CN111257713A - 一种用于测量多发光峰半导体材料中载流子多重寿命的方法 - Google Patents

一种用于测量多发光峰半导体材料中载流子多重寿命的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于测量多发光峰半导体材料中载流子多重寿命的方法，其中：测试系统由光载流子辐射测量系统和光致发光光谱测量系统综合组成；一束光子能量大于待测半导体禁带宽度的并以方波信号调制的激光作为激励光，经透镜聚焦照射到待测半导体材料表面，激发出相同周期的光致发光信号；在该方法中通过改变激励光频率和探测波长，得到不同条件下光致发光信号的幅值及相位与激励频率的关系，再通过建立信号与寿命相关的物理模型，经数据拟合计算得出载流子的有效寿命和多重寿命分量；通过综合分析不同实验条件下的测量结果，分析得到更准确地载流子多重寿命分布情况。

Description

一种用于测量多发光峰半导体材料中载流子多重寿命的方法
技术领域
本发明涉及半导体电参数光学表征测量技术领域，特别涉及一种用于测量多发光峰半导体材料中载流子多重寿命的方法。
背景技术
在对半导体材料的研究及应用过程中，少数载流子寿命是评价半导体材料特性和质量的一个基本参数。常用的测试方法有直流光电导衰减技术、表面光电压技术、微波光电导衰减技术、光载流子辐射测量方法和瞬态光致发光法等。但由于测试技术在光(电)注入量、测试频率、实验环境温度等方面的差异，同一半导体材料在不同测试系统上得到的少数载流子寿命测试值往往相差很大，因此准确测量少子寿命是人们关注的重点，并且以上测试技术大部分测试得到的是体载流子有效寿命，对不同驰豫过程对应的载流子寿命分量关注较少。
1992年，测量半导体非平衡载流子寿命的新方法(中国专利申请公开号CN1063159) 提出是用光注入方法在半导体中激发自由载流子,移动反射谱反射边的频率位置,从而使另一束频率在反射边上的入射光在半导体表面的反射率大幅度地变化，通过拟合反射激光束的强度的时间变化求得寿命τ的方案；2000年，半导体器件少子扩散长度和少子寿命的无损测量方法(中国专利申请公开号CN 1271093)提出通过检测半导体器件中因激励产生的感生的电流,来半导体器件中少数载流子的扩散长度，进而计算少数载流子的寿命的方法。2009年，一种半导体材料特性的测量装置及测量方法(中国专利申请公开号CN101527273)提出仅由一束激发光和一束探测光来,可同时或分别取得样品的光载流子辐射测量信号、自由载流子吸收测量信号以及光调制反射测量信号,通过同时或分别分析处理光载流子辐射、自由载流子吸收和光调制反射信号数据,可得到半导体材料的特性参数的方法。2018年，一种半导体硅材料中少数载流子寿命的测试方法(中国专利申请公开号CN108089109A)提出利用一束激励脉冲光和一束测试脉冲光激励并控制半导体内的少数载流子浓度，通过记录硅材料附加电导率的衰减,以此反映硅材料体内非平衡少数载流子的衰减,经计算得出硅材料中的非平衡少数载流子的复合寿命值τ的方法。2019年，一种基于光载流子辐射的半导体材料特性测量方法(中国专利申请公开号CN 108089109A)提出利用扩束整形后的激光束和聚焦后的激光束分别对半导体材料进行光载流子辐射信号扫描成像测量，经数据分析后得到半导体材料特性参数的方法。
由于各种测试技术在光(电)注入量、测试频率、实验环境温度等方面的差异，同一半导体材料在不同测试系统上得到的少数载流子寿命测试值往往相差很大，因此准确测量少子寿命是人们关注的重点，并且以上测试技术大部分测试得到的是体载流子有效寿命，对不同驰豫过程对应的载流子寿命分量关注较少。本发明提出的一种用于测量多发光峰半导体材料中载流子多重寿命的方法，能很好地解决分辨多个发光驰豫过程载流子寿命的问题，具有测量系统结构简单，对样品无损伤，易调节的优先。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：如何通过光载流子辐射测量系统结合光致发光光谱测量系统，针对具有多个辐射峰的半导体材料，测量并分辨出不同发光过程的载流子寿命。
为实现上述目的，本发明提出了以下技术方案：一种用于测量多发光峰半导体材料中载流子多重寿命的方法，其特征在于：
(1)实现所述方法的测量系统由光载流子辐射测量系统和光致发光光谱测量系统综合组成，两系统共用激光光源1，平面高反镜或全反镜2，聚焦透镜3，样品台4，离轴抛物面反射镜5和6，组合透镜系统8，光电探测器9，锁相放大器10，函数发生器11，上位机或计算机12，以上部件构成光载流子辐射测量系统，当系统工作于光致发光光谱系统时，在组合透镜系统8之前加入单色仪7。上位机12通过对函数发生器11进行控制来实现对激励光的调制；光源1发出的激光经过聚焦透镜3后聚焦在样品池4中的样品表面，样品吸收激励光能量后经过辐射复合发出的光致发光信号通过离轴抛物面镜5和6收集后，再经组合透镜系统8聚焦到光电探测器9后转化为电信号，电信号传输至锁相放大器10滤除噪声进行放大，放大后的信号传入数据处理计算机12进行记录；而后计算机12对函数发生器11进行调控并重复上述信号采集过程对样品进行扫频。通过改变测量实验条件，分别得到不同条件下光致发光信号相位与激励频率的关系，经分析计算得出载流子寿命，从以下三个方面改变实验条件：a)当系统工作在光载流子辐射测量系统状态时，此时光电探测器9接收的信号包含待测半导体材料整个发光光谱范围内全部光信号对波长进行积分的信号；通过改变激励光 1频率可以得到光致发光波长积分的总信号与频率之间的关系，由信号幅值及相位与频率的关系可计算得到载流子多重寿命的有效寿命。b)当系统工作在光致发光光谱测量系统状态时，光致发光信号经单色仪7再聚焦到光电探测器9上，通过单色仪7扫描波长可得到待测半导体样品的发光光谱，通过改变激励光1的频率，可以得到不同频率下的光致发光光谱，从而可由数据分析得到不同波长下的光致发光信号幅值及相位与频率的关系，由信号幅值及相位与频率的关系可计算得到产生对应波长光致发光信号的载流子寿命。c)根据b) 中得到的发光光谱，可确定材料的多个发光峰中心波长，将单色仪7通光波长分别固定在各发光峰中心，改变激励光1频率，进行频率扫描，分别得到各发光峰中心波长处光致发光信号幅值及相位与频率的关系，从而可计算得到产生对应波长光致发光信号的载流子寿命；a) 中得到的有效寿命是b)或c)中得到的多个寿命的加权值；b)和c)中在同一波长下得到的寿命值相等，两种条件可作为相互验证的方法。
由a)、b)、c)测试过程分别得到的信号幅值及相位与频率的关系曲线，使用非线性多参数拟合方法，将信号幅值及相位按公式(1)进行拟合。
Figure RE-GDA0002454610270000031
Figure RE-GDA0002454610270000032
其中，由a)过程所得信号是所有光致发光信号的叠加，对测试数据拟合得到的载流子寿命由多个发光驰豫过程所对应的载流子寿命加权构成，因此可由a)过程得到载流子的多重寿命分布谱线；由b)过程可得各个发光波长下信号与频率的关系，对测试数据拟合得到的载流子寿命是各波长下发光驰豫过程所对应的载流子寿命；由c)过程可得各个发光峰中心波长下信号与频率的关系，对测试数据拟合得到的载流子寿命是各中心发光驰豫过程所对应的载流子寿命；对同一块样品将b)过程中发光峰对应波长数据提取出来应与c)过程数据一致。
由b)过程所得各个载流子寿命应与a)得到载流子寿命分布中的各寿命分量相对应，由 c)过程所得各中心波长发光峰对应的载流子寿命应与a)得到载流子寿命分布中的主要寿命分量相对应。
(2)对于不同厚度的半导体待测样品可以通过调节样品台4的高度保证样品处于激光和离焦抛物面镜5的焦点。
(3)所述的离轴抛物面镜5用于收集从样品表面发射的光致发光信号，因光致发光信号在样品表面上方全空间呈球面分布，因此离焦抛物面镜5的焦距应尽可能短以提高信号的收集率。
附图说明
图1为本发明所述技术方案的实施示意图。
图2是由光电探测器9采集得到的振幅信号A1在去除系统频响A0后。使用公式拟合的拟合曲线及振幅信号
图3是由光电探测器9采集得到的相位信号P1在去除系统频响P0后。使用公式拟合的拟合曲线及相位信号
图1中：1为激光光源，2为平面高反镜或全反镜，3为聚焦透镜，4为温控系统样品池， 5和6为离轴抛物面镜，7为单色仪，8为组合透镜系统，9为光电探测器，10为锁相放大器，11为函数发生器，12为上位机或计算机1。图中的实线为光路，虚线为信号线。
具体实施方式
下面结合图1具体描述本发明提出的一种用于测量多发光峰半导体材料中载流子多重寿命的方法，然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。具体的实施步骤如下：
(1)搭建光载流子副射测量系统。将图1所示的xyz坐标系定义为实验坐标系，即实验中以此为参考坐标系，其中x、z方向在纸面内，y方向为垂直纸面射出方向。
a.调整光源1和反射镜2以及聚焦透镜3，使得光源出射光束沿实验坐标系z方向射出，且焦点位于样品台4的样品上。
b.调整光路使离轴抛物面镜5的焦点与光源在样品台4上的焦点重合，使离焦抛物面镜6在5反射的平行光路上。
c.将单色仪7进光口对准离焦抛物面镜6的焦点，并且根据扫描光谱的分辨率调整单色仪狭缝宽度。
d.调整组合透镜系统8使单色仪7出射光的焦点在光电探测器9的光敏面上。
e.连接光电探测器9到信号采集和处理计算机12上，调整光电探测器9和组合透镜8 以及微调反射镜2和单色仪7的位置以及样品池4的高度，使得光电探测器9信号最大，此时，光电探测器9的光敏面位于组合透镜8的焦点处并收集所有的入射光。
f.将样品台4清空，通过计算机12设定频率/光谱/温度扫描范围，得到系统的在设定频谱的频率响应幅度信号A0和相位信号P0。
(2)待测半导体样品信号测量。将待测样品放入样品台4，调整样品台4高度，使得光电探测器9的信号值最大。
a.计算机对函数发生器进行调控并开展权利要求书中的a)、b)、c)测试过程，计算机12 通过光电探测器9测得信号A1或P1按公式A2＝A1/A0及相位P1按公式P2＝P1-P0得到去除系统频响后的信号；将去除频响后的幅度信号A2和去除频响后的相位信号P2分别按公式(1)进行拟合，可得到待测半导体样品的载流子寿命τi和对应寿命载流子光致发光占比Ki。
下面给出本发明检测装置的具体实施例，具体实施例仅用于详细说明本发明，并不限制本申请权利要求的保护范围。
实例1
本发明实例1中的待测样品是粒径3-5nm、发光峰为950-1350nm的量子点溶液样品经 1000r/m 10s和2500r/m 25s的旋涂工艺涂附在玻璃片上的薄膜样品。
图2是由光电探测器9采集得到的振幅信号A1在去除系统频响A0后。使用公式
Figure RE-GDA0002454610270000051
拟合得到的载流子寿命τ1＝1.675e-7s，K1＝1τ2＝1.075e-6s，K2＝0.111，拟合均方差为2e-4；
图3是由光电探测器9采集得到的相位信号P1在去除系统频响P0后。使用公式
Figure RE-GDA0002454610270000052
拟合得到的载流子寿命τ1＝1.695e-7s，K1＝1 τ2＝1.067e-6s，K2＝0.112，拟合均方差为5e-4。

Claims (7)

1.一种用于测量多发光峰半导体材料中载流子多重寿命的方法，其特征在于：实现所述方法的测量系统由光载流子辐射测量系统和光致发光光谱测量系统综合组成，两系统共用激光光源1，平面高反镜或全反镜2，聚焦透镜3，样品台4，离轴抛物面反射镜5和6，组合透镜系统8，光电探测器9，锁相放大器10，函数发生器11，上位机或计算机12，以上部件构成光载流子辐射测量系统，当系统工作于光致发光光谱系统时，在组合透镜系统8之前加入单色仪7。上位机12通过对函数发生器11进行控制来实现对激励光的调制；光源1发出的激光经过聚焦透镜3后聚焦在样品池4中的样品表面，样品吸收激励光能量后经过辐射复合发出的光致发光信号通过离轴抛物面镜5和6收集后，再经组合透镜系统8聚焦到光电探测器9后转化为电信号，电信号传输至锁相放大器10滤除噪声进行放大，放大后的信号传入数据处理计算机12进行记录；而后计算机12对函数发生器11进行调控并重复上述信号采集过程对样品进行扫频。通过改变测量实验条件，分别得到不同条件下光致发光信号相位与激励频率的关系，经分析计算得出载流子寿命，从以下三个方面改变实验条件：a)当系统工作在光载流子辐射测量系统状态时，此时光电探测器9接收的信号包含待测半导体材料整个发光光谱范围内全部光信号对波长进行积分的信号；通过改变激励光1频率可以得到光致发光波长积分的总信号与频率之间的关系，由信号幅值及相位与频率的关系可计算得到载流子多重寿命的有效寿命。b)当系统工作在光致发光光谱测量系统状态时，光致发光信号经单色仪7再聚焦到光电探测器9上，通过单色仪7扫描波长可得到待测半导体样品的发光光谱，通过改变激励光1的频率，可以得到不同频率下的光致发光光谱，从而可由数据分析得到不同波长下的光致发光信号幅值及相位与频率的关系，由信号幅值及相位与频率的关系可计算得到产生对应波长光致发光信号的载流子寿命。c)根据b)中得到的发光光谱，可确定材料的多个发光峰中心波长，将单色仪7通光波长分别固定在各发光峰中心，改变激励光1频率，进行频率扫描，分别得到各发光峰中心波长处光致发光信号幅值及相位与频率的关系，从而可计算得到产生对应波长光致发光信号的载流子寿命；a)中得到的有效寿命是b)或c)中得到的多个寿命的加权值；b)和c)中在同一波长下得到的寿命值相等，两种条件可作为相互验证的方法。
2.根据权利要求1所述的一种用于测量多发光峰半导体材料中载流子多重寿命的方法，其特征在于：所述的激光光源1的输出光强由函数发生器11所输出方波进行调制。
3.根据权利要求1所述的一种用于测量多发光峰半导体材料中载流子多重寿命的方法，其特征在于：所述的离轴抛物面反射镜5，采用非90°离轴抛物面镜，以防止空间上对入射激励光产生遮挡。
4.根据权利要求1所述的一种用于测量多发光峰半导体材料中载流子多重寿命的方法，其特征在于：所述的单色仪7的工作波长范围应包含所测半导体材料光致发光光谱波长范围。
5.根据权利要求1所述的一种用于测量多发光峰半导体材料中载流子多重寿命的方法，其特征在于：所述的光电探测器9的响应波长范围应包含所测半导体材料光致发光光谱波长范围，所述的光电探测器9的带宽应大于20MHz。
6.根据权利要求1所述的一种用于测量多发光峰半导体材料中载流子多重寿命的方法，其特征在于：所述的激光光源1的光强调制信号为由函数发生器11产生的方波信号，函数发生器11所产生方波信号的频率由计算机12的控制程序控制改变。
7.根据权利要求1所述的一种用于测量多发光峰半导体材料中载流子多重寿命的方法，其特征在于：锁相放大器10的参考输入信号为由函数发生器11产生的方波信号。
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