CN115452217A - 一种半导体表面应力分布的检测装置及其检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种半导体表面应力分布检测的装置及其检测方法，属于半导体材料检测技术领域，本发明提出了一种简单的半导体表面应力分布检测装置及其检测方法，此方法基于光致发光的检测手段，将半导体表面的发光光谱与材料的标准光谱的峰位进行对比，利用应力转换公式能够有效的检测半导体材料及器件表面的应力分布；较常规检测手段，该检测方法简单同时降低了半导体材料的检测价格，实用性高。
Description
技术领域
本发明涉及半导体材料检测技术领域，更具体地说，它涉及一种半导体表面应力分布检测的装置及其检测方法。
背景技术
半导体材料通常生长在衬底上最终做成具有一定功能的光电器件，所用衬底包括柔性衬底及非柔性衬底。对于柔性衬底的半导体器件如柔性薄膜太阳能电池，通常要承受一定程度的弯曲及变形仍能保持半导体器件性能基本不变，外部的因素如机械力或温度变化通常会影响薄膜材料的机械稳定性。比如，随着温度的变化，半导体材料与衬底之间由于热应变系数的不同可能会带来热应力，可能会导致材料中产生缺陷进而影响器件性能。因此，对于薄膜衬底的半导体材料及器件的应力的检测对于器件的使用条件范围及性能监测具有重要的参考意义。目前应力的检测方法包括拉曼光谱检测、表面轮廓曲线仪检测以及X射线衍射法检测等手段，然而，这些检测设备所用的系统及方法复杂且价格昂贵。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种半导体表面应力分布检测的装置及其检测方法，解决以下技术问题：检测设备所用的系统及复杂且价格昂贵。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种半导体表面应力分布检测的装置，包括激光光源、滤光片、透镜一、半导体样品、反射镜、透镜二、光谱仪和计算机；所述激光光源经过透镜一聚焦至半导体样品表面，用于激发半导体样品表面的光致发光，得到光致发光信号；所述滤光片用于滤掉光致发光信号中的激光光源的信号；所述透镜二用于聚焦收集的光致发光信号至光谱仪的入射口；所述光谱仪用于探测光致发光信号的光谱信息；所述计算机与光谱仪通信连接，用于读取光谱仪的光致发光信号的光谱信息。
作为本发明进一步的方案，所述激光光源的波长范围为300-2000nm，光谱半高宽范围为0.01-10nm，且光子能量大于半导体样品的禁带宽度。
作为本发明进一步的方案，所述滤光片用于过滤激光光源的激光光源光谱，滤光波长范围为300-2000nm范围内，激光光源光谱半宽为0.01-10nm。
作为本发明进一步的方案，所述光谱仪光谱响应范围覆盖半导体样品的光致发光光谱范围。
一种半导体表面应力分布检测的装置的检测方法，包括如下步骤：
步骤一：激光光源经过透镜一聚焦至半导体样品表面，用于激发半导体样品表面的光致发光；
步骤二：利用光谱仪探测半导体样品的光谱信号；
步骤三：确定光致发光光谱的峰值对应的波长，通过与该半导体材料的标准波长进行对比，可以获得该点的应力，公式如下
其中，T为表面应力，ΔE为测量到的光谱峰位波长对应的光子能量与该半导体材料的标准波长对应的光子能量之差，αv为半导体导带的形变势能，αv为半导体价带的形变势能，C11和C12为材料的弹性模量常数；
步骤四：利用二维调节架对半导体样品移动的同时对半导体样品进行光谱扫描，重复步骤三的应力计算方法，可以获得表面的应力分布。
与现有方案相比，本发明的有益效果：
本发明提出了一种简单的半导体表面应力分布检测装置及其检测方法，此方法基于光致发光的检测手段，将半导体表面的发光光谱与材料的标准光谱的峰位进行对比，利用应力转换公式能够有效的检测半导体材料及器件表面的应力分布；较常规检测手段，该检测方法简单同时降低了半导体材料的检测价格，实用性高。
附图说明
图1为本发明一种半导体表面应力分布检测的装置的结构示意图。
图2为本发明中一种半导体表面应力分布检测的装置的检测步骤图。
图中：1、激光光源；2、滤光片；3、透镜一；4、半导体样品；5、反射镜；6、透镜二；7、光谱仪；8、计算机。
具体实施方式
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。本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
参照图1-图2所示，本发明为一种半导体表面应力分布检测的装置，包括激光光源1、滤光片2、透镜一3、半导体样品4、反射镜5、透镜二6、光谱仪7和计算机8；激光光源1经过透镜一3聚焦至半导体样品4表面，用于激发半导体样品4表面的光致发光，得到光致发光信号；滤光片2用于滤掉光致发光信号中的激光光源1的信号；透镜二6用于聚焦收集的光致发光信号至光谱仪7的入射口；光谱仪7用于探测光致发光信号的光谱信息；计算机8与光谱仪7通信连接，读取光谱仪7内光致发光信号的光谱信息；
激光光源1的波长范围为300-2000nm，光谱半高宽范围为0.01-10nm，且光子能量大于半导体样品4的禁带宽度，常见的半导体Ge、Si、GaAs、CIGS、GaN和金刚石的禁带宽度在室温下分别为0.66eV、1.12eV、1.42eV、1.01～1.68eV、3.44eV和5.47eV。
滤光片2用于过滤激光光源1的激光光源光谱，滤光片2类型为限光滤光片，滤光波长范围为300-2000nm，激光光源光谱半宽为0.01-10nm。
光谱仪7光响应覆盖半导体样品4的光致发光光谱范围，其范围为200-3000nm。计算机8主要包括数据采集及分析软件。
参照图1-图2所示，本发明的一种半导体表面应力分布检测的装置的检测步骤如下：
步骤一：激光光源1经过透镜一3聚焦至半导体样品4表面，用于激发半导体样品4表面的光致发光；
步骤二：利用光谱仪7探测半导体样品4的光谱信息；
步骤三：确定光致发光光谱的峰值对应的波长，通过与该半导体材料的标准波长进行对比，可以获得该点的应力，公式如下：
其中，T为表面应力，ΔE为测量到的光谱峰位波长对应的光子能量与该半导体材料的标准波长对应的光子能量之差，αc为半导体导带的形变势能，αv为半导体价带的形变势能，对于确定的材料，αc与αv为确定的值，C11和C12为与材料相关的弹性模量常数；
步骤四：利用二维移动机构对半导体样品4进行移动并对半导体样品4进行光谱扫描，可以获得表面的应力分布；该二维移动机构为二维调节架。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种半导体表面应力分布检测的装置，其特征在于，包括激光光源(1)、滤光片(2)、透镜一(3)、半导体样品(4)、反射镜(5)、透镜二(6)、光谱仪(7)和计算机(8)；所述激光光源(1)经过透镜一(3)聚焦至半导体样品(4)表面，用于激发半导体样品(4)表面的光致发光，得到光致发光信号；所述滤光片(2)用于滤掉光致发光信号中的激光光源(1)的信号；所述透镜二(6)用于聚焦收集的光致发光信号至光谱仪(7)的入射口；所述光谱仪(7)用于探测光致发光信号的光谱信息；所述计算机(8)与光谱仪(7)通信连接，用于读取光谱仪(7)的光致发光信号的光谱信息。
2.根据权利要求1所述的一种半导体表面应力分布检测的装置，其特征在于，所述激光光源(1)的波长范围为300-2000nm，光谱半高宽范围为0.01-10nm，且光子能量大于半导体样品(4)的禁带宽度。
3.根据权利要求1所述的一种半导体表面应力分布检测的装置，其特征在于，所述滤光片(2)用于过滤激光光源(1)的激光光源光谱，滤光波长范围为300-2000nm范围内，激光光源光谱半宽为0.01-10nm。
4.根据权利要求1所述的一种半导体表面应力分布检测的装置，其特征在于，所述光谱仪(7)光谱响应范围覆盖半导体样品(4)的光致发光光谱范围。
5.一种半导体表面应力分布检测的装置的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：激光光源(1)经过透镜一(3)聚焦至半导体样品(4)表面，用于激发半导体样品(4)表面的光致发光；
步骤二：利用光谱仪(7)探测半导体样品(4)的光谱信号；
步骤三：确定光致发光光谱的峰值对应的波长，通过与该半导体材料的标准波长进行对比，可以获得该点的应力，公式如下
其中，T为表面应力，ΔE为测量到的光谱峰位波长对应的光子能量与该半导体材料的标准波长对应的光子能量之差，αv为半导体导带的形变势能，αv为半导体价带的形变势能，C11和C12为材料的弹性模量常数；
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