一種消除光載流子輻射技術半導體材料特性測量裝置的系統頻率響應影響的方法
【專利摘要】本發明涉及一種消除光載流子輻射技術半導體材料特性測量裝置的系統頻率響應影響的方法，基于半導體材料對強度周期性調制的聚焦激勵光束吸收后產生的紅外輻射，通過收集和測量光載流子輻射信號測量半導體材料特性參數；通過改變激勵光束強度的調制頻率，得到光載流子輻射信號與調制頻率的關系曲線；通過改變聚焦透鏡和樣品之間的間距，得到不同激勵光束光斑尺寸下光載流子輻射信號與調制頻率的關系曲線；通過分析不同激勵光束光斑尺寸下光載流子輻射信號與調制頻率的關系曲線，得到測量裝置的頻率響應函數并消除其對半導體材料特性測量的影響。本發明彌補了傳統方法測量誤差較大對測量精度的影響，提高了半導體材料特性參數的測量精度。
【專利說明】一種消除光載流子輻射技術半導體材料特性測量裝置的系統頻率響應影響的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及在半導體材料特性測量過程中消除系統頻率響應影響，特別涉及一種消除光載流子輻射技術半導體材料特性測量裝置的系統頻率響應影響的方法。
【背景技術】
[0002]隨著半導體原材料向大直徑低缺陷方向發展，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，提高器件穩定性和良品率，要求在材料加工工藝中，對材料特性進行精確快速地在線監測和無損表征。一種基于室溫調制光致發光技術的光載流子福射(PCR:Photo-Carrier Radiometry)技術已經被提出，并廣泛應用于半導體材料性能的檢測。
[0003]由于濾除了熱波信號的影響，光載流子輻射技術測量的信號僅與探測區域內光激發產生的載流子濃度和材料內部的缺陷能級有關，相比工業上廣泛應用的熱波測量方法，具有信號穩定，靈敏度高等諸多優點，具有較強的工業化應用潛力。然而，在光載流子輻射測量的過程中不可避免的存在諸如激光器、探測器和鎖相放大器等儀器的頻率響應的影響。針對測量系統的頻率響應的影響，傳統的處理方法是把激勵光的散射光或者衰減后的聚焦光直接照射到探測器的響應面上，采用鎖相放大器記錄不同頻率下的信號作為系統的頻率響應，然后把測量數據與得到的系統頻率響應進行比較(振幅相除，相位相減)，即認為已消除了系統頻率響應的影響。事實上，探測器和鎖相放大器等儀器對于不同波長光的頻率響應函數不同，使得系統頻率響應的影響并未得到準確和有效地消除，從而降低了半導體材料特性參數測量的精度和可信度。
【發明內容】
[0004]本發明要解決的技術問題為:克服現有技術的不足，提供一種消除光載流子輻射技術半導體材料特性測量裝置的系統頻率響應影響的方法，以解決現有技術存在的問題，同時能夠在測量裝置中獲取系統的頻率響應函數，應用于其他樣品測量結果的分析處理。
[0005]本發明解決上述技術問題采用的技術方案為:一種消除光載流子輻射技術半導體材料特性測量裝置的系統頻率響應影響的方法，其包括如下步驟:
[0006]步驟(I)、將強度周期調制的聚焦激勵光束垂直照射到被測半導體樣品表面，樣品因吸收激勵光束能量在被照射處產生周期性變化的載流子密度波場，載流子經輻射復合產生紅外輻射信號即光載流子輻射信號，經拋物面鏡對收集和光電探測器探測，并通過鎖相放大器解調獲得光載流子輻射信號的交流信號；
[0007]步驟(2)、改變激勵光束強度的調制頻率，重復步驟(I)得到一個聚焦透鏡和樣品表面間距時每一頻率所對應的光載流子輻射信號，包括一次諧波振幅值和相位值；
[0008]步驟(3)、改變聚焦透鏡與樣品表面間距，重復步驟(I)和(2)得到不同間距時每一個頻率所對應的光載流子輻射信號，包括一次諧波振幅值和相位值；[0009]步驟(4)、處理步驟(2)和步驟(3)得到的測量數據；以初始距離為標準，其他間距下測量的頻率掃描結果數據對其進行比較，其中振幅相除，相位相減，消除光載流子輻射技術半導體材料特性測量裝置的系統頻率響應對半導體材料特性測量的影響，利用多參數擬合程序對消除系統頻率響應影響后的測量數據進行擬合處理，得到待測樣品的特性參數。
[0010]其中，所述的激勵光源采用連續半導體激光器或二極管泵浦的固體激光器或氣體激光器作為光源，且所述激勵光源產生的激勵光的光子能量大于被測半導體的本征半導體禁帶寬度。
[0011]其中，所述的激勵光源產生的激勵光束的強度須被周期性地調制，產生調制激勵光束；調制激勵光束強度可通過調制半導體激光器的驅動電流或電壓，或采用聲光調制器、或電光調制器、或機械斬波器調制連續激光束來實現。
[0012]其中，所述的激勵光源產生的激勵光經反射鏡反射和聚焦透鏡聚焦后垂直入射到樣品表面。
[0013]其中，通過精密位移平臺來改變聚焦透鏡與被測樣品表面的間距，從而改變聚焦到樣品表面的激勵光束的光斑尺寸大小。
[0014]其中，所述的收集光載流子輻射信號的拋物面鏡對和光電探測器放置在被測樣品后表面或前表面，前表面時需加濾光片，該濾光片濾除激勵光束的散射光。
[0015]其中，通過選擇適當組數的透鏡與被測樣品間距更有效地消除光載流子輻射技術半導體材料特性測量裝置的系統頻率響應對半導體材料特性測量的影響，提高測量待測半導體材料特性參數的精度。
[0016]本發明的原理是:
[0017]基于半導體材料對強度周期性調制的聚焦激勵光束吸收后產生的紅外輻射(光載流子輻射)，通過收集和測量光載流子輻射信號測量半導體材料特性參數；通過改變激勵光束強度的調制頻率，得到光載流子輻射信號與調制頻率的關系曲線；通過改變聚焦透鏡和樣品之間的間距，得到不同激勵光束光斑尺寸下光載流子輻射信號與調制頻率的關系曲線；通過分析不同激勵光束光斑尺寸下光載流子輻射信號與調制頻率的關系曲線，得到測量裝置的頻率響應函數并消除其對半導體材料特性測量的影響，從而獲得半導體材料的特性參數。本發明彌補了傳統的光載流子輻射技術測量裝置系統頻率響應測量方法由于測量誤差較大對半導體材料特性測量精度的影響，提高了半導體材料特性參數的測量精度。
[0018]本發明提供的一種消除光載流子輻射技術半導體材料特性測量裝置的系統頻率響應影響的方法，該方法步驟原理在于:
[0019](I)將強度周期調制的激勵光經反射鏡反射和透鏡聚焦后垂直照射到待測半導體樣品表面，樣品因吸收激勵光能量在被照射處產生周期性變化的載流子密度波場，載流子經輻射復合產生紅外輻射(光載流子輻射)信號Srai，經拋物面鏡對收集和光電探測器探測，并通過鎖相放大器解調獲得光載流子輻射信號的交流信號；
[0020](2)改變激勵光束強度的調制頻率f，重復步驟(I)得到一個聚焦透鏡和樣品表面間距屯，即初始位移z = O時每一頻率所對應的光載流子輻射信號，包括一次諧波振幅值AmpPCE_M (f, z = 0)和相位值 PhaPCK_M(f, z = O)；
[0021](3)改變聚焦透鏡與樣品表面間距為d = d0+z,重復步驟(I)和(2)得到不同間距d，即不同位移z時每一頻率所對應的光載流子輻射信號，包括一次諧波振幅值AmpPCE_M (f, z)和相位值 Ph
aPCE-M (f, z);
[0022](4)處理步驟(2)和步驟(3)得到的測量數據；以初始距離為標準，其他間距下測量的頻率掃描結果數據對其進行比較(振幅相除，相位相減)，消除光載流子輻射技術半導體材料特性測量裝置的系統頻率響應對半導體材料特性測量的影響，利用多參數擬合程序對消除系統頻率響應影響后的測量數據進行擬合處理，得到待測樣品的特性參數。
[0023]在同一光載流子輻射技術半導體材料特性測量裝置中，系統頻率響應函數是一定的。當改變聚焦到樣品表面的激勵光的光斑尺寸時，假設系統頻率響應函數未發生變化(這一假設的正確性在實驗中得到了驗證)，則不同光斑尺寸時測量結果SrcK_M(f，br)中均包含有真實的信號SrcK_K(f，br)和相同的系統頻率響應函數Sra_s(f)，可表示為Spce-M (f, br) = SPCE_E (f, br).SPCE_s (f)。如果以初始光斑尺寸為標準,其他光斑尺寸下測量的頻率掃描結果數據對其進行比較(振幅相除，相位相減)，即SrcK_M(f，br)/SPCE_M(f, br0)=SPCE_E (f，br) /SPCE_E (f，br0)，則可消除測量裝置的系統頻率響應的影響。由于測量中需多次改變光斑尺寸，為了避免多次測量光斑半徑時增加測量的誤差，可將改變光斑尺寸等效為改變聚焦透鏡與樣品表面的間距。如果以聚焦后光束的束腰位置為坐標原點，偏
離束腰位置不同距離下的光斑尺寸為
【權利要求】
1.一種消除光載流子輻射技術半導體材料特性測量裝置的系統頻率響應影響的方法，其特征在于包括如下步驟: 步驟(I)、將強度周期調制的聚焦激勵光束垂直照射到被測半導體樣品表面，樣品因吸收激勵光束能量在被照射處產生周期性變化的載流子密度波場，載流子經輻射復合產生紅外輻射信號即光載流子輻射信號，經拋物面鏡對收集和光電探測器探測，并通過鎖相放大器解調獲得光載流子輻射信號的交流信號； 步驟(2)、改變激勵光束強度的調制頻率，重復步驟(I)得到一個聚焦透鏡和樣品表面間距時每一頻率所對應的光載流子輻射信號，包括一次諧波振幅值和相位值； 步驟(3)、改變聚焦透鏡與樣品表面間距，重復步驟(I)和(2)得到不同間距時每一個頻率所對應的光載流子輻射信號，包括一次諧波振幅值和相位值； 步驟(4)、處理步驟(2)和步驟(3)得到的測量數據；以初始距離為標準，其他間距下測量的頻率掃描結果數據對其進行比較，其中振幅相除，相位相減，消除光載流子輻射技術半導體材料特性測量裝置的系統頻率響應對半導體材料特性測量的影響，利用多參數擬合程序對消除系統頻率響應影響后的測量數據進行擬合處理，得到待測樣品的特性參數。
2.根據權利要求1所述的消除光載流子輻射技術半導體材料特性測量裝置的系統頻率響應影響的方法，其特征在于:所述的激勵光源采用連續半導體激光器或二極管泵浦的固體激光器或氣體激光器作為光源，且所述激勵光源產生的激勵光的光子能量大于被測半導體的本征半導體禁帶寬度。
3.根據權利要求1所述的消除光載流子輻射技術半導體材料特性測量裝置的系統頻率響應影響的方法，其特征在于:所述的激勵光源產生的激勵光束的強度須被周期性地調制，產生調制激勵光束；調制激勵光束強度可通過調制半導體激光器的驅動電流或電壓，或采用聲光調制器、或電光調制器、或機械斬波器調制連續激光束來實現。
4.根據權利要求1所述的消除光載流子輻射技術半導體材料特性測量裝置的系統頻率響應影響的方法，其特征在于:所述的激勵光源產生的激勵光經反射鏡反射和聚焦透鏡聚焦后垂直入射到樣品表面。
5.根據權利要求1所述的消除光載流子輻射技術半導體材料特性測量裝置的系統頻率響應影響的方法，其特征在于:通過精密位移平臺來改變聚焦透鏡與被測樣品表面的間距，從而改變聚焦到樣品表面的激勵光束的光斑尺寸大小。
6.根據權利要求1所述的消除光載流子輻射技術半導體材料特性測量裝置的系統頻率響應影響的方法，其特征在于:所述的收集光載流子輻射信號的拋物面鏡對和光電探測器放置在被測樣品后表面或前表面，前表面時需加濾光片，該濾光片濾除激勵光束的散射光。
7.根據權利要求1所述的消除光載流子輻射技術半導體材料特性測量裝置的系統頻率響應影響的方法，其特征在于:通過選擇適當組數的透鏡與被測樣品間距更有效地消除光載流子輻射技術半導體材料特性測量裝置的系統頻率響應對半導體材料特性測量的影響，提高測量待測半導體材料特性參數的精度。
【文檔編號】G01N21/63GK103543130SQ201310483402
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年10月15日 優先權日:2013年10月15日
【發明者】李斌成, 王謙 申請人:中國科學院光電技術研究所