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(wú)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)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。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(méi)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(yáng)能電池在開路和短路狀態(tài)下的PCR解析理論,通過(guò)理論模型對(duì)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(yáng)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(wú)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(wú)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(wú)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(wú)法在LIC技術(shù)中發(fā)揮。本論文提出外差鎖相成像方法,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(100Hz)到高頻(20kHz)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),利用零差和外差LIC成像系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對(duì)多晶硅太陽(yáng)能電池從10Hz到20kHz的鎖相成像。建立了硅太陽(yáng)能電池在開路狀態(tài)下的外差PCR解析理論,利用理論模型對(duì)相機(jī)記錄的外差幅度頻率響應(yīng)數(shù)據(jù)的擬合,實(shí)現(xiàn)了外差LIC技術(shù)對(duì)太陽(yáng)能電池的硅基載流子體壽命的測(cè)量。LIC不僅有望為微電子、光電子、傳感器、光伏能源等半導(dǎo)體材料科學(xué)領(lǐng)域的基礎(chǔ)創(chuàng)新研究服務(wù),而且具有廣闊的工業(yè)在線無(wú)損檢測(cè)應(yīng)用前景。
【學(xué)位單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：TN304
【部分圖文】：

圖１－１邋Ｓｅｍｉｂｂ邋公司＾－ＰＣＤ載流子壽命成像儀１＂１逡逑（ａ）ＷＴ－２０００產(chǎn)品照片；（ｂ）桂片的等效載流子壽命圖像逡逑目前來(lái)看，Ｈ－ＰＣＤ技術(shù)主要存在Ｗ下幾點(diǎn)不足之處：逡逑第一，就檢測(cè)原理而言，＾ｉ－ＰＣＤ實(shí)際上是基于傳統(tǒng)的累浦檢測(cè)模式逡逑（ｐｕｍｐ－ｐｒｏｂｅ），即用光激發(fā)載流子，然后用微波來(lái)測(cè)量電導(dǎo)率的變化，這意味著逡逑n,量系統(tǒng)需要兩套＂光路＂。而近年來(lái)新興的技術(shù)，如后面將要介紹的光熱箱射法、逡逑光致發(fā)光法、光載流子福射法等，在保留了全光、非接觸等優(yōu)點(diǎn)外，省去了檢測(cè)逡逑光路，只需要一束累浦光即可。因此，只要徏些新興技術(shù)在測(cè)量精度上可Ｗ和Ｍ－ＰＣＤ逡逑比擬，那么就系統(tǒng)簡(jiǎn)潔度、成本而言，新興技術(shù)完全可Ｗ取代Ｍ－ＰＣＤ。逡逑第二，只能得到等效載流子壽命圖。受測(cè)量原理的限制，＾ｉ－ＰＣＤ只能測(cè)量樣逡逑品內(nèi)總的載流子密度隨著時(shí)間變化的衰減速率，這正是等效載流子壽命的定義。逡逑Ｈ－ＰＣＤ測(cè)量的信號(hào)是四個(gè)載流子輸運(yùn)參數(shù)（體壽命、擴(kuò)散系數(shù)、前后表面復(fù)合速逡逑率）綜合作用的結(jié)果，但無(wú)法進(jìn)一步分辨這四個(gè)參數(shù)。因此，Ｍ－ＰＣＤ成像無(wú)法區(qū)逡逑分載流子的表面復(fù)合和體復(fù)合。需要指出的是，接觸式、非成像的ＰＣＤ技術(shù)可逡逑

相機(jī)的一大主流應(yīng)用。但是，受ＩｎＧａＡｓ相機(jī)的巾貞率和曝光時(shí)間的限制，ＰＬ成像逡逑技術(shù)無(wú)法像單點(diǎn)探測(cè)那樣對(duì)高速信號(hào)進(jìn)行時(shí)間分辨的記錄。因此，目前基于相機(jī)逡逑的ＰＬ成像一般是工作在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模式或是低頻正弦調(diào)制的動(dòng)態(tài)模式下。圖１－８所示逡逑為多晶娃片的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)ＰＬ成像示意圖，圖１－９所示為低頻正弦調(diào)制的ＰＬ成像。逡逑準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)ＰＬ成像采用低頻方波調(diào)制的激勵(lì)光。在一個(gè)調(diào)制周期內(nèi)，一般記錄四逡逑幅圖像。利用等時(shí)域的等效載流子壽命理論模型，擬合出每一個(gè)像素的等效載流逡逑子壽命。低頻正弦調(diào)制的動(dòng)態(tài)化成像原理同準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)類似，其最大的優(yōu)點(diǎn)在于不需逡逑要校準(zhǔn)即可得到載流子壽命圖。逡逑比起ＬＩＴ技術(shù)，ＰＬ技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是，其測(cè)量到的信號(hào)主要是來(lái)源于載流子福射逡逑復(fù)合。非福射復(fù)合Ｗ及晶格去激勵(lì)熱福射等信號(hào)被ＩｎＧａＡｓ探測(cè)器的響應(yīng)頻段自然逡逑濾除。送樣ＰＬ成像體現(xiàn)的是純粹的載流子行為ＩＷ。此外，近紅外相機(jī)不需要制冷，逡逑對(duì)測(cè)量環(huán)境的要求不像中波相機(jī)那么苛刻，且近紅外相機(jī)的傾率目前己經(jīng)可Ｗ達(dá)逡逑到數(shù)百赫茲。氋速的拍攝性能使得研究載流子的動(dòng)態(tài)物理行為成為可能。逡逑９逡逑

。臺(tái)上，方便定位。由Ｍａｔｌａｂ程序控制儀器讀取數(shù)據(jù)Ｗ及實(shí)現(xiàn)頻率掃描。逡逑基于相機(jī)的ＬＩＣ實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)逡逑于相機(jī)的ＬＩＣ實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是單點(diǎn)ＰＣＲ系統(tǒng)的成像改進(jìn)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖如下所逡逑

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本文編號(hào)：2807373