CN1271544C

CN1271544C - 一种用于半导体材料特性表征的方法及其系统

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Publication number: CN1271544C
Application number: CN 200310122883
Authority: CN
Inventors: 张永刚; 李爱珍; 齐鸣
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2003-12-30
Filing date: 2003-12-30
Publication date: 2006-08-23
Anticipated expiration: 2023-12-30
Also published as: CN1556390A

Abstract

本发明涉及一种用于半导体材料特性表征的方法及其系统，属于半导体测试技术领域。本发明特征在于采用两个或多个不同波长的单色微光器作为测量光源；用材料的光电导、光伏或光电容等信号作为响应信号，对测量光源进行变频调制，采用锁相放大技术测量光源的调制频率与响应信号幅度间关系，对测量数据进行处理拟合，从而获得有关材料特性的数据。提供的系统由两台或多台不同的波长的单色微光器及进行波长切换的反射镜光路；光调制器、偏置电源、偏置网络及样品架；弱信号扦测的锁相放大器以及计算机控制的数据采集的记录等五部分组成。本发明适用于各类薄膜，外延微结构及体材料半导体特性的测量和表征。

Description

一种用于半导体材料特性表征的方法及其系统

技术领域

本发明涉及一种半导体材料性能测量表征的方法的方法及其系统，更确切地说，本发明提供一种基于双波长或多波长变频测量表征的半导体材料特性能的方法及其系统。属于半导体测试技术领域。

背影技术

自上世纪六十年代半导体材料获得广泛应用以来，对半导体材料快捷方便地进行检测一直是人们所期望的，为此已发展出了各种电学、光学、热学及光电等方法，测量技术也不断进步，已有种类繁多的产品测量仪器出现。随着近廿年来一些新型半导体材料如量子阱超晶格微结构材料、宽禁带材料等的高速发展，对其检测方法也提出了新的要求。对于半导体材料特征的判断，主要是通过测量其各种电学、光学、热学及光电等特性，并对有关测量结果和数据进行符合实际的理论分析和比较，从而得出有价值的结论。在种类繁多的测量参数中，由半导体材料的本征性质以及杂质和缺陷等诸多因素共同决定的光电导和光电容等特笥可以反映其诸多特征，并与半导体材料的质量有相当直接的关联。目前已经得到应用于半导体材料特性表征的有光电导谱、光伏谱和光电容谱等测量方法的报道：(1)Marfaing Y.In，Handbook onSemiconductor，eds by Moss T S et al.North Holland Pibl.，1980

(2)Mort J and Pai D M，photoconductivity and Related Phonomens，NorthHolland Pibl.，1976

(3)MossT Set al.SemiconductorOpto-electronics.Butterworth&Co.(London)，1973

(4)Long D and Schinit J L.Infrared Detectors.In：Semicomductors andSemimetals Vol.5，eds by Willardson and Beer.，Acad Press，1970

(5)Keramidas V G et al.，III-V Opto-electronics Epitaxy and Devices RelatedProcesses，The Electrochemical Soc.Inc.，1983然而，这些方法都具有一定的局限性，主要表现在：测量中常需要较复杂的光谱仪等，输出光谱较平坦并具有合适功率输出的宽谱测量光源难以获得，测量中花费的时间较长，综合测量成本较高，测量结果判读较复杂缺乏直观性、难以得到材料中对应态的时间信息等等，为此，发展一种较简单的，判读方便并可以得到对应态的时间信息普适的方法以及相关的技术是人们所期望的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于双波长变频测量的半导体材料特性表征的方法及其该系统是一个新型的、普适的系统，本系统除可用于各类薄膜材料和外延微结构材料特性的测量表征外，也适用于常规体材料的特性分析。本发明提供的一种用于半导体材料测量表征方法，包括适应多村带宽度半导体材料测量要求的光电结合的测量方法以及所需的数据处理和结果分析方法，其特征在于：

1)用两个或多个不同波长的单色激光器作为测量光源；

2)材料的光电导、光伏或光电容等信号作为响应信号；

3)测量光源进行变频调制，采用锁相放大技术测量光源调制频率与响应信号幅度的关系；

4)测量数据进行处理拟合等得出有关材料特性的信息。

本发明提供的用于半导性材料特性表征的方法是在测量时，首先制作有测量电极的待测样品连接到样品架上，由反射镜等光路选择的某一波长的激光经调制后照射到被测样品上，在样品上产生的光电导、光伏或光电容等信号送锁相放大器进行放大后由信号记录单元进行记录，样品由偏置网络和偏置电源提供偏置。测量时调制器和锁相放大器进行同步锁相，调制器的调制频率及样品上的信号幅度均由信号记录单元同步记录。

然后，再送取另一波长或多个波长的激光进行重复测定光电导、光伏或光容量信号，最后用Microcal Origin、Mathematic或Metlab常用商业软件，读入测量数据，采用合适的拟合函数和参数进行拟合，获得拟合数据。

测量中激光波长的选取主要根据样品的改质、测量的具体要求以及可供使用的激光器种类决定，一般情况下可以选取波长相差较大的两个激光波长进行测量，其中一个较短波长激光的光子能量可选取在大于待测样品材料的禁带宽度能量，即hv＞E_g；另一个较长波长激光的光子能量可选取在小于待测样品材料的禁带宽度能量，即hv＜E_g；这样有利于获取较多的信息。例如，对于测量禁带宽度约3.4eV的GaN材料样品，光学实验室中较常用的325nm的He-Cd激光器和633nm的He-Ne激光器就是一组很好的选择，可以获得材料带内和带间特性的诸多信息。测量中也需根据所先激光器的种类及样品情况采用适当的衰减器获得合适的激光功率，以获得合适的信号幅度，并避免信号饱和非线性效应。在一般测量中对激光器的光束质量(如模式、相干长度等)并无严格要求，只要求是单波长的。

测量时激光调制频率一般可选在低频范围，这对样品的连接及信号的放大等并无特殊要求，如对常规机械调制盘，调制频率范围可在4～4000Hz，采用电光调制器调制频率可以高一些，可达几百KHz以上，具体可根据样品的情况如各种跃迁过程的时间常数范围等决定。

本发明提供的测量表征系统包含两个部分，即测量硬件部分与数据处理分析软件。

一、测量硬件部分：

本测量表征系统主要由5个部分组成，它们分别是：1)用做测量光源的两台或多台不同波长的单色激光器及其用来进行波长切换的反射等光路；2)用来对激光进行调制的机械光调制器或电光调制及其可变频率的配套驱动电源(包含同步信号)；3)用于为测量样品提供偏置及引出信号的偏置电源、偏置网络及样品架等；4)用于进行弱信号检测锁相放大器；5)用于进行信号数据采集的记录仪或由计算机控制的数据采集卡等。1和2组合后成为能够方便地切换波长的测量光源泉，3、4、5结合后能够方便地获取所需的测量信息并在测量过程中进行相应的控制，整个测量表征系统的结构示意框图如附图1所示。

二、数据采集处理分析软件及方法：

本发明中信号的采集和处理分析由计算机控制完成，即由计算机经由GPIB卡对调试盘的调制频率、锁相放大器的输出信号等进行控制，并采用面向对象的编程方式(采用的编程软件为CEC公司的TESTPOINT或NI公司的Labview等，或自行开发)，许多的操作细节已被封装在各个对象中。如要控制某台利用GPIB接口相连的仪器，只要选取一个GPIB对象在这个对象的属性中的GPIB地址中赋予和给仪器相同的GPIB地址，在通过对该仪器发送标准的仪器控制命令就可以实现通过计算机对该仪器的控制。整个测量系统均在Windows环境下进行工作，由菜单式操作完成各项功能。采用的数据处理分析软件可以使用常用的商业软件，如MicrocalOrigin，Mathematic，Metlab等，由信号记录单元得到的测量数据可直接输入这些软件进行处理分析。

附图说明

图1是本发明提供的半导体材料双波长变频光电导测量系统示意图。

图2是利用本发明提供的测量方法测得一外延GaN薄膜样品对633nm光照的光电导响应特性及拟合结果，样品温度为77K。横座标为调制频率(HZ)

图3是利用本发明提供的测量方法测得的图2同一外延GaN薄膜样品对325nm光照的光电导响应特性及拟合结果，样品温度为77K。

具体实施方式

下面通过附图的实施例进一步说明本发明的实质性特点和先进性，但绝非限制本发明，也即本发明绝非局限于实施例。

实施例：宽禁带GaN材料的光电导特性的双波长变频测量

本发明所提供的测试方法和系统的具体实施步骤是：

1.将制作好测试电极的外延GaN薄膜样品连接到样品架上，控制样品至合适的温度。

2.系统框图连接各个硬件设备。

3.启计算机、调制电源、锁相放大器、偏置电源等，样品经由偏置网络加上适当的偏置电压。

4.启325nmHe-Cd激光器，待其稳定后调节光路使样品获得合适的光照。

5.调节偏置电压使样品输出合适的光电导信号。

6.在计算机上运行系统控制软件，对实验条件进行初始化。(即设置调制频率范围，信号范围，测试步长等)

7.开始进行测量，记录调制频率与信号幅度关系等，存储测量数据。

8.切换到633nmHe-Ne激光器波长重复以上步骤。

9.用Microcal Origin软件读入测量数据，采用合适的拟合函数和参数进行拟合，获得拟合数据。

10.对测量数据和拟合结果等进行分析指认。

对某一样品的测量和拟合结果如表1和图2、图3所示，在633nm光照下，该样品呈单时间常数特性，在325nm光照下，此样品则呈双时间常数特性，根据时间常数的长短以及该时间常数下的信号强度分量，可以得出有关此样品的带间跃迁、杂质态、薄膜质量等一系列信息，并可进行不同样品间的定量比较，从而对样品的特性和质量作出。由此测量样品的测量结果可以初步判定：325nm光照下测得的具有较短时间常数(～200μs)的光电导响应对应材料的带间响应(此响应在633nm光照下不存在)；具有较长时间常数(～7ms)的光电导响应则对应材料的带内杂质的缺陷态响应(此响应在633nm光照下仍存在)；根据这些响应的相对幅度以及随温度的变化情况可以对材料的特性和质量等情况进行进一步的定性或定量分析，也可以作为日常的工艺监控参数。

表1

宽禁带GaN材料的测量数据拟合所得参数的汇总

	325nm光照				633光照
	325nm光照				633光照		I₀₁(Mv)	τ₁(Ms)	I₀₂(mV)	τ₂(Ms)	I₀(mV)	τ(Ms)
	77K	11.3	0.265	25.4	7.85	10.8	I₀₁(Mv)	τ₁(Ms)	I₀₂(mV)	τ₂(Ms)	I₀(mV)	τ(Ms)	11.2
室温	77K	11.3	0.265	25.4	7.85	10.8	8.47	0.170	12.6	6.85	6.81	4.38	11.2

Claims

1.一种用于半导体材料特性表征的方法，其特征在于表征步骤是：

a)将制作有测试电极的样品连接到样品架上；

b)选择某一波长的激光经调制后照射到被测样品上，在样品上产生的光电导光伏或光电容信号作为响应信号送至锁相放大器进行放大后由信号记录单元进行记录，样品由偏置网络和偏置电源提供偏置；调制器和锁相放大器进行同步锁相，调制器的调制频率及样品上的信号幅度由信号记录单元同步记录；

c)选择另一波长的激光，重复步骤(b)；

d)用Microcal Origin、Mathematic或Metlab常用商业软件，输入测量数据，采用合适的拟合函数和参数进行拟合，获得拟合数据；

所述的测量样品时两个不同波长激光的选取的依据是将波长相差较大的两个激光波长进行测量，其中一个较短波长激光的光子能量选取在大于待测样品材料的禁带宽度能量，即hv＞E_g；另一个较长波长激光的光子能量选取在小于待测样品材料的禁带宽度能量，即hv＜E_g。

2.按权利要求1所述用于半导体材料特性表征的方法，其特征在于测量禁带宽度为3.4ev的GaN样品，选用的两种波长分别为325nm和633nm；相应的激光器为He-Cd和He-Ne激光器。

3.按权利要求1所述用于半导体材料特性表征的方法，其特征在于测量时激光调制频率选在低频范围，对机械调制盘，频率范围为4-4000HZ，采用光调制频率可达几百KHZ以上。

4.一种半导体材料特性的测量系统，其特征在于所述的测量系统由5个部分组成，它们分别是：1)用做测量光源的两台不同波长单色激光器及其用来进行波长切换的反射镜光路；2)用来对激光进行调制的机械光调制器或电光调制及其可变频率的配套驱动电源；3)用于为测量样品提供偏置及引出信号的偏置电源、偏置网络及样品架；4)用于进行弱信号检测的锁相放大器；5)用于进行信号数据采集的记录仪或由计算机控制的数据采集卡；其中(1)和(2)组合后成为能够方便地切换波长的测量光源，(3)、(4)、(5)结合后能够方便地获取所需的测量信息并在测量过程中进行相应的控制；所述的两台不同波长的单色微光器中，一个较短波长激光的光子能量选取在大于待测样品材料的禁带宽度能量，即hv＞E_g；另一个较长波长激光的光子能量选取在小于待测样品材料的禁带宽度能量，即hv＜E_g。

5.按权利要求4所述半导体材料特性的测量系统，其特征在于所述的机械光调制器或电光调制器包含同步信号。