CN107192933B - 一种半导体材料载流子有效寿命测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种半导体材料载流子有效寿命测量方法，包括以下步骤：将光强周期性调制的连续探测激光注入稳定光学谐振腔，在腔内适当位置将被测半导体材料垂直探测光光轴放置，由探测器探测谐振腔衰荡信号，得到此时衰荡时间常数τ1；将光强稳定的连续泵浦激光入射到半导体材料表面相同位置，得到此时衰荡时间常数τ2；改变泵浦光光强，得到不同光强泵浦时衰荡时间常数，计算得到半导体材料载流子有效寿命τeff。本发明具有测量装置简单、成本低、精度高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体材料载流子有效寿命测量方法。
背景技术
随着半导体原材料向大直径低缺陷方向发展，微电子器件的集成度不断提高，这对材料的加工工艺和性能检测提出了更高的要求。为了保证材料能用于器件，提高器件稳定性和良品率，要求在材料加工工艺中，对材料特性进行精确快速地在线监测和无损表征。
目前工业上最常用的光学检测技术是基于光电导效应的微波光电导衰减技术，可测载流子寿命值从0.1μs到几个ms间变化。由于该技术是通过测量微波反射信号的变化表征光激发过剩载流子浓度的变化，进而得到载流子有效寿命值，因此该技术的测量精度仍然受入射微波强度波动的影响。其他检测技术，如自由载流子吸收技术、调制光反射技术等，同样受探测光强度波动影响而限制其测量精度的提高。其中传统的自由载流子吸收技术，由于半导体材料对探测光吸收光程有限，当吸收较弱时，该技术受噪声影响较大，存在着低吸收损耗情况下信噪比低的缺点，测量精度降低。
发明内容
本发明为解决现有载流子有效寿命测量技术的不足的问题，提供一种半导体材料载流子有效寿命测量方法。
为解决现有技术存在的问题，本发明的技术方案是：一种半导体材料载流子有效寿命测量方法，其特征在于：所述的测量方法的步骤为：
步骤1)：将被测半导体材料垂直于探测光束光轴放置于光学谐振腔内，所述光学谐振腔由两块曲率半径相同的平凹反射镜凹面相对垂直于光轴放置组成；
所述的被测半导体材料为双面抛光样品；
所述的光学谐振腔的腔镜在探测激光波长处的反射率大于99.9％；
步骤2)：将光强周期性方波调制的连续探测激光入射到步骤1)中的光学谐振腔，从光学谐振腔透射的探测激光由聚焦透镜聚焦到光电探测器，光学谐振腔和被测半导体材料对探测激光产生反射、散射和吸收等损耗，光电探测器探测光学谐振腔输出的衰荡信号，当衰荡信号幅值超过设定阈值时，触发快速光开关关断探测激光，记录此时谐振腔的衰荡信号或者在周期性调制信号的下降沿记录光学谐振腔的衰荡信号，得到衰荡时间常数τ1；
所述的连续探测激光光源由半导体激光器、固体激光器或气体激光器产生，且探测光的光子能量小于被测半导体的本征半导体禁带宽度；
步骤3)：将一束强度为Ipump的连续泵浦激光斜入射到被测半导体材料表面，被测半导体材料因吸收泵浦激光能量在被照射区域产生过剩载流子，使得谐振腔内总损耗增加，重复步骤2)得到此时谐振腔的衰荡时间常数τ2；所述的泵浦激光斜入射到被测半导体材料表面的位置与探测光束入射位置重合；
所述的过剩载流子由泵浦激光照射被测半导体材料产生，该连续泵浦激光由半导体激光器或固体激光器或气体激光器产生，且泵浦激光的光子能量大于被测半导体的本征半导体禁带宽度；
步骤4)：多次改变泵浦光强度Ipump，重复步骤3)得到不同泵浦光强度时谐振腔的衰荡时间常数τ2(Ipump)，通过计算得到半导体材料载流子有效寿命。
所述的光学谐振腔为稳定腔或共焦腔，总腔长满足0<L≤2R，R为腔镜的曲率半径。
当光学谐振腔输出信号幅值高于设定阈值时，所述的触发关断探测激光通过以下方式之一实现：
a.在探测激光器和第一块平凹反射镜之间采用快速光开关来关闭探测激光，所述的快速光开关为电光调制开关或声光调制开关；
b.利用方波下降沿来关闭探测激光。
所述的光学谐振腔的衰荡信号由示波器或数据采集卡记录。
将步骤(2)和步骤(3)中测得的光腔衰荡信号按单指数衰减函数拟合出谐振腔衰荡时间常数τ1和τ2(Ipump)，A、B为常数，根据公式通过线性拟合步骤(4)中测得的与泵浦光强度Ipump的关系数据，计算得到载流子有效寿命为Kfit为线性拟合的斜率值，L为谐振腔腔长，hν为泵浦光光子能量，c为真空中光速，d为被测半导体材料厚度，R和α分别为被测半导体材料对泵浦光的反射率吸收系数，σfca为自由载流子吸收截面。
本发明基于光腔衰荡技术，光腔衰荡技术(CRD：Cavity Ring-Down)是一种具有极高灵敏度的基于高精细度无源光学谐振腔的探测技术，主要应用于气态物质的吸收光谱和高反射率光学元件的反射率测量方面。注入谐振腔的探测激光在腔内经过多次往返振荡使得腔内吸收和腔镜反射损耗大大增加，通过测量谐振腔出射的探测激光能量的指数衰减时间实现对痕量气体浓度和光学元件反射率的绝对测量。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
1)、本发明在测量载流子有效寿命时不受探测光强度波动的影响，提高了半导体材料载流子有效寿命的测量精度；
2)、本发明在测量载流子有效寿命时极大地增加了被测半导体材料对探测激光吸收光程，增大了低吸收损耗情况下信噪比，提高了测量灵敏度；
3)、本发明采用谐振腔增加对探测激光吸收光程，可以通过减小两反射镜间的距离制作便携设备，具有测量装置简单、成本低、精度高等优点；
光腔衰荡技术具有测量精度高，反应灵敏，对探测激光强度波动不敏感等诸多优点。因此，利用该技术可以提高对探测激光的吸收光程，同时避免探测激光强度波动的影响，实现半导体材料载流子有效寿命的精确测量。
附图说明
图1为本发明光学谐振腔输出信号幅值高于设定阈值时在方波下降沿关断探测激光束测量装置的结构示意图；
图2为本发明当光学谐振腔输出信号幅值高于设定阈值时采用快速光开关关断探测激光测量装置的结构示意图；
图3为根据本发明计算得到的腔衰荡时间常数倒数差Δ与泵浦光强度Ipump的关系曲线；
附图标记如下：
图中：1为连续探测激光光源；2为曲率半径为R的平凹反射镜；3为被测半导体材料；4为曲率半径为R的平凹反射镜；5为聚焦透镜；6为光电探测器；7为数据采集卡；8为计算机；9为函数发生卡；10为泵浦激光光源；11为可调衰减片；12为快速光开关。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的原理是：
基于半导体材料对光子能量大于半导体禁带宽度的连续泵浦激光吸收后产生过剩载流子，当采用另外一束光子能量低于半导体禁带宽度的强度周期性方波调制的探测激光入射到材料相同位置时，由于过剩载流子对探测激光的吸收作用，导致透射半导体材料后探测光束强度减小，如果将样品放置于稳定光学谐振腔，高反射率腔镜对探测激光的反射振荡使得探测激光被过剩载流子多次吸收，收集和测量光学谐振腔输出的探测激光强度指数衰荡信号，通过计算得到半导体材料载流子有效寿命。
实施例1：
本发明一种半导体材料载流子有效寿命测量方法具体实施例的实验装置如图1所示。连续探测激光光源1选用半导体激光器，采用方波调制输出；两块平凹反射镜2和4在连续探测激光光源1输出波长处的反射率大于99.9％；衰荡腔为稳定光学谐振腔，腔长满足0<L≤2R；两块平凹反射镜和被测半导体材料3(被测半导体材料为双面抛光样品)垂直于探测激光放置，且使探测激光从镜面中心和被测半导体材料所需探测位置通过，随着探测激光注入，谐振腔能量逐渐增加，当探测激光被迅速关断后，谐振腔内能量会由于样品吸收和腔镜透射而减小，部分探测激光能量从第二块平凹高反镜4输出，然后由聚焦透镜5聚焦到光电探测器6，由探测器输出信号并由数据采集卡7记录，最后由计算机8存储和计算，连续探测激光光源1采用函数发生卡9方波同步调制输出，在方波下降沿处探测光束被快速关断，当光学谐振腔输出信号幅值在方波下降沿处大于预先设定阈值时，计算机8控制数据采集卡7采集衰荡信号。将采集的衰荡信号利用单指数衰减函数拟合，A、B为常系数，得到谐振腔衰荡时间常数τ1，计算得到探测激光经过谐振腔和样品后的总损耗。然后将泵浦激光光源10输出的连续泵浦激光斜入射到被测半导体材料相同位置，采用同样的方法记录此时的谐振腔衰荡信号，得到此时的谐振腔衰荡时间常数τ2。通过可调衰减片11改变泵浦激光强度Ipump，得到不同泵浦光强度时谐振腔衰荡时间常数τ2(Ipump)，再根据公式通过线性拟合Δ与泵浦光强度Ipump的关系数据，计算得到载流子有效寿命为Kfit为线性拟合的斜率值，L为谐振腔腔长，hν为泵浦激光光子能量，c为真空中光速，d为被测半导体材料厚度，Rpump和α分别为被测半导体材料对泵浦激光的反射率和吸收系数，σfca为自由载流子吸收截面，η为光电转化效率。
实施例2：
本发明中探测激光的关断也可以通过快速光开关实现，如图2所示。具体实施过程与实施例1相同，区别在于，在探测激光光源和腔镜2之间加入快速光开关12，并由计算机控制。当采集到的谐振腔输出信号幅值大于预先设定阈值时，触发快速光开关关闭探测激光。
图3为根据本发明对半导体单晶硅材料载流子有效寿命进行计算的一个具体结果。计算中，被测单晶硅参数设置为：N型，双面抛光，厚度L为300μm，掺杂浓度Nd为1×1015cm-3。其他参数设置：谐振腔腔长L为0.5m，泵浦激光光子能量hν为1.49eV，单晶硅对泵浦激光的反射率Rpump为0.3，单晶硅对泵浦光的吸收系数为6.6×104m-1，自由载流子对探测激光的吸收截面σfca为2.56×1018cm2，光电转化效率η为1。图3结果表明，载流子有效寿命的变化对谐振腔衰荡信号具有较大的影响，因此可以通过该方法对被测半导体材料载流子有效寿命进行测量。另外，通过线性拟合的方式对多个泵浦激光强度下衰荡时间常数进行拟合，可以进一步提高参数测量精度。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种半导体材料载流子有效寿命测量方法，其特征在于：所述的测量方法的步骤为：
步骤1)：将被测半导体材料垂直于探测光束光轴放置于光学谐振腔内，所述光学谐振腔由两块曲率半径相同的平凹反射镜凹面相对垂直于光轴放置组成；
所述的被测半导体材料为双面抛光样品；
所述的光学谐振腔的腔镜在探测激光波长处的反射率大于99.9％；
步骤2)：将光强周期性方波调制的连续探测激光入射到步骤1)中的光学谐振腔，从光学谐振腔透射的探测激光由聚焦透镜聚焦到光电探测器，光学谐振腔和被测半导体材料对探测激光产生反射、散射和吸收等损耗，光电探测器探测光学谐振腔输出的衰荡信号，当衰荡信号幅值超过设定阈值时，触发快速光开关关断探测激光，记录此时谐振腔的衰荡信号或者在周期性调制信号的下降沿记录光学谐振腔的衰荡信号，得到衰荡时间常数τ1；
所述的连续探测激光光源由半导体激光器、固体激光器或气体激光器产生，且探测光的光子能量小于被测半导体的本征半导体禁带宽度；
步骤3)：将一束强度为Ipump的连续泵浦激光斜入射到被测半导体材料表面，被测半导体材料因吸收泵浦激光能量在被照射区域产生过剩载流子，使得谐振腔内总损耗增加，重复步骤2)得到此时谐振腔的衰荡时间常数τ2；所述的泵浦激光斜入射到被测半导体材料表面的位置与探测光束入射位置重合；
所述的过剩载流子由泵浦激光照射被测半导体材料产生，该连续泵浦激光由半导体激光器或固体激光器或气体激光器产生，且泵浦激光的光子能量大于被测半导体的本征半导体禁带宽度；
步骤4)：多次改变泵浦光强度Ipump，重复步骤3)得到不同泵浦光强度时谐振腔的衰荡时间常数τ2(Ipump)，通过计算得到半导体材料载流子有效寿命；
将步骤(2)和步骤(3)中测得的光腔衰荡信号按单指数衰减函数拟合出谐振腔衰荡时间常数τ1和τ2(Ipump)，A、B为常数，根据公式通过线性拟合步骤(4)中测得的与泵浦光强度Ipump的关系数据，计算得到载流子有效寿命为Kfit为线性拟合的斜率值，L为谐振腔腔长，hν为泵浦光光子能量，c为真空中光速，d为被测半导体材料厚度，R和α分别为腔镜的曲率半径和被测半导体材料对泵浦光的反射率吸收系数，σfca为自由载流子吸收截面，η为光电转化效率。
2.根据权利要求1所述的半导体材料载流子有效寿命测量方法，其特征在于：所述的光学谐振腔为稳定腔或共焦腔，总腔长满足0<L≤2R，R为腔镜的曲率半径。
3.根据权利要求2所述的半导体材料载流子有效寿命测量方法，其特征在于：当光学谐振腔输出信号幅值高于设定阈值时，所述的触发关断探测激光通过以下方式之一实现：
a.在探测激光器和第一块平凹反射镜之间采用快速光开关来关闭探测激光，所述的快速光开关为电光调制开关或声光调制开关；
b.利用方波下降沿来关闭探测激光。
4.根据权利要求3所述的半导体材料载流子有效寿命测量方法，其特征在于：所述的光学谐振腔的衰荡信号由示波器或数据采集卡记录。
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| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20190723 |
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