少数载流子寿命测试系统研究.doc

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1、少数载流子寿命测试系统研究赵毅强，翟文牛•，王健，刘铁臣摘要：少数载流子寿命是衡最半导体材料性能的关键参数之一，文屮介绍了光电导衰退法少数载流了寿命测试系统。阐述了光电导衰退法测试原理，分析了测试系统构成，以及光脉冲F降沿时间、微弱信号放大处理、前放带宽、耕密定位等关键技术，其主要性能指标是：少数载流了寿命测试范围：10*・7~6*心6；可测样品尺寸：小于20mm；单色光光点大小：①0.3mm：测试数据稳定度优于10%。关键词：少数载流子寿命:光电导衰退法：测试系统引言衡最红外探测器性能的主要技术指标是探测率和响丿也率，而该指标

2、与制作红外探测器的各种半导体材料（碼镉汞、綁化榊、硅等）的少数载流子寿命有着密切的关系。通过研究少数载流子寿命，了解其寿命的复合机构，更好地学握材料性能，可有效地进行晶片筛选，提高器件成品率和性能。少数载流子寿命的测试方法有多种，但对于工艺线上的在线测试而言，要求简洁方便且为非破坏性测试。文中采用光电导衰退法（PCD）测量半导体材料的少数载流子寿命及其空间分布直观、准确、可靠。该系统采用双光路折反射设计，适用窗II封装于底面和侧血杜瓦瓶样品的测试。操作软件以Windows9&为平台，可自动或半自动测试，其步进耕度高，寿命测试范围

3、宽。测试原理少数载流子寿命（体）定义为在一均勻半导体屮少数载流子在产生和复合之间的平均时间间隔。在一定温度条件下，处于热平衡状态的半导体，载流子浓度是一定的，当用某波长的光照射半导体材料，如果光子的能最大于禁带宽度，位于价带的电子受激发跃迁到导带，产生电子'空穴对，形成非平衡载流子/n■dp，对-fnm材料非平衡电子称为菲平衡多数载流子，非平衡空穴称为非平衡少数载流子，对■型材料则相反。用光照使半导体内部产生非平衡载流了的方法称为非平衡栽流了的光注入。光注入时，半导体电导率的变化为：/°=/nq时/pq旳⑴假设符合下列条件：（1

4、）样品所加的电场很小，以至少数载流子的漂移导电电流可忽略：（2）样品是均匀的，即p（J或n0在样品各处是相同的：（3）在样品中没有陷阱存在（即符合Zn=Jp）；（4）表面复合可以忽略不计；（5）小注入条件。公式（2）可简化为：/G/dpqQxn+is）（2）如果在匸0时，光照突然停止，光生载流子山于复合效应，其浓度随时间减小至平衡态。载流了浓度变化率用下式表示：4＞（＜）=（3）I式屮环一少数载:流子空穴复合寿命，在匸0时，Zlp（t）=（Jp）-O,这就是说非平衡裁流了浓度随时间的变化按指数规律衰减，若LCp,则zdp（t）

5、=（Zp）o/e求出非平衡载流了浓度减少到原值的l/c的时间就可得到少数载流子寿命。将公式（3）公式（2）得：Ax=+戶丿=(如+(4)可见，辰正比于非平衡载流子浓度/p⑴，其亦呈指数衰减的规律.故通过观察光照停止后电导率的变化可得到少数载流了寿命值。力。的变化可用图.所示的装置观察,其中R>=r,不论光照与否通过半导体的电流，近似不变，半导体两端电压降V=I*TBi光注入引起岂加光电导“1ThecurvedphotocoohxtivUydecqr光照后山于光生载流子的作用，引起电压的变化/V:•AV=IxApxL/S=(/xZ

6、/S)/"(5)通过测量电压波形从最大值下降到其l/c的时间，就可得到少数载流子寿命TP"以上就是PCD法测量少数载流子寿命的基本原理。3试系统组成及关键技术3」测试系统组成少数载流孑寿命测试系统原理如图2所示。图2测试系统原理方框图Fig.2TheblockdiagramofteMsystem3.2主要部分关键技术(1)激光发射器组件激光发射器组件山激光激励电路和脉冲激光发射器组成。其屮脉冲激励匝复频率为200Hz,光脉冲下降沿时间小于15ns,该参数直接影响寿命的测试低限。激光发射管是GaAs/GaAlAs:异质结单管激光器

7、输出波长0.83心峰值功率5W,发散角15ox30o,结面积lOnsx150ns,精确安装在光学系统的入射焦面上。（2）光学聚焦折反射系统光学聚焦折反射系统主要用于实现光子流的汇聚。为:T调节光强方便和消除像差，采用双透镜系统，其原理如图3所示。激光发射器发出的光经透镜组’变为平行光，到滤光片（为防止大注入现象ifu衰减光强），经折反射镜片后分为两束光，一束经镜头组5汇聚到直窗杜瓦瓶焦面，另••束经镜头组7汇聚到侧窗杜瓦瓶焦面。其中滤光片3是为防止大注入产生而设计的，可根据不同的半导体材料來选择合适的滤光效果。图3光学系统原理图

8、Fig.3Thecoi£gurationoftheopticalsystem（3）闭环精密微动装置山精密步进电机驱动的X・Y微动平台,装有读数光栅尺，具有准确初始定位功能。光学系统置于精密平台上，山计算机发出驱动信号，通过读取光栅尺数值监测X・Y位置的变化，实现