CN102713591A - 用于测量少数载流子寿命的装置及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于测量少数载流子寿命的装置。该装置包括谐振电路，所述谐振电路具有电感器和电容器并且被配置为在测量频率下谐振。该装置还包括具有第一部分和第二部分的铁磁芯。第一部分定义间隙并且可以被配置为沿其引导由所述电感器建立的磁场，使得第一部分之外的磁场的侧向散布被抑制，并且跨所述间隙大体上均匀地引导所述磁场。第二部分可以被配置为沿第二部分引导磁场并且结合第一部分将磁场引导到闭环中。辐射源可以被配置为辐射与由铁磁芯的第一部分定义的间隙接近的区域。

Description

用于测量少数载流子寿命的装置及其使用方法
背景
本发明的实施例涉及半导体表征工具，更具体而言涉及用于测量半导体样本中的少数载流子寿命的装置和方法。
少数载流子寿命是对于半导体材料具有深远重要性的量。这个量可以提供对半导体原材料的质量和缺陷密度的指示，并且还可以用于监测半导体器件制造和处理。在器件制造监测的情况下，少数载流子寿命测量可以在制造过程内的一个或多个时刻执行。制造过程中的每个步骤都可能是昂贵和耗时的。因此，可能有利的是，经历测试的材料未由于测试过程而降级，其中该降级可能导致材料被返工或丢弃。可能有利的还有，对少数载流子寿命的这种“在线（inline）”测量可以相对容易地执行和被理解，使得可以在把时间和资源浪费在对已经有缺陷的材料执行进一步处理以前、以及在其他良好材料经历有误的制造过程以前快速地标识出制造误差。
概述
已经开发出一种新颖的无接触式分析系统，该系统同时和实时地提供半导体材料的产生寿命（GTAU）、光电导衰减（PCD）和薄层电导（σ）测量。GTAU和PCD到单个分析系统中的独特组合提供了一种共生关系，其使得在此所述的分析系统和方法能够与现有技术相比具有显著的优点。这包括、但不限于改善的SNR（信噪比）、测量较短少数载流子寿命的能力、以及自校准的能力。GTAU测量的优点在于，其具有优良的SNR并且具有测量短得多的载流子寿命的能力。然而，GTAU在许多应用中具有局限性，因为其是相对测量。该局限性通过将作为绝对测量的PCD测量与GTAU相组合来克服。通过这种方式，（绝对）PCD测量被用于自动校准GTAU测量。总言之，GTAU和PCD在以这种方式使用时是互补的，其中PCD方法用于校准GTAU方法结果，并且GTAU方法于是提供对较大范围的少数载流子寿命的质量高得多的测量。
在一方面，提供了诸如少数载流子寿命测量工具之类的装置。该装置可以包括谐振电路，所述谐振电路具有电感器和电容器并且被配置为在测量频率下谐振。该装置还可以包括具有第一部分和第二部分的铁磁芯。第一部分可以定义间隙并且可以被配置为沿其引导由电感器建立的磁场，使得第一部分之外的磁场的侧向散布被抑制，并且磁场跨间隙大体上均匀地被引导。例如，电感器可以包括周向地围绕第一部分延伸的至少一个线圈。第二部分可以被配置为沿第二部分引导磁场并且结合第一部分将磁场引导到闭环中。第二部分还可以定义间隙，该间隙与第一部分定义的间隙对准。
第一部分可以定义纵轴，并且铁磁芯可以关于该纵轴大体上径向对称。在一些实施例中，铁磁芯可以包括相对的第一和第二部件，其中第一部件形成第一和第二部分的至少一部分，并且第二部分也形成第一和第二部分的至少一部分。第一和第二部件可以跨沿着由铁磁芯的第一部分定义的间隙取向的平面大体上对称。
在一些实施例中，第一和第二部件可以分别包括伸长的基底和从每个伸长的基底延伸的中心柱。一对侧柱可以在中心柱的相对侧并且与中心柱大体上平行地从每个伸长的基底延伸，使得第一和第二部件中的每个都大体上形成“E”形，所述第一部分包括中心柱并且第二部分包括所述侧柱。在一些实施例中，第一和第二部件可以分别包括大体上平坦的基底，所述第一部分从所述基底大体上垂直地延伸，并且所述第二部分形成大体上为环形的凸缘，所述凸缘从所述基底大体上垂直地延伸并且在周向上围绕所述第一部分延伸。
辐射源可以被配置为辐射与由铁磁芯的第一部分定义的间隙接近的区域。例如，辐射源可以被配置为辐射围绕间隙的区域，所述区域跨由第一部分定义的纵轴对称。辐射源可以包括至少两个发光二极管，所述发光二极管被配置为发射波长分别不同的辐射。辐射源可以包括发光二极管，所述发光二极管延伸穿过与第一和第二部件相关联的基底之一并且被部署在第一部分与由第二部分形成的凸缘之间。在一些实施例中，辐射源可以包括至少两个发光二极管，所述发光二极管延伸穿过所述基底相应之一并且被分别部署在第一部分与凸缘之间。辐射源可以包括多个发光二极管，所述多个发光二极管被部署为在周向上围绕第一部分，并且延伸穿过在第一部分与凸缘之间的所述基底之一，并且所述辐射源可以包括另外的多个发光二极管，所述另外的多个发光二极管类似地延伸穿过所述基底中的另一基底。
辐射源被配置为以开关频率间歇性地发射辐射。该装置可以被配置为在由铁磁芯的第一部分定义的间隙中容纳半导体材料的样本。辐射源可以被配置为用被配置为导致样本中的光电导的辐射来间歇性地辐射样本。该开关频率可以为样本的少数载流子寿命的倒数的数量级或者低于所述倒数。谐振电路可以与测量频率电压相关联，并且可以包括驱动电流源，所述驱动电流源被配置为提供可调整的驱动电流以便将跨谐振电路的测量频率电压维持为恒定。该装置还可以包括数据采集系统，所述数据采集系统被配置为在样本的辐射开始和停止之后相隔高于样本的少数载流子寿命的倒数的时间收集驱动电流值。数据采集系统还可以被配置为以比样本的少数载流子寿命的倒数更高的数据收集频率、以及在紧接在样本的辐射开始和停止以后的时间收集驱动电流值。
在另一方面，提供了包括铁磁芯的装置。该芯可以具有第一部分，第一部分定义间隙并且被配置为沿其引导由围绕第一部分缠绕的电感器所建立的磁场，使得第一部分之外的磁场的侧向散布被抑制，并且跨间隙大体上均匀地引导该磁场。该芯的第二部分可以被配置为沿第二部分引导磁场并且结合第一部分将磁场引导到闭环中。辐射源可以集成到铁磁芯中。
在又一方面，提供了一种方法，比如用于确定半导体样本中的少数载流子寿命的方法。该方法包括提供具有谐振电路、铁磁芯和辐射源的装置。该谐振电路可以包括电感器和电容器并且可以被配置为在测量频率下谐振，所述测量频率与跨谐振电路的测量频率电压相关联。该铁磁芯可以包括第一部分，所述第一部分定义间隙并且被配置为沿其引导由电感器所建立的磁场，使得第一部分之外的磁场的侧向散布被抑制，并且跨间隙大体上均匀地引导该磁场。该铁磁芯还可以包括第二部分，所述第二部分被配置为沿第二部分引导磁场并且结合第一部分将磁场引导到闭环中。辐射源可以被配置为辐射与由铁磁芯的第一部分定义的间隙接近的区域。
样本可以电磁耦合到谐振电路中，样本的第一部分部署在间隙中，使得由电感器建立的磁场大体上均匀地延伸穿过样本的第一部分。谐振电路的驱动电流可以被调整以维持恒定的测量频率电压。可以用被配置为导致样本中的光电导的辐射在接近第一部分的区域中以开关频率间歇性地辐射样本。该开关频率可以为样本的少数载流子寿命的倒数的数量级或者低于所述倒数。
该方法还包括：例如通过在辐射样本时和在样本未被辐射时都测量驱动电流来确定样本的少数载流子寿命。驱动电流可以以比样本的少数载流子寿命的倒数更高的采样率、并且在紧接在样本的辐射开始和停止以后的时间被采样。可以确定在样本的辐射停止以后以及在等于或长于样本的少数载流子寿命的倒数的时间内测量的时间驱动电流数据的函数逼近。准稳态驱动电流可以在样本的辐射开始和停止以后被测量，以找出每组条件下的驱动电流之间的差。该差可以被缩放并且作为输出提供。
在一些实施例中，可以用第一特征波长的辐射间歇性地辐射样本，并且随后用与第一特征波长不同的第二特征波长的辐射间歇性地辐射样本。在一些实施例中，样本可以被重复地重新定位，使得样本的不同部分被部署在由铁磁芯的第一部分定义的间隙中。驱动电流可以响应于样本的每次重复的重新定位被重复测量。
在另一方面，提供了一种装置，比如用于测量半导体样本中的少数载流子寿命的工具。该装置包括铁磁芯，所述铁磁芯包括相对的第一和第二部件，所述第一和第二部件定义其之间的间隙。所述第一和第二部件中的每个都可以包括基底、从所述基底延伸的大体上环形的凸缘、以及从所述基底延伸并且在径向上处于凸缘之内的管状部分。第一导体线圈可以围绕与第一部件相关联的管状部分延伸，并且第二导体线圈可以围绕与第二部件相关联的管状部分延伸。辐射源可以被配置为辐射在所述第一和第二部件之间定义的间隙的至少一部分，例如以便照明部署在该间隙中的晶片。第一和第二导体线圈可以被配置为并联连接到可变电源，使得由第一导体线圈生成的磁场与由第二导体线圈生成的磁场大体上对准。在一些实施例中，管状部分可以对从辐射源发射的辐射为透明的。
附图说明
在由此概括地描述了本发明以后，现在将参考附图，这些附图不一定是按比例绘制的。
图1是用于执行半导体材料的样本中的少数载流子寿命测量的系统的框图。
图2是根据示例性实施例配置的少数载流子寿命测量工具的示意图。
图3是根据示例性实施例配置的铁磁芯的立体图。
图4是沿着图3的平面p横截的图3的芯的立体图。
图5是图4的芯的部分分解立体图。
图6是图5的芯的顶视图，其中移除了散射体以揭示底层发光二极管。
图7是沿着图3的平面7－7横截的图3的芯的截面图。
图8是沿着图3的平面8－8横截的图3的芯的截面图。
图9是根据另一示例性实施例配置的少数载流子寿命测量工具的示意图。
图10是用作用于测量少数载流子寿命的工具的一部分的芯的示意性截面图，该芯是根据另一示例性实施例配置的。
详细描述
下面将参考示出本发明的一些、但不是全部实施例的附图来更充分地描述本发明。事实上，这些发明可体现为很多不同的形式且在本文中不应理解为限于在此所阐述的实施例；相反，提供这些实施例以使得本公开满足适用的法律要求。在全文中，相同的附图标记指代相同的元素。
参考图1，其中示出了用于执行半导体材料的样本s（“所述样本”）中的少数载流子寿命测量的系统10的示意图，所述系统是根据示例性实施例配置的。系统10包括与辐射源模块14通信的信号生成模块12。如后面将会予以讨论的那样，信号生成模块12用于生成例如为振荡电磁场形式的试探信号p，其中样本s与所述试探信号p相互作用。随着样本s与试探信号p相互作用，该试探信号被衰减（尤其是）与该样本中的少数载流子总数（population）相关的量。信号生成模块12因此可以包括适于生成试探信号p的电组件（有源和无源二者）和电路。在一些实施例（在下面予以讨论）中，信号生成模块12可以包括诸如样本接口之类的结构以用于有效地耦合试探信号p和样本s。
辐射源模块14可以包括诸如一个或多个发光二极管（“LED”）之类的辐射源以用于周期性地辐射r样本s。如后面将会更详细讨论的那样，辐射r的某部分可能被样本s吸收，由此导致样本中的少数载流子总数改变。辐射源模块14还可以包括用于控制从其中提供的辐射的强度的电子装置。例如，在一些情况下，与辐射源模块14相关联的电子装置可以包括辐射强度传感器和反馈电路，这二者一起补偿辐射强度的寄生波动。在一些实施例（在下面予以讨论）中，辐射源模块14可以被配置为使得促进对样本s的辐射以及样本和试探信号p的有效耦合。
系统10还包括数据收集和处理模块16以用于收集指示样本s的少数载流子总数的时间变化的数据。数据收集和处理模块16与信号生成模块12和辐射源模块14二者通信，并且可以处理数据d，包括将数据与试探信号p和辐射r相关，以便提供指示样本的少数载流子寿命的输出o1、o2、o3。在一些情况下，数据收集和处理模块16可以至少部分与信号生成模块12集成，其中试探信号生成和对试探信号衰减的测量（或者为了以其他方式避免这样的衰减必须花费的工作）被一起完成。
参考图2，其中示出了用于测量少数载流子寿命的工具122，所述工具是根据另一示例性实施例配置的。工具122包括边缘振荡器124形式的谐振电路，所述边缘振荡器124具有电感器124和电容器128。边缘振荡器124被配置为在与测量频率电压相关联的测量频率fm下谐振。边缘振荡器124还可以包括促进边缘振荡器的运行的其他电路和组件130，比如电压和/或电流源，这将在下面更详细讨论。工具122还包括铁磁芯100，这将在下面予以讨论。
参考图3－8，铁磁芯100可以具有第一部分102和第二部分104，其中第一部分定义间隙106。第二部分104还可以定义间隙108，该间隙108与第一部分102中的间隙106对准。芯100可以包括相对的第一部件110和第二部件112，其中第一和第二部件中的每个都形成第一部分102的至少一部分以及第二部分104的至少一部分。在一些实施例中，第一和第二部件110、112可以彼此独立，并且跨沿着间隙106（以及还有间隙108）取向的平面p大体上对称。这样的配置可以允许晶片形式的样本部署在间隙106中，同时为在侧向上与该间隙中的部分间隔开的样本部分提供空隙。芯100可以附加地或可替代地关于由第一部分102定义的纵轴a大体上径向对称。
在一些实施例中，第一和第二部件110、112可以分别包括大体上平坦的基底114a、114b。第一部分102可以大体上垂直地从每个基底114a、114b延伸。第二部分104可以形成大体上环形的凸缘116，所述凸缘116大体上垂直地从每个基底114a、114b延伸并且还周向地围绕第一部分102延伸。在这样的实施例中，第一和第二部件110、112中的每个都呈现通常称为“罐形芯（potcore）”的形状，其中中心柱从基板突起并且被环形凸缘包围。芯100然后将（至少部分）由相对的罐形芯118构成，其中第一部分102包括每个罐形芯的中心柱120并且第二部分104包括每个罐形芯的基板114a、114b和环形凸缘116。
第一和第二部分102、104中的每个都可以被配置为分别沿其引导在边缘振荡器124运行时由电感器126建立的磁场B。例如，电感器126可以包括周向地围绕第一部分102延伸的至少一个线圈。如果需要，该线圈可以同第一部分102静电屏蔽。
参考图2－8，第一部分102可能倾向于在磁场B沿着第一部分引导时抑制磁场B的侧向散布，并且倾向于跨间隙106大体上均匀地引导该磁场。第二部分104可以被配置为使得结合第一部分102将磁场引导到闭环中。当然，磁场线无论任何主体或力用于引导该场都总是形成闭环，但是第一和第二部分可以用于专门地以磁场在其他情况下将不会经历的方式引导磁场B。第一和第二部件110、112可以耦合到用于将芯100的两个部件保持为彼此相对的支承结构（未示出）。支承结构可以由铁磁或非铁磁材料形成，并且可以是导电或绝缘的，并且在任何情况下都对芯100对磁场B的成形几乎不产生影响。
工具122还可以包括辐射源，比如一个或多个LED 132。LED 132可以被配置为辐射接近第一部分102中的间隙106的区域。LED 132可以延伸穿过基底114a、114b之一或二者，以便被部署在第一部分102与凸缘116之间。LED132可以被配置为以开关频率fs间歇性地发射辐射。例如，LED 132的运行可以由LED控制器134来控制，该LED控制器134可以向LED供能，并且因此可以控制照明的强度和定时（即LED何时活动和何时不活动的时间）。LED控制器134可以包括以开关频率fs振荡的振荡器或与该振荡器通信，使得LED以该开关频率被启用和停用。尽管仅在LED控制器134与LED 132的图8所示子集之间示出了连接，但是显而易见的是，所有LED都可以连接到LED控制器，或者可以采用多个LED控制器。
LED 132例如可以以围绕第一部分102的环形模式来布置，以便辐射围绕间隙106的大体上径向对称的区域。相应的LED 132可以被配置为发射不同波长的辐射。例如，每个基底114a、114b都可以包括发射某个波长的辐射的LED132，使得第一波长的辐射是从包含在一个基底中的LED发射的，并且第二波长的辐射是从包含在另一基底中的LED发射的。可替代地，每个基底114a、114b都可以包括被配置为发射多个波长的辐射的相应LED，例如使得一个基底具有发射第一和第二波长的辐射的相应LED，并且另一基底具有发射第三和第四波长的辐射的相应LED。无论基底114a、114b是包括发射统一波长还是多种波长的辐射的LED，所述LED都可以被布置为使得发射径向对称的辐射，例如通过交织不同波长的LED的径向对称的环。
在一些实施例中，用分别不同波长的辐射顺序地辐射样本可以具有优点。例如，不同波长的辐射可以穿透样本达不同的深度。在辐射相对深地穿透到样本中的情况下，辐射与样本表面之间的相互作用的效果对于总体测量而言倾向于比辐射保持为相对浅的情况不显著。因此，利用不同辐射频率的LED可以允许表征样本的表面。
芯100和/或辐射源还可以包括光散射体136，所述光散射体136被部署为与LED 132相邻并且被部署在第一部分102与凸缘116之间的空间中。散射体136用于接收LED 132的离散输出并且发射空间上更加均匀的辐射。
在运行中，少数载流子寿命测量工具122可以被配置为容纳样本s（比如半导体材料的晶片），使得该样本的一部分被部署在间隙106内。通过这种方式，由运行中的边缘振荡器124的电感器126建立的磁场可以大体上均匀地延伸穿过样本s的部署在间隙106中的那部分，由此将该样本电磁耦合到边缘振荡器中。样本s到振荡器124中的电磁耦合倾向于在样本中感生涡流，所述涡流散耗来自振荡器124的能量。该涡流的大小和所导致的能量损失与样本s的电导率σ和厚度t相关，所述电导率涉及样本中的所有载流子的密度与这些载流子的迁移率之积。
工具122允许以若干方式监测振荡器124经历的损失。在一种情况下，跨边缘振荡器124的电压（例如测量频率电压或图8的点x与y之间的电压差）可以被监测以获悉变化。在所有情况下，边缘振荡器124都必然包括电流源（图8中未示出，但将在后面更详细描述），所述电流源被配置为供应足以维持跨边缘振荡器124的电压的电流。该电流在此有时被称为“驱动电流”，并且相关联的电流源被称为“驱动电流源”。因此，电流源的输出表示振荡器124中的损失，并且该量被监测。在Miller等人的美国专利号4,286,215中提供了关于该测量所基于的理论的更多细节，该专利的全部内容通过引用并入本申请。
样本s中的少数载流子的密度可以使用LED 132来调制。可以用如下辐射来辐射样本s：所述辐射的频率大于或等于为了将电子从价带跨过带隙激发到导带中所需的频率（“超越带隙（above bandgap）”辐射），由此生成样本中的空穴－电子对。这些附加载流子的存在导致样本增加的电导率（称为“光电导”）。在辐射发生时，电导率单调增加，并且在辐射停止以后，电导率指数地下降到其在不存在辐射时的值（即其平衡值）。在辐射开始以后的电导率增加可以由下式来描述：
Δσ(t)∝μτ(1–e-t/τ)(1)
其中Δσ是由光电导引起的样本的电导率的变化，μ是空穴和电子迁移率之和，τ是时间常数，其等于有效少数载流子寿命，并且t是自从开启LED以来流逝的时间。注意，有些类似的等式规定了停止辐射以后的样本电导率的降低。
工具122可以被配置为使得实现测量少数载流子寿命的若干不同方法。第一种方法是光电导衰减（PCD）方法，其中用超越带隙辐射间歇性地辐射所表征的样本。该间歇性辐射可以以开关（即开启/关闭）频率fs来提供，所述开关频率fs为（预期）有效少数载流子寿命的倒数的数量级或者低于所述倒数。紧接在辐射的每次停止以后，可以测量与时间有关的样本s的电导率σ的降低。通过将指数衰减与这些数据拟合，可以确定有效少数载流子寿命。
PCD方法展示了“自校准”的有利特性，这意味着使用该方法获得的结果不是相对的，而是对载流子寿命的客观度量。然而，该方法需要与样本寿命相比响应非常快的测量系统。因此，尽管PCD方法可容易地用于确定大半导体单晶锭和/或具有相对长的有效少数载流子寿命（例如为10μs或以上的量级）的样本的寿命，但是该方法往往对于测量其中有效少数载流子寿命相对短（例如≤大约5μs）的样本中的有效少数载流子寿命不太有用，因为通常这样的样本的灵敏度不足以产生可接受的信噪比。
由上述配置的工具实现的用于测量载流子寿命的第二种方法是在颁发给Gabriel L.Miller的美国专利号4,286,215中描述的方法，该专利的全部内容通过引用并入本申请。如同PCD方法一样、在此称为“GTAU方法”的该方法包括：用超越带隙辐射以开关频率fs间歇性地辐射样本s，所述开关频率fs为（预期）有效少数载流子寿命的倒数的数量级或者低于该倒数。然而，在GTAU方法中，样本s的电导率σ是在启用和停用LED 132之后相隔与τ相比大的时间以后测量的。因此，所测量的电导率实际上是分别对于照明状态的稳态电导率(即，当LED 132发射辐射时的电导率)和对于非照明或“暗化”状态的稳态电导率。从等式（1）中显而易见的是，照明和暗化状态中的稳态电导率之差与积μτ成比例。此外，样本辐射开始时的电导率增加将渐近地接近稳态值（停止辐射以后的电导率降低也将如此）。
在（上面所讨论的）合适条件下，PCD方法和GTAU方法任一或二者可以与少数载流子寿命测量工具122结合使用。数据采集和处理组件138可以被配置为从边缘振荡器124接收数据（比如跨边缘振荡器的电压，即测量频率电压，或者为了将振荡器的振荡幅度维持在标称幅度所需的驱动电流的大小的指示）。数据采集和处理组件138还可以被配置为从LED控制器134接收指示LED 132的强度和开关频率的数据。所有这些数据都可以被存储以供以后分析或者被用于向用户提供关于样本的电导率的输出。
在一些实施例中，样本s可以反复地在工具122中重新定位，使得样本的不同部分被部署在铁氧体罐形芯106的两半之间的间隙中。样本s的电导率可以针对样本的每次重新定位而被重新测量。数据采集和处理组件138可以被配置为除了电导率数据之外还接收关于样本的移动的数据，使得少数载流子寿命可以与样本内的空间位置相关以创建少数载流子寿命“图(map)”。
如上所述，根据上述实施例配置的工具可能倾向于跨由芯的第一部分定义的间隙基本上均匀地引导磁场。在一些情况下，这可能降低测量对样本在间隙内以及相对于芯的第一部分的任一部分的间隔的敏感度。还应注意，在根据上面讨论配置的实施例中所提供的单个工具中执行GTAU和PCD测量方法两者的能力具有显著的优点。如之前所述，GTAU方法与PCD方法相比具有相对优良的SNR并且能够测量较短的少数载流子寿命。然而，GTAU测量的结果不是绝对的，因为它们取决于光强。可替代地，PCD方法虽然在SNR和测量较短载流子寿命的能力方面都相对差，但是它是绝对测量。因此，这些方法可以是互补的，其中PCD方法用于校准GTAU方法结果并且GTAU方法于是针对较短少数载流子寿命提供高质量测量。
参考图9，其中示出了用于测量少数载流子寿命的工具222，所述工具是根据另一示例性实施例配置的。该工具包括具有电感器226和电容器228的边缘振荡器224并且被配置为在测量频率fm下谐振，所述测量频率fm与测量频率电压相关联。电感器226可以被配置为促进半导体样本s到边缘振荡器224的电磁耦合，例如通过被部署为使得由电感器产生的磁场延伸到样本中。如上面所讨论的那样，芯100增强了样本s到边缘振荡器224中的电磁耦合。
边缘振荡器224必然包括电压调节电路240。电压调节器240可以包括比较器242，所述比较器242输出跨振荡器224的电压（其由整流器244输出）与参考电压源246之间的差。来自比较器242的输出被传递给误差积分器248，所述误差积分器248控制电流源（驱动电流源）250输出电流（驱动电流），所述电流旨在使跨电感器226的电压与参考电压源246之间的差最小化。
与之前公开的半导体少数载流子寿命测量系统的性能相比，边缘振荡器224的实施例可以提供增强的性能。例如，实施例可以显示出振荡器的经改善的信噪比（SNR）。
工具222还包括与LED驱动器254通信的一个或多个LED 232，所述LED驱动器254被配置为控制所述LED的运行。LED驱动器254可以从振荡器256接收信号，使得LED 232的开关频率fs遵循振荡器的振荡频率。LED 232可以由LED驱动器254来驱动，例如以（标称）100Hz的开关频率fs（即5毫秒“开启”然后5毫秒“关闭”）。
在运行中，工具222可以被配置为容纳诸如半导体晶片之类的半导体材料样本s，使得该样本电磁耦合到边缘振荡器224中，所述边缘振荡器224在与测量频率电压相关联的测量频率fm下谐振。随着振荡器224将能量转移到样本中，驱动电流被电压调节器24自动调整，以便维持恒定的测量频率电压。如上面所讨论的那样，由驱动电流源250提供的驱动电流表示所测量的样本的薄层（sheet）电导率。
可以用超越带隙辐射间歇性地辐射样本s。该间歇性可以为开关频率fs，所述开关频率fs为样本的少数载流子寿命的倒数的数量级或者低于所述倒数。针对对样本s的辐射的每次开始和停止，样本的电导率将变化，因此振荡器224上的负载也将变化。振荡器224上的该负载改变将导致振荡幅度倾向于降低，并且驱动电流源250用于将跨所述谐振电路的测量频率电压维持为恒定（即稳定化）。由驱动电流源250提供的驱动电流可以被连续地监测以便确定样本电导率以及从中确定样本的少数载流子寿命。
驱动电流的监测可包括：可能利用数据采集设备来存储与时间和LED 232的状态（例如其中发出的辐射的强度）有关的驱动电流数据。测量频率电压也可以被记录下以供与驱动电流数据相关。驱动电流可以以比样本的少数载流子寿命的倒数更高的采样率被采样，由此允许充足的数据收集以针对紧接在停止辐射以后的电导率降低实现PCD曲线拟合。例如，驱动电流可以由高速模数转换器（其例如提供每秒106次转换）来数字化。在一些实施例中，驱动电流数据的采样率可以与振荡器256同步，使得在LED 232被开启和关闭的时间附近采用高采样率，并且在其他时间采用较低采样率。
由工具222收集的数据可以以多种方式来提供。时间驱动电流数据可以按照等式（1）和针对信号衰减的相关等式进行拟合，以便直接为长寿命样本获得少数载流子寿命。这被称为“PCD输出”（参见图9）。可替代地，在驱动电流调制与少数载流子寿命成比例的条件下，驱动电流本身可以被适当放大（例如利用与振荡器256同步的锁相放大器），以便指示少数载流子寿命。该输出被称作“GTAU输出”。作为另一替代方案，可以报告样本的电导率（从其中导出GTAU输出）。该输出被称为“薄层电导输出”，并且是通过使用已知薄层电导的单个样本被计算出的。注意，可以基本上同时为单个样本提供这些输出中的任何或所有输出。
总的来说，根据上述实施例配置的系统可以实现从十分之一微秒到几毫秒的半导体少数载流子寿命的测量，其中每次测量都呈现半秒的数量级。测量可以使用PCD方法和GTAU方法来执行，其中PCD方法提供固有的校准，并且GTAU方法促进短寿命测量并提供改善的SNR。薄层电导也可以被报告，并且来自所有三个测量（PCD、GTAU和薄层电导）的输出可以对用户可用。
参考图10，其中示出了用作用于测量少数载流子寿命的工具（例如图2的工具122）的一部分的芯300的示意性截面图，所述芯是根据另一示例性实施例配置的。芯300可以包括相对的第一部件310和第二部件312，所述部件被间隔开以形成间隙306，所述间隙306被配置为容纳要测量少数载流子寿命的晶片w。第一和第二部件310和312中的每个都可以具有大体上平坦的基底314和大体上的环形凸缘316。LED 332可以如之前所讨论的那样延伸穿过基底314。
每个部件310、312还可以包括相应的管状部分360a、360b，所述管状部分360a、360b从基底314延伸并且在径向上部署在凸缘316之内。管状部分360a、360b可以对LED 332发射的光（或者对用于辐射晶片w的任何辐射）为透明的。例如，管状部分360a、360b可以由透明塑料材料形成。诸如线326a之类的导体可以围绕管状部分360a缠绕，并且诸如线326b之类的导体可以围绕管状部分360b缠绕。线326a、326b因此可以在连接到可变电源（未示出）时形成电感器。线326a、326b可以并联连接到电源，并且可以被配置为使得由每个线产生的磁场与另一线产生的磁场对准。通过这种方式，磁场可以相互补充而不是相互反作用。在一些实施例中，线326a、326b可以围绕相应的管状部分360a、360b在接近间隙306的位置处绕线，由此增加跨间隙的聚合磁场的均匀性。
在维持在此所述的测量系统的原理（和优点）的情况下，本发明的若干替代实施例是可能的。具体而言，铁磁芯的替代配置例如可以包括相对的U形或E形芯，而不是在此所述的分裂的杯形芯。在评估这些（或其他）替代实施例的适合度时，存在需要评估的三个关键参数：到半导体样本的电感耦合的紧密度；光源的均匀性；以及对从所期望的测量区以外的任何半导体材料产生的信号的屏蔽。在此主张的是，分裂的杯形芯实施例与替代配置相比可以实现这些关键参数中的一个或多个参数方面的优点。因此，能够理解，本发明不限于所公开的具体实施例，并且修改和其他实施例旨在包括在所附权利要求书的范围内。尽管在此采用了特定术语，但是这些术语仅仅是在一般性和描述性意义上使用的，而不是用于限制的目的。

Claims (44)

1.一种装置，包括：
谐振电路，所述谐振电路包括电感器和电容器并且被配置为在测量频率下谐振；
铁磁芯，所述铁磁芯包括：
第一部分，所述第一部分定义间隙并且被配置为沿所述第一部分引导由所述电感器建立的磁场，使得所述第一部分之外的磁场的侧向散布被抑制，并且跨所述间隙大体上均匀地引导所述磁场；以及
第二部分，所述第二部分被配置为沿所述第二部分引导磁场并且结合所述第一部分将所述磁场引导到闭环中；以及
辐射源，所述辐射源被配置为辐射与由所述铁磁芯的所述第一部分定义的间隙接近的区域。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电感器包括周向地围绕所述第一部分延伸的至少一个线圈。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述辐射源被配置为辐射围绕所述间隙的、跨由所述第一部分定义的纵轴对称的区域。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一部分定义纵轴，并且所述铁磁芯关于所述纵轴大体上径向对称。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述辐射源包括至少两个发光二极管，所述至少两个发光二极管被配置为发射波长分别不同的辐射。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述铁磁芯包括相对的第一和第二部件，其中所述第一部件形成所述第一和第二部分的至少一部分，并且所述第二部件形成所述第一和第二部分的至少一部分。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一和第二部件跨沿着由所述铁磁芯的所述第一部分定义的间隙取向的平面大体上对称。
8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一和第二部件分别包括伸长的基底、从所述伸长的基底中的每个延伸的中心柱、以及在所述中心柱的相对侧并且与所述中心柱大体上平行地从所述伸长的基底中的每个延伸的一对侧柱，使得所述第一和第二部件中的每个都大体上形成“E”形，所述第一部分包括所述中心柱并且所述第二部分包括所述侧柱。
9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一和第二部件分别包括大体上平坦的基底，所述第一部分从所述基底大体上垂直地延伸，并且所述第二部分形成大体上为环形的凸缘，所述凸缘从所述基底大体上垂直地延伸并且在周向上围绕所述第一部分延伸。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述第二部分定义间隙，所述间隙与所述第一部分定义的间隙对准。
11.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述辐射源包括发光二极管，所述发光二极管延伸穿过所述基底之一并且被部署在所述第一部分与由所述第二部分形成的所述凸缘之间。
12.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述辐射源包括至少两个发光二极管，所述至少两个发光二极管分别延伸穿过所述基底中的相应基底并且分别被部署在所述第一部分与由所述第二部分形成的所述凸缘之间。
13.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述辐射源包括多个发光二极管，所述多个发光二极管被部署为在周向上围绕所述第一部分，并且延伸穿过所述第一部分与由所述第二部分形成的所述凸缘之间的所述基底之一。
14.如权利要求13所述的装置，其特征在于，所述辐射源包括另外的多个发光二极管，所述另外的多个发光二极管被部署为在周向上围绕所述第一部分，并且延伸穿过所述第一部分与由所述第二部分形成的所述凸缘之间的所述基底中的另一基底。
15.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述辐射源被配置为以开关频率间歇性地发射辐射。
16.如权利要求15所述的装置，其特征在于，所述装置被配置为在由所述铁磁芯的所述第一部分定义的间隙中容纳半导体材料的样本，并且所述辐射源被配置为间歇性地辐射所述样本，所述辐射被配置为导致所述样本中的光电导并且所述开关频率为所述样本的少数载流子寿命的倒数的数量级或者低于所述倒数，并且其中所述谐振电路与测量频率电压相关联并且包括驱动电流源，所述驱动电流源被配置为提供可调整的驱动电流以便将跨所述谐振电路的测量频率电压维持为恒定。
17.如权利要求16所述的装置，其特征在于，还包括数据采集系统，所述数据采集系统被配置为在所述样本的辐射开始和停止之后相隔高于所述样本的少数载流子寿命的倒数的时间收集驱动电流值。
18.如权利要求17所述的装置，其特征在于，所述数据采集系统还被配置为以高于所述样本的少数载流子寿命的倒数的数据收集频率、以及在紧接在所述样本的辐射开始和停止以后的时间收集驱动电流值。
19.一种装置，包括：
铁磁芯，所述铁磁芯包括：
第一部分，所述第一部分定义间隙并且被配置为沿所述第一部分引导由围绕所述第一部分缠绕的电感器所建立的磁场，使得所述第一部分之外的磁场的侧向散布被抑制，并且跨所述间隙大体上均匀地引导所述磁场；以及
第二部分，所述第二部分被配置为沿所述第二部分引导磁场并且结合所述第一部分将所述磁场引导到闭环中；以及
辐射源，所述辐射源被集成到所述铁磁芯中。
20.如权利要求19所述的装置，其特征在于，所述辐射源被配置为辐射围绕由所述铁磁芯的所述第一部分定义的间隙的径向对称的区域。
21.如权利要求19所述的装置，其特征在于，所述第一部分定义纵轴，并且所述铁磁芯关于所述纵轴大体上径向对称。
22.如权利要求19所述的装置，其特征在于，所述辐射源包括至少两个发光二极管，所述至少两个发光二极管被配置为发射波长分别不同的辐射。
23.如权利要求19所述的装置，其特征在于，所述装置被配置为在由所述铁磁芯的所述第一部分定义的间隙中容纳半导体材料的样本，使得所述辐射源能够辐射所述样本。
24.如权利要求19所述的装置，其特征在于，所述铁磁芯包括相对的第一和第二部件，其中第一部件形成所述第一和第二部分的至少一部分，并且第二部件形成所述第一和第二部分的至少一部分。
25.如权利要求24所述的装置，其特征在于，所述第一和第二部件跨沿着由所述铁磁芯的所述第一部分定义的间隙取向的平面大体上对称。
26.如权利要求24所述的装置，其特征在于，所述第一和第二部件分别包括伸长的基底、从所述伸长的基底中的每个延伸的中心柱、以及在所述中心柱的相对侧并且与所述中心柱大体上平行地从所述伸长的基底中的每个延伸的一对侧柱，使得所述第一和第二部件中的每个都大体上形成“E”形，所述第一部分包括所述中心柱并且所述第二部分包括所述侧柱。
27.如权利要求24所述的装置，其特征在于，所述第一和第二部件分别包括大体上平坦的基底，所述第一部分从所述基底大体上垂直地延伸，并且所述第二部分形成大体上为环形的凸缘，所述凸缘从所述基底大体上垂直地延伸并且在周向上围绕所述第一部分延伸。
28.如权利要求27所述的装置，其特征在于，所述第二部分定义间隙，所述间隙与所述第一部分定义的间隙对准。
29.如权利要求27所述的装置，其特征在于，所述辐射源包括发光二极管，所述发光二极管延伸穿过所述基底之一并且被部署在所述第一部分与由所述第二部分形成的所述凸缘之间。
30.如权利要求27所述的装置，其特征在于，所述辐射源包括至少两个发光二极管，所述至少两个发光二极管分别延伸穿过所述基底中的相应基底并且分别被部署在所述第一部分与由所述第二部分形成的所述凸缘之间。
31.如权利要求27所述的装置，其特征在于，所述辐射源包括多个发光二极管，所述多个发光二极管被部署为在周向上围绕所述第一部分，并且延伸穿过所述第一部分与由所述第二部分形成的所述凸缘之间的所述基底之一。
32.如权利要求31所述的装置，其特征在于，所述辐射源包括另外的多个发光二极管，所述另外的多个发光二极管被部署为在周向上围绕所述第一部分，并且延伸穿过所述第一部分与由所述第二部分形成的所述凸缘之间的所述基底中的另一基底。
33.一种方法，包括：
提供一种装置，所述装置包括：
谐振电路，所述谐振电路包括电感器和电容器并且被配置为在测量频率下谐振，所述测量频率与跨所述谐振电路的测量频率电压相关联；
铁磁芯，所述铁磁芯包括：
第一部分，所述第一部分定义间隙并且被配置为沿所述第一部分引导由所述电感器建立的磁场，使得所述第一部分之外的磁场的侧向散布被抑制，并且跨所述间隙大体上均匀地引导所述磁场；以及
第二部分，所述第二部分被配置为沿所述第二部分引导磁场并且结合所述第一部分将所述磁场引导到闭环中；以及
辐射源，所述辐射源被配置为辐射与由所述铁磁芯的第一部分定义的间隙接近的区域；
将样本电磁耦合到所述谐振电路中，所述样本的第一部分部署在所述间隙中，使得由所述电感器建立的磁场大体上均匀地延伸穿过所述样本的第一部分；
调整所述谐振电路的驱动电流以将所述测量频率电压维持为恒定；以及
以开关频率间歇性地用被配置为导致所述样本中的光电导的辐射来辐射与所述第一部分接近的区域中的所述样本，所述开关频率为所述样本的少数载流寿命的倒数的数量级或者低于所述倒数。
34.如权利要求33所述的方法，其特征在于，还包括：确定所述样本的少数载流子寿命。
35.如权利要求33所述的方法，其特征在于，确定所述样本的少数载流子寿命包括：在辐射所述样本时和在所述样本未被辐射时都测量驱动电流。
36.如权利要求35所述的方法，其特征在于，测量驱动电流还包括：以高于所述样本的少数载流子寿命的倒数的采样频率、以及在紧接在所述样本的辐射开始和停止以后的时间对所述驱动电流进行采样，所述方法还包括：确定在所述样本的辐射停止以后以及在等于所述样本的少数载流子寿命的倒数的时间内所测量的时间驱动电流数据的函数逼近。
37.如权利要求35所述的方法，其特征在于，测量驱动电流包括：在所述样本的辐射开始和停止以后测量准稳态驱动电流以找出其之间的差，还包括：缩放所述差并且提供经缩放的差作为输出。
38.如权利要求33所述的方法，其特征在于，间歇性地辐射所述样本包括：用第一特征波长的辐射间歇性地辐射所述样本，并且随后用与第一特征波长不同的第二特征波长的辐射间歇性地辐射所述样本。
39.如权利要求33所述的方法，其特征在于，还包括：重复地重新定位所述样本，使得所述样本的不同部分被部署在由所述铁磁芯的第一部分定义的间隙中，并且其中测量驱动电流包括：响应于所述样本的每次重复的重新定位而重复测量驱动电流。
40.如权利要求33所述的方法，其特征在于，提供一种装置包括；提供包括铁磁芯的装置，所述铁磁性具有相对的第一和第二部件，所述第一部件形成所述第一和第二部分的至少一部分，并且所述第二部件形成所述第一和第二部分的至少一部分，其中所述第一和第二部件分别包括大体上平坦的基底，所述第一部分从所述基底大体上垂直地延伸，并且所述第二部分形成大体上为环形的凸缘，所述凸缘从所述基底大体上垂直地延伸并且在周向上围绕所述第一部分延伸。
41.如权利要求40所述的装置，其特征在于，提供一种装置包括：提供包括辐射源的装置，所述辐射源具有多个发光二极管，所述多个发光二极管被部署为在周向上围绕所述第一部分，并且延伸穿过所述第一部分与由所述第二部分形成的所述凸缘之间的所述基底之一。
42.如权利要求33所述的装置，其特征在于，提供一种装置包括：提供包括铁磁芯的装置，所述铁磁芯具有相对的第一和第二部件，所述第一和第二部件分别包括伸长的基底、从所述伸长的基底中的每个延伸的中心柱、以及在所述中心柱的相对侧并且与所述中心柱大体上平行地从所述伸长的基底中的每个延伸的一对侧柱，使得所述第一和第二部件中的每个都大体上形成“E”形，所述第一部分包括所述中心柱并且所述第二部分包括所述侧柱。
43.一种装置，包括：
铁磁芯，所述铁磁芯包括相对的第一和第二部件，所述第一和第二部件定义其之间的间隙，所述第一和第二部件中的每个都包括：
基底；
从所述基底延伸的大体上为环形的凸缘；以及
从所述基底延伸并且在径向上处于所述凸缘之内的管状部分；
第一导体线圈，所述第一导体线圈围绕与所述第一部件相关联的所述管状部分延伸；
第二导体线圈，所述第二导体线圈围绕与所述第二部件相关联的所述管状部分延伸；以及
辐射源，所述辐射源被配置为辐射在所述第一和第二部件之间定义的所述间隙的至少一部分；
其中所述第一和第二导体线圈被配置为并联连接到可变电源，使得由所述第一导体线圈生成的磁场与由所述第二导体线圈生成的磁场大体上对准。
44.如权利要求43所述的装置，其特征在于，所述管状部分对从所述辐射源发射的辐射为透明的。
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