CN204789902U - 一种用于检测半导体器件的电荷及电场响应的系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种用于检测半导体器件的电荷及电场响应的系统，包括：电流回路，待检测的半导体器件连接在所述电流回路中；脉冲激光器，用于向待检测的半导体器件周期性地施加激光脉冲，以在半导体器件处形成光生电荷；其中，光生电荷在电流回路中传输以形成瞬态光生电流；设置在电流回路中并与半导体器件串联的采样电阻；与采样电阻并联的电压信号采集器，用于采集采样电阻的两端的电压差信号；与半导体器件并联的电压源，用于向所述半导体器件提供周期性变化的调制电压；与电压源串联的电流隔离器，用于阻止瞬态光生电流或其高频部分流经电压源。本实用新型的系统能够准确地探测瞬态光生电流，并适用于检测半导体器件内很慢的电荷响应过程。

Description

一种用于检测半导体器件的电荷及电场响应的系统

技术领域

本实用新型涉及半导体器件的性能检测领域，特别是涉及一种用于检测半导体器件的电荷及电场响应的系统。

背景技术

随着半导体技术及太阳能电池相关研究和技术的发展，对太阳能电池等相关半导体器件的光电响应进行检测是研究其性能的重要手段及应用之一。目前已经从电学和光学角度发展出了多种研究半导体器件性能的检测手段，包括电学的直流伏安测试、交流阻抗及电容测试，以及光学吸收、发射以及光致吸收等测试手段。这些测试手段的发明极大促进了半导体光电领域的发展和应用。

太阳能电池是一种特殊的半导体器件，其可用于发电，是一种具有很好商业应用前景的技术。对太阳能电池的研究可以进一步降低器件成本，提高器件效率，从而更好地实现对太阳能的利用。对太阳能电池不同时间尺度的检测和研究是促进太阳能电池技术发展的一种重要手段，目前已被广泛应用。对于太阳能电池等相关半导体器件，除了可以通过传统手段进行检测的很快的电荷输运过程，还可能存在一种很慢的电荷响应过程，这个过程对应的电荷量可能也很少，比如目前被广泛研究的基于甲胺铅碘的钙钛矿太阳能电池。在这种情况下，传统的检测手段就很难探测到这个很慢的过程对应的电荷及电场响应过程，这对于对器件工作机理的理解，对器件的进一步设计和性能提升是不利的，所以需要一种手段来有效地探测该物理过程。

实用新型内容

本实用新型的一个目的是至少部分地解决或缓减现有技术中的不足，从而提供了一种用于检测半导体器件的电荷及电场响应的系统。

按照本实用新型的用于检测半导体器件的电荷及电场响应的系统可以包括：

电流回路，待检测的半导体器件连接在所述电流回路中；

脉冲激光器，用于向待检测的半导体器件周期性地施加激光脉冲，以在所述半导体器件处形成光生电荷；其中，所述光生电荷在所述电流回路中传输以形成瞬态光生电流；

设置在所述电流回路中并与所述半导体器件串联的采样电阻；

与所述采样电阻并联的电压信号采集器，用于采集所述采样电阻的两端的电压差信号；

与所述半导体器件并联的电压源，用于向所述半导体器件提供周期性变化的调制电压；和

与所述电压源串联的电流隔离器，用于阻止所述瞬态光生电流或所述瞬态光生电流的高频部分流经所述电压源。

可选地，所述电流隔离器包括电感。

可选地，所述电压信号采集器包括示波器。

可选地，所述电压源为能够产生多种不同形式的调制电压的电压信号发生器。

可选地，所述脉冲激光器包括多个能够产生不同波长的激光脉冲的激光器，或者所述脉冲激光器为能够产生多个不同波长的激光脉冲的单个激光器。

可选地，该系统还包括设置在所述脉冲激光器与所述半导体器件之间的滤光片，用于调节所述半导体器件接收到的所述激光脉冲的强度。

可选地，该系统还包括用于容纳所述半导体器件的样品室，用于为所述半导体器件提供预定的温度环境、气氛环境和/或电磁屏蔽。

可选地，该系统还包括用于向所述半导体器件提供背景光的偏置光源。可选地，所述偏置光源和所述脉冲激光器布置成使得所述背景光与所述激光脉冲沿不同的角度入射至所述半导体器件。

特别地，本实用新型的系统特别适合于太阳能电池形式的半导体器件。

本实用新型通过脉冲激光器提供的激光脉冲在待测的半导体器件处产生光生电流，可以将半导体器件内部极其微弱的电荷及电场变化过程通过光生电流效应进行放大，从而能够实现微小量的探测。进一步地，本实用新型通过向半导体器件提供周期性的调制电压，能够使得半导体器件内部的电荷和电场响应过程进行周期性的不断复现，以确保能够获得并记录检测结果。通过上述两个手段的结合，使得本实用新型的系统能够检测半导体器件内很慢的电荷响应过程。

根据下文结合附图对本实用新型具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本实用新型的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本实用新型的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是根据本实用新型一个实施例的检测系统的结构示意图；和

图2是图1所示检测系统的电路原理图。

具体实施方式

图1所示的检测系统用于检测半导体器件的电荷及电场响应，其中示意性地画出了待检测的太阳能电池形式的半导体器件10。该半导体器件10在其两个电极11和12处接入由电路111-113构成的电流回路110。脉冲激光器101用于向该半导体器件10周期性地施加激光脉冲，从而在半导体器件10处形成光生电荷。该光生电荷在电流回路110中传输以形成瞬态光生电流。为了探测半导体器件内部不同深度的光生电荷及电流信息，最好能够提供不同波长的激光脉冲，如532nm，660nm等。在图1中示例性地提供了两个产生不同波长激光脉冲的脉冲激光器101，在工作时可以选择其中一个来提供所需要波长的激光脉冲。在其它实施例中，还可以设置更多个对应不同波长的激光器，或者可以使用能够产生多种不同波长的激光脉冲的单个激光器，如波长可调的脉冲激光器。为了调节入射到半导体器件110上的激光脉冲的强度，在脉冲激光器101与半导体器件10之间设置有滤光片108。

该电流回路110中设有与半导体器件10串联的采样电阻103。这样，瞬态光生电流能够在电流回路102中流经该采样电阻103。电压源105设置在电路114内并与半导体器件10和采样电阻103成并联关系，以向半导体器件10提供周期性变化的调制电压。通过该调制电压，可以改变半导体器件10的内部电场强度。同时，该调制电压还会作用在采样电阻103上而在采样电阻103及其所在的电路112中形成所需要的调制电流。因此，流经采样电阻103的电流实际上是调制电流与瞬态光生电流的叠加电流。诸如示波器的电压信号采集器106用于采集采样电阻103两端的电压差信号。该电压差信号及其变化反映了流经采样电阻103的电流及其变化。由于调制电流具有已知的形式，这样，流经采样电阻103的电流及其变化也就反映了待探测瞬态光生电流及其变化。可以理解，电压源105的调制电压作用在半导体器件10上时也会产生非光生的调制电流，但是，该调制电压的大小可以选择成使得该非光生电流远小于前述的瞬态光生电流，而达到忽略该非光生电流的程度。这样，在半导体器件10的非光生电流可忽略的情况下，可以认为由电压源105的调制电压产生的调制电流仅通过采样电阻105。在一个实施例中，电压源105可以是能够产生多种不同形式的调制电压的电压信号发生器，该电压信号发生器可以以一定频率向半导体器件10施加所需形式的调制电压，比如直流电压信号、正弦交流电压信号、脉冲电压信号或扫描锯齿波电压信号等，进而改变半导体器件10的内部电场强度及分布。通过改变调制电压，可以使半导体器件处在不同的电学状态，其内部电荷分布、电场强度及分布均被调制，这种调制可以在瞬态光生电流的强度以及输运时间等方面反映出来。利用该调制电压，可以将半导体器件在不同的电学状态间进行可控的切换。比如采用脉冲调制，可将半导体器件的内建电场在不同强度间连续切换，这个切换过程也能通过瞬态光生电流被反映。

电压信号采集器106所采集的电压差信号可以被用于检测半导体器件10的电荷及电场响应。但是，体现半导体器件10内的电荷及电场响应变化特性的是瞬态光生电流及其变化，因此希望瞬态光生电流(或者至少是其中和电场响应相关的高频部分)能够完全流经采样电阻103而不被电路114及其上的电压源105分流。为此，在电路114上设置了与电压源105串联的电流隔离器107，以阻止瞬态光生电流特别是其高频部分流经电压源105，而使其仅在电流回路110中传输。在图1所示实施例中，该电流隔离器107包括在电路114中串联在电压源105两侧的两个电感。在本实用新型的一个实施例中，瞬态光生电流的低频部分的频率与脉冲激光器101的激光脉冲频率相对应，例如20Hz左右；瞬态光生电流的高频部分的频率在MHz量级，而电压源105所施加的调制电压的频率以及对应的调制电流的频率在Hz量级，因此可在很宽的范围内选择电流隔离器107的电感值，以在电路114中实现对瞬态光生电流的高频隔离，而且很容易保证电路的阻抗匹配。这样有效保证了在采样电阻103处对瞬态光生电流探测的准确性。在一个实施例中，可以适当选择电流隔离器107的电感值，而使其基本上隔离全部的瞬态光生电流。

该半导体器件10可以被容纳在一个样品室109内，该样品室109可以为该半导体器件10提供预定的温度环境、气氛环境(如惰性气体氛围)和电磁屏蔽。这样就可准确地探测不同温度下半导体器件10的光生电流及电场响应特性。该样品室109可以具有光学窗口115。脉冲激光器101产生激光脉冲可以经由滤光片108后垂直通过样品室109的光学窗口115，然后直接照射在半导体器件10的表面上，从而激发半导体器件10产生光生电荷。

偏置光源116可以向半导体器件10提供背景光。偏置光源116提供的背景光与脉冲激光器101提供的激光脉冲成一定夹角，从而沿不同的角度入射至半导体器件10。偏置光源116提供的背景光也可以经由样品室109的光学窗口115入射至半导体器件10。在一个实施例中，该偏置光源116可以为稳定的白色LED。

如图1所示，脉冲激光器101可以与电压信号采集器106信号连接，以触发电压信号采集器106，使其记录采样电阻103两侧的电压差。

图1所示的系统在工作时，由电压源105向半导体器件10提供调制电压，从而在半导体器件10内部形成所希望的经调制的内部电场。选定的一个脉冲激光器101按照预设的波长发出激光脉冲，以激发半导体器件10产生自由的光生电荷。该光生电荷在半导体器件10的内部电场及扩散作用的驱动下在电流回路110中形成瞬态光生电流。由于电流隔离器107的作用，该瞬态光生电流或其中所关注的高频部分不会被电压源105分流，而基本上全部流经采样电阻103。同时，电压源105的调制电压施加至采样电阻103，从而产生流经采样电阻103的调制电流。这样，流经采样电阻103的电流是瞬态光生电流和调制电流的叠加电流，并由其在采样电阻103上形成电压差。由电压信号采集器106采集采样电阻103上的电压差信号。所采集的电压差信号及其变化对应于流经采样电阻103的叠加电流及其变化。由于叠加电流中的调制电流部分是由电压源105按照预定方式形成且是已知的，因此可以从电压信号采集器106采集的电压差信号中获取到对应于瞬态光生电流的部分。瞬态光生电流由半导体器件的内部电荷和电场特性决定，反映了半导体器件的输运性能。瞬态光生电流对应的电压差信号则记录了半导体器件在外部电场调制后内部电荷及电场的响应过程，包括强度和时间响应等特性。通过调节激光脉冲的频率及其与调制电压信号间的延迟时间，可以以单脉冲、多脉冲或连续脉冲等多种模式进行探测。

图2示出了图1所示系统的电路部分的原理示意图。从图2中可以清楚地看到，该检测系统中的半导体器件10、电压源105、采样电阻103和电压信号采集器106是并联连接结构，这可以有效抑制瞬态电路中常见的噪声。电感形式的电流隔离器107对瞬态光生电流进行了高频隔离，避免了瞬态光生电流被诸如信号发生器的电压源105分流，从而提高了测量的准确度。

如前所述，半导体器件内部很慢的很弱的电荷响应过程通过传统手段很难进行有效探测。在本实用新型中，对于半导体器件内的很快的电荷响应过程，瞬态光生电流可以很快地在不同强度间进行变化。对于很慢的电荷响应过程，在调制电压的作用下，半导体器件的内部电场会经历缓慢的变化过程，这个过程通过常规方法很难探测，但按照本实用新型的检测系统可以通过瞬态光生电流将该过程有效地记录下来。由于传统的探测手段直接依赖于外电路的电流进行测量，然而半导体器件内部慢的响应过程产生的外部电流可能及其微弱，难以有效探测。虽然瞬态吸收也能探测器件内部电荷量的变化，然而当电荷量极其低，变化极慢时，也很难被探测到。但是，按照本实用新型的检测系统，虽然电荷量很低，变化很慢，其产生的电场变化可以通过光生电流进行放大，通过探测这样的光生电流变化过程则可以探测器件内部电场变化及其对应的电荷响应过程。

电压源105提供的调制电压例如可以是方波的形式，而瞬态光生电流所引起的电压变化则呈现为在该方波上叠加的脉冲峰值。通过适当设置调制电压的周期大小，可以使得半导体器件内的瞬态光生电流的变化完全地在调制电压的每一个周期内重复出现。

在一个测试中，所采用的半导体器件结构为透明氟掺杂氧化锡导电基底/二氧化钛窗口层/甲胺铅碘吸光层/金背电极，这是一种典型的异质结半导体器件。脉冲激光从透明导电基底入射，被甲胺铅碘吸光层吸收，从而产生光生电荷，最后在结电场作用下，流经外电路，形成光生电流，并被采样电阻和示波器记录。通过由信号发生器施加直流调制电压，该异质结电场强度将发生变化。一般随着偏压增大，结电场减弱。测试结果表明，该器件的光生电流收集状态受结电场影响明显，且也与电池结构密切相关。该结果对于理解该类型器件电荷输运特性具有重要作用。

在另一个测试中对不同太阳能电池在脉冲调制电压下的瞬态光生电流进行了探测。在对透明氟掺杂氧化锡导电基底/二氧化钛窗口层/甲胺铅碘吸光层/金背电极异质结器件的测试结果中清晰地表明了一种在秒量级的慢的电场响应过程。通过对该过程的分析，可以得到该器件内部电荷响应过程及其机制。而对基于甲胺铅溴的钙钛矿电池和硅太阳能电池的探测并没有看到这种现象。这进一步表明本实用新型提出的检测系统是快响应系统，可以用于对慢的器件内部电荷响应进行探测。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本实用新型的多个示例性实施例，但是，在不脱离本实用新型精神和范围的情况下，仍可根据本实用新型公开的内容直接确定或推导出符合本实用新型原理的许多其他变型或修改。因此，本实用新型的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (10)

1.一种用于检测半导体器件的电荷及电场响应的系统，其特征在于，包括：

电流回路，待检测的半导体器件连接在所述电流回路中；

脉冲激光器，用于向待检测的半导体器件周期性地施加激光脉冲，以在所述半导体器件处形成光生电荷；其中，所述光生电荷在所述电流回路中传输以形成瞬态光生电流；

设置在所述电流回路中并与所述半导体器件串联的采样电阻；

与所述采样电阻并联的电压信号采集器，用于采集所述采样电阻的两端的电压差信号；

与所述半导体器件并联的电压源，用于向所述半导体器件提供周期性变化的调制电压；和

与所述电压源串联的电流隔离器，用于阻止所述瞬态光生电流或所述瞬态光生电流的高频部分流经所述电压源。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电流隔离器包括电感。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电压信号采集器包括示波器。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电压源为能够产生多种不同形式的调制电压的电压信号发生器。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述脉冲激光器包括多个能够产生不同波长的激光脉冲的激光器，或者所述脉冲激光器为能够产生多个不同波长的激光脉冲的单个激光器。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括设置在所述脉冲激光器与所述半导体器件之间的滤光片，用于调节所述半导体器件接收到的所述激光脉冲的强度。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括用于容纳所述半导体器件的样品室，用于为所述半导体器件提供预定的温度环境、气氛环境和/或电磁屏蔽。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括用于向所述半导体器件提供背景光的偏置光源。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述偏置光源和所述脉冲激光器布置成使得所述背景光与所述激光脉冲沿不同的角度入射至所述半导体器件。

10.根据权利要求1-9任一项所述的系统，其特征在于，所述半导体器件为太阳能电池。