CN110646384A - 一种半导体材料电阻率光学测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种半导体材料电阻率光学测量方法，本发明的原理为：半导体材料对光子能量大于其禁带宽度的泵浦光束吸收后产生过剩载流子，过剩载流子经辐射复合后产生光子，光子在向前后表面传输的过程中被材料重新吸收，由于重吸收系数的大小与光子能量相关，加上光子传输路径的差别，前后表面被收集和测量光致发光谱不同。光子的重新吸收主要包含本证吸收和自由载流子吸收，自由载流子吸收的大小与半导体材料的掺杂浓度相关，因此可以通过分析计算前后表面收集的光致发光谱得到半导体材料的掺杂浓度，进一步由公式计算得到其电阻率的大小。本发明弥补了传统的四探针技术需要与样品接触的缺点，提高了半导体材料电阻率的测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体材料电阻率光学测量方法。
背景技术
半导体材料的电阻率与半导体器件的串联电阻、电容和阈值电压等参数密切相关，是一个非常重要的参数。为了保证半导体材料能有效地用于器件，提高器件稳定性和良品率，需要对其进行精确快速的无损伤测量表征。目前工业上最常用半导体材料的电阻率测量方法为四探针技术。然而，由于该技术在测量过程中需要与待测样品接触，不可避免会对材料表面产生损伤，增大测量误差。同时由于探针采样体积较大，限制其在高分辨二维成像测量中的应用。
发明内容
本发明为解决现有半导体材料电阻率测量技术存在的对材料表面会产生损伤，增大测量误差和探针采样体积较大的问题，提供一种半导体材料电阻率光学测量方法。
为解决现有技术存在的问题，本发明的技术方案是：
一种半导体材料电阻率光学测量方法，所述的测量方法的步骤为：
步骤1)：将光子能量大于被测半导体的本征半导体禁带宽度的泵浦光束照射到被测半导体样品前表面，产生光致发光信号；
步骤2)：在样品前表面和后表面放置信号收集装置，同时对传输到前表面和后表面的光致发光信号进行收集，经光谱分析装置获得光致发光谱，前后表面获得的光致发光谱分别记为
和
步骤3)：对上述光致发光谱
和
进行处理计算，得到半导体材料电阻率：
按公式
进行计算，并根据公式
通过多项式拟合Se与波长λ的关系数据，计算得到被测半导体材料电阻率ρ。其中，Rf和Rb分别为光致发光信号在样品前后表面的反射率，hν为泵浦光光子能量，C为常数，L为被测半导体材料厚度，α0分别为被测半导体材料对光致发光信号的本证吸收系数，q为电子电量，μ为电子或空穴的迁移率。
进一步的，所述的信号收集装置是抛物面镜或光学透镜。
进一步的，所述的光谱分析装置是单色仪和光电倍增管探测器的组合或光谱仪，且样品前后两个信号收集装置的设备型号和参数设置保持一致。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
1)本发明采用光学无接触方法对半导体材料电阻率进行测量，对被测材料无损伤，不会因此增加测量误差；
2)本发明采用激光器作为泵浦光源，体积小，可以对半导体材料局部微区域进行测量，通过二维扫描可以对半导体材料电阻率进行高分辨率成像。
3)由于测量过程不受系统响应影响，因此提高了半导体材料电阻率的测量精度。
附图说明
图1为本发明一种测量装置的结构示意图；
图2为根据本发明计算得到的前后表面收集的光致发光谱
和
图3为根据本发明计算得到的Se；
图4为根据本发明计算得到的电阻率ρ；
图5为本发明另一测量装置的结构示意图。
附图标记如下：
1-函数发生器、2-泵浦光源、3-反射镜、4-聚焦透镜、5-样品、6-前抛物面镜、7-第一滤光片、8-第一单色仪、9-第一光电倍增管探测器、10-第一锁相放大器、11-后抛物面镜、12-第二滤光片、13-第二单色仪、14-第二光电倍增管探测器、15-第二锁相放大器、16-计算机、17-第一光谱仪、18-第二光谱仪。
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。
本发明的原理为：
半导体材料对光子能量大于其禁带宽度的泵浦光束吸收后产生过剩载流子，过剩载流子经辐射复合后产生光子，光子在向前后表面传输的过程中被材料重新吸收，由于重吸收系数的大小与光子能量相关，加上光子传输路径的差别，前后表面被收集和测量光致发光谱不同。光子的重新吸收主要包含本证吸收和自由载流子吸收，自由载流子吸收的大小与半导体材料的掺杂浓度相关，因此可以通过分析计算前后表面收集的光致发光谱得到半导体材料的掺杂浓度，进一步由公式
计算得到其电阻率的大小。本发明弥补了传统的四探针技术需要与样品接触的缺点，提高了半导体材料电阻率的测量精度。
假设前后表面测量得到的光致发光谱为
和令
则
令
上式简化为
exp(-αL)＝K(1+Rbexp(-2αL)) (2)
其中I0为光子未传输时的原位光致发光谱，α为吸收系数。
α(λ)＝α0+αFCA＝α0+Cλ3Ndop (3)
其中α0和αFCA分别为本证吸收系数和自由载流子吸收系数，C为常数，Ndop为半导体材料掺杂浓度。
将式(3)带入式(2)可以得到
将掺杂浓度与电阻率的关系式带入上式，得到
通过多项式拟合计算得到半导体材料的电阻率。
本发明提供的一种半导体材料电阻率光学测量方法，具体步骤为：
步骤1)：将光子能量大于被测半导体的本征半导体禁带宽度的泵浦光束照射到被测半导体样品前表面，产生光致发光信号；
步骤2)：在样品前表面和后表面放置信号收集装置，同时对传输到前表面和后表面的光致发光信号进行收集，经光谱分析装置获得光致发光谱，前后表面获得的光致发光谱分别记为
和
步骤3)：对上述光致发光谱
和进行处理计算，得到半导体材料电阻率：
将测得的光致发光谱按公式
进行计算，并根据公式
通过多项式拟合Se与波长λ的关系数据，计算得到被测半导体材料电阻率ρ。Rf和Rb分别为光致发光信号在样品前后表面的反射率，hν为泵浦光光子能量，C为常数，L为被测半导体材料厚度，α0分别为被测半导体材料对光致发光信号的本证吸收系数，q为电子电量，μ为电子或空穴的迁移率。
具体实施时所用实验装置可以根据实际条件搭建。
参见图1。其中的一种装置包括函数信号发生器1、泵浦光源2、反射镜3、聚焦透镜4、前抛物面镜6、第一滤光片7、第一单色仪8、第一光电倍增管探测器9、第一锁相放大器10、后抛物面镜11、第二滤光片12、第二单色仪13、第二光电倍增管探测器14、第二锁相放大器15和计算机16。泵浦光源2采用一半导体激光器，该激光器产生的光子能量大于被测半导体材料的本征禁带宽度，泵浦光调制系统的功能由与之相接的函数信号发生器1实现；函数信号发生器1产生的周期性方波信号(或其它波形的周期信号)直接调制激光器的驱动电压使泵浦光源2输出强度周期性调制的泵浦光(泵浦光强度的周期性调制也可通过函数信号发生器输出的周期性信号驱动声光调制器、电光调制器或机械斩波器调制连续的激励光来实现)；反射镜3对泵浦光源2发射的入射光线进行反射；聚焦透镜4使反射后的泵浦光聚焦到样品5表面上；光生载流子辐射复合后产生的光致发光信号被样品前方设置的前抛物面镜6收集后，经反射光路上设置的第一滤光片7滤波后，再经第一单色仪8分光并由第一光电倍增管探测器9探测；光致发光信号同时被样品后方设置的后抛物面镜11收集后，经第二滤光片12滤波后，再经第二单色仪13分光并由第二光电倍增管探测器14探测；第一锁相放大器10和第二锁相放大器15分别用来解调第一光电倍增管探测器9和第二光电倍增管探测器14探测到的光致发光谱；计算机16分别与函数信号发生器1、第一锁相放大器10和第二锁相放大器15相接，用于控制系统自动运行及存储、处理信号数据等。
参见图2，对半导体单晶硅材料载流子有效寿命进行计算时，被测单晶硅参数设置为：N型，双面抛光，厚度L为525μm，掺杂浓度Nd为1×1017-1×1019cm-3。其他参数设置：泵浦激光光子能量hν为3.06eV，单晶硅对泵浦光的吸收系数为1.02×107m-1，单晶硅前表面对泵浦激光的反射率Rpump为0.46，单晶硅前后表面对辐射复合光子的反射率Rf和Rb均为0.31，常数C为3×10-4。图2结果表明，由于光子重吸收效应的影响，前后表面收集的光致发光谱具有较大差别，同时光子重吸收效应与样品电阻率密切相关，因此可以通过该方法对半导体材料电阻率进行测量。图3为根据本发明方法计算得到的Se，不同电阻率样品得到的另外Se随波长的变化关系不同。将测得的Se数据通过多项式拟合计算得到半导体材料的电阻率ρ，如图4所示，通过该技术测得的半导体材料的电阻率与设定的电阻率基本一致。例如，对于电阻率为0.084Ω·cm的样品，通过该技术得到的电阻率为0.078Ω·cm，误差仅约7％。通过选择合适泵浦光波长和调制频率可以进一步提高参数测量精度。
本发明方法实现采用的另一种装置，参见图5。泵浦光源2采用一半导体激光器，该激光器产生的光子能量大于被测半导体材料的本征禁带宽度；反射镜3对泵浦光束进行反射；聚焦透镜4使反射后的泵浦光聚焦到样品5表面上；光生载流子辐射复合后产生的光致发光信号被前抛物面镜6收集和第一滤光片7滤波后，聚焦至第一光谱仪17光纤探头区域，并由第一光谱仪17探测；光致发光信号同时被后抛物面镜11收集和第二滤光片12滤波后，聚焦至第二光谱仪18光纤探头区域，并由第二光谱仪18探测；计算机16分别与泵浦光源2、第一光谱仪17和第二光谱仪18相接，用于控制系统自动运行及存储、处理信号数据等。测量数据的处理和计算与前面的装置相同。
上述装置中，光谱分析装置是单色仪和光电倍增管探测器的组合或光谱仪，样品前后两个信号收集装置是抛物面镜或光学透镜。所用设备型号和参数设置保持一致，用于减小系统误差的影响。
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 (3)
1.一种半导体材料电阻率光学测量方法，其特征在于：所述的测量方法的步骤为：
步骤1)：将光子能量大于被测半导体的本征半导体禁带宽度的泵浦光束照射到被测半导体样品前表面，产生光致发光信号；
步骤2)：在样品前表面和后表面放置信号收集装置，同时对传输到前表面和后表面的光致发光信号进行收集，经光谱分析装置获得光致发光谱，前后表面获得的光致发光谱分别记为
和
步骤3)：对上述光致发光谱
和
进行处理计算，得到半导体材料电阻率：
按公式
进行计算，并根据公式通过多项式拟合Se与波长λ的关系数据，计算得到被测半导体材料电阻率ρ；其中，Rf和Rb分别为光致发光信号在样品前后表面的反射率，hν为泵浦光光子能量，C为常数，L为被测半导体材料厚度，α0分别为被测半导体材料对光致发光信号的本证吸收系数，q为电子电量，μ为电子或空穴的迁移率。
2.根据权利要求1所述的半导体材料电阻率光学测量方法，其特征在于：所述的信号收集装置是抛物面镜或光学透镜。
3.根据权利要求1或2所述的半导体材料电阻率光学测量方法，其特征在于：所述的光谱分析装置是单色仪和光电倍增管探测器的组合或光谱仪，且样品前后两个信号收集装置的设备型号和参数设置保持一致。
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