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CN108646160A - 窄禁带半导体中少数载流子空间分布的测量装置和方法 - Google Patents

窄禁带半导体中少数载流子空间分布的测量装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种窄禁带半导体中少数载流子空间分布的测量装置和方法，该装置中包括试样表面处理模块，低温扫描电容显微测量模块，微分电容测量控制模块和红外光激发模块。待测材料在试样表面处理腔中经处理后，输送至低温扫描电容显微测量真空腔中的低温试样台上，分别在红外光激发和暗背景条件下进行微分电容显微分布的测量，最后将测得的微分电容信号差值，得到由光激发少数载流子引起的微分电容信号分布。本发明适用于多数窄禁带半导体材料，能够在接近工作状态下实现对材料中少数载流子分布的灵敏测量，空间分辨率足以解析红外光电功能结构中PN结等关键区域，对评估半导体材料特性、预测和优化器件性能有重要的意义。

Description

窄禁带半导体中少数载流子空间分布的测量装置和方法
技术领域
本发明是有关一种半导体材料的检测方法，特别是关于窄禁带半导体红外探测结构中光激发少数载流子空间分布的检测方法。
背景技术
半导体高灵敏光电探测通过光激发在材料中产生少数载流子或者激发态载流子，再被收集形成电信号的方式来感知光；因此获得半导体探测结构中光激发少数载流子的分布信息，是评估半导体材料特性、预测和优化器件探测性能的直接手段。目前针对半导体材料中少数载流子空间分布的测量方法有：微区激光束诱导电流谱(LBIC)和扫描光电流图谱(SPCM)。这二者均使用聚焦激光点产生对局部电场非常敏感的局部光电流，从而可以得到少数载流子的扩散长度。但是由于其分辨能力受限于入射光波长，很难达到100纳米或更高的分辨，不能对PN结这样的局部区域内的载流子分布进行精细分析。另外其聚焦光束的强度过高，远离窄禁带半导体材料的近平衡工作条件。
扫描微分电容方法被广泛地应用于半导体功能结构的显微电子学表征，对载流子布居状态的高空间分辨是其主要特色。但是目前扫描微分电容方法在表征窄禁带半导体红外探测材料载流子分布方面存在以下缺点：第一是扫描微分电容方法只有测量多数载流子空间分布的能力，无法测量少数载流子的信号；第二是商用的扫描微分电容方法只能在室温下工作，无法对工作在较低温度下的多数窄禁带半导体材料进行有效表征。
发明内容
本发明的目的是弥补现有技术的不足，提供一种针对窄禁带半导体中少数载流子空间分布测量的装置和方法。具体而言是基于扫描电容显微测量原理对半导体材料中载流子的微分电容信号测量能力，结合红外光激发、低温测量条件和材料表面的弱反型能带构造，实现对窄禁带半导体红外探测材料在其工作温度下的少数载流子微分电容分布的测量。
发明所述的窄禁带半导体中少数载流子空间分布的测量装置，其特征在于包括：
所述的试样表面处理模块100包括试样表面处理腔(101)和位于试样表面处理腔101内的试样表面处理台102；
所述的低温扫描电容显微测量模块200，包括低温扫描微分电容测量真空腔201，位于低温扫描微分电容测量真空腔201内的低温试样台202、微分电容扫描头204和前置电路部分组件205，位于低温扫描微分电容测量真空腔201壁上的红外窗口206和观察窗口207；低温试样台202、微分电容扫描头204、前置电路部分组件205位于低温扫描微分电容测量真空腔201内；低温扫描微分电容测量真空腔201壁上有一个红外窗口206和一个可开关的观察窗口207，红外窗口206只允许波长范围在0.8-10微米的红外光通过；所述的微分电容扫描头204只要具备其传感器频率在900兆赫兹左右，对电容的感应灵敏度最高能达到10-18法，就可以用于实施本发明专利；
微分电容测量控制模块300包括扫描电容显微主控制器301和信号处理计算机302。
红外光激发模块400，由三维可调支架402，红外光源401以及红外观察仪403组成。红外光源401置于三维可调支架402上。微分电容信号测试中选择激发光源的波长要根据待测材料的禁带宽度，满足激发光的光子能量大于待测材料禁带宽度；根据待测材料的背景掺杂浓度来选取入射红外光的激发功率密度，上限是不能干扰微分电容测量，下限是要足够形成可测量微分电容分布的变化。
所述的试样表面处理腔101与低温扫描微分电容测量真空腔201之间通过管道真空连接，试样可以从试样表面处理腔101中传递到低温扫描微分电容测量真空腔201中的低温试样台202上；前置电路部分组件205引出线路与扫描电容显微主控制器301及信号处理计算机302连接，以控制微分电容扫描头204。红外光源401发出的红外光通过红外窗口206照射到待测试样203的待测表面。利用红外观察仪403可通过观察窗口207看到待测试样203的待测表面。
窄禁带半导体中少数载流子空间分布的测量方法包括以下步骤：
对待测试样进行预先处理，获得纳米级平整的待测面，可以对块体材料做沿特定晶向的解理的方法来制备，或者进行切割后抛光的方法来制备；制备与待测半导体材料形成欧姆接触的公共电极。
预处理好的试样传入试样表面处理腔101内，在试样表面处理台102上对试样进行表面弱反型层制备，可以通过通氧气氛围热处理的方法来获得，也可以采用沉积表面介电层的方法来获得。试样表面处理腔201内的背景气压不高于10-5托。在试样表面处理腔101内对试样进行表面弱反型层制备包括根据待测区域的背景掺杂极性和掺杂浓度，确定弱反型的表面电势条件，范围在待测材料的禁带宽度的十分之一到禁带宽度的二分之一。
制备好表面弱反型层的试样通过管道真空传入低温扫描微分电容测量真空腔201内，放在试样低温台202上，通过扫描电容显微主控制器301、信号处理计算机302及前置电路部分组件205驱动微分电容扫描头204的探针不断接近试样直至接触待测表面。微分电容信号测试的温度低于待测窄禁带半导体材料红外探测的工作温度。打开红外光源401，发出的红外光通过红外窗口206，并注视观察窗口207，不断调整使得光斑照射到待测试样的待测区域，到达试样待测区域的光斑直径不能超过5毫米，在红外光激发的条件下测试微分电容信号分布。再关闭红外窗口206及观察窗口207，在暗背景的条件下测试微分电容信号分布。低温扫描微分电容测量真空腔201内的气压不高于10-8托；低温试样台202的温度范围控制在50开至室温，温度波动不超过1开。
在信号处理计算机302中将光激发和暗背景下测得的载流子微分电容信号进行差值，得到由光激发少数载流子引起的微分电容信号分布。
相比于现有少子分布测量技术，本发明的优点在于：
第一，可以在10纳米甚至更高的分辨率下实现对光激发少数载流子分布的灵敏测量，足以分析红外光电功能结构的关键区域，包括PN结、吸收区、异质结等；
第二，使得载流子分布的测量可以在低的光注入浓度的条件下实现，如典型的激发功率密度为1毫瓦每平方厘米；相对LBIC和SPCM方法使用的激发功率密度低105倍以上，从而接近半导体材料光电探测的工作状态；
第三，测量温度接近窄禁带半导体光电器件的工作温度。
附图说明
图1是本发明的检测方式示意图，其中100是试样表面处理模块，200是低温扫描电容显微测量模块，300是微分电容测量控制模块，400是红外光激发模块。101是试样表面处理腔，102是试样表面处理台，201是低温扫描微分电容测量真空腔，202是低温试样台，203是待测试样，204是微分电容扫描头，205是前置电路部分组件，206是红外窗口，207是观察窗口，301是扫描电容显微主控制器，302是信号处理计算机，401是红外光源、402是三维可调支架、403是红外观察仪。
图2为InGaAs/InP红外光电材料的微分电容信号分布图。
图3为InGaAs/InP红外光电材料中光激发少数载流子的微分电容信号分布图。
具体实施方式
为让本发明的上述和其它目的、特征和优点更明显易懂，下文根据图1并结合一个较好的实施例作详细说明。
首先是对试样进行预处理和公共电极制备。对待测试样制备纳米级平整的待测面，要求待测表面的均方根粗糙度不超过0.2纳米。对于III-V族半导体可以做沿特定晶向的解理的方法来制备。对于实施例中的InGaAs/InP PN结近红外探测结构沿着[110]晶向，穿过PN结区进行机械解离即可获得原子级平整的待测剖面。解理成功后将试样的待测剖面向上竖直放置，底部用导电银胶粘固在载物片上，同时形成公共电极。对于不易解理的其他半导体材料可以通过切割后抛光的方法来制备。公共电极的制备也可以根据待测半导体材料及其掺杂特征蒸镀或涂敷相应的金属层，必要时再经热处理形成欧姆接触。
预处理好的试样输入试样表面处理腔101中，在试样表面处理台102上进行待测表面弱反型层的制备。表面弱反型层制备包括根据待测区域的背景掺杂极性和掺杂浓度，确定近反型的表面电势条件，范围在待测材料的禁带宽度的十分之一到禁带宽度的二分之一。对于Si和Ge而言，表面介电层的制备可以通过一定温度下紫外光照射并通氧气氛围热处理的方法来获得；对于大多数III-V族半导体来说，可直接利用表面自然氧化层作为介电层，同时该表面的费米能级钉扎有利于形成弱反型的能带构型。上述方法所制得的表面介电层厚度一般不超过2纳米，以确保微分电容信号的灵敏度。试样表面处理腔101和低温扫描微分电容真空测量腔201真空连接，制备好的试样可真空传送至低温扫描微分电容测量真空腔201中的低温试样台202上。
本实施例中，直接利用InGaAs/InP的表面自然氧化层作为介电层。试样表面处理腔201内的背景气压设置为10-5托。确定近反型的表面电势为0.067电子伏特，为待测材料InGaAs的禁带宽度的约十分之一。
接着将制备好表面弱反型层的试样传入低温扫描电容显微测量腔201内并置于低温试样台202上，分别在红外光激发和暗背景的条件下测量微分电容信号分布。当需要红外光激发时，置于三维可调支架402上的红外光源401发出的红外光束经过红外窗口206照射到试样表面的待测区域。使用红外观察仪403来观察光斑在试样表面上的相对位置，手动调整光斑位置直到其到达待测区域。当测暗背景条件下的微分电容信号时，将红外光源401，红外窗口206可以屏蔽其他一切杂散光的干扰。观察窗口207在测量时处于关闭状态，以防止杂散光干扰测量结果。
在本实施例中，低温扫描电容显微测量腔201中的背景气压设置为10-8托，温度为288开，试样低温台的温度波动不超过1开。首先将上一步处理好的InGaAs/InP试样输送至低温试样台202上，通过信号处理计算机302和扫描电容显微主控制器301驱动微分电容扫描头204的探针不断接近试样直至接触待测表面。扫描微分电容显微测量采用导电的纳米探针以获得10纳米甚至更高的载流子分辨。通过计算机和控制器在试样底部公共电极与探针之间施加不超过1伏的交流偏压、频率在50至90千赫兹调节以获得最佳的微分电容信噪比。测量中，为了最大程度减少杂散光的影响，将扫描微分电容测量的自身光源光斑位置设置在距离针尖前端90微米以上。控制微分电容扫描头204的探针至InGaAs/InP的探测功能区，包括吸收区、PN结区和上下电极层，扫描获得暗背景下材料探测功能区的微分电容分布。打开腔外的红外光源401并调整光斑位置对准试样待测表面的待测区域，对于实施例中的InGaAs/InP材料，采用波长为808纳米、功率密度为1毫瓦每平方厘米的红外光作为激发光源，其光斑直径约为4毫米。
最后通过计算得到光激发少数载流子微分电容信号分布。信号处理计算机302上可以得到光激发和暗背景下测得的载流子微分电容分布信号如图2所示，将其进行差值，得到由光激发少数载流子引起的微分电容信号分布如图3所示。

Claims (2)

1.一种窄禁带半导体中少数载流子空间分布的测量装置，包括试样表面处理模块(100)，低温扫描电容显微测量模块(200)，微分电容测量控制模块(300)和红外光激发模块(400)，其特征在于：
所述的试样表面处理模块(100)包括试样表面处理腔(101)和位于试样表面处理腔(101)内的试样表面处理台(102)；
所述的低温扫描电容显微测量模块(200)，包括低温扫描微分电容测量真空腔(201)，位于低温扫描微分电容测量真空腔(201)内的低温试样台(202)、微分电容扫描头(204)和前置电路部分组件(205)，位于低温扫描微分电容测量真空腔(201)壁上的红外窗口(206)和观察窗口(207)；所述的微分电容扫描头(204)得传感器频率为900兆赫兹，对电容的感应灵敏度最高达到10-18法；所述的低温试样台(202)、微分电容扫描头(204)、前置电路部分组件(205)位于低温扫描微分电容测量真空腔(201)内；低温扫描微分电容测量真空腔(201)壁上有一个红外窗口(206)和一个可开关的观察窗口(207)。红外窗口(206)只允许波长范围在0.8-10微米的红外光通过；
所述的微分电容测量控制模块(300)包括扫描电容显微主控制器(301)和信号处理计算机(302)；
所述的红外光激发模块(400)包括红外光源(401)，三维可调支架(402)以及红外观察仪(403)。红外光源(401)置于三维可调支架(402)上；红外光源(401)的波长要根据待测材料的禁带宽度，满足激发光的光子能量大于待测材料禁带宽度。到达试样待测区域的光斑直径不能超过5毫米；
所述的试样表面处理腔(101)与低温扫描微分电容测量真空腔(201)之间通过管道真空连接，试样可以从试样表面处理腔(101)中传递到低温扫描微分电容测量真空腔(201)中的低温试样台(202)上；前置电路部分组件(205)引出线路与扫描电容显微主控制器(301)及信号处理计算机(302)连接，以控制微分电容扫描头(204)；红外光源(401)发出的红外光通过红外窗口(206)照射到待测试样(203)的待测表面；利用红外观察仪(403)可通过观察窗口(207)看到待测试样(203)的待测表面。
2.一种基于权利要求1所述的一种窄禁带半导体中少数载流子空间分布的测量装置的窄禁带半导体中少数载流子空间分布的测量方法，其特征在于方法步骤如下：
1)对待测试样进行预先处理，可以对块体材料做沿特定晶向的解理的方法来制备，或者进行切割后抛光的方法来制备，以获得纳米级平整的待测面；制备与待测半导体材料形成欧姆接触的公共电极；
2)预处理好的试样传入试样表面处理腔(101)内，在试样表面处理台(102)上对试样进行表面弱反型层制备，可以通过通氧气氛围热处理的方法来获得，也可以采用沉积表面介电层的方法来获得；待测试样的弱反型的表面电势大小介于待测材料的禁带宽度的十分之一到禁带宽度的二分之一。试样表面处理腔(201)内的背景气压不高于10-5托；
3)制备好表面弱反型层的试样通过管道真空传入低温扫描微分电容测量真空腔(201)内的试样低温台(202)上，驱动微分电容扫描头(204)的探针不断接近试样直至接触待测表面；红外光源(401)发出的红外光通过红外窗口(206)使得光斑照射到待测试样的待测区域，测试微分电容信号分布；再在暗背景的条件下测试微分电容信号分布，微分电容信号测试的温度低于待测窄禁带半导体材料红外探测的工作温度；低温扫描微分电容测量真空腔(201)内的气压不高于10-8托；低温试样台(202)的温度范围控制在50开至室温，温度波动不超过1开；
4)在信号处理计算机(302)中将光激发和暗背景下测得的载流子微分电容信号进行差值，得到由光激发少数载流子引起的微分电容信号分布。
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