CN106841146A - 采用变温pl谱获取半导体材料杂质电离能的无损测量方法 - Google Patents

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黄洋
伊晓燕
刘志强
王军喜
李晋闽
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/6489—Photoluminescence of semiconductors

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Abstract

一种采用变温PL谱获取半导体材料杂质电离能的无损测量方法，其是通过分析半导体材料变温PL谱谱峰强度随温度升高而下降的热淬灭行为，计算获得半导体材料的杂质电离能，具体方法包括：步骤1：测量待测半导体材料的变温PL谱；步骤2：通过谱峰拟合，获得待测半导体材料在不同温度下的热淬灭峰谱峰强度；步骤3：拟合热淬灭峰谱峰强度‑温度关系实验数据，获得半导体材料杂质电离能，包括施主杂质电离能和受主杂质电离能；步骤4：重复步骤1‑3，多次测量待测半导体材料的杂质电离能，采用最小二乘法，计算多次测量后的杂质电离能。本发明是利用无损的光谱解析技术，克服了现有测试手段复杂有损的技术缺点，不仅快速简便、精度高，而且对于测试材料无损。

Description

采用变温PL谱获取半导体材料杂质电离能的无损测量方法
技术领域
本发明公开了一种采用变温PL谱获取半导体材料杂质电离能的无损测量方法，涉及半导体材料技术测试领域，特别是指半导体材料杂质电离能的测量技术。
背景技术
半导体技术，作为第三次工业革命的基础技术支撑，它的发展离不开半导体材料的杂质工程，正是杂质工程造就了其特殊的电学性能。为了表征半导体材料内的杂质特性，我们需要测量杂质的电离能。半导体材料的杂质电离能一般采用变温霍尔测试，或者通过二次离子质谱(SIMS)，结合电容-电压测试(CV测试)或常温霍尔测试等手段获得，但对于测试半导体而言，这些方法都不可避免地引入了损伤。霍尔测试和CV测试在测试之前，需要在半导体材料上制作金属电极，由于制作电极的过程中，通常伴随着高温环境和电极材料向半导体材料内部扩散等过程，一定程度上造成了测试材料本身的性能退化和污染，同时影响测试结果的准确性。若采用SIMS，则会直接对材料造成物理损伤，只能用于一次性测试。另一方面，无论是霍尔测试，还是CV测试，都对半导体加工工艺和电学测试手段提出了一定的要求，增加了测试的复杂性。因此，如何快速简便且无损地测试半导体材料的杂质电离能，成为一个亟需解决的问题。
就以上问题，本发明的一系列优势将给半导体材料测试带来技术上的改进甚至变革。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种采用变温PL谱获取半导体材料杂质电离能的无损测量方法，其是针对国际上现有的半导体材料杂质电离能测试所面临的技术瓶颈，利用无损的光谱解析方法，快速准确地获取半导体材料的杂质电离能，相比于传统的电离能测试手段，该方法不仅快速简便、精度高，而且在测试过程中，不对材料本身造成损伤。
本发明提供一种采用变温PL谱获取半导体材料杂质电离能的无损测量方法，其是通过分析半导体材料变温PL谱谱峰强度随温度升高而下降的热淬灭行为，计算获得半导体材料的杂质电离能，具体方法包括：
步骤1：测量待测半导体材料的变温PL谱；
步骤2：通过谱峰拟合，获得待测半导体材料在不同温度下的热淬灭峰谱峰强度；
步骤3：拟合热淬灭峰谱峰强度-温度关系实验数据，获得半导体材料杂质电离能，包括施主杂质电离能和受主杂质电离能；
步骤4：重复步骤1-3，多次测量待测半导体材料的杂质电离能，采用最小二乘法，计算多次测量后的杂质电离能。
本发明的有益效果是，其是利用无损的光谱解析技术，克服了现有测试手段复杂有损的技术缺点，不仅快速简便、精度高，而且对于测试材料无损。
附图说明
为使审查员能进一步了解本发明的结构、特征及其目的，以下将结合附图对具体操作过程作详细说明，其中：
图1是本发明的操作流程图；
图2-图4是本发明的操作过程坐标示意图。
具体实施方式
请参阅图1并结合参阅图2-图4所示，本发明提供一种采用变温PL谱获取半导体材料杂质电离能的无损测量方法，其是通过分析半导体材料变温PL谱峰强度随温度升高而下降的热淬灭行为，计算获得半导体材料的杂质电离能，具体方法包括：
步骤1：测量待测半导体材料的变温PL谱，其是通过在一定的温度区间内(如10K-300K)，选取一定间隔的温度点，分别测试相应温度点下半导体材料的PL谱，获得图2所示的变温PL谱；
步骤2：通过谱峰拟合，获得不同温度下热淬灭峰谱峰强度，步骤2所述的通过谱峰拟合，是指通过多个高斯函数拟合PL谱光谱强度，判定热淬灭峰，并获得不同温度下热淬灭峰的谱峰强度。具体过程为：根据公式
拟合各个温度下PL谱的光谱强度-光子能量关系实验数据，其中gi(x)为高斯函数，对应不同的谱峰，如图3所示。计算拟合后各个高斯函数对光子能量的积分，记为相应谱峰的谱峰强度。观察各谱峰的谱峰强度随温度升高的变化情况，如果某谱峰强度随温度的升高而明显下降，则标记该谱峰为热淬灭峰；
步骤3：拟合热淬灭峰谱峰强度-温度关系实验数据，获得半导体材料杂质电离能，包括施主杂质电离能和受主杂质电离能，步骤3所述的拟合热淬灭峰谱峰强度-温度关系实验数据，是指采用公式拟合热淬灭峰谱峰强度-温度关系实验数据，获得半导体材料的杂质电离能(如图4所示)，所述的公式拟合中的公式为
其中参数En、Ep，即为施主杂质电离能和受主杂质电离能，I为谱峰强度，T为温度，k为玻尔兹曼常数，α、β、θ、均为拟合参数。
步骤4：重复步骤1-3，多次测量待测的半导体材料杂质电离能，采用最小二乘法，计算多次测量后的杂质电离能，降低实验误差。
其中所述的采用变温PL谱获取半导体材料杂质电离能的无损测量方法，是通过测量半导体材料的变温PL谱和相应的谱峰分析，无损地获取半导体材料的杂质电离能。
其中所述的采用变温PL谱获取半导体材料杂质电离能的无损测量方法，可同时获得待测的半导体材料的施主杂质电离能和受主杂质电离能。
其中所述的采用变温PL谱获取半导体材料杂质电离能的无损测量方法，在测量过程中，不会对半导体材料造成损伤。
其中所述的采用变温PL谱获取半导体材料杂质电离能的无损测量方法，由于其测试过程简单、高效，可以实现多次测量，显著降低实验误差。
如以上所述，仅是本发明的较佳实施例，惟，本发明所主张的权利范围，并不局限于此，凡熟悉该项技术的人士，依据本发明所揭露的技术内容，可轻易思及的等效变化，均应属不脱本发明所欲主张保护的范畴。

Claims (8)

1.一种采用变温PL谱获取半导体材料杂质电离能的无损测量方法，其是通过分析半导体材料变温PL谱谱峰强度随温度升高而下降的热淬灭行为，计算获得半导体材料的杂质电离能，具体方法包括：
步骤1：测量待测半导体材料的变温PL谱；
步骤2：通过谱峰拟合，获得待测半导体材料在不同温度下的热淬灭峰谱峰强度；
步骤3：拟合热淬灭峰谱峰强度-温度关系实验数据，获得半导体材料杂质电离能，包括施主杂质电离能和受主杂质电离能；
步骤4：重复步骤1-3，多次测量待测半导体材料的杂质电离能，采用最小二乘法，计算多次测量后的杂质电离能。
2.根据权利要求1所述的采用变温PL谱获取半导体材料杂质电离能的无损测量方法，其是通过测量半导体材料的变温PL谱和相应的谱峰分析，无损地获取半导体材料的杂质电离能。
3.根据权利要求2所述的采用变温PL谱获取半导体材料杂质电离能的无损测量方法，其中所述的无损，是指在测量过程中，不会对带半导体材料造成损失。
4.根据权利要求2所述的采用变温PL谱获取半导体材料杂质电离能的无损测量方法，其中所述的杂质电离能，同时包括待测半导体材料的施主杂质电离能和受主杂质电离能。
5.根据权利要求1所述的采用变温PL谱获取半导体材料杂质电离能的无损测量方法，其是通过分析半导体材料的热淬灭峰随温度的变化行为，计算获得待测的半导体材料的杂质电离能。
6.根据权利要求1所述的采用变温PL谱获取半导体材料杂质电离能的无损测量方法，其中步骤2所述的通过谱峰拟合，是指通过多个高斯函数拟合PL谱光谱强度，判定热淬灭峰，并获得不同温度下热淬灭峰的谱峰强度。
7.根据权利要求1所述的采用变温PL谱获取半导体材料杂质电离能的无损测量方法，其中步骤3所述的拟合热淬灭峰谱峰强度-温度关系实验数据，是指采用公式拟合热淬灭峰谱峰强度-温度关系实验数据，同时获得半导体材料的杂质电离能。
8.根据权利要求7所述的采用变温PL谱获取半导体材料杂质电离能的无损测量方法，其中所述公式拟合的公式为
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CN111366833A (zh) * 2020-03-16 2020-07-03 深圳第三代半导体研究院 一种测量半导体中杂质活化能的方法

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