半導體材料的鎖相載流子輻射成像.pdf

1、作為表征半導體材料和器件性能的重要物理參數(shù)，載流子輸運參數(shù)（體復合壽命、遷移率、擴散系數(shù)、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(shù)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(shù)測量。
　　隨著半導體基底材料向著大尺寸的方向發(fā)

2、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。
　　一、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

3、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(shù)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

4、實驗數(shù)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(shù)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(shù)，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
　

5、　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(shù)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(shù)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。
　　基于上述相位校準方法，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

6、點的相位頻率數(shù)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

7、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（100 Hz）到高頻（20 kHz）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(shù)據進行擬合，得到了載流子輸運參數(shù)。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