作為表征半導體材料和器件性能的重要物理參數,載流子輸運參數(體復合壽命、遷移率、擴散系數、表面復合速率等)的測量受到科研和工業(yè)界的廣泛關注,是半導體檢測領域的熱點。光載流子輻射測量(Photocarrier Radiometry, PCR)是一種基于頻域鎖相檢測原理的載流子輸運參數測量技術,具有高信噪比、無損、全光、非接觸等優(yōu)點,已經成功應用于多種半導體材料和器件的局域載流子輸運參數測量。隨著半導體基底材料向著大尺寸的方向發(fā)展,局域點檢測已經不能滿足需求,發(fā)展面檢測成像技術勢在必行。2010年,利用近紅外InGaAs相機、以PCR技術為基礎的鎖相載流子輻射成像技術(Lock-in Carrierography, LIC)應運而生。本論文進一步完善了PCR技術,并在此基礎上開展了LIC定量成像技術的研究,主要工作可以概括為以下三個方面。建立了更加完備的PCR理論,完善了PCR測量技術PCR技術是LIC技術的基礎,傳統(tǒng)的PCR理論沒有考慮信號的非線性特性,本論文深入分析了PCR信號的非線性特征,建立了兩套理論模型：冪函數模型和n-p product模型。前者是從部分實驗現(xiàn)象中總結出的經驗規(guī)律；后者基于嚴格的光載流子復合理論,從完備的非線性偏微分方程組出發(fā)推導得出。理論分析和實驗研究結果表明,n-p product模型能更準確地描述信號的非線性特征,是更加完善的PCR理論模型。此外,建立了PN結太陽能電池在開路和短路狀態(tài)下的PCR解析理論,通過理論模型對實驗數據的擬合,首次實現(xiàn)了PCR技術對多晶硅太陽能電池的硅基載流子體壽命測量。同時,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參數之間的解析關系,并區(qū)分了穩(wěn)態(tài)和頻域模式所測得的不同壽命,為不同檢測技術的測量結果提供了可比性的理論依據�；趯嶒炛袦y得的單晶硅片的載流子輸運參數,估算出等效載流子壽命,同微波光電導衰減技術的測量結果一致。二、建立了低頻LIC定量成像方法,實現(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)中相機的相位信號校準方法。相機記錄的原始數據顯示,始終存在一個系統(tǒng)附加相位疊加在真實信號上。采用白紙作為零相位滯后反射體,記錄相機在不同光學密度的中性衰減片下的相位和幅度信息,對每一個像素點的數據進行分析,得到了相機相位校準矩陣。實驗結果表明該校準方法可以準確恢復相位信號�；谏鲜鱿辔恍史椒�,在不同調制頻率下,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,對相機每個像素點的相位頻率數據進行擬合,得到該點的等效載流子壽命,最終實現(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,突破了相機采樣速率的瓶頸,實現(xiàn)了高頻LIC成像受近紅外相機幀率和曝光時間的限制,在傳統(tǒng)鎖相模式下,相機無法實現(xiàn)對高頻信號的采樣。成像頻率的瓶頸導致無法區(qū)分載流子的表面復合和體復合壽命,同時也無法實現(xiàn)深度選擇性成像,這使得頻域技術的獨特優(yōu)勢無法在LIC技術中發(fā)揮。本論文提出外差鎖相成像方法,基于載流子輻射復合信號的非線性特性,利用非線性混頻,構造出了攜帶高頻信息的低頻信號分量,該低頻信號可以很好地被相機記錄,從而實現(xiàn)了從低頻(100Hz)到高頻(20kHz)的外差LIC成像,突破了近紅外相機采樣速率的限制。其次,建立了外差PCR理論,解釋了外差信號產生的物理機理,并對實驗測得的單晶硅片的外差頻率響應數據進行擬合,得到了載流子輸運參數。擬合結果同傳統(tǒng)零差PCR技術測得的結果一致性很好。同時,利用零差和外差LIC成像系統(tǒng),實現(xiàn)了對多晶硅太陽能電池從10Hz到20kHz的鎖相成像。建立了硅太陽能電池在開路狀態(tài)下的外差PCR解析理論,利用理論模型對相機記錄的外差幅度頻率響應數據的擬合,實現(xiàn)了外差LIC技術對太陽能電池的硅基載流子體壽命的測量。LIC不僅有望為微電子、光電子、傳感器、光伏能源等半導體材料科學領域的基礎創(chuàng)新研究服務,而且具有廣闊的工業(yè)在線無損檢測應用前景。
【學位單位】：電子科技大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：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產品照片；（ｂ）桂片的等效載流子壽命圖像逡逑目前來看，Ｈ－ＰＣＤ技術主要存在Ｗ下幾點不足之處：逡逑第一，就檢測原理而言，＾ｉ－ＰＣＤ實際上是基于傳統(tǒng)的累浦檢測模式逡逑（ｐｕｍｐ－ｐｒｏｂｅ），即用光激發(fā)載流子，然后用微波來測量電導率的變化，這意味著逡逑n,量系統(tǒng)需要兩套＂光路＂。而近年來新興的技術，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)點外，省去了檢測逡逑光路，只需要一束累浦光即可。因此，只要徏些新興技術在測量精度上可Ｗ和Ｍ－ＰＣＤ逡逑比擬，那么就系統(tǒng)簡潔度、成本而言，新興技術完全可Ｗ取代Ｍ－ＰＣＤ。逡逑第二，只能得到等效載流子壽命圖。受測量原理的限制，＾ｉ－ＰＣＤ只能測量樣逡逑品內總的載流子密度隨著時間變化的衰減速率，這正是等效載流子壽命的定義。逡逑Ｈ－ＰＣＤ測量的信號是四個載流子輸運參數（體壽命、擴散系數、前后表面復合速逡逑率）綜合作用的結果，但無法進一步分辨這四個參數。因此，Ｍ－ＰＣＤ成像無法區(qū)逡逑分載流子的表面復合和體復合。需要指出的是，接觸式、非成像的ＰＣＤ技術可逡逑

相機的一大主流應用。但是，受ＩｎＧａＡｓ相機的巾貞率和曝光時間的限制，ＰＬ成像逡逑技術無法像單點探測那樣對高速信號進行時間分辨的記錄。因此，目前基于相機逡逑的ＰＬ成像一般是工作在準穩(wěn)態(tài)模式或是低頻正弦調制的動態(tài)模式下。圖１－８所示逡逑為多晶娃片的準穩(wěn)態(tài)ＰＬ成像示意圖，圖１－９所示為低頻正弦調制的ＰＬ成像。逡逑準穩(wěn)態(tài)ＰＬ成像采用低頻方波調制的激勵光。在一個調制周期內，一般記錄四逡逑幅圖像。利用等時域的等效載流子壽命理論模型，擬合出每一個像素的等效載流逡逑子壽命。低頻正弦調制的動態(tài)化成像原理同準穩(wěn)態(tài)類似，其最大的優(yōu)點在于不需逡逑要校準即可得到載流子壽命圖。逡逑比起ＬＩＴ技術，ＰＬ技術的優(yōu)勢是，其測量到的信號主要是來源于載流子福射逡逑復合。非福射復合Ｗ及晶格去激勵熱福射等信號被ＩｎＧａＡｓ探測器的響應頻段自然逡逑濾除。送樣ＰＬ成像體現(xiàn)的是純粹的載流子行為ＩＷ。此外，近紅外相機不需要制冷，逡逑對測量環(huán)境的要求不像中波相機那么苛刻，且近紅外相機的傾率目前己經可Ｗ達逡逑到數百赫茲。氋速的拍攝性能使得研究載流子的動態(tài)物理行為成為可能。逡逑９逡逑

。臺上，方便定位。由Ｍａｔｌａｂ程序控制儀器讀取數據Ｗ及實現(xiàn)頻率掃描。逡逑基于相機的ＬＩＣ實驗系統(tǒng)逡逑于相機的ＬＩＣ實驗系統(tǒng)是單點ＰＣＲ系統(tǒng)的成像改進，實驗系統(tǒng)框圖如下所逡逑

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本文編號：2807373