CN113340897A - 一种原位光电测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种原位光电测试装置，涉及半导体材料测试技术领域，包括反应炉、激光发射结构和电学性能测试结构，所述反应炉内设置有承载结构，所述承载结构用于承载样品材料，所述激光发射结构通过所述反应炉的一端照射向所述承载结构上的样品材料，所述承载结构上的样品材料与所述电学性能测试结构电连接。本发明通过激光发射结构引入不同波长的可见光及紫外光，实现光催化或者光生电流，能够以原位的方式对光化学气相沉积过程中样品材料的生长、物相变化、结晶生长等过程进行实时光电性能进行表征与研究。
Description
技术领域
本发明涉及半导体材料测试技术领域，特别是涉及一种原位光电测试装置。
背景技术
光化学气相沉积是将激光引入化学气相沉积系统，使参与化学反应的源气体分子对光子进行选择性吸收，通过反应剂分子的气相光分解，表面光分解，光敏化反应以及衬底表面加热等途径，可使原在高温下才能形成高质量薄膜的材料，在100～300℃的衬底温度下形成薄膜。
公开号为CN2568672Y的中国专利公开了一种光化学气相沉积设备，它主要由超高真空系统、反应气体气路系统、加热系统、紫外光能量辅助系统组成，在反应室顶部的水晶玻璃窗外装有紫外光能量辅助系统，使得化学气相沉积生长过程在低温下进行，使得半导体薄膜材料的外延生长具有无应力驰豫、沉积速度快、材料生长杂质污染小以及高质量器件级外延薄膜材料的优点。但是该方法没有涉及材料生长过程中物相变化等过程进行实时原位光电性能测试的表征与研究。
公开号为CN104502367A的中国专利公开了一种可进行热化学气相沉积的原位测试平台，它主要由高温热台反应腔体、陶瓷加热台、温度控制系统、真空系统、反应气体混气系统、真空测量系统等组成。该发明可以透过X射线、调节温度、气压、气流等反应条件从而对热化学气象沉积材料生长过程中的物相变化。但是该方法没有引入不同波段的可见光以及紫外光实现器件的光电器件中的光电流等测试实现对薄膜材料的实时物相分析。
发明内容
本发明的目的是提供一种原位光电测试装置，以解决上述现有技术存在的问题，引入不能波长的光，进行实时原位光电性能测试。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供了一种原位光电测试装置，包括反应炉、激光发射结构和电学性能测试结构，所述反应炉内设置有承载结构，所述承载结构用于承载样品材料，所述激光发射结构通过所述反应炉的一端照射向所述承载结构上的样品材料，所述承载结构上的样品材料与所述电学性能测试结构电连接。
优选地，所述承载结构包括样品材料放置台，所述样品材料放置台底部设置有支座，所述样品材料放置台上设置有四个电极和两个沟道，两个所述沟道相对设置，样品材料放置在两所述沟道之间，各所述沟道分别与两个所述电极电连接，各所述电极分别与所述电学性能测试结构电连接。
优选地，所述样品材料放置台上设置有接线结构，所述接线结构内设置有四个接线柱，各所述电极分别与一所述接线柱电连接，所述接线柱与所述电学性能测试结构电连接。
优选地，所述反应炉内设置有引线结构，所述引线结构包括引线管，所述引线管中穿设有引线，各所述引线的一端与所述接线柱连接，各所述引线的另一端与所述电学性能测试结构连接。
优选地，所述原位光电测试装置还包括加热结构，所述反应炉穿过所述加热结构，所述反应炉的两端通过支架支撑，所述加热结构与所述支架上的滑轨滑动连接。
优选地，所述原位光电测试装置还包括真空结构，所述真空结构包括真空泵，所述真空泵与所述反应炉连通。
优选地，所述原位光电测试装置还包括气体混合结构，所述气体混合结构包括若干气瓶和混气罐，各所述气瓶均与所述混气罐连通，所述混气罐与所述反应炉连通，所述气瓶与所述混气罐连通的管路上设置有减压阀。
优选地，所述反应炉的两端设置有水冷结构，所述水冷结构包括水冷套管，所述水冷套管套设在所述反应炉的两端，各所述水冷套管均与循环水泵连通。
优选地，所述反应炉的一端设置有光子窗口，所述激光发射结构发射的光通过所述光子窗口照射所述承载结构上的样品材料，所述反应炉的另一端设置有若干接头，所述接头用于连接样品材料和所述电学性能测试结构。
优选地，所述反应炉上设置有真空计，所述真空计用于测量所述反应炉内的压强。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明通过激光发射结构引入不同波长的可见光及紫外光，实现光催化或者光生电流，能够以原位的方式对光化学气相沉积过程中样品材料的生长、物相变化、结晶生长等过程进行实时光电性能进行表征与研究。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的原位光电测试装置示意图；
图2为本发明的承载结构主视图；
图3为本发明的承载结构侧视图；
图4为本发明的接头示意图；
其中：100-原位光电测试装置，1-反应炉，2-激光发射结构，3-电学性能测试结构，4-承载结构，5-样品材料放置台，6-支座，7-电极，8-沟道，9-接线结构，10-接线柱，11-引线结构，12-引线管，13-引线，14-加热结构，15-支架，16-真空结构，17-真空泵，18-气体混合结构，19-水冷结构，20-光子窗口，21-接头，22-真空计，23-电热丝，24-热电偶，25-控温装置，26-钨丝。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种原位光电测试装置，以解决上述现有技术存在的问题，引入不能波长的光，进行实时原位光电性能测试。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1-图4所示：本实施例提供了一种原位光电测试装置100，用于对半导体薄膜材料进行生长及原位光电测试，包括反应炉1、激光发射结构2和电学性能测试结构3，反应炉1采用石英管，反应炉1为密封结构，激光发射结构2为激光发射器，原位光电测试为双通道源表2636B，反应炉1内设置有承载结构4，承载结构4用于承载样品材料，激光发射结构2通过反应炉1的一端照射向承载结构4上的样品材料，承载结构4上的样品材料与电学性能测试结构3电连接。本实施例通过激光发射结构2引入不同波长的可见光及紫外光进行样品材料光辅助生长以及测试，实现光催化或者光生电流，能够以原位的方式对光化学气相沉积过程中样品材料的生长、物相变化、结晶生长等过程进行实时光电性能进行表征与研究。
具体地，本实施例中，承载结构4包括样品材料放置台5，样品材料放置台5底部设置有支座6，样品材料放置台5和制作均采用耐高温陶瓷制成，高温条件下不会挥发出杂质影响薄膜合成质量，支座6为直角结构，样品材料放置台5放置在反应炉1内直立且朝向激光发射结构2设置，样品材料放置台5上设置有四个电极7和两个沟道8，两个沟道8相对设置，样品材料放置在两沟道8之间，各沟道8分别与两个电极7电连接，各电极7分别与电学性能测试结构3电连接。
本实施例中，电极7通过磁控溅射或电子束的镀膜技术将Cr/Au或Ti/Au合金镀到电极7上，能够降低电极7与样品材料之间的接触势垒，加强量子输运。
本实施例中，样品材料放置台5上设置有接线结构9，接线结构9为陶瓷管，接线结构9内设置有四个铜制的接线柱10，各电极7分别与一接线柱10通过钨丝26电连接，接线柱10与电学性能测试结构3通过引线13电连接，引线13采用耐高温的钨丝，接线柱10的作用是承担引线13的引出以及固定。
本实施例中，反应炉1内设置有引线13结构11，引线13结构11包括引线管12，引线管12为石英管，引线管12中穿设有引线13，引线13从石英管的一端穿入，并从石英管的另一端穿出，各引线13的一端与接线柱10连接，各引线13的另一端与电学性能测试结构3连接。引线13结构11将接线柱10的引线13引出，用于与外部的双通道源表2636B电连接，进行电学场效应晶体管(FET)测试以及光电流响应测试、噪声测试等。
本实施例中，原位光电测试装置100还包括加热结构14，加热结构14包括电热丝23和热电偶24，电热丝23采用掺钼铁铬铝合金，热电偶24采用铁铝瓷热电偶24，热电偶24采集反应炉1的温度，并将温度信号转换成热电动势信号输出到控制面板上，控制装置控制电热丝23的工作，反应炉1穿过加热结构14，反应炉1的两端通过支架15支撑，加热结构14与支架15上的滑轨滑动连接。加热温度通过程序化控制面板进行设定，根据不同材料生长要求进行程序化精确控温。加热结构14加热到设定温度后，将加热结构14在支架15上滑动，使反应炉1内的承载结构4位于加热结构14中，即对样品材料进行加热，使样品材料快速升温，需要降温时，将加热结构14在支架15上滑动，使承载结构4位于加热结构14外，即样品材料在室温环境下，实现快速降温。
本实施例中，原位光电测试装置100还包括真空结构16，真空结构16包括真空泵17，真空泵17与反应炉1连通。真空结构16对反应炉1内进行抽真空处理，使样品材料具有一个良好的真空生长环境，真空泵17通过金属弯头与反应炉1连通，真空泵17排出的废气通过直径为12mm的聚酰胺塑料管排出室外。
本实施例中，原位光电测试装置100还包括气体混合结构18，气体混合结构18包括若干气瓶和混气罐，各气瓶均与混气罐通过直径6mm的聚酰胺气管连通，混气罐与反应炉1通过直径6mm耐高温(400℃)的聚酰亚胺气管与合金直角金属弯头连通，气瓶与混气罐连通的管路上设置有减压阀。气体混合结构18为光化学气相沉积反应提供所需的气源，气瓶用于盛放Ar、O2、H2和CH4等。
本实施例中，反应炉1的两端设置有水冷结构19，水冷结构19包括水冷套管，水冷套管套设在反应炉1的两端，各水冷套管均与循环水泵连通，水冷套管采用直径为6mm的聚酰胺水管。
本实施例中，反应炉1的一端设置有光子窗口20，激光发射结构2发射的光通过光子窗口20照射承载结构4上的样品材料上，样品材料会在沟道8之间进行生长。光子窗口20采用透明的聚酰亚胺塑料制成，最高能承受400℃的高温，水冷结构19能够确保光子窗口20能够在反应炉1炉腔800-900℃下仍能正常工作。
反应炉1的另一端设置有若干接头21，接头21用于连接样品材料和电学性能测试结构3，接头21为BNC接头，各引线13的一端与接线柱10连接，各引线13的另一端与一接头21连接，各接头21与电学性能测试结构3电连接。
本实施例中，反应炉1上设置有真空计22，真空计22用于实时测量反应炉1内的压强。
本实施例的原位光电测试装置100使用时，电极7接线完成后，打开水冷结构19对反应炉1两端进行降温处理，保持装置能够在高温下进行正常的光电及FET测试；继而打开真空结构16，并打开与之相连的真空泵17，使反应炉1中的空气杂质通过管道排出室外，给样品材料生长提供一个纯净的高真空的生长环境，并使反应炉1中的真空为10-3pa左右；打开气体混合结构18，气瓶中的Ar、O2、H2和CH4等通过管路与反应炉1连通，为光化学气相沉积反应提供所需的气源；调节真空结构16的阀门大小以及气体混合结构18的气体流量，使反应炉1内的气压保持在一个适宜样品材料生长的压强，压强具体示数通过真空计22观察得到，并保持实验氛围约半个小时；打开控温装置25，程序化温度控制可以实现温度的分阶段分时间升温；温度设置好后，打开激光发射结构2，使光子穿过光子窗口20照射到样品材料上；打开加热结构14，内部电热丝23和热电偶24开始工作，加热丝开始加热，热电偶24将反应炉1的温度实时反馈到控制面板上；加热开始后，样品材料生长过程中由于光子提供能量，FET效应以及光电响应即可通过源表2636B得到相关的电学性能表征，从而在线得到实时原位表征，分析材料生长过程中材料层数、物相结晶、载流子迁移率以及光电响应等变化的动态结果；测试结束，依次关掉2636B双通道源表、加热结构14，等到温度降低到室温后关掉气体混合结构18、真空结构16、真空计22后，即可取出样品材料，完成测试。
本实施例的原位光电测试装置100可以在线调节温度、气压、气流等反应条件，通过光子窗口20可以透过不同波长的可见光以及紫外光照射在样品材料，可以实现实时的光电测试；通过真空结构16可以对高温反应的反应炉1抽真空，提供一个良好的高真空生长环境；通过气体混合结构18为反应炉1提供光化学气相沉积所需气源；通过真空计22可以实时监测反应炉1内的气体压强，因而能够以在线的方式对光化学气相沉积，以及光电测试过程中材料的结晶生长、物相变化、载流子迁移率、量子输运、光电流响应等过程实现原位表征与研究；通过水冷结构19对反应炉1两端进行冷却，保证了承载结构4能够在较高温度下长时间进行安全工作。本实施例适用于气气、气固等高温反应，可以对高温氧化、高温还原、气相催化沉积、光催化、光电流产生、FET测试过程进行原位光电测试。本实施例结构简单，造价低廉。通过预先制备好的电极7，然后通过沟道8进行光化学气相沉积，同时对其样品材料进行电学性能的测试，达到对薄膜材料的性能进行实时分析、改善材料性能、优化试验参数以及为提前投入工业应用提供重要的实验数据。
本实施例旨在结构的改进，控制过程为现有技术。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种原位光电测试装置，其特征在于：包括反应炉、激光发射结构和电学性能测试结构，所述反应炉内设置有承载结构，所述承载结构用于承载样品材料，所述激光发射结构通过所述反应炉的一端照射向所述承载结构上的样品材料，所述承载结构上的样品材料与所述电学性能测试结构电连接。
2.根据权利要求1所述的原位光电测试装置，其特征在于：所述承载结构包括样品材料放置台，所述样品材料放置台底部设置有支座，所述样品材料放置台上设置有四个电极和两个沟道，两个所述沟道相对设置，样品材料放置在两所述沟道之间，各所述沟道分别与两个所述电极电连接，各所述电极分别与所述电学性能测试结构电连接。
3.根据权利要求2所述的原位光电测试装置，其特征在于：所述样品材料放置台上设置有接线结构，所述接线结构内设置有四个接线柱，各所述电极分别与一所述接线柱电连接，所述接线柱与所述电学性能测试结构电连接。
4.根据权利要求3所述的原位光电测试装置，其特征在于：所述反应炉内设置有引线结构，所述引线结构包括引线管，所述引线管中穿设有引线，各所述引线的一端与所述接线柱连接，各所述引线的另一端与所述电学性能测试结构连接。
5.根据权利要求1所述的原位光电测试装置，其特征在于：所述原位光电测试装置还包括加热结构，所述反应炉穿过所述加热结构，所述反应炉的两端通过支架支撑，所述加热结构与所述支架上的滑轨滑动连接。
6.根据权利要求1所述的原位光电测试装置，其特征在于：所述原位光电测试装置还包括真空结构，所述真空结构包括真空泵，所述真空泵与所述反应炉连通。
7.根据权利要求1所述的原位光电测试装置，其特征在于：所述原位光电测试装置还包括气体混合结构，所述气体混合结构包括若干气瓶和混气罐，各所述气瓶均与所述混气罐连通，所述混气罐与所述反应炉连通，所述气瓶与所述混气罐连通的管路上设置有减压阀。
8.根据权利要求1所述的原位光电测试装置，其特征在于：所述反应炉的两端设置有水冷结构，所述水冷结构包括水冷套管，所述水冷套管套设在所述反应炉的两端，各所述水冷套管均与循环水泵连通。
9.根据权利要求1所述的原位光电测试装置，其特征在于：所述反应炉的一端设置有光子窗口，所述激光发射结构发射的光通过所述光子窗口照射所述承载结构上的样品材料，所述反应炉的另一端设置有若干接头，所述接头用于连接样品材料和所述电学性能测试结构。
10.根据权利要求1所述的原位光电测试装置，其特征在于：所述反应炉上设置有真空计，所述真空计用于测量所述反应炉内的压强。
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