專利名稱：一種用于半導(dǎo)體材料特性表征的方法及其系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體材料性能測量表征的方法的方法及其系統(tǒng)。，更確切地說，本發(fā)明提供一種基于雙波長或多波長變頻測量表征的半導(dǎo)體材料特性能的方法及其系統(tǒng)。屬于半導(dǎo)體測試技術(shù)領(lǐng)域。
背影技術(shù)自上世紀(jì)六十年代半導(dǎo)體材料獲得廣泛應(yīng)用以來，對半導(dǎo)體材料快捷方便地進(jìn)行檢測一直是人們所期望的，為此已發(fā)展出了各種電學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)及光電等方法，測量技術(shù)也不斷進(jìn)步，已有種類繁多的產(chǎn)品測量儀器出現(xiàn)。隨著近廿年來一些新型半導(dǎo)體材料如量子阱超晶格微結(jié)構(gòu)材料、寬禁帶材料等的高速發(fā)展，對其檢測方法也提出了新的要求。對于半導(dǎo)體材料特征的判斷，主要是通過測量其各種電學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)及光電等特性，并對有關(guān)測量結(jié)果和數(shù)據(jù)進(jìn)行符合實(shí)際的理論分析和比較，從而得出有價值的結(jié)論。在種類繁多的測量參數(shù)中，由半導(dǎo)體材料的本征性質(zhì)以及雜質(zhì)和缺陷等諸多因素共同決定的光電導(dǎo)和光電容等特笥可以反映其諸多特征，并與半導(dǎo)體材料的質(zhì)量有相當(dāng)直接的關(guān)聯(lián)。目前已經(jīng)得到應(yīng)用于半導(dǎo)體材料特性表征的有光電導(dǎo)譜、光伏譜和光電容譜等測量方法的報道(1)Marfaing Y.In，Handbook onSemiconductor，eds by Moss T S et al.North Holland Pibl.，1980(2)Mort J and Pai D M，photoconductivity and Related Phonomens，NorthHolland Pibl.，1976
(3)MossT Set al.SemiconductorOpto-electronics.Butterworth&Co.(London)，1973(4)Long D and Schinit J L.Infrared Detectors.InSemicomductors andSemimetals Vol.5，eds by Willardson and Beer.，Acad Press，1970(5)Keramidas V G et al.，III-V Opto-electronics Epitaxy and Devices RelatedProcesses，The Electrochemical Soc.Inc.，1983然而，這些方法都具有一定的局限性，主要表現(xiàn)在測量中常需要較復(fù)雜的光譜儀等，輸出光譜較平坦并具有合適功率輸出的寬譜測量光源難以獲得，測量中花費(fèi)的時間較長，綜合測量成本較高，測量結(jié)果判讀較復(fù)雜缺乏直觀性、難以得到材料中對應(yīng)態(tài)的時間信息等等，為此，發(fā)展一種較簡單的，判讀方便并可以得到對應(yīng)態(tài)的時間信息普適的方法以及相關(guān)的技術(shù)是人們所期望的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于雙波長變頻測量的半導(dǎo)體材料特性表征的方法及其該系統(tǒng)是一個新型的、普適的系統(tǒng)，本系統(tǒng)除可用于各類薄膜材料和外延微結(jié)構(gòu)材料特性的測量表征外，也適用于常規(guī)體材料的特性分析。本發(fā)明提供的一種用于半導(dǎo)體材料測量表征方法，包括適應(yīng)多村帶寬度半導(dǎo)體材料測量要求的光電結(jié)合的測量方法以及所需的數(shù)據(jù)處理和結(jié)果分析方法，其特征在于1)用兩個或多個不同波長的單色激光器作為測量光源；2)材料的光電導(dǎo)、光伏或光電容等信號作為響應(yīng)信號；3)測量光源進(jìn)行變頻調(diào)制，采用鎖相放大技術(shù)測量光源調(diào)制頻率與響應(yīng)信號幅度的關(guān)系；4)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理擬合等得出有關(guān)材料特性的信息。
本發(fā)明提供的用于半導(dǎo)性材料特性表征的方法是在測量時，首先制作有測量電極的待測樣品連接到樣品架上，由反射鏡等光路選擇的某一波長的激光經(jīng)調(diào)制后照射到被測樣品上，在樣品上產(chǎn)生的光電導(dǎo)、光伏或光電容等信號送鎖相放大器進(jìn)行放大后由信號記錄單元進(jìn)行記錄，樣品由偏置網(wǎng)絡(luò)和偏置電源提供偏置。測量時調(diào)制器和鎖相放大器進(jìn)行同步鎖相，調(diào)制器的調(diào)制頻率及樣品上的信號幅度均由信號記錄單元同步記錄。
然后，再送取另一波長或多個波長的激光進(jìn)行重復(fù)測定光電導(dǎo)、光伏或光容量信號，最后用Microcal Origin、Mathematic或Metlab常用商業(yè)軟件，讀入測量數(shù)據(jù)，采用合適的擬合函數(shù)和參數(shù)進(jìn)行擬合，獲得擬合數(shù)據(jù)。
測量中激光波長的選取主要根據(jù)樣品的改質(zhì)、測量的具體要求以及可供使用的激光器種類決定，一般情況下可以選取波長相差較大的兩個激光波長進(jìn)行測量，其中一個較短波長激光的光子能量可選取在大于待測樣品材料的禁帶寬度能量，即hv＞Eg；另一個較長波長激光的光子能量可選取在小于待測樣品材料的禁帶寬度能量，即hv＜Eg；這樣有利于獲取較多的信息。例如，對于測量禁帶寬度約3.4eV的GaN材料樣品，光學(xué)實(shí)驗(yàn)室中較常用的325nm的He-Cd激光器和633nm的He-Ne激光器就是一組很好的選擇，可以獲得材料帶內(nèi)和帶間特性的諸多信息。測量中也需根據(jù)所先激光器的種類及樣品情況采用適當(dāng)?shù)乃p器獲得合適的激光功率，以獲得合適的信號幅度，并避免信號飽和非線性效應(yīng)。在一般測量中對激光器的光束質(zhì)量(如模式、相干長度等)并無嚴(yán)格要求，只要求是單波長的。
測量時激光調(diào)制頻率一般可選在低頻范圍，這對樣品的連接及信號的放大等并無特殊要求，如對常規(guī)機(jī)械調(diào)制盤，調(diào)制頻率范圍可在4～4000Hz，采用電光調(diào)制器調(diào)制頻率可以高一些，可達(dá)幾百KHz以上，具體可根據(jù)樣品的情況如各種躍遷過程的時間常數(shù)范圍等決定。
本發(fā)明提供的測量表征系統(tǒng)包含兩個部分，即測量硬件部分與數(shù)據(jù)處理分析軟件。
一、測量硬件部分本測量表征系統(tǒng)主要由5個部分組成，它們分別是1)用做測量光源的兩臺或多臺不同波長的單色激光器及其用來進(jìn)行波長切換的反射等光路；2)用來對激光進(jìn)行調(diào)制的機(jī)械光調(diào)制器或電光調(diào)制及其可變頻率的配套驅(qū)動電源(包含同步信號)；3)用于為測量樣品提供偏置及引出信號的偏置電源、偏置網(wǎng)絡(luò)及樣品架等；4)用于進(jìn)行弱信號檢測鎖相放大器；5)用于進(jìn)行信號數(shù)據(jù)采集的記錄儀或由計算機(jī)控制的數(shù)據(jù)采集卡等。1和2組合后成為能夠方便地切換波長的測量光源泉，3、4、5結(jié)合后能夠方便地獲取所需的測量信息并在測量過程中進(jìn)行相應(yīng)的控制，整個測量表征系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意框圖如附圖1所示。
二、數(shù)據(jù)采集處理分析軟件及方法本發(fā)明中信號的采集和處理分析由計算機(jī)控制完成，即由計算機(jī)經(jīng)由GPIB卡對調(diào)試盤的調(diào)制頻率、鎖相放大器的輸出信號等進(jìn)行控制，并采用面向?qū)ο蟮木幊谭绞?采用的編程軟件為CEC公司的TESTPOINT或M公司的Labview等，或自行開發(fā))，許多的操作細(xì)節(jié)已被封裝在各個對象中。如要控制某臺利用GPIB接口相連的儀器，只要選取一個GPIB對象在這個對象的屬性中的GPIB地址中賦予和給儀器相同的GPIB地址，在通過對該儀器發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)的儀器控制命令就可以實(shí)現(xiàn)通過計算機(jī)對該儀器的控制。整個測量系統(tǒng)均在Windows環(huán)境下進(jìn)行工作，由菜單式操作完成各項(xiàng)功能。采用的數(shù)據(jù)處理分析軟件可以使用常用的商業(yè)軟件，如MicrocalOrigin，Mathematic，Metlab等，由信號記錄單元得到的測量數(shù)據(jù)可直接輸入這些軟件進(jìn)行處理分析。


圖1是本發(fā)明提供的半導(dǎo)體材料雙波長變頻光電導(dǎo)測量系統(tǒng)示意圖。
圖2是利用本發(fā)明提供的測量方法測得一外延GaN薄膜樣品對633nm光照的光電導(dǎo)響應(yīng)特性及擬合結(jié)果，樣品溫度為77K。橫座標(biāo)為調(diào)制頻率(HZ)圖3是利用本發(fā)明提供的測量方法測得的圖2同一外延GaN薄膜樣品對325nm光照的光電導(dǎo)響應(yīng)特性及擬合結(jié)果，樣品溫度為77K。
具體實(shí)施例方式
下面通過附圖的實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和先進(jìn)性，但絕非限制本發(fā)明，也即本發(fā)明絕非局限于實(shí)施例。
實(shí)施例寬禁帶GaN材料的光電導(dǎo)特性的雙波長變頻測量本發(fā)明所提供的測試方法和系統(tǒng)的具體實(shí)施步驟是1.將制作好測試電極的外延GaN薄膜樣品連接到樣品架上，控制樣品至合適的溫度。
2.系統(tǒng)框圖連接各個硬件設(shè)備。
3.啟計算機(jī)、調(diào)制電源、鎖相放大器、偏置電源等，樣品經(jīng)由偏置網(wǎng)絡(luò)加上適當(dāng)?shù)钠秒妷骸?br> 4.啟325nmHe-Cd激光器，待其穩(wěn)定后調(diào)節(jié)光路使樣品獲得合適的光照。
5.調(diào)節(jié)偏置電壓使樣品輸出合適的光電導(dǎo)信號。
6.在計算機(jī)上運(yùn)行系統(tǒng)控制軟件，對實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行初始化。(即設(shè)置調(diào)制頻率范圍；信號范圍，測試步長等)
7.開始進(jìn)行測量，記錄調(diào)制頻率與信號幅度關(guān)系等，存儲測量數(shù)據(jù)。
8.切換到633nmHe-Ne激光器波長重復(fù)以上步驟。
9.用Microcal Origin軟件讀入測量數(shù)據(jù)，采用合適的擬合函數(shù)和參數(shù)進(jìn)行擬合，獲得擬合數(shù)據(jù)。
10.對測量數(shù)據(jù)和擬合結(jié)果等進(jìn)行分析指認(rèn)。
對某一樣品的測量和擬合結(jié)果如表1和圖2、圖3所示，在633nm光照下，該樣品呈單時間常數(shù)特性，在325nm光照下，此樣品則呈雙時間常數(shù)特性，根據(jù)時間常數(shù)的長短以及該時間常數(shù)下的信號強(qiáng)度分量，可以得出有關(guān)此樣品的帶間躍遷、雜質(zhì)態(tài)、薄膜質(zhì)量等一系列信息，并可進(jìn)行不同樣品間的定量比較，從而對樣品的特性和質(zhì)量作出。由此測量樣品的測量結(jié)果可以初步判定325nm光照下測得的具有較短時間常數(shù)(～200μs)的光電導(dǎo)響應(yīng)對應(yīng)材料的帶間響應(yīng)(此響應(yīng)在633nm光照下不存在)；具有較長時間常數(shù)(～7ms)的光電導(dǎo)響應(yīng)則對應(yīng)材料的帶內(nèi)雜質(zhì)的缺陷態(tài)響應(yīng)(此響應(yīng)在633nm光照下仍存在)；根據(jù)這些響應(yīng)的相對幅度以及隨溫度的變化情況可以對材料的特性和質(zhì)量等情況進(jìn)行進(jìn)一步的定性或定量分析，也可以作為日常的工藝監(jiān)控參數(shù)。
表1寬禁帶GaN材料的測量數(shù)據(jù)擬合所得參數(shù)的匯總

權(quán)利要求
1.一種用于半導(dǎo)體材料測量表征的方法，其特征在于1)采用兩個或多個不同波長的單色激光器作為測量光源；2)用材料的光電導(dǎo)、光伏或光電容信號作為響應(yīng)信號；3)對測量光源進(jìn)行變頻調(diào)制，采用鎖相放大技術(shù)測量光源調(diào)制頻率與響應(yīng)信號幅度的關(guān)系；4)對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理擬合，得出有關(guān)材料特性的信息。
2.按權(quán)利要求1所述的一種用于半導(dǎo)體材料特性表征的方法，其特征在于具體表征步驟是a)將制作有測試電極的樣品連接到樣品架上；b)選擇某一波長的激光經(jīng)調(diào)制后照射到被測樣品上，在樣品上產(chǎn)生的光電導(dǎo)光伏或光電容信號作為響應(yīng)信號送至鎖相放大器進(jìn)行放大后由信號記錄單元進(jìn)行記錄，樣品由偏置網(wǎng)絡(luò)和偏置電源提供偏置；調(diào)制器和鎖相放大器進(jìn)行同步鎖相，調(diào)制器的調(diào)制頻率及樣品上的信號幅度由信號記錄單元同步記錄；c)選擇另一波長或多個波長的激光，重復(fù)步驟(b)；d)用Microcal Origin、Mathematic或Metlab常用商業(yè)軟件，輸入測量數(shù)據(jù)，采用合適的擬合函數(shù)和參數(shù)進(jìn)行擬合，獲得擬合數(shù)據(jù)。
3按權(quán)利要求1或2所述用于半導(dǎo)體材料特性表征的方法，其特征在于測量樣品時兩個不同波長激光的選取的依據(jù)是將波長相差較大的兩個激光波長進(jìn)行測量，其中一個較短波長激光的光子能量選取在大于待測樣品材料的禁帶寬度能量，即hv＜Eg；另一個較長波長激光的光子能量選取在小于待測樣品材料的禁帶寬度能量，即hv＜Eg。
4.按權(quán)利要求1或2所述用于半導(dǎo)體材料特性表征的方法，其特征在于測量禁帶寬度為3.4ev的GaN樣品，選用的兩種波長分別為325nm和633nm；相應(yīng)的激光器為He-Cd和He-Ne激光器。
5.按權(quán)利要求1或2所述用于半導(dǎo)體材料特性表征的方法，其特征在于測量時激光調(diào)制頻率選在低頻范圍，對機(jī)械調(diào)制盤，頻率范圍為4-4000HZ，采用光調(diào)制頻率可達(dá)幾百KHZ以上。
6.一種用于半導(dǎo)體材料特性表征系統(tǒng)，包括測量硬件和數(shù)據(jù)處理分析軟件兩大部分，其特征在于所述的表征系統(tǒng)由5個部分，它們分別是1)用做測量光源的兩臺或多臺不同波長的單色激光器及其用來進(jìn)行波長切換的反射鏡光路；2)用來對激光進(jìn)行調(diào)制的機(jī)械光調(diào)制器或電光調(diào)制及其可變頻率的配套驅(qū)動電源；3)用于為測量樣品提供偏置及引出信號的偏置電源、偏置網(wǎng)絡(luò)及樣品架；4)用于進(jìn)行弱信號檢測的鎖相放大器；5)用于進(jìn)行信號數(shù)據(jù)采集的記錄儀或由計算機(jī)控制的數(shù)據(jù)采集卡。其中(1)和(2)組合后成為能夠方便地切換波長的測量光源，(3)、(4)、(5)結(jié)合后能夠方便地獲取所需的測量信息并在測量過程中進(jìn)行相應(yīng)的控制。
7.按權(quán)利要求1或2所述用于半導(dǎo)體材料特性表征系統(tǒng)，其特征在于所述的機(jī)械光調(diào)制器或電光調(diào)制器包含同步信號。
8.按權(quán)利要求1或2所述用于半導(dǎo)體材料特性表征系統(tǒng)，其特征在于信號的采集和處理分析由計算機(jī)控制完成，計算機(jī)經(jīng)由GPIB卡對調(diào)試盤的調(diào)制頻率、鎖相放大器的輸出信號采集進(jìn)行控制，并采用面向?qū)ο蟮木幊谭绞健?br> 9.按權(quán)利要求8所述于半導(dǎo)體材料特性表征系統(tǒng)，其特征在于采用編程軟件為CEC公司的TESTPOINT或NI公司的Labview，或自行開發(fā)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于半導(dǎo)體材料特性表征的方法及其系統(tǒng)，屬于半導(dǎo)體測試技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明特征在于采用兩個或多個不同波長的單色微光器作為測量光源；用材料的光電導(dǎo)、光伏或光電容等信號作為響應(yīng)信號，對測量光源進(jìn)行變頻調(diào)制，采用鎖相放大技術(shù)測量光源的調(diào)制頻率與響應(yīng)信號幅度間關(guān)系，對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理擬合，從而獲得有關(guān)材料特性的數(shù)據(jù)。提供的系統(tǒng)由兩臺或多臺不同的波長的單色微光器及進(jìn)行波長切換的反射鏡光路；光調(diào)制器、偏置電源、偏置網(wǎng)絡(luò)及樣品架；弱信號扦測的鎖相放大器以及計算機(jī)控制的數(shù)據(jù)采集的記錄等五部分組成。本發(fā)明適用于各類薄膜，外延微結(jié)構(gòu)及體材料半導(dǎo)體特性的測量和表征。
文檔編號G01N21/25GK1556390SQ20031012288
公開日2004年12月22日 申請日期2003年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月30日
發(fā)明者張永剛, 李愛珍, 齊鳴 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所, 中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究