也会发生变化，导致载流子的积累，这种积累非平衡载流子的效应称为陷阱效应。 一般情况下，这些落入陷阱的非平衡载流子需要一定时间才能释放出来，因此导致少子寿命偏大。使曲线出现“拖尾巴”。如图所示,去除陷阱效应的措施： a、样品加底光照，或，让光激发的载流子填满陷阱，使陷阱在测试中失去俘获非平衡载流子的能力而消除其影响。 b、加热到50-70，让热激发的载流子填满陷阱。,4）衰减曲线“平顶”现象。 如图所示 产生的原因： a、高频振荡电压过大； b、闪光灯的电压过大。 通过以下方法去除： a、减小高频振荡器的输出功率； b、减小闪光灯的电压，或加滤波片，减小光栏的孔径。,(4)高频光电导衰退法的测试工艺 1）样品的要求 a、尽量使用大尺寸样品，或整个单晶锭（取头尾两个部分测量），减少表面复合的影响； b、测量小尺寸时，需考虑复合的影响，必须进行修正。因此要求对样品表面研磨或喷砂处理，且要形状规则； C、样品的电阻率要均匀（体内最小电阻率不小于最大电阻率的90%）,2)对仪器的要求 脉冲光源 a、要求有一定强度的脉冲光，但又不能过大， b、脉冲光的关断时间要短， c、闪光频率为1-5次/s； 示波器和放大器的要求： a、放大器的垂直偏转度应经校准为2cm/mv. b、垂直增益和偏转的线性应在3%内。 c、 上升时间不大于0.2S。,3）测试和读数的要求 先调示波器的慢扫描档，对准基线（