本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體材料載流子有效壽命測量方法。

背景技術(shù)：

隨著半導(dǎo)體原材料向大直徑低缺陷方向發(fā)展，微電子器件的集成度不斷提高，這對材料的加工工藝和性能檢測提出了更高的要求。為了保證材料能用于器件，提高器件穩(wěn)定性和良品率，要求在材料加工工藝中，對材料特性進(jìn)行精確快速地在線監(jiān)測和無損表征。

目前工業(yè)上最常用的光學(xué)檢測技術(shù)是基于光電導(dǎo)效應(yīng)的微波光電導(dǎo)衰減技術(shù)，可測載流子壽命值從0.1μs到幾個ms間變化。由于該技術(shù)是通過測量微波反射信號的變化表征光激發(fā)過剩載流子濃度的變化，進(jìn)而得到載流子有效壽命值，因此該技術(shù)的測量精度仍然受入射微波強(qiáng)度波動的影響。其他檢測技術(shù)，如自由載流子吸收技術(shù)、調(diào)制光反射技術(shù)等，同樣受探測光強(qiáng)度波動影響而限制其測量精度的提高。其中傳統(tǒng)的自由載流子吸收技術(shù)，由于半導(dǎo)體材料對探測光吸收光程有限，當(dāng)吸收較弱時，該技術(shù)受噪聲影響較大，存在著低吸收損耗情況下信噪比低的缺點(diǎn)，測量精度降低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為解決現(xiàn)有載流子有效壽命測量技術(shù)的不足的問題，提供一種半導(dǎo)體材料載流子有效壽命測量方法。

為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種半導(dǎo)體材料載流子有效壽命測量方法，其特征在于：所述的測量方法的步驟為：

步驟1)：將被測半導(dǎo)體材料垂直于探測光束光軸放置于光學(xué)諧振腔內(nèi)，所述光學(xué)諧振腔由兩塊曲率半徑相同的平凹反射鏡凹面相對垂直于光軸放置組成；

所述的被測半導(dǎo)體材料為雙面拋光樣品；

所述的光學(xué)諧振腔的腔鏡在探測激光波長處的反射率大于99.9％；

步驟2)：將光強(qiáng)周期性方波調(diào)制的連續(xù)探測激光入射到步驟1)中的光學(xué)諧振腔，從光學(xué)諧振腔透射的探測激光由聚焦透鏡聚焦到光電探測器，光學(xué)諧振腔和被測半導(dǎo)體材料對探測激光產(chǎn)生反射、散射和吸收等損耗，光電探測器探測光學(xué)諧振腔輸出的衰蕩信號，當(dāng)衰蕩信號幅值超過設(shè)定閾值時，觸發(fā)快速光開關(guān)關(guān)斷探測激光，記錄此時諧振腔的衰蕩信號或者在周期性調(diào)制信號的下降沿記錄光學(xué)諧振腔的衰蕩信號，得到衰蕩時間常數(shù)τ1；

所述的連續(xù)探測激光光源由半導(dǎo)體激光器、固體激光器或氣體激光器產(chǎn)生，且探測光的光子能量小于被測半導(dǎo)體的本征半導(dǎo)體禁帶寬度；

步驟3)：將一束強(qiáng)度為ipump的連續(xù)泵浦激光斜入射到被測半導(dǎo)體材料表面，被測半導(dǎo)體材料因吸收泵浦激光能量在被照射區(qū)域產(chǎn)生過剩載流子，使得諧振腔內(nèi)總損耗增加，重復(fù)步驟2)得到此時諧振腔的衰蕩時間常數(shù)τ2；所述的泵浦激光斜入射到被測半導(dǎo)體材料表面的位置與探測光束入射位置重合；

所述的過剩載流子由泵浦激光照射被測半導(dǎo)體材料產(chǎn)生，該連續(xù)泵浦激光由半導(dǎo)體激光器或固體激光器或氣體激光器產(chǎn)生，且泵浦激光的光子能量大于被測半導(dǎo)體的本征半導(dǎo)體禁帶寬度；

步驟4)：多次改變泵浦光強(qiáng)度ipump，重復(fù)步驟3)得到不同泵浦光強(qiáng)度時諧振腔的衰蕩時間常數(shù)τ2(ipump)，通過計算得到半導(dǎo)體材料載流子有效壽命。

所述的光學(xué)諧振腔為穩(wěn)定腔或共焦腔，總腔長滿足0<l≤2r，r為腔鏡的曲率半徑。

當(dāng)光學(xué)諧振腔輸出信號幅值高于設(shè)定閾值時，所述的觸發(fā)關(guān)斷探測激光通過以下方式之一實(shí)現(xiàn)：

a.在探測激光器和第一塊平凹反射鏡之間采用快速光開關(guān)來關(guān)閉探測激光，所述的快速光開關(guān)為電光調(diào)制開關(guān)或聲光調(diào)制開關(guān)；

b.利用方波下降沿來關(guān)閉探測激光。

所述的光學(xué)諧振腔的衰蕩信號由示波器或數(shù)據(jù)采集卡記錄。

將步驟(2)和步驟(3)中測得的光腔衰蕩信號按單指數(shù)衰減函數(shù)擬合出諧振腔衰蕩時間常數(shù)τ1和τ2(ipump)，a、b為常數(shù)，根據(jù)公式通過線性擬合步驟(4)中測得的與泵浦光強(qiáng)度ipump的關(guān)系數(shù)據(jù)，計算得到載流子有效壽命為kfit為線性擬合的斜率值，l為諧振腔腔長，hν為泵浦光光子能量，c為真空中光速，d為被測半導(dǎo)體材料厚度，r和α分別為被測半導(dǎo)體材料對泵浦光的反射率吸收系數(shù)，σfca為自由載流子吸收截面。

本發(fā)明基于光腔衰蕩技術(shù)，光腔衰蕩技術(shù)(crd：cavityring-down)是一種具有極高靈敏度的基于高精細(xì)度無源光學(xué)諧振腔的探測技術(shù)，主要應(yīng)用于氣態(tài)物質(zhì)的吸收光譜和高反射率光學(xué)元件的反射率測量方面。注入諧振腔的探測激光在腔內(nèi)經(jīng)過多次往返振蕩使得腔內(nèi)吸收和腔鏡反射損耗大大增加，通過測量諧振腔出射的探測激光能量的指數(shù)衰減時間實(shí)現(xiàn)對痕量氣體濃度和光學(xué)元件反射率的絕對測量。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下：

1)、本發(fā)明在測量載流子有效壽命時不受探測光強(qiáng)度波動的影響，提高了半導(dǎo)體材料載流子有效壽命的測量精度；

2)、本發(fā)明在測量載流子有效壽命時極大地增加了被測半導(dǎo)體材料對探測激光吸收光程，增大了低吸收損耗情況下信噪比，提高了測量靈敏度；

3)、本發(fā)明采用諧振腔增加對探測激光吸收光程，可以通過減小兩反射鏡間的距離制作便攜設(shè)備，具有測量裝置簡單、成本低、精度高等優(yōu)點(diǎn)；

光腔衰蕩技術(shù)具有測量精度高，反應(yīng)靈敏，對探測激光強(qiáng)度波動不敏感等諸多優(yōu)點(diǎn)。因此，利用該技術(shù)可以提高對探測激光的吸收光程，同時避免探測激光強(qiáng)度波動的影響，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體材料載流子有效壽命的精確測量。

附圖說明

圖1為本發(fā)明光學(xué)諧振腔輸出信號幅值高于設(shè)定閾值時在方波下降沿關(guān)斷探測激光束測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明當(dāng)光學(xué)諧振腔輸出信號幅值高于設(shè)定閾值時采用快速光開關(guān)關(guān)斷探測激光測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為根據(jù)本發(fā)明計算得到的腔衰蕩時間常數(shù)倒數(shù)差δ與泵浦光強(qiáng)度ipump的關(guān)系曲線；

附圖標(biāo)記如下：

圖中：1為連續(xù)探測激光光源；2為曲率半徑為r的平凹反射鏡；3為被測半導(dǎo)體材料；4為曲率半徑為r的平凹反射鏡；5為聚焦透鏡；6為光電探測器；7為數(shù)據(jù)采集卡；8為計算機(jī)；9為函數(shù)發(fā)生卡；10為泵浦激光光源；11為可調(diào)衰減片；12為快速光開關(guān)。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明的原理是：

基于半導(dǎo)體材料對光子能量大于半導(dǎo)體禁帶寬度的連續(xù)泵浦激光吸收后產(chǎn)生過剩載流子，當(dāng)采用另外一束光子能量低于半導(dǎo)體禁帶寬度的強(qiáng)度周期性方波調(diào)制的探測激光入射到材料相同位置時，由于過剩載流子對探測激光的吸收作用，導(dǎo)致透射半導(dǎo)體材料后探測光束強(qiáng)度減小，如果將樣品放置于穩(wěn)定光學(xué)諧振腔，高反射率腔鏡對探測激光的反射振蕩使得探測激光被過剩載流子多次吸收，收集和測量光學(xué)諧振腔輸出的探測激光強(qiáng)度指數(shù)衰蕩信號，通過計算得到半導(dǎo)體材料載流子有效壽命。

實(shí)施例1：

本發(fā)明一種半導(dǎo)體材料載流子有效壽命測量方法具體實(shí)施例的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。連續(xù)探測激光光源1選用半導(dǎo)體激光器，采用方波調(diào)制輸出；兩塊平凹反射鏡2和4在連續(xù)探測激光光源1輸出波長處的反射率大于99.9％；衰蕩腔為穩(wěn)定光學(xué)諧振腔，腔長滿足0<l≤2r；兩塊平凹反射鏡和被測半導(dǎo)體材料3(被測半導(dǎo)體材料為雙面拋光樣品)垂直于探測激光放置，且使探測激光從鏡面中心和被測半導(dǎo)體材料所需探測位置通過，隨著探測激光注入，諧振腔能量逐漸增加，當(dāng)探測激光被迅速關(guān)斷后，諧振腔內(nèi)能量會由于樣品吸收和腔鏡透射而減小，部分探測激光能量從第二塊平凹高反鏡4輸出，然后由聚焦透鏡5聚焦到光電探測器6，由探測器輸出信號并由數(shù)據(jù)采集卡7記錄，最后由計算機(jī)8存儲和計算，連續(xù)探測激光光源1采用函數(shù)發(fā)生卡9方波同步調(diào)制輸出，在方波下降沿處探測光束被快速關(guān)斷，當(dāng)光學(xué)諧振腔輸出信號幅值在方波下降沿處大于預(yù)先設(shè)定閾值時，計算機(jī)8控制數(shù)據(jù)采集卡7采集衰蕩信號。將采集的衰蕩信號利用單指數(shù)衰減函數(shù)擬合，a、b為常系數(shù)，得到諧振腔衰蕩時間常數(shù)τ1，計算得到探測激光經(jīng)過諧振腔和樣品后的總損耗。然后將泵浦激光光源10輸出的連續(xù)泵浦激光斜入射到被測半導(dǎo)體材料相同位置，采用同樣的方法記錄此時的諧振腔衰蕩信號，得到此時的諧振腔衰蕩時間常數(shù)τ2。通過可調(diào)衰減片11改變泵浦激光強(qiáng)度ipump，得到不同泵浦光強(qiáng)度時諧振腔衰蕩時間常數(shù)τ2(ipump)，再根據(jù)公式通過線性擬合δ與泵浦光強(qiáng)度ipump的關(guān)系數(shù)據(jù)，計算得到載流子有效壽命為kfit為線性擬合的斜率值，l為諧振腔腔長，hν為泵浦激光光子能量，c為真空中光速，d為被測半導(dǎo)體材料厚度，rpump和α分別為被測半導(dǎo)體材料對泵浦激光的反射率和吸收系數(shù)，σfca為自由載流子吸收截面，η為光電轉(zhuǎn)化效率。

實(shí)施例2：

本發(fā)明中探測激光的關(guān)斷也可以通過快速光開關(guān)實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。具體實(shí)施過程與實(shí)施例1相同，區(qū)別在于，在探測激光光源和腔鏡2之間加入快速光開關(guān)12，并由計算機(jī)控制。當(dāng)采集到的諧振腔輸出信號幅值大于預(yù)先設(shè)定閾值時，觸發(fā)快速光開關(guān)關(guān)閉探測激光。

圖3為根據(jù)本發(fā)明對半導(dǎo)體單晶硅材料載流子有效壽命進(jìn)行計算的一個具體結(jié)果。計算中，被測單晶硅參數(shù)設(shè)置為：n型，雙面拋光，厚度l為300μm，摻雜濃度nd為1×10¹⁵cm^-3。其他參數(shù)設(shè)置：諧振腔腔長l為0.5m，泵浦激光光子能量hν為1.49ev，單晶硅對泵浦激光的反射率rpump為0.3，單晶硅對泵浦光的吸收系數(shù)為6.6×10⁴m^-1，自由載流子對探測激光的吸收截面σfca為2.56×10¹⁸cm²，光電轉(zhuǎn)化效率η為1。圖3結(jié)果表明，載流子有效壽命的變化對諧振腔衰蕩信號具有較大的影響，因此可以通過該方法對被測半導(dǎo)體材料載流子有效壽命進(jìn)行測量。另外，通過線性擬合的方式對多個泵浦激光強(qiáng)度下衰蕩時間常數(shù)進(jìn)行擬合，可以進(jìn)一步提高參數(shù)測量精度。

以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。