光电导衰退测量少数载流子的寿命

光电导衰退测量少数载流子的寿命一、目的本实验的目的是学会用高频光电导衰退法测量硅单晶中少数载流子的寿命。半导体中少数载流子的寿命对双极型器件的电流增益、正向压降和开关速度等起着决定性作用。半导体太阳能电池的换能效率、半导体探测器的探测率和发光二极管的发光效率也和载流子的寿命有关。因此，半导体中少数载流子寿命的测量一直受到广泛的重视。测量少数载流子寿命的方法很多，分别属于瞬态法和和稳态法两大类。瞬态法是由测量半导体样品从非平衡态向平衡态过渡过程的快慢来确定载流子寿命。例如：对均刀半导体材料有光电导衰退法，双脉冲法，相移法；对P-N结二极管有反向恢复时间法，开路电压衰退法。稳态法是由测量半导体处在稳定的非平衡时的某些物理量来求得载流子的寿命。例如：扩散长度法，稳态光电导法，光磁效应法，表面光电压法等。近年来，许多文章介绍扫描电镜测量半导体的少数载流子扩散长度。在硅单晶的检验和器件工艺监测中应用昀广泛的是光电导衰退法和表面光电压法，这两种测试方法已经被列入美国材料测试学会(ASTM)的标准方法。光电导衰退法有直流光电导衰退法、高频光电导衰退法和微波光电导衰退法。其差别主要在于用直流、高频电流还是微波来提供检测样品中非平衡载流子的衰退过程的手段。直流法是标准方法，高频法在硅单晶质量检验中使用十分方便，而微波法则可以用于器件工艺线上测试晶片的工艺质量。二、原理以光子能量略大于半导体禁带宽度的光照射样品，在样品中激发产生非平衡电子和空穴。若样品中没有明显的陷阱效应，那么非平衡电子和空穴浓度相等，他们的寿命也就相同。如果所采用的光在半导体中的吸收系数比较小，而且非平衡载流子在样品表面复合掉的部分可以忽略，那么光激发的非平衡载流子在样品内可以看成是均刀分布。设t=0时停止照射，非平衡的电子和空穴将不断复合而逐渐减少。对于n型半导体中任意一点，非平衡载流子流过体内复合中心消失的复合率是dtpd∆−，它和非平衡载流子的浓度∆p成正比。即：pdtpd∆=∆−β(1)在非平衡少数载流子浓度∆p比平衡载流子浓度n0小得多时，(1)式中的β是一个常数。设t=0时，∆p=∆p(0)，由式(1)可得：)exp()0(tppβ−∆=∆(2)非平衡少数载流子的平均存在时间就是少数载流子寿命∫∫∞∞∆∆=00pdptdpτ(3)将(2)式代入(3)式中，得：βτ1=p(4)因此，(2)式可以写成：)exp()0(ptppτ−∆=∆(5)上式表明，非平衡载流子浓度随时间t按指数方式衰减。衰减的快慢由寿命τp决定。τp越大，非平衡载流子浓度衰减越慢。如果入射光的能量hνEg，这样的光被半导体吸收之后，就会产生过剩载流子，引起载流子浓度的变化。因而电导率也就随之该变。对一块n型半导体来说，在无光照的情况下，即处于平衡状态。其电导率)(00pnppneµµσ+=,这时的电导率称为“暗电导率”。当有光照时，载流子的数目增加了，电导率也随之增加。增加量为：)(pnpneµµσ∆+∆=∆电导率的这个增加量称为“光电导率”。光照停止后，过剩载流子不再产生，只有复合。由于过剩载流子逐渐减少，则光电导也就不断下降。这样，通过对光电导随时间变化的测量，就可以得到过剩载流子随时间变化的情况，也就可以求出寿命。光电导衰退法测量过剩载流子寿命，就是根据这个原理进行的。三、实验方法高频光电导衰退法是以直流光电导衰退法为基础的。图一是用直流光电导方法测量非平衡载流子寿命的示意图。光脉冲照射载样品的绝大部分上，在样品中产生非平衡载流子，使样品的电导发生改变。要测量的是在光照结束后，附加电导∆G的衰减。利用一个直流电源和一个串联电阻RL，把一定的电压加在样品两端。如果样品是高阻材料，则选择串联电阻RL的阻值比样品电阻R的小得多。当样品的电阻因光照而发生变化时，加在样品两端的电压基本不变。样品两端电压的相对变化为：1))(()(∆≈+∆=∆RRRRRRRRRVVLLL（7）流过样品的电流的变化∆I近似地正比与样品电导的变化∆G，VGI=GVI∆≈∆这个电流变化在串联电阻RL上引起电压的变化为IRVLL∆•=∆所以有：)exp(τtGGIRIRVVLLLL−∝∆=∆=∆（8）串联电阻上的电压变化由示波器显示出来，如图二所示。根据光脉冲结束以后∆L随时间的衰减，可以直接测定寿命τ。图一图二在高频光电导方法中采用高频电场替代了直流电场，电容耦合代替欧姆接触。因而不用切割样品，不破坏硅棒，测量手续简便。如图三方框图所示，高频原提供高频电流来载波，频率为30MHz的等频震荡的正弦波，，其波形如图四所示。将此讯号经电容耦合到硅棒，在硅棒中产生电流：tjmseiiω=当脉冲光照射到硅棒上时，将在其中产生非平衡载流子，使样品产生附加光电导，样品电阻下降。由于高频源为恒压输出，所以光照停止后，样品中的电流亦随时间指数式地衰减：τω/0ttjmseieii−∆+=电流的波形为调幅波，如图五所示。在取样器上产生的电压亦按同样规律变化。此调幅高频讯号经检波器解调和高频滤波，在经宽频放大器放大后，输入到脉冲示波器。在示波屏上就显示出一条指数衰减曲线，衰减的时间常数τ就是欲测的寿命值。测量中值得注意的问题：图三图四图五1、由于寿命一般是随注入比增大而增大，尤其是高阻样品。因此寿命测量数据只有在同一注入比下才有意义。一般控制在“注入比”≤1%，近似按下式计算注入比：注入比=VkV/∆上式中，∆V为示波器上测出的讯号电压值；k是前置放大器的放大倍数；V是检波器后面的电压表指示值。2、非平衡载流子除了在体内进行复合以外，在表面也有一定的复合率。表面复合几率的大小与样品表面所处的状态有着密切的关系。因此在测量寿命的过程中，必须考虑表面复合机构的影响。我们讨论一种理论上昀简单，实验上又昀重要的情况—-各个表面的表面复合速度S均相等，并且S=∞。对于圆柱状样品，少数载流子表面复合率1/τ为：)411(1222Φ+=ADSπτ(11)其中A为样品厚度，Φ为直径，D为少数载流子的扩散系数。少数载流子的有效衰退τe则由下式给出：sbeτττ111+=(12)衰退曲线初始部分的快衰退，常常是由表面复合所引起的。用硅滤光片把非贯穿光去掉，往往可以得到消除。3、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所具有的电子数，也会发生变化。电子数的增加可以看作积累了电子；电子数的减少可以看作积累了空穴。他们积累数的多少，视杂质能级的情况而定。这种积累非平衡载流子的效应称为陷阱效应。他们所陷落的非平衡载流子常常是经过较长时间才能逐渐释放出来，因而造成了衰退曲线后半部分的衰退速率变慢。此时用底光灯照射样品，常常可以消除陷阱的影响，使曲线变得好一些。四、实验步骤1、样品测试面应无严重氧化及其它污染物。测试时如发现噪声过大，可将测试面重新喷砂或作其他清洁处理。在测试低阻样品时，为了降低样品与电极的接触噪声，可在样品与电极接触处涂以自来水，但切勿涂到光照面上。2、样品置于耦合电极板上，拉起定位手柄，移动压臂，使弹力橡皮与样品接触。松开定位手柄，旋紧细调螺丝，时样品测试面紧压在电极上。3、根据被测样品的寿命值范围选择光源：τ10µs，选用红外光远；τ10µs选用氙灯光原。使用红外光源时将滤光片旋钮P3顺时针方向旋尽，再将搬把开关P1拨向“红外”，然后按下K3“红外”琴键。若使用氙灯光源，按下K3“氙灯”键，调节P3，选择好滤光片。4、根据被测样品的电阻率，选择电表量程开关K3。ρ100Ω⋅cm，选择1V档；ρ100Ω⋅cm，选择100V档。5、配备适当的示波器，用仪器所附的高频电缆将仪器输出端与示波器Y轴输入端相联结。先开始示波器，再启动仪器电源开关K1，时指示灯ZD亮，电表M1应该有指示。如选用氙灯光源，这时应听到每秒一次的触发电离声。慢慢调节氙灯高压控制旋钮，一般使氙灯工作在4KV左右，此时应出现闪光。调节高频输出调谐旋钮W2，使表M1指示在输出昀大的调谐位置，以后一般不再旋转此钮。如果选用红外光远，尚需要旋转幅度旋钮W3，此时电压表M2应该有指示。6、对测量值受注入比影响比较大的样品，对光源光强需要加控制。使用氙灯时，通过调节滤光片厚度P3，改变光栏宽度P2以及氙灯工作电压即可以使光强在很大范围内变化。若低阻样品加滤光片以后信号太小，一般可以不加。使用红外光源时，通过调节砷化镓二极管电源电压W3即可。改变光强，该电压升高时光强即增加。一般在测量低阻样品时，光强开到昀大；测高阻样品时，光强调至昀弱。若此时注入比过大，也可临时加入1~2mm后的滤光片。测量低寿命时可适当减小脉宽以降低注入比。7、调节示波器内同步或外同步，Y轴衰减以及扫描速度，使仪器输出的指数衰减曲线波形与屏幕上的标准曲线尽量吻合。使用红外光源时，应从红外同步插座，用电缆引自示波器的外同步接头，用外同步信号显示衰减波形，此时脉宽部分不再显示。用内同步则全部显示。通常光电导衰减曲线的起始部分不是指数，而衰退到50%以后基本进入单一指数。在光电导衰退曲线的指数部分取点，（见图六），使∆V2=1/2∆V1。根据扫描速度刻盘或时标打点计数，读出t2-t1，就可以得到样品的有效寿命：)(44.12ln1212tttte−=−=τ8、按被测样品的电导率类型及电阻率，查找对应的少数载流子扩散系数D，求出体寿命τb。本实验测量几个样品。图六