CN111366833A - 一种测量半导体中杂质活化能的方法 - Google Patents

一种测量半导体中杂质活化能的方法 Download PDF

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Abstract

本发明实施例涉及半导体材料分析及检测技术，公开了一种测量半导体中杂质活化能的方法，拓展了时间分辨荧光光谱的应用场合。包括以下步骤：半导体中的杂质参与荧光辐射复合发光。获取杂质发光峰的波长及半峰宽；确定带通滤波片，确定激光激发强度，测定不同温度下对应发光峰的荧光强度衰减曲线，记录t＝0时刻探测器所得的荧光最大强度；对不同温度下探测器所测得的荧光最大强度和温度的倒数绘制阿累尼乌斯曲线进行线性拟合得到斜率后，乘以玻尔兹曼常数取得杂质的活化能。该方法利用变温时间分辨荧光光谱不仅可以获得温度依赖的载流子寿命的信息，而且可以求得杂质引入能级的活化能，简单方便，易操作，实验成本大幅降低同时运算效率大大提高。

Description

一种测量半导体中杂质活化能的方法
技术领域
本发明实施例涉及半导体材料分析及检测技术领域，特别涉及测量半导体中杂质活化能的方法。
背景技术
半导体中的杂质活化能(或者离化能)，是掺杂半导体的一个重要电导物理参数，对半导体材料和器件的性能至关重要。
通常获得半导体中杂质活化能的方法有电学和光学两大类。(1)电学测试譬如可通过变温霍尔实验测得半导体中杂质的活化能，但是，发明人发现此法对材料的导电性要求比较高，还需要制作电极，所得实验结果也经常受到各种因素影响，误差比较大。深能级瞬态谱也可以测得半导体中杂质引入深能级的活化能，但是需要制作肖特基结或者pn结器件，成本高，且测试系统复杂。(2)光学方法一般通过变温的光致荧光发光光谱测试技术可以获得半导体中杂质的活化能；但是，发明人发现该方法需要记录每个温度的PL光致荧光发光谱图，并对每个谱中相应的发光峰进行面积积分运算，最后通过阿累尼乌斯公式作图求得，整个过程测试所需时间较长且计算量大。
发明内容
本发明实施方式的目的在于提供一种测量半导体中杂质活化能的方法，使得半导体中杂质活化能测量实验成本大幅降低及运算效率大大提高。
为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种测量半导体中杂质活化能的方法，所述待测半导体中含有杂质，所述杂质参与荧光辐射复合发光，包括以下步骤：
对待测半导体进行光照；
获取杂质发光峰的波长及半峰宽；
确定带通滤波片；所述的带通滤波片中心波长对应发光峰的波长，带宽约等于发光峰的半峰宽；
确定激光激发强度，测定不同温度对应发光峰的衰减曲线，记录t＝0时刻探测器所得的荧光最大强度，所述的激光激发强度，是指过剩载流子的注入水平应该大于杂质引入的能级的浓度；
对不同温度下探测器所得的荧光最大强度和温度的倒数绘制阿累尼乌斯曲线进行线性拟合得到斜率后，乘以玻尔兹曼常数得到杂质的活化能。
进一步可选的，所述的荧光辐射复合发光的发光机制属于导带自由电子到受主能级的跃迁、施主能级到价带顶的跃迁或者施主能级到受主能级辐射复合发光过程。
进一步可选的，所述杂质发光峰的波长及半峰宽通过光致荧光发光光谱测量所得或者通过文献查阅得知。
进一步可选的，所述带通滤波片的带宽等于所测发光峰的最大荧光强度在强度下降为一半时所处温度对应的半峰宽。
进一步可选的，所述的不同温度指发光峰从产生到湮灭的整个温度区间。
所述的阿累尼乌斯曲线是根据阿累尼乌斯公式绘制：
Figure BDA0002413018690000021
其中，I0和I(T)为最强和在特定温度T下t＝0时刻探测器所测得的荧光最大强度；C1为拟合常数；εa为杂质活化能；kB为玻尔兹曼常数。
进一步可选的，所述的C1拟合常数，包含杂质能级引入的有效导带或者有效价带状态密度，杂质能级的捕获常数及实验拟合参数。
进一步可选的，计算所得的杂质活化能等于杂质的离化能。
有益效果：
本发明实施方式相对于现有技术而言，利用变温时间分辨荧光光谱测量半导体中杂质活化能，使得变温的时间分辨荧光光谱不仅可以获得不同温度下载流子寿命的信息，同时可以求得杂质引入能级的活化能，相对已有的电学和光学方法，过程简单，简单方便，易操作，实验成本大幅降低及运算效率大大提高。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明方法获得半导体杂质活化能的流程图；
图2为本发明方法实施例的某一发光峰在不同温度下的荧光强度衰减曲线；
图3为本发明方法实施例根据阿累尼乌斯公式绘图线性拟合得到斜率，再乘以kB即可获得杂质活化能。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。以下各个实施例的划分是为了描述方便，不应对本发明的具体实现方式构成任何限定，各个实施例在不矛盾的前提下可以相互结合相互引用。
以下结合附图，详细说明本申请具体实施例提供的技术方案。
本发明旨在提出一种非破坏的手段来获取半导体中杂质活化能的方法，拓展了变温时间分辨荧光光谱的应用场合。和现有技术手段相比，实验成本及运算效率都可大大提高。
本发明所提供的获取半导体杂质活化能参数方法，其至少适用以下情况：半导体中的杂质参与荧光辐射复合发光，且发光机制属于导带自由电子到受主能级的跃迁、施主能级到价带顶的跃迁或者施主能级到受主能级辐射复合发光。
图1为本发明获得半导体杂质活化能参数的方法流程图。其包括以下步骤：
步骤一：待测半导体样品准备，样品中含有杂质，杂质参与荧光辐射复合发光；
步骤二：对样品进行光致荧光发光测试，获取杂质发光峰的波长及半峰宽，或者从已经报道的文献上查阅杂质发光峰对应的峰位和半高宽；
步骤三：确定带通滤波片，带通滤波片中心波长对应发光峰的波长，带宽约等于发光峰的半峰宽；
步骤四：确定激光激发强度，测定不同温度对应发光峰的衰减曲线，记录t＝0时刻探测器所得的荧光最大强度，所述的激光激发强度，是指过剩载流子的注入水平应该大于杂质引入能级的浓度；
步骤五：对不同温度下荧光的最大强度和温度的倒数绘制阿累尼乌斯曲线，线性拟合得到斜率如图3所示，再乘以玻尔兹曼常数便可得到杂质的活化能。
具体的，测定在不同温度下(T1,T2,T3,T4和T5)发光峰的荧光强度衰减曲线，记录在t＝0时刻探测器所得的荧光最大强度(I1,I2,I3,I4和I5)如图2所示；
所述的温度T1是指发光强度最强对应的温度。
所述荧光强度I1,I2,I3,I4和I5，存在关系I1>I2>I3>I4>I5。
所述的阿累尼乌斯曲线是根据阿累尼乌斯公式绘制：
Figure BDA0002413018690000031
其中，I0和I(T)为最强和在特定温度T下t＝0时刻探测器所测得的荧光最大强度；C1为拟合常数；εa为杂质活化能；kB为玻尔兹曼常数。所述的C1拟合常数，包含杂质能级引入的有效导带或者有效价带状态密度，杂质能级的捕获常数及实验拟合参数。
一些可选实施例中，所述的荧光辐射复合发光发的光机制属于导带自由电子到受主能级的跃迁、施主能级到价带顶的跃迁或者施主能级到受主能级辐射复合发光过程，很好的拓展了时间分辨荧光光谱的应用场合。
不同温度指发光峰从产生到湮灭的整个温度区间，以尽可能的全部覆盖测试范围，提高测试精度。
一些可选实施例中，所述杂质的活化能计算结果约等于杂质的离化能。
一些可选实施例中，激光激发强度为过剩载流子的注入水平大于杂质引入的深能级的浓度。
一些可选实施例中，通过光致荧光发光光谱测量所述杂质发光峰的波长及半峰宽。
本发明实施方式相对于现有技术而言，利用变温时间分辨荧光光谱测量半导体中杂质活化能，使得变温的时间分辨荧光光谱不仅可以获得不同温度下载流子寿命的信息，同时可以求得杂质引入能级的活化能，相对已有的电学和光学方法，过程简单，简单方便，易操作，实验成本大幅降低及运算效率大大提高，拓展了时间分辨荧光光谱的应用场合。。
本文所用术语“约”和“基本上”是指相当大的程度或程度。当与事件或环境结合使用时，术语可以指事件或情况精确发生的情况，以及事件或情况发生到接近近似值的情况，例如说明这里所述的制造操作的典型公差水平。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种测量半导体中杂质活化能的方法。其特征在于，所述待测半导体中含有杂质，且杂质参与荧光辐射复合发光，包括以下步骤:
获取杂质发光峰的波长及半峰宽；
确定带通滤波片；所述的带通滤波片中心波长对应发光峰的波长，带宽等于发光峰的半峰宽；
确定激光激发强度，测定不同温度对应发光峰的衰减曲线，记录t＝0时刻探测器所得的荧光最大强度，所述的激光激发强度，是指过剩载流子的注入水平应该大于杂质引入能级的浓度；
对不同温度下探测器所得的荧光最大强度和温度的倒数绘制阿累尼乌斯曲线进行线性拟合得到斜率后，乘以玻尔兹曼常数得到杂质的活化能。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的荧光辐射复合发光的发光机制属于导带自由电子到受主能级的跃迁、施主能级到价带顶的跃迁或者施主能级到受主能级辐射复合发光过程。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述杂质发光峰的波长及半峰宽通过光致荧光发光光谱测量所得或者通过文献查阅得知。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述带通滤波片的带宽等于所测发光峰的最大荧光强度在强度下降为一半时所处温度对应的半峰宽。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的不同温度指发光峰从产生到湮灭的整个温度区间。
6.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，所述的阿累尼乌斯曲线是根据阿累尼乌斯公式绘制：
Figure FDA0002413018680000011
其中，I0和I(T)为最强和在特定温度T下t＝0时刻探测器所测得的荧光最大强度；C1为拟合常数；εa为杂质活化能；kB为玻尔兹曼常数。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的C1拟合常数，包含杂质能级引入的有效导带或者有效价带状态密度，杂质能级的捕获常数及实验拟合参数。
8.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，计算所得的杂质活化能等于杂质的离化能。
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