專利名稱：測(cè)量半導(dǎo)體過(guò)剩載流子遷移率和擴(kuò)散長(zhǎng)度的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體材料和器件的性能測(cè)試，具體是指一種測(cè)量半導(dǎo)體過(guò)剩載流子雙極遷移率和擴(kuò)散長(zhǎng)度的裝置及方法。
背景技術(shù)：
過(guò)剩載流子雙極遷移率和擴(kuò)散長(zhǎng)度是半導(dǎo)體材料和器件的重要物理量。一般采用漂移實(shí)驗(yàn)(海恩斯-肖克萊實(shí)驗(yàn))來(lái)測(cè)量。這種方法采用一種具有三電極的半導(dǎo)體條，其中兩個(gè)端電極間加一外電場(chǎng)，用脈沖小光點(diǎn)向半導(dǎo)體條中注入過(guò)剩載流子脈沖，在電場(chǎng)的作用下，過(guò)剩載流子脈沖沿半導(dǎo)體條方向漂移，在一定的時(shí)間間隔后，第三個(gè)電極(讀出電極)就會(huì)有一脈沖信號(hào)輸出。測(cè)量注入脈沖與輸出脈沖間的時(shí)間間隔、注入?yún)^(qū)和第三電極間的距離及電場(chǎng)強(qiáng)度，就得到了過(guò)剩載流子的雙極遷移率，測(cè)量脈沖寬度的變化，就得到了過(guò)剩載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度。這種做法比較復(fù)雜，樣品需要三個(gè)電極，其中第三個(gè)電極(讀出電極)必需非常精細(xì)，脈沖光源必需聚焦成小光點(diǎn)，其尺度要遠(yuǎn)小于樣品尺寸，還要精確定位，這些將引起較大的測(cè)量誤差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種測(cè)量裝置，該測(cè)量裝置只需將常規(guī)儀器組合即成，并用一種簡(jiǎn)便的測(cè)量方法即可測(cè)得半導(dǎo)體過(guò)剩載流子雙極遷移率和擴(kuò)散長(zhǎng)度。
本發(fā)明的原理是基于所發(fā)現(xiàn)的這樣一種現(xiàn)象，在一個(gè)具有兩個(gè)端電極的半導(dǎo)體樣品中，用脈沖光源均勻地向半導(dǎo)體中注入過(guò)剩載流子脈沖，觀測(cè)光電導(dǎo)的衰退過(guò)程。當(dāng)所加的電場(chǎng)比較大時(shí)，光電導(dǎo)的衰退過(guò)程會(huì)成為近似線性過(guò)程，線性衰退過(guò)程對(duì)時(shí)間的二階微分與時(shí)間的關(guān)系近似為正態(tài)分布。其峰值位置為過(guò)剩載流子渡越時(shí)間t0＝L/μaE， (1)半峰寬為w＝2LD/μaE(2)式中E為樣品所加的電場(chǎng)，L為樣品光照長(zhǎng)度。測(cè)得t0和w，根據(jù)式(1)和(2)，即可求得漂移遷移率μa和擴(kuò)散長(zhǎng)度LD。
本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下一種測(cè)量半導(dǎo)體過(guò)剩載流子雙極遷移率和擴(kuò)散長(zhǎng)度的裝置，其特點(diǎn)是該裝置包括激光器1、低溫杜瓦2、樣品外加偏置電源3、數(shù)字示波器4、計(jì)算機(jī)5。
所說(shuō)的計(jì)算機(jī)安裝有可根據(jù)輸入樣品過(guò)剩載流子濃度隨時(shí)間的近似線性衰退過(guò)程即能計(jì)算半導(dǎo)體過(guò)剩載流子雙極遷移率和擴(kuò)散長(zhǎng)度的計(jì)算機(jī)軟件。
所說(shuō)的激光器是半導(dǎo)體脈沖激光器所說(shuō)的低溫杜瓦內(nèi)裝有液氮。
利用所述裝置測(cè)量半導(dǎo)體過(guò)剩載流子雙極遷移率和擴(kuò)散長(zhǎng)度的方法，其包括下列步驟A.樣品表面采用陽(yáng)極氧化，使其鈍化，在其兩相對(duì)的邊緣上蒸發(fā)銦/金制作歐姆接觸電極，中間為激光入射面；B.將樣品置于液氮冷卻的低溫杜瓦瓶中，調(diào)整脈沖激光器的位置或樣品的位置，使脈沖激光器發(fā)出的光束通過(guò)杜瓦瓶窗口均勻入射到樣品上，入射光束方向與樣品所加電場(chǎng)方向垂直；C.對(duì)樣品二電極施加電場(chǎng)，同時(shí)啟動(dòng)激光器，信號(hào)由示波器接收，調(diào)節(jié)偏置電源電壓，使得衰退信號(hào)呈近似線性狀，并將信號(hào)數(shù)字化，計(jì)算機(jī)采集信號(hào)得到過(guò)剩載流子的呈近似線性狀衰退信號(hào)，經(jīng)過(guò)兩次微分處理后，得到正態(tài)分布圖，根據(jù)其峰值位置t0，半峰寬w，由式(1)和(2)，即可求得漂移遷移率μa和擴(kuò)散長(zhǎng)度LD。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是樣品結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只需要兩個(gè)電極，脈沖光源不需要聚焦，而是均勻入射，也不需要定位，由于樣品的長(zhǎng)度是由光刻決定的，因此保證了測(cè)量精度。


圖1是本發(fā)明的測(cè)量裝置框圖。
圖2是本發(fā)明計(jì)算得到的半導(dǎo)體過(guò)剩載流子的衰退過(guò)程。
圖3是圖2二階微分處理后的結(jié)果。
圖4是實(shí)測(cè)的碲鎘汞半導(dǎo)體過(guò)剩載流子的衰退過(guò)程。
圖5是圖4二階微分處理后的結(jié)果。
圖6是計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理程序框圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)闡述，樣品在脈沖激光的作用下產(chǎn)生過(guò)剩載流子，過(guò)剩載流子在偏置電源的作用下作漂移和衰退運(yùn)動(dòng)，過(guò)剩載流子運(yùn)動(dòng)滿足連續(xù)性方程∂Δp∂t=-Δpτ+D∂Δp∂x2-μaE∂Δp∂x,---(3)]]>式中D為擴(kuò)散系數(shù)，μa為漂移遷移率，E為樣品所加的電場(chǎng)，τ為過(guò)剩載流子壽命。圖2是由方程(3)計(jì)算得到的過(guò)剩載流子衰退過(guò)程。圖3是圖2的二階微分。當(dāng)LD/L＝1/10，LE/L分別為3/1、2/1和3/2，LD和LE分別為擴(kuò)散長(zhǎng)度和漂移長(zhǎng)度。計(jì)算結(jié)果表明，漂移長(zhǎng)度越大，過(guò)剩載流子衰退過(guò)程越近似于線性，過(guò)剩載流子衰退的二階微分與時(shí)間的關(guān)系越近似為正態(tài)分布。
采用本發(fā)明的裝置對(duì)窄禁帶半導(dǎo)體材料碲鎘汞進(jìn)行測(cè)量。材料組分為x＝0.25區(qū)熔法生長(zhǎng)的n-型碲鎘汞，采用研磨拋光技術(shù)將樣品減薄，厚度約為10μm，樣品的脈沖激光入射面尺寸為340μm×340μm，通過(guò)光刻技術(shù)實(shí)現(xiàn)，采用陽(yáng)極氧化將其表面鈍化。在脈沖激光入射面外兩相對(duì)邊緣蒸發(fā)銦/金制作歐姆接觸電極。然后將樣品置于低溫杜瓦瓶中，測(cè)量時(shí)用液氮制冷。用GaAs半導(dǎo)體脈沖激光器通過(guò)杜瓦瓶窗口入射到樣品來(lái)激發(fā)少數(shù)載流子，脈沖寬度為50ns。輸出信號(hào)用TDS520數(shù)字示波器記錄。為確保入射激光是均勻的，測(cè)量時(shí)調(diào)整樣品位置并注意觀察信號(hào)幅度，使得信號(hào)在樣品大小的位置范圍內(nèi)不變。通過(guò)IEEE488接口由計(jì)算機(jī)采集光電導(dǎo)響應(yīng)衰退數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。圖4是在E＝88V/cm時(shí)的線性光電導(dǎo)衰退過(guò)程。求二階微分得到正態(tài)分布圖5。由圖5得到峰值位置to＝1.3μs，半峰寬w＝0.45μs。根據(jù)式(1)和(2)，求得n-型碲鎘汞材料在液氮溫度下的漂移遷移率μa和擴(kuò)散長(zhǎng)度LD分別為297cm2/Vs和58μm。
圖6是數(shù)據(jù)處理程序框圖。
權(quán)利要求
1.一種測(cè)量半導(dǎo)體過(guò)剩載流子雙極遷移率和擴(kuò)散長(zhǎng)度的裝置，其特點(diǎn)是該裝置包括激光器(1)、低溫杜瓦(2)、樣品外加偏置電源(3)、數(shù)字示波器(4)、計(jì)算機(jī)(5)；所說(shuō)的計(jì)算機(jī)安裝有可根據(jù)輸入樣品過(guò)剩載流子濃度隨時(shí)間的近似線性衰退過(guò)程即能計(jì)算半導(dǎo)體過(guò)剩載流子雙極遷移率和擴(kuò)散長(zhǎng)度的計(jì)算機(jī)軟件；所說(shuō)的激光器為脈沖半導(dǎo)體激光器；所說(shuō)的低溫杜瓦內(nèi)裝有液氮。
2.利用所述裝置測(cè)量半導(dǎo)體過(guò)剩載流子雙極遷移率和擴(kuò)散長(zhǎng)度的方法，其特征在于包括下列步驟A.樣品表面采用陽(yáng)極氧化，使其鈍化，在其兩相對(duì)的邊緣上蒸發(fā)銦/金制作歐姆接觸電極，中間為激光入射面；B.將樣品置于液氮冷卻的低溫杜瓦瓶中，調(diào)整脈沖激光器的位置或樣品的位置，使其發(fā)出的光束通過(guò)杜瓦瓶窗口均勻入射到樣品上，入射光束方向與樣品所加電場(chǎng)方向垂直；C.對(duì)樣品二電極施加電場(chǎng)，同時(shí)啟動(dòng)激光器，信號(hào)由示波器接收，調(diào)節(jié)偏置電源電壓，使得衰退信號(hào)呈近似線性狀，并將信號(hào)數(shù)字化，計(jì)算機(jī)采集信號(hào)得到過(guò)剩載流子的呈近似線性狀衰退信號(hào)，經(jīng)過(guò)兩次微分處理后，得到正態(tài)分布圖，根據(jù)其峰值位置t0，半峰寬w，由式t0＝L/μaE和w＝2LD/μaE，即可求得漂移遷移率μa和擴(kuò)散長(zhǎng)度LD，式中L為樣品光照長(zhǎng)度，E為樣品外加電場(chǎng)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種測(cè)量半導(dǎo)體過(guò)剩載流子雙極遷移率和擴(kuò)散長(zhǎng)度的裝置及方法，該裝置包括脈沖激光器、低溫杜瓦、偏置電源、數(shù)字示波器、計(jì)算機(jī)。該方法是利用脈沖光源向半導(dǎo)體中注入過(guò)剩載流子，觀測(cè)光電導(dǎo)的衰退過(guò)程。當(dāng)所加的電場(chǎng)比較大時(shí)，光電導(dǎo)的衰退過(guò)程會(huì)成為近似線性過(guò)程，衰退過(guò)程對(duì)時(shí)間的二階微分與時(shí)間的關(guān)系近似為正態(tài)分布。根據(jù)其峰值位置和半峰寬，即可求得漂移遷移率μ
文檔編號(hào)G01N21/00GK1564315SQ200410017118
公開日2005年1月12日 申請(qǐng)日期2004年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月23日
發(fā)明者李言謹(jǐn) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所