摘要：少數(shù)載流子壽命是衡量半導(dǎo)體材料性能的關(guān)鍵參數(shù)之一，文中介紹了光電導(dǎo)衰退法少數(shù)載流子壽命測(cè)試系統(tǒng)。闡述了光電導(dǎo)衰退法測(cè)試原理，分析了測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成，以及光脈沖下降沿時(shí)間、微弱信號(hào)放大處理、前放帶寬、精密定位等關(guān)鍵技術(shù)，其主要性能指標(biāo)是：少數(shù)載流子壽命測(cè)試范圍：10*-7 ~6 *10-6；可測(cè)樣品尺寸：小于20mm；單色光光點(diǎn)大小：Φ0.3mm；測(cè)試數(shù)據(jù)穩(wěn)定度優(yōu)于10%。
關(guān)鍵詞： 少數(shù)載流子壽命； 光電導(dǎo)衰退法； 測(cè)試系統(tǒng)

引言
　　衡量紅外探測(cè)器性能的主要技術(shù)指標(biāo)是探測(cè)率和響應(yīng)率，而該指標(biāo)與制作紅外探測(cè)器的各種半導(dǎo)體材料（碲鎘汞、銻化銦、硅等）的少數(shù)載流子壽命有著密切的關(guān)系。通過研究少數(shù)載流子壽命，了解其壽命的復(fù)合機(jī)構(gòu)，更好地掌握材料性能，可有效地進(jìn)行晶片篩選，提高器件成品率和性能。少數(shù)載流子壽命的測(cè)試方法有多種，但對(duì)于工藝線上的在線測(cè)試而言，要求簡潔方便且為非破壞性測(cè)試。文中采用光電導(dǎo)衰退法（PCD）測(cè)量半導(dǎo)體材料的少數(shù)載流子壽命及其空間分布直觀、準(zhǔn)確、可靠。該系統(tǒng)采用雙光路折反射設(shè)計(jì)，適用窗口封裝于底面和側(cè)面杜瓦瓶樣品的測(cè)試。操作軟件以Windows98, 為平臺(tái)，可自動(dòng)或半自動(dòng)測(cè)試，其步進(jìn)精度高，壽命測(cè)試范圍寬。

測(cè)試原理
　　少數(shù)載流子壽命（體）定義為在一均勻半導(dǎo)體中少數(shù)載流子在產(chǎn)生和復(fù)合之間的平均時(shí)間間隔。在一定溫度條件下，處于熱平衡狀態(tài)的半導(dǎo)體，載流子濃度是一定的，當(dāng)用某波長的光照射半導(dǎo)體材料，如果光子的能量大于禁帶寬度，位于價(jià)帶的電子受激發(fā)躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生電子’空穴對(duì)，形成非平衡載流子⊿n ⊿p，對(duì)于n型材料非平衡電子稱為非平衡多數(shù)載流子，非平衡空穴稱為非平衡少數(shù)載流子，對(duì)-型材料則相反。用光照使半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生非平衡載流子的方法稱為非平衡載流子的光注入。光注入時(shí)，半導(dǎo)體電導(dǎo)率的變化為：
　　　　　　　　　　　　⊿σ=⊿nqμn+⊿pqμp（1）
假設(shè)符合下列條件：
（1） 樣品所加的電場(chǎng)很小，以至少數(shù)載流子的漂移導(dǎo)電電流可忽略；
（2） 樣品是均勻的，即p0或n0在樣品各處是相同的；
（3） 在樣品中沒有陷阱存在（即符合⊿n=⊿p）；
（4） 表面復(fù)合可以忽略不計(jì)；
（5） 小注入條件。
公式（2）可簡化為：
　　　　　　　　　⊿σ=⊿pq（μn+μp） （2）
如果在t=0 時(shí)，光照突然停止，光生載流子由于復(fù)合效應(yīng)，其濃度隨時(shí)間減小至平衡態(tài)。載流子濃度變化率用下式表示：
　　　　　　　　　　
式中τp—少數(shù)載流子空穴復(fù)合壽命，在t=0 時(shí)，⊿p（t）=（ ⊿p）\-o，這就是說非平衡載流子濃度隨時(shí)間的變化按指數(shù)規(guī)律衰減，若t=τp，則⊿p（t）=（ ⊿p）o/e求出非平衡載流子濃度減少到原值的1/e的時(shí)間就可得到少數(shù)載流子壽命。將公式（3）公式（2）得：

可見，⊿σ正比于非平衡載流子濃度⊿p（t），其亦呈指數(shù)衰減的規(guī)律，故通過觀察光照停止后電導(dǎo)率的變化可得到少數(shù)載流子壽命值。⊿σ的變化可用圖. 所示的裝置觀察，其中R>=τ，不論光照與否通過半導(dǎo)體的電流, 近似不變，半導(dǎo)體兩端電壓降V=I*τ

光照后由于光生載流子的作用，引起電壓的變化⊿V:

通過測(cè)量電壓波形從zui大值下降到其1/e的時(shí)間，就可得到少數(shù)載流子壽命τp。以上就是PCD法測(cè)量少數(shù)載流子壽命的基本原理。

3試系統(tǒng)組成及關(guān)鍵技術(shù)
3.1測(cè)試系統(tǒng)組成
少數(shù)載流子壽命測(cè)試系統(tǒng)原理如圖2所示。

3.2主要部分關(guān)鍵技術(shù)
（1） 激光發(fā)射器組件
　　 激光發(fā)射器組件由激光激勵(lì)電路和脈沖激光發(fā)射器組成。其中脈沖激勵(lì)重復(fù)頻率為200Hz，光脈沖下降沿時(shí)間小于15ns，該參數(shù)直接影響壽命的測(cè)試低限。
激光發(fā)射管是GaAs/GaAlAs: 異質(zhì)結(jié)單管激光器輸出波長0.83μs，峰值功率5W，發(fā)散角15o×30 o，結(jié)面積10ns×150ns，安裝在光學(xué)系統(tǒng)的入射焦面上。
（2） 光學(xué)聚焦折反射系統(tǒng)
　　光學(xué)聚焦折反射系統(tǒng)主要用于實(shí)現(xiàn)光子流的匯聚。為了調(diào)節(jié)光強(qiáng)方便和消除像差，采用雙透鏡系統(tǒng)，其原理如圖3 所示。激光發(fā)射器發(fā)出的光經(jīng)透鏡組’ 變?yōu)槠叫泄猓綖V光片（為防止大注入現(xiàn)象而衰減光強(qiáng)），經(jīng)折反射鏡片后分為兩束光，一束經(jīng)鏡頭組5匯聚到直窗杜瓦瓶焦面，另一束經(jīng)鏡頭組7匯聚到側(cè)窗杜瓦瓶焦面。其中濾光片3是為防止大注入產(chǎn)生而設(shè)計(jì)的，可根據(jù)不同的半導(dǎo)體材料來選擇合適的濾光效果。

（3） 閉環(huán)精密微動(dòng)裝置
　　由精密步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的X-Y微動(dòng)平臺(tái)，裝有讀數(shù)光柵尺，具有準(zhǔn)確初始定位功能。光學(xué)系統(tǒng)置于精密平臺(tái)上，由計(jì)算機(jī)發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，通過讀取光柵尺數(shù)值監(jiān)測(cè)X-Y位置的變化，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)償，從而達(dá)到閉環(huán)控制，使步進(jìn)精度達(dá)到2ns。
（4） 測(cè)試杜瓦瓶
　　對(duì)于碲鎘汞和銻化銦等材料而言，用其制作的紅外探測(cè)器都在低溫狀態(tài)下工作，因此也需在低溫下測(cè)試其少數(shù)載流子壽命，測(cè)試杜瓦瓶是引入系統(tǒng)噪聲的主要原因，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種杜瓦瓶，不論在結(jié)構(gòu)上還是引線連接方式上都作了特殊處理，有效地保證了信號(hào)傳輸、降低了噪聲。
（5） 微弱信號(hào)放大及顯示采樣
　　由光激發(fā)產(chǎn)生的信號(hào)極其微弱且噪聲較高，放大信號(hào)、抑制噪聲是準(zhǔn)確測(cè)量的關(guān)鍵，對(duì)前置放大器要求有足夠的帶寬（10Hz50MHz）和增益，以滿足測(cè)量范圍和大面積樣品的要求。我們選用進(jìn)口前置放大器及輔助電路，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)放大HP54616B存儲(chǔ)示波器用來完成放大器輸出波形的顯示，下降沿時(shí)間的測(cè)量和數(shù)字化傳輸。該示波器頻帶寬度為500MHz，zui大采樣頻率2GSa/s，水平分辨率20ps，電壓靈敏度20Mv/div5V/div。
（6） 計(jì)算機(jī)采樣和控制部分
　　計(jì)算機(jī)完成微動(dòng)平臺(tái)控制，光柵尺數(shù)據(jù)讀取，少數(shù)載流子壽命數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理等功能。
通過I/O接口發(fā)出X-Y方向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使精密平臺(tái)移動(dòng)，計(jì)算機(jī)不斷讀取光柵尺返回?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正，確保X-Y平臺(tái)移動(dòng)精度。通過GPIB488接口與HP54616B存儲(chǔ)示波器通訊，完成初始化、下降沿時(shí)間的讀取。在WIN98上應(yīng)用測(cè)試軟件TESTPOINT平臺(tái)設(shè)計(jì)各測(cè)試、顯示程序。軟件功能強(qiáng)大，可完成對(duì)不同半導(dǎo)體樣品的自動(dòng)和半自動(dòng)測(cè)試，單步步長任意可調(diào)。測(cè)試完畢計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成數(shù)據(jù)處理并產(chǎn)生各種報(bào)表文件，供用戶進(jìn)行二次處理、記錄存盤、打印輸出。

4系統(tǒng)主要性能指標(biāo)
（1） 載流子壽命測(cè)試范圍:10*-7 ~6 *10-6S
（2） 可測(cè)樣品尺寸：小于20mm；
（3） X-Y平臺(tái)單步步長范圍：1-4mm；
（4） 單色光光點(diǎn)大小：Φ0.3mm；
（5） 測(cè)試數(shù)據(jù)穩(wěn)定度：優(yōu)于10%。

5結(jié)論
　　研究中對(duì)影響系統(tǒng)主要性能的光脈沖下降沿時(shí)間和前放帶寬進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，對(duì)抑制噪聲提高信噪比采取了特殊措施。該測(cè)試系統(tǒng)已分別對(duì)碲鎘汞和銻化銦樣品進(jìn)行了長時(shí)間測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠。已有一套系統(tǒng)出口。