半導(dǎo)體材料的鎖相載流子輻射成像.pdf

1、作為表征半導(dǎo)體材料和器件性能的重要物理參數(shù)，載流子輸運(yùn)參數(shù)（體復(fù)合壽命、遷移率、擴(kuò)散系數(shù)、表面復(fù)合速率等）的測(cè)量受到科研和工業(yè)界的廣泛關(guān)注，是半導(dǎo)體檢測(cè)領(lǐng)域的熱點(diǎn)。光載流子輻射測(cè)量（Photocarrier Radiometry, PCR）是一種基于頻域鎖相檢測(cè)原理的載流子輸運(yùn)參數(shù)測(cè)量技術(shù)，具有高信噪比、無損、全光、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成功應(yīng)用于多種半導(dǎo)體材料和器件的局域載流子輸運(yùn)參數(shù)測(cè)量。
　　隨著半導(dǎo)體基底材料向著大尺寸的方向發(fā)

2、展，局域點(diǎn)檢測(cè)已經(jīng)不能滿足需求，發(fā)展面檢測(cè)成像技術(shù)勢(shì)在必行。2010年，利用近紅外InGaAs相機(jī)、以PCR技術(shù)為基礎(chǔ)的鎖相載流子輻射成像技術(shù)（Lock-in Carrierography, LIC）應(yīng)運(yùn)而生。本論文進(jìn)一步完善了PCR技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上開展了LIC定量成像技術(shù)的研究，主要工作可以概括為以下三個(gè)方面。
　　一、建立了更加完備的PCR理論，完善了PCR測(cè)量技術(shù)
　　PCR技術(shù)是LIC技術(shù)的基礎(chǔ)，傳統(tǒng)的PCR理論沒

3、有考慮信號(hào)的非線性特性，本論文深入分析了PCR信號(hào)的非線性特征，建立了兩套理論模型：冪函數(shù)模型和n-p product模型。前者是從部分實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中總結(jié)出的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律；后者基于嚴(yán)格的光載流子復(fù)合理論，從完備的非線性偏微分方程組出發(fā)推導(dǎo)得出。理論分析和實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，n-p product模型能更準(zhǔn)確地描述信號(hào)的非線性特征，是更加完善的PCR理論模型。
　　此外，建立了PN結(jié)太陽能電池在開路和短路狀態(tài)下的PCR解析理論，通過理論模型對(duì)

4、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合，首次實(shí)現(xiàn)了PCR技術(shù)對(duì)多晶硅太陽能電池的硅基載流子體壽命測(cè)量。同時(shí)，建立了等效載流子壽命模型，得到了等效載流子壽命同載流子輸運(yùn)參數(shù)之間的解析關(guān)系，并區(qū)分了穩(wěn)態(tài)和頻域模式所測(cè)得的不同壽命，為不同檢測(cè)技術(shù)的測(cè)量結(jié)果提供了可比性的理論依據(jù)?；趯?shí)驗(yàn)中測(cè)得的單晶硅片的載流子輸運(yùn)參數(shù)，估算出等效載流子壽命，同微波光電導(dǎo)衰減技術(shù)的測(cè)量結(jié)果一致。
　　二、建立了低頻LIC定量成像方法，實(shí)現(xiàn)了單晶硅片的等效載流子壽命成像
　

5、　首先建立了 LIC成像系統(tǒng)中相機(jī)的相位信號(hào)校準(zhǔn)方法。相機(jī)記錄的原始數(shù)據(jù)顯示，始終存在一個(gè)系統(tǒng)附加相位疊加在真實(shí)信號(hào)上。采用白紙作為零相位滯后反射體，記錄相機(jī)在不同光學(xué)密度的中性衰減片下的相位和幅度信息，對(duì)每一個(gè)像素點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到了相機(jī)相位校準(zhǔn)矩陣。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該校準(zhǔn)方法可以準(zhǔn)確恢復(fù)相位信號(hào)。
　　基于上述相位校準(zhǔn)方法，在不同調(diào)制頻率下，得到了單晶硅片的LIC相位圖像。利用所建立的頻域等效載流子壽命理論模型，對(duì)相機(jī)每個(gè)像素

6、點(diǎn)的相位頻率數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到該點(diǎn)的等效載流子壽命，最終實(shí)現(xiàn)了單晶硅片的等效載流子壽命分布成像。
　　三、提出了外差 LIC原理，利用非線性混頻，突破了相機(jī)采樣速率的瓶頸，實(shí)現(xiàn)了高頻LIC成像
　　受近紅外相機(jī)幀率和曝光時(shí)間的限制，在傳統(tǒng)鎖相模式下，相機(jī)無法實(shí)現(xiàn)對(duì)高頻信號(hào)的采樣。成像頻率的瓶頸導(dǎo)致無法區(qū)分載流子的表面復(fù)合和體復(fù)合壽命，同時(shí)也無法實(shí)現(xiàn)深度選擇性成像，這使得頻域技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)無法在 LIC技術(shù)中發(fā)揮。本論文提出外

7、差鎖相成像方法，基于載流子輻射復(fù)合信號(hào)的非線性特性，利用非線性混頻，構(gòu)造出了攜帶高頻信息的低頻信號(hào)分量，該低頻信號(hào)可以很好地被相機(jī)記錄，從而實(shí)現(xiàn)了從低頻（100 Hz）到高頻（20 kHz）的外差LIC成像，突破了近紅外相機(jī)采樣速率的限制。
　　其次，建立了外差PCR理論，解釋了外差信號(hào)產(chǎn)生的物理機(jī)理，并對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的單晶硅片的外差頻率響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到了載流子輸運(yùn)參數(shù)。擬合結(jié)果同傳統(tǒng)零差PCR技術(shù)測(cè)得的結(jié)果一致性很好。同時(shí)，利