CN1564315A - 测量半导体过剩载流子迁移率和扩散长度的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量半导体过剩载流子双极迁移率和扩散长度的装置及方法，该装置包括：脉冲激光器、低温杜瓦、偏置电源、数字示波器、计算机。该方法是利用脉冲光源向半导体中注入过剩载流子，观测光电导的衰退过程。当所加的电场比较大时，光电导的衰退过程会成为近似线性过程，衰退过程对时间的二阶微分与时间的关系近似为正态分布。根据其峰值位置和半峰宽，即可求得漂移迁移率μ_a和扩散长度L_D。本发明的优点是：样品结构简单，只需要两个电极，脉冲光源不需要聚焦，而是均匀入射，也不需要定位，由于样品的长度是由光刻决定的，因此保证了测量精度。

Description

测量半导体过剩载流子迁移率和扩散长度的装置及方法

技术领域

本发明涉及半导体材料和器件的性能测试，具体是指一种测量半导体过剩载流子双极迁移率和扩散长度的装置及方法。

背景技术

过剩载流子双极迁移率和扩散长度是半导体材料和器件的重要物理量。一般采用漂移实验(海恩斯-肖克莱实验)来测量。这种方法采用一种具有三电极的半导体条，其中两个端电极间加一外电场，用脉冲小光点向半导体条中注入过剩载流子脉冲，在电场的作用下，过剩载流子脉冲沿半导体条方向漂移，在一定的时间间隔后，第三个电极(读出电极)就会有一脉冲信号输出。测量注入脉冲与输出脉冲间的时间间隔、注入区和第三电极间的距离及电场强度，就得到了过剩载流子的双极迁移率，测量脉冲宽度的变化，就得到了过剩载流子的扩散长度。这种做法比较复杂，样品需要三个电极，其中第三个电极(读出电极)必需非常精细，脉冲光源必需聚焦成小光点，其尺度要远小于样品尺寸，还要精确定位，这些将引起较大的测量误差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测量装置，该测量装置只需将常规仪器组合即成，并用一种简便的测量方法即可测得半导体过剩载流子双极迁移率和扩散长度。

本发明的原理是基于所发现的这样一种现象，在一个具有两个端电极的半导体样品中，用脉冲光源均匀地向半导体中注入过剩载流子脉冲，观测光电导的衰退过程。当所加的电场比较大时，光电导的衰退过程会成为近似线性过程，线性衰退过程对时间的二阶微分与时间的关系近似为正态分布。其峰值位置为过剩载流子渡越时间：

                 t₀＝L/μ_aE，                           (1)

半峰宽为：

                 w＝2L_D/μ_aE                            (2)

式中E为样品所加的电场，L为样品光照长度。测得t₀和w，根据式(1)和(2)，即可求得漂移迁移率μ_a和扩散长度L_D。

本发明的具体技术方案如下：

一种测量半导体过剩载流子双极迁移率和扩散长度的装置，其特点是该装置包括：激光器1、低温杜瓦2、样品外加偏置电源3、数字示波器4、计算机5。

所说的计算机安装有可根据输入样品过剩载流子浓度随时间的近似线性衰退过程即能计算半导体过剩载流子双极迁移率和扩散长度的计算机软件。

所说的激光器是半导体脉冲激光器

所说的低温杜瓦内装有液氮。

利用所述装置测量半导体过剩载流子双极迁移率和扩散长度的方法，其包括下列步骤：

A.样品表面采用阳极氧化，使其钝化，在其两相对的边缘上蒸发铟/金制作欧姆接触电极，中间为激光入射面；

B.将样品置于液氮冷却的低温杜瓦瓶中，调整脉冲激光器的位置或样品的位置，使脉冲激光器发出的光束通过杜瓦瓶窗口均匀入射到样品上，入射光束方向与样品所加电场方向垂直；

C.对样品二电极施加电场，同时启动激光器，信号由示波器接收，调节偏置电源电压，使得衰退信号呈近似线性状，并将信号数字化，计算机采集信号得到过剩载流子的呈近似线性状衰退信号，经过两次微分处理后，得到正态分布图，根据其峰值位置t₀，半峰宽w，由式(1)和(2)，即可求得漂移迁移率μ_a和扩散长度L_D。

本发明的优点是：样品结构简单，只需要两个电极，脉冲光源不需要聚焦，而是均匀入射，也不需要定位，由于样品的长度是由光刻决定的，因此保证了测量精度。

附图说明

图1是本发明的测量装置框图。

图2是本发明计算得到的半导体过剩载流子的衰退过程。

图3是图2二阶微分处理后的结果。

图4是实测的碲镉汞半导体过剩载流子的衰退过程。

图5是图4二阶微分处理后的结果。

图6是计算机数据处理程序框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细阐述，样品在脉冲激光的作用下产生过剩载流子，过剩载流子在偏置电源的作用下作漂移和衰退运动，过剩载流子运动满足连续性方程：

$\frac{\∂\mathrm{\Δp}}{\∂t}=-\frac{\mathrm{\Δp}}{\mathrm{\τ}}+D\frac{\∂\mathrm{\Δp}}{{\∂x}^2}-{\mathrm{\μ}}_{a}E\frac{\∂\mathrm{\Δp}}{\∂x},---\left(3\right)$

式中D为扩散系数，μ_a为漂移迁移率，E为样品所加的电场，τ为过剩载流子寿命。图2是由方程(3)计算得到的过剩载流子衰退过程。图3是图2的二阶微分。当L_D/L＝1/10，L_E/L分别为3/1、2/1和3/2，L_D和L_E分别为扩散长度和漂移长度。计算结果表明，漂移长度越大，过剩载流子衰退过程越近似于线性，过剩载流子衰退的二阶微分与时间的关系越近似为正态分布。

采用本发明的装置对窄禁带半导体材料碲镉汞进行测量。材料组分为x＝0.25区熔法生长的n-型碲镉汞，采用研磨抛光技术将样品减薄，厚度约为10μm，样品的脉冲激光入射面尺寸为340μm×340μm，通过光刻技术实现，采用阳极氧化将其表面钝化。在脉冲激光入射面外两相对边缘蒸发铟/金制作欧姆接触电极。然后将样品置于低温杜瓦瓶中，测量时用液氮制冷。用GaAs半导体脉冲激光器通过杜瓦瓶窗口入射到样品来激发少数载流子，脉冲宽度为50ns。输出信号用TDS520数字示波器记录。为确保入射激光是均匀的，测量时调整样品位置并注意观察信号幅度，使得信号在样品大小的位置范围内不变。通过IEEE488接口由计算机采集光电导响应衰退数据，进行数据处理和分析。图4是在E＝88V/cm时的线性光电导衰退过程。求二阶微分得到正态分布图5。由图5得到峰值位置t_o＝1.3μs，半峰宽w＝0.45μs。根据式(1)和(2)，求得n-型碲镉汞材料在液氮温度下的漂移迁移率μ_a和扩散长度L_D分别为297cm²/Vs和58μm。

图6是数据处理程序框图。

Claims (2)

1.一种测量半导体过剩载流子双极迁移率和扩散长度的装置，其特点是该装置包括：激光器(1)、低温杜瓦(2)、样品外加偏置电源(3)、数字示波器(4)、计算机(5)；

所说的计算机安装有可根据输入样品过剩载流子浓度随时间的近似线性衰退过程即能计算半导体过剩载流子双极迁移率和扩散长度的计算机软件；

所说的激光器为脉冲半导体激光器；

所说的低温杜瓦内装有液氮。

2.利用所述装置测量半导体过剩载流子双极迁移率和扩散长度的方法，其特征在于包括下列步骤：

A.样品表面采用阳极氧化，使其钝化，在其两相对的边缘上蒸发铟/金制作欧姆接触电极，中间为激光入射面；

B.将样品置于液氮冷却的低温杜瓦瓶中，调整脉冲激光器的位置或样品的位置，使其发出的光束通过杜瓦瓶窗口均匀入射到样品上，入射光束方向与样品所加电场方向垂直；

C.对样品二电极施加电场，同时启动激光器，信号由示波器接收，调节偏置电源电压，使得衰退信号呈近似线性状，并将信号数字化，计算机采集信号得到过剩载流子的呈近似线性状衰退信号，经过两次微分处理后，得到正态分布图，根据其峰值位置t₀，半峰宽w，由式t₀＝L/μ_aE和w＝2L_D/μ_aE，即可求得漂移迁移率μ_a和扩散长度L_D，式中L为样品光照长度，E为样品外加电场。

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