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1、高频光电导衰减法测量Si中少子寿命一、概 述半导体中的非平衡少数载流子寿命是与半导体中重金属含量、晶体结构完整 性直接有关的物理量。它对半导体太阳电池的换能效率、半导体探测器的探测率 和发光二极管的发光效率等都有影响。因此，掌握半导体中少数载流子寿命的测 量方法是十分必要的。测量少数载流子寿命的方法有许多种，分别属于瞬态法和稳态法两大类。瞬 态法是利用脉冲电或闪光在半导体中激发出非平衡载流子，改变半导体的体电 阻，通过测量体电阻或两端电压的变化规律直接获得半导体材料的寿命。这类方 法包括光电导衰减法和双脉冲法。稳态法是利用稳定的光照，使半导体中非平衡 少子的分布达到稳定的状态，由测量半导体样品
2、处在稳定的非平衡状态时的某些 物理量来求得载流子的寿命。例如：扩散长度法、稳态光电导法等。光电导衰减法有直流光电导衰减法、高频光电导衰减法和微波光电导衰减 法，其差别主要在于是用直流、高频电流还是用微波来提供检测样品中非平衡载 流子的衰减过程的手段。直流法是标准方法，高频法在 Si 单晶质量检验中使用 十分方便，而微波法则可以用于器件工艺线上测试晶片的工艺质量。本实验采用高频光电导衰减法测量 Si 中少子寿命。二、实验目的1掌握用高频光电导衰减法测量 Si 单晶中少数载流子寿命的原理和方法。2. 加深对少数载流子寿命及其与样品其它物理参数关系的理解。三、实验原理当能量大于半导体禁带宽度的光照射
3、样品时，在样品中激发产生非平衡电子 和空穴。若样品中没有明显的陷阱效应，那么非平衡电子Ap)和空穴(An)的浓 度相等，它们的寿命也就相同。样品电导率的增加与少子浓度的关系为Aa = qy Ap + qp Anpnq：电子电荷；打和人分别为空穴和电子的迁移率。当去掉光照，少子密度将按 指数衰减，即Ap x e tt：少子寿命，表示光照消失后，非平衡少子在复合前平均存在的时间。因此导致电导率tAb x e t也按指数规律衰减。单晶寿命测试仪正是根据这一原理工作的。下图是高频光电导测量装置示意图。图 1 高频光电导测量装置图高频源提供的高频电流流经被测样品，当红外光源的脉冲光照射样品时，单 晶体内
4、产生的非平衡光生载流子使样品产生附加光电导，从而导致样品电阻减 小。由于高频源为恒压输出，因此流经样品的高频电流幅值增加AI，光照消失后, AI逐渐衰减，其衰减速度取决于光生载流子在晶体内存在的平均时间，即寿命。 在小注入条件下，当光照区复合为主要因素时， AI 将按指数规律衰减，此时取 样器上产生的电压变化AV也按同样的规律变化，即tAV 二 AV et0 此调幅高频信号经检波器解调和高频滤波，再经宽频放大器放大后输入到脉冲示 波器，在示波器上可显示下图的指数衰减曲线，由曲线就可获得寿命值。四、仪器的使用图 3 仪器面板本实验使用DSY-II单晶少子寿命测试仪测量Si单晶的少子寿命，图3为仪
5、 器面板图。1. 面板上仪表及控制部件的使用KD：开关及指示灯K：制脉冲发生电路电源通断KW：外光源主电源的电压调整电位器，顺时针旋转电压调高。（注意：光源为F71型109Mm红外光源，闪光频率为20-30次秒，脉宽60阳。 如在7V以上电压使用，应尽量缩短工作时间）不连续工作时，注意把旋钮逆时 针旋到底。CZ：信号输出高频插座，用高频电缆将此插座输出的信号送至示波器观察。Ml：红外光源主电源电压表，指示红外发光管工作电压大小。M2：磁环取样检波电压表，指示输出信号大小。2. 操作程序(1) 接上电源线以及用高频连接线将CZ与示波器Y输入端接通，开启示波器。(2) 将清洁处理后的样品置于电极上
6、面，为提高灵敏度，请在电极上涂抹一点 自来水(注意：涂水不可过多，以免水流入光照孔)。(3) 开启总电源KD,预热15分钟，按下K接通脉冲电路电源，旋转KW,适 当调高电压。关机时，要先把开关K按起。(4) 调整示波器电平及释抑时间，内同步，Y轴衰减X轴扫描速度及曲线的上 下左右位置，使仪器输出的指数衰减光电导信号波形稳定下来。3. 如果光电导信号衰减波形部分偏离指数曲线，则应作如下处理：(1) 如果波形初始部分衰减较快，则用波形较后部分测量，即去除表面复合引 起的高次模部分读数(见示意图 4)。(2) 如波形头部出现平顶现象，说明信号太强(见示意图4)，应减弱光强，在 小信号下进行测量。(3
7、) 为保证测试准确性，满足小注入条件，即在可读数的前提下，示波器尽量 使用大的倍率，光源电压尽量地调小。注意：由于红外发光管价格昂贵，停止使用后，应立即切断电源，逆时针 将光强调节电位器KW调到底，再关掉开关K。五、实验内容1. 获得Si材料在光照下的Vt曲线。2. 读取3组寿命值，给出Si材料的寿命。示波器上寿命值的读取由于表面复合及光照不均匀等因素的影响，衰减曲线在开始的一小部分可能 不是呈现指数衰减形式，这时应按本实验第四部分（仪器使用）中的3 去做，取 指数衰减部分读数。设示波器荧光屏上最大讯号为n格（一格为lcm）,在衰减曲线上获得纵坐 标为n = 1.48格对应的x值（横坐标2.4格）。若水平扫描时间为t,则e 2.718六、思考题1. 简述少子寿命概念。2. 当样品含有重金属且存在缺陷时,它们对寿命有影响吗？3. 什么是小注入的条件？4. 是否可选择可见光做光源？
