SPM900 系列少子壽命成像測試儀原理說明

非平衡少數(shù)載流子

少數(shù)載流子的壽命是半導(dǎo)體材料的一個(gè)重要參數(shù)，也是評價(jià)半導(dǎo)體質(zhì)量的一個(gè)指標(biāo)。例如在光伏電池中，少子壽命決定了少子擴(kuò)散長度， 決定了光吸收層、內(nèi)建電場區(qū)域的厚度設(shè)計(jì)等重要的器件參數(shù)；載流子壽命也可以反映器件中雜質(zhì)或者缺陷的影響，抑或是存在污染， 進(jìn)行失效分析，對工藝過程進(jìn)行優(yōu)化。

載流子的復(fù)合

在一定溫度下，處于熱平衡狀態(tài)的半導(dǎo)體材料，電子- 空穴對的產(chǎn)生和復(fù)合保持一種動(dòng)態(tài)平衡，載流子濃度是一定的。然而，外界的作用會(huì)破壞這種熱平衡，使其處于與熱平衡相偏離的狀態(tài)，隨之改變的是載流子的濃度， 多于平衡值的載流子就是非平衡載流子。非平衡少數(shù)載流子也稱也稱少子，通常對于半導(dǎo)體器件的性能起到?jīng)Q定性的作用。

當(dāng)外界作用撤掉后，處于非平衡態(tài)的載流子會(huì)通過復(fù)合而產(chǎn)生衰減，直到載流子濃度恢復(fù)到之前的熱平衡狀態(tài)。載流子的復(fù)合方式可以分為三類：SRH 復(fù)合、輻射復(fù)合及俄歇復(fù)合（直接和間接）。

(a) SRH 復(fù)合； (b) 輻射復(fù)合； (c) 直接俄歇復(fù)合；（d）間接俄歇復(fù)合

少子壽命測試

少子壽命的測量通常包括非平衡載流子的注入和檢測兩個(gè)方面，*常用的注入方法是光注入和電注入。對于間接帶隙的半導(dǎo)體，常使用電注入或者微波光電導(dǎo)衰減的方法進(jìn)行少子壽命測試，間接帶隙半導(dǎo)體一般壽命較長， 為毫秒量級(jí)。而對于GaAs 這類的直接間隙半導(dǎo)體，復(fù)合的能量幾乎全部以發(fā)光的形式放出，發(fā)光效率高，壽命較短（典型的壽命在10-8-10-9s），通常使用時(shí)間分辨光致發(fā)光光譜（TRPL）的方法來進(jìn)行測試。

激光掃描少子壽命成像測量儀SPM900

當(dāng)外界作用停止以后，少子的濃度（ΔC）隨時(shí)間t 增長呈指數(shù)衰減的規(guī)律。由以下方程可知，少子的壽命為當(dāng)少子濃度衰減到初始濃度1/e 時(shí)候所經(jīng)歷的時(shí)間。在輻射復(fù)合中，發(fā)光的強(qiáng)度與少子的濃度相關(guān)，因此可以通過檢測發(fā)光的壽命來獲得少子的壽命信息。

當(dāng)在顯微鏡上加載少子壽命測試模塊，就可以得到微區(qū)下半導(dǎo)體器件的少子壽命分布信息，這對于微小型器件的研究及質(zhì)量控制十分重要。激光掃描少子壽命成像儀基于時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，包含顯微鏡主體，激光光源，光子計(jì)數(shù)檢測器，單色儀以及自動(dòng)XY 樣品臺(tái)等部分。位于顯微鏡上的激光光源用于樣品的激發(fā)，通過控制樣品臺(tái)的移動(dòng)，可以進(jìn)行微區(qū)單點(diǎn)少子壽命測量和少子壽命成像。

少子壽命成像測試應(yīng)用

• 外延ZnS 薄膜半導(dǎo)體

• 本征帶- 淺雜質(zhì)復(fù)合

• 半導(dǎo)體中施主- 受主對復(fù)合

• 深能級(jí)復(fù)合

• III-V 族載流子雜質(zhì)俘獲過程研究

• 非輻射中心的電子弛豫及復(fù)合機(jī)制研究

• 半導(dǎo)體外延片缺陷和雜質(zhì)檢測

測試軟件

控制測試界面

數(shù)據(jù)處理界面

功能豐富的熒光壽命數(shù)據(jù)處理軟件，充分挖掘用戶數(shù)據(jù)中的寶貴信息?？勺詣?dòng)對掃描獲得的FLIM 數(shù)據(jù)，逐點(diǎn)進(jìn)行多組分熒光壽命擬合（組分?jǐn)?shù)小于等于4），對逐點(diǎn)擬合獲得的熒光強(qiáng)度、熒光壽命等信息生成偽彩色圖像顯示。

3D 顯示功能

少子壽命測試案例

MicroLED

MicroLED 顯示技術(shù)是指以自發(fā)光的微米量級(jí)的LED 為發(fā)光像素單元，將其組裝到驅(qū)動(dòng)面板上形成高密度LED 陣列的顯示技術(shù)， 在發(fā)光亮度、分辨率、對比度、穩(wěn)定性、能量損耗等方面有很大優(yōu)勢，可以應(yīng)用在AR/VR，可穿戴光電器件，柔性顯示屏等領(lǐng)域。由于MicroLED 的尺寸在微米級(jí)別，因此需要在顯微鏡下進(jìn)行檢測。下圖為使用少子壽命成像系統(tǒng)對直徑為80 微米的MicroLED 微盤進(jìn)行測試。

單組分?jǐn)M合，可以看到紅圈中的污損位置，雖然影響發(fā)光強(qiáng)度，但對發(fā)光壽命沒有影響

鈣鈦礦測試

鈣鈦礦屬于直接帶隙半導(dǎo)體材料，具有高光學(xué)吸收，高增益系數(shù)、高缺陷容忍度、帶隙可調(diào)，制備成本低等優(yōu)點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用在光子學(xué)與光電信息功能器件等領(lǐng)域，例如鈣鈦礦太陽能電池，鈣鈦礦量子點(diǎn)，鈣鈦礦LED 等材料的研究。對于鈣鈦礦中的載流子輻射復(fù)合的研究對于提供器件的光電轉(zhuǎn)換性能有很大的幫助。

以下示例為鈣鈦礦樣品的少子輻射復(fù)合發(fā)光成像和壽命成像。圖中可見此鈣鈦礦樣品有兩個(gè)壽命組分，且不同壽命組分的相對含量也可以從相對振幅成像圖中很直觀的看到。

晶圓級(jí)大尺寸的少子壽命成像測試儀

4、6、8 英寸晶圓樣品測試，可在此基礎(chǔ)上增加小行程電動(dòng)位移臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)百納米至微米尺度的精細(xì)掃描

顯微尺度的少子壽命成像測試儀

參數(shù)指標(biāo)