CN207799015U - 少子寿命测量实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种少子寿命测量实验装置，包括设有通光口的样品台；设置在样品台下方并与样品台的位置相对固定的激光组件；发出微波的微波源组件；信号处理组件；控制微波传输方向的环行器；控制激光、微波通断及调节、显示光子面密度数值的激光微波控制调节组件；连接外部设备的外部接口；微波源组件与环行器之间及信号处理组件与环行器之间均连接有波导管，环行器与样品台之间设置有一端接口对着样品台通光口的波导管，微波源组件、激光组件与激光微波控制调节组件相连接，激光组件与外部接口相连接。本装置激光注入水平可调可量化，通过改变注入水平可以测量少子寿命。

Description

少子寿命测量实验装置

技术领域

本实用新型涉及半导体物理领域，特别涉及一种通过改变注入水平测量半导体材料的少子寿命测量实验装置。

背景技术

少子寿命是表征半导体材料性能的重要指标，它对晶体完整性异常敏感，直接反映了材料的质量。

在半导体器件设计和制造工艺中，通过测量少子寿命，可以反映极低的缺陷密度，从而监控各个工艺对硅片的影响，及时调整生产工艺，获得良好的工艺流程，提高硅片的性能，并及时筛查出不合格样品，降低成本。对少子寿命的控制已成为优化半导体器件特性的重要手段。

在半导体物理教学过程中，少子寿命是重要知识点，少子寿命与载流子的漂移、扩散和复合等有关，往往学生对这部分内容理解较为困难。若能生动地展示过剩载流子的产生和复合过程，通过实验测出寿命，进而计算扩散长度等，对学生理解半导体中发生的微观过程和各种物理量之间的联系将具有十分重要的意义。

少子寿命属于体复合寿命的范畴(少子寿命是低注入水平下的体复合寿命)，而体复合寿命和表面复合寿命共同决定了复合寿命，目前复合寿命通过实验测得。测试方法有很多，本实验装置采用微波反射光电导衰减法(μ-PCD)。通常，使用中主要关心的是体复合寿命，因而在测试之前需要对半导体样品表面进行钝化处理，以尽可能减小表面复合的影响，使得测得的复合寿命即为体复合寿命。更进一步，使用中更关注少子寿命，因此需要从测得的体复合寿命中甄别出少子寿命，这就与注入水平相关了。理论上，注入水平极低(η<<1)时，测得的体复合寿命即为少子寿命，但是如果不是低注入水平，而是中高注入水平，则测得的体复合寿命是少子寿命和多子寿命的综合。对于采用μ-PCD方法的普通设备而言，较高的注入水平通常会有较好的信噪比，而要在低注入范围内进行测量，常常是不可能也不方便的，因而这样的设备测得的往往是中高注入水平下的体复合寿命。否则，为了使得低注入水平下也能得到较好的信噪比，需要加入复杂的技术，这样的设备也往往非常昂贵，不适于教学实验。而普通设备往往未对注入水平进行量化，这就使得无法在普通设备上得到少子寿命。

对于一般的掺杂浓度(或电阻率)已知的半导体样品(满足：①掺杂浓度不太高的非简并半导体；②缺陷中心浓度远小于多数载流子浓度)，其体复合寿命τ与注入水平η的关系满足S-R-H模型，该模型指出，通过测量一组不同η下的τ数据，绘制τ(1+η)与η的关系曲线，其为一直线，该直线的纵轴截距即为少子寿命。

由此可知，如果能在普通设备上对注入水平进行量化，则可以得到半导体的少子寿命。

当前类似装置存在如下弊端：

1.未量化注入水平。

2.得到的是体复合寿命而非少子寿命。

发明内容

基于上述，本实用新型针对现有装置中未对注入水平进行量化、未进一步得到少子寿命的弊端，提供一种解决方案，既保持原有方法主体不变，又能通过改变注入水平测量不同注入水平下的复合寿命进而得到少子寿命。通过这一过程的实践操作可以加深学生对半导体内非平衡载流子的产生、复合及相关测量原理的理解。

本实用新型的技术方案如下：

少子寿命测量实验装置，包括：设有通光口的样品台，测量时，样品置于样品台上，并覆盖住通光口；设置在所述样品台下方并与所述样品台的位置相对固定的激光组件，激光组件发出的光可通过样品台上的通光口照射到样品表面；发出微波的微波源组件；信号处理组件；控制微波按微波源组件-环行器-样品台-环行器-信号处理组件的方向传输的环行器；控制激光、微波通断及调节、显示光子面密度数值的激光微波控制调节组件；连接如数字示波器等具有数据采集、分析、显示或处理功能的外部设备的外部接口；所述微波源组件与所述环行器之间及所述信号处理组件与所述环行器之间均连接有波导管，所述环行器与所述样品台之间设置有一端接口对着所述样品台通光口的波导管，所述微波源组件、激光组件与所述激光微波控制调节组件相连接，所述激光组件与所述外部接口相连接。

进一步的，所述通光口位于所述样品台中心。

进一步的，所述激光组件由激光电源和脉冲激光二极管组成，该脉冲激光二极管设置在所述样品台下方并与所述样品台的位置相对固定，该激光电源与所述外部接口相连接，该脉冲激光二极管发出的光可通过所述样品台上的通光口照射到样品表面。

进一步的，所述微波源组件由微波源和隔离器组成，该微波源与该隔离器之间连接有波导管。若微波源自带隔离功能，也可省去隔离器和波导管)，微波源的输出频率和功率固定且稳定。

进一步的，所述信号处理组件由检波器和放大器组成，该检波器与所述环行器之间连接有波导管，该放大器与所述外部接口相连接。

进一步的，所述激光微波控制调节组件由调节光子面密度数值的旋钮、控制所述微波源组件和所述激光组件同时通断的微波激光开关和显示所述激光组件发出的光照射到所述样品台上表面的光子面密度数值的显示窗口组成，光子面密度数据通过光功率、照射到样品台上表面的面积和激光波长计算得到。

进一步的，所述外部接口由触发接口和信号接口组成，该触发接口与所述激光组件连接，该信号接口与所述信号处理组件连接，检波器接收的来自环行器的信号经放大器放大后输出到信号接口，激光电源发出的脉冲信号输出到触发接口。

进一步的，该装置还包括机体，所述机体一侧设有样品腔，该样品腔处设置有与所述机体铰接且扣合时可盖住该样品腔的机盖，所述微波源、隔离器、环行器、激光组件、样品台、波导管、检波器、放大器设置在该机体内，所述旋钮、微波激光开关、显示窗口、触发接口、信号接口设置在该机体表面，所述样品台设置在该样品腔内。

样品为片状半导体，其厚度一般≤1mm，掺杂浓度(或电阻率)以及厚度信息已知，样品在实验前需经过可靠的表面钝化处理。实验时，先将样品放置在样品台中央，然后关闭机盖，将触发接口和信号接口与外部设备相连；打开微波激光开关，调节旋钮使样品受一定光子面密度的激光照射，调节外部设备并适当调节旋钮，使得信号便于测量并测得样品的体复合寿命；保持样品的位置不变，调节旋钮，记录同一个样品在不同光子面密度下的体复合寿命；结合样品的已知信息(掺杂浓度和厚度)，根据相关公式计算出注入水平；最后根据技术背景所述的S-R-H模型，拟合得到样品的少子寿命。

本实用新型的有益效果是：

1.注入水平可调可量化，激光强度(或光子面密度)可测，这使得在已知样品的掺杂浓度(或电阻率)及厚度的情况下，可以结合光子面密度值计算出注入水平，同时激光强度(或光子面密度)又可通过旋钮进行调节。

2.通过改变注入水平可以测量少子寿命，通过测量不同注入水平下样品的体复合寿命，可以通过S-R-H模型，拟合得到样品的少子寿命。

附图说明

图1是本实用新型结构框图；

图2是本实用新型的外观结构示意图。

图中：1、微波源，2、隔离器，3、环行器，4、激光组件，41、激光电源，42、脉冲激光二极管，5、样品台，6、波导管，7、检波器，8、放大器，9、旋钮，10、微波激光开关，11、显示窗口，12、触发接口，13、信号接口，14、样品，15、机盖，16、机体。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明。

参照图1所示的少子寿命测量实验装置，包括：

设有通光口的样品台5，通光口通常设置在样品台5中心，测量时，样品14置于样品台5上，并覆盖住通光口；

由激光电源41和脉冲激光二极管42组成的激光组件4，脉冲激光二极管42设置在样品台5下方，并与样品台5的位置相对固定，脉冲激光二极管42发出的光可通过样品台5上的通光口照射到样品14表面；

由微波源1和隔离器2组成的微波源组件，其中，微波源1的频率和功率输出固定且稳定，微波源1与隔离器2之间连接有波导管6，若微波源1自带隔离功能，可省去隔离器2和波导管6；

由检波器7和放大器8组成的信号处理组件，检波器7与放大器8相连接；

环行器3，环行器3与微波源组件4及检波器7之间均连接有波导管6，环行器3与样品台5之间设置有一端接口对着样品台5通光口的波导管6，环行器3使得微波的传输方向为微波源1-环行器3-样品台5-环行器3-检波器7；

由旋钮9、微波激光开关10和显示窗口11组成的激光微波控制调节组件，旋钮9、微波激光开关10和显示窗口11均通过电路与微波源1和激光电源41连接，微波激光开关10用以控制微波源1和激光电源41同时通断，显示窗口11用以显示脉冲激光二极管42发出的光照射到样品台5上表面的光子面密度数值，光子面密度数据通过光功率、照射到样品台上表面的面积和激光波长计算得到，旋钮9用以通过与显示窗口11的配合调节光子面密度数值；

由触发接口12和信号接口13组成的外部接口，触发接口12与激光电源41连接，信号接口13与放大器8连接，检波器7接收的来自环行器3的信号经放大器8放大后输出到信号接口13，激光电源41发出的脉冲信号输出到触发接口12，触发接口12和信号接口13与含有数据采集、分析、显示或处理功能的外部设备(如数字示波器)相连。

参照图2为实验装置的具体结构，该装置包括机体16，机体16一侧设有样品腔，样品腔处设置有与机体16铰接且扣合时可盖住样品腔的机盖15，微波源1、隔离器2、环行器3、激光组件4、样品台5、波导管6、检波器7、放大器8设置在机体16内，旋钮9、微波激光开关10、显示窗口11、触发接口12、信号接口13设置在机体16表面，其中，样品台5设置在样品腔内，环行器3、激光组件4、波导管6、检波器7、放大器8也可以设置在样品腔内。

样品14为片状半导体，其厚度一般≤1mm，掺杂浓度(或电阻率)以及厚度信息已知，样品14在实验前需经过可靠的表面钝化处理。实验时，先将样品14放置在样品台5中央，然后关闭机盖15，将触发接口12和信号接口13与外部设备相连；打开微波激光开关10，调节旋钮9使样品14受一定光子面密度的激光照射，调节外部设备并适当调节旋钮9，使得信号便于测量并测得样品14的体复合寿命；保持样品14的位置不变，调节旋钮9，记录同一个样品14在不同光子面密度下的体复合寿命；结合样品的已知信息(掺杂浓度和厚度)，根据相关公式计算出注入水平；最后根据技术背景所述的S-R-H模型，拟合得到样品14的少子寿命。

上述实施例只是本实用新型的较佳实施例，并不是对本实用技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本实用新型专利的权利保护范围内。

Claims (8)

1.少子寿命测量实验装置，其特征在于，包括：设有通光口的样品台(5)，设置在所述样品台(5)下方并与所述样品台(5)的位置相对固定的激光组件(4)，发出微波的微波源组件，信号处理组件，控制微波传输方向的环行器(3)，控制激光、微波通断及调节、显示光子面密度数值的激光微波控制调节组件，连接外部设备的外部接口，所述微波源组件与所述环行器(3)之间及所述信号处理组件与所述环行器(3)之间均连接有波导管(6)，所述环行器(3)与所述样品台(5)之间设置有一端接口对着所述样品台(5)通光口的波导管(6)，所述微波源组件、激光组件(4)与所述激光微波控制调节组件相连接，所述激光组件(4)与所述外部接口相连接。

2.根据权利要求1所述的少子寿命测量实验装置，其特征在于，所述通光口位于所述样品台(5)中心。

3.根据权利要求1所述的少子寿命测量实验装置，其特征在于，所述激光组件(4)由激光电源(41)和脉冲激光二极管(42)组成，该脉冲激光二极管(42)设置在所述样品台(5)下方并与所述样品台(5)的位置相对固定，该激光电源(41)与所述外部接口相连接。

4.根据权利要求1所述的少子寿命测量实验装置，其特征在于，所述微波源组件由微波源(1)和隔离器(2)组成，该微波源(1)与该隔离器(2)之间连接有波导管(6)。

5.根据权利要求1所述的少子寿命测量实验装置，其特征在于，所述信号处理组件由检波器(7)和放大器(8)组成，该检波器(7)与所述环行器(3)之间连接有波导管(6)，该放大器(8)与所述外部接口相连接。

6.根据权利要求1所述的少子寿命测量实验装置，其特征在于，所述激光微波控制调节组件由调节光子面密度数值的旋钮(9)、控制所述微波源组件和所述激光组件(4)同时通断的微波激光开关(10)和显示所述激光组件(4)发出的光照射到所述样品台(5)上表面的光子面密度数值的显示窗口(11)组成。

7.根据权利要求1所述的少子寿命测量实验装置，其特征在于，所述外部接口由触发接口(12)和信号接口(13)组成，该触发接口(12)与所述激光组件(4)连接，该信号接口(13)与所述信号处理组件连接。

8.根据权利要求1～7任意一项所述的少子寿命测量实验装置，其特征在于，该装置还包括机体(16)，所述机体(16)一侧设有样品腔，该样品腔处设置有与所述机体(16)铰接且扣合时可盖住该样品腔的机盖(15)，所述样品台(5)设置在该样品腔内。