用光探针法测量外面复合速度[指南]

用光探针法测量外面复合速度[指南] 上海交通大学学报 JOURNAL OF SHANGHAI JIAOTONG UNIVERSITY 1999年 第33卷 第12期 Vol..33 No.12 1999 用光探针法测量面复合速率 张 峰 葛万来 沈其英 吴雅美 摘 要:通过系统的研究分析，建立了应用光探针的光电(PC)测量方法， 应用镜像法和点源产生近似原理建立了物理模型，并进行了系统的理论 分析.导出了光电流与表面复合速率相应关系的计算公式，确定了可进行 电量测量的实验装置.采用此方法，测量了台面型高压硅半导体器件的无 机钝化和有机保护界面的表面复合速率.通过测量结果和计算结果的归 一化比较，获得了其表面复合速率. 关键词:光电测量;表面复合速率;台面型硅器件 中图分类号:TM 930.1;TN 29 文献标识码:A Application of Light Spot Scanner Photo-Current Technique to Determination of Surface Recombination Velocity ZHANG Feng， GE Wan-lai， SHEN Qi-ying， WU Ya-mei Dept. of Information & Control Eng., Shanghai Jiaotong Univ., Shanghai 200030, Chian Abstract: Based on the systematic study and analysis, alight spot scanner photo-current (PC) measurement technique was set up to measure the interface properties of silicon pn junction. Depending on the image method and point source approximation method, the physic model was established, and the formula of photo-current versus surface recombination velocity was obtained. Using this method, the interface characteristics of angle beveled mesa structure high-voltage silicon pn junction protected by organic materials or inorganic passivation films were measured. From the experiment results and the normalization results, the surface recombination velocities of silicon pn junction were obtained. Key words: photo-current measurement; surface recombination velocity; angle beveled mesa structure silicon pn junction 半导体表面的电学性质，在很大程度上受表面态、表面态同表面空间电荷区中自由载流子的相互作用的控制.有关界面态的研究，目前主要的研究方法有低频C-V特性法和准静态法，以及高频电导法等电学方法,1,2,.半导体的表面复合速率是一个反映半导体表面态重要物理量.近几十年来，由于光电技术的发展，电子束扫描技术(EBIC)广泛地应用于半,3,6,导体表面探测.但由于电子束的高能量及其对有机的影响，以及电子束EBIC方法的真空度要求，限制了其在一些情况的应用. 本文通过系统的研究分析以后，建立了应用光探针的光电(PC)测量方法，可以测量硅半导体的无机钝化和有机保护界面的表面复合速率，并且将该方法直接用来测量台面型高压硅器件的参数，同时导出了相应的计算公式. 1 物理模型 当光束照射半导体器件表面，发生了能量的损失和弹性碰撞，电子在该点沿所有的方向扩散，并通过非弹性碰撞损失了能量，产生空穴-电子对.由光束产生的空穴-电子对通过纯扩散从点源流动，那些在复合之前到达空间电荷层的被分离，载流子被收集，使外的电流增加.实验如图1所示. 图1 光电测量法的示意图 Fig.1 Scheme of PC technique 在结垂直于表面的情况采用一个三维近似.xoy面是试样表面，oz是光束入射方向，光束扫描沿ox方向，结处于yoz面上.假设是突变PN结并且在此情况下点源的Po(x,y,z)的产生率G，如图2所示，而结处000 于的yoz面相当于收集平面，当光产生的电子-空穴扩散到此平面以后，由于空间电荷层的作用来不及复合，形成外电路的电流. 图2 采用镜像法的计算模型 Fig.2 Mathematical model of image method 为了便于分析和公式推导，采用被广泛使用的镜像模型.根据实验情况，首先作了如下假设:? P、N结为半无限大的，只在激光照射的上表面有界;? N基区掺杂和复合中心密度是一致性的;? 在整个N基区，扩散常数D和寿命τ对同一管芯为确定量;? 产生区域的点源半径a L;? 忽略产生区域边界处少子的复合;? 表面复合速率v为常s数且与产生水平无关. 这些假设在注入少子密度ΔP在N基区与多子(电子)密度n相比有0ΔP n或ΔP n时成立，在此基础上可以建立方程进行计算.根据半00 导体物理的基本原理，注入的少子密度在稳态下满足: (1) 式中:g为在光束照射情况下，单位体积内空穴-电子对的产生速率，在2产生区域以外，g=0;少子寿命τ=L/D，D为少子扩散系数.在表面处，单位面积的体内流向表面的少子在表面处全部复合，即 (2) 在P、N结自建空间电荷区的边缘x=0处的两边，过剩载流子数目相同，到达x=0处的少子全部被空间电荷自建场拉入空间电荷区: (3) 由于P、N结处的空间电荷自建场的作用，在P、N结处产生的空穴-电子对来不及复合而被分开，贡献给短路电流.简单地说，就是短路电流 等于光照产生的空穴P、N结所在的平面x=0处的积分.短路电流为 (4) 假设光探针产生的载流子在一个均匀区域Σ中，光斑直径为a，其中心距离表面h处，设其为均匀产生，则考虑在无限媒介中的载流子的对称性，当载流子寿命为τ时，均匀产生的穴空-电子对P(r)在距离产C生区域中心为r处的表达为式(2)的解: (5) 式中:，为在区域的总产生率;g为在单位体积的产生率. 利用点源产生近似原理，在此情况下的ΔP(x,y,z)可以用在Σ处的P和在Σ′的镜像P′的共同作用来表示.如果表面复合速率为零，CC 在源区域产生的过剩少数载流子与表面镜像过剩载流子是同号，并且大小相等;如果表面复合速率为无限大，从表面镜像产生的过剩载流子与在源区域的符号相反.在计算时，考虑到对称性，有 (6) 式中:v为以间接复合为主的表面复合速率;r和r′为点P(x,y,z)到s 区域Σ与Σ′的距离. 这样，通过结的电流由方程(4)或(5)与(6)得 (7) 式中:“+”号表示v=0;“-”号表示v=?.v=0或v=?为极端的情况，ssss 当v为一有限值，表面镜像与源同号，它与v=0具有相同的性质，但必ss 需增加线L的贡献，线镜像L是用来表征大于零表面复合速率的.载流子的贡献ΔP在N区内必须满足方程(1)、(2)，解方程可以通过采用“源”和镜像的共同作用的贡献来求解获得.区域Σ和Σ′的性质与v=0时的s相同. 在v为一有限常数时，必须引进线L的贡献，因而满足表面和结的s 边界条件.电子和空穴是沿线L湮灭的，湮灭速率根据距离C′点的距离 q的变化而变化，为了满足方程(2)的产生率是一个与表面距离有关的变化量，求方程(2)的解，得到q和q+dq之间湮灭速度为 而这种湮灭速率下的线变化非平衡载流子P与P应有相似的形式，根据lC 方程(5)，易得 其中: (设R=r/L). qq 对于有限表面复合速率，表面镜像与源同号，在表面镜像点之上的线镜像用来平衡多于零表面复合速率部分.考虑到线L的复合作用的影响，有 ΔP(x,y,z)=P(r)+P′(r′)-P CCl 因此，测量到的电流表达式为 其中: 为常数，并有 其中,为第二类修正的Bessel函数.因此有 经过数学变换，利用Bessel函数关系: 最后得 (8) 2 实验装置 对于N型半导体，当用适当波长的光照该半导体时，只要光子的能量大于该半导体的禁带宽度，那么光子就能把价带电子激发到导带上去，产生电子-空穴对，使导带比平衡时多出一部分电子Δn，价带多出一部分空穴Δp,Δn和Δp就是平衡载流子浓度.在本文的实验条件下，非平衡少数载流子空穴起着重要的作用.光照射硅器件表面产生的载流子沿各个方向扩散，根据外电路短路电流与光斑距离PN结位置的变化，可以数值拟合出表面复合速率的参数量.根据现有可以利用的实验设备，确定了光探针的光电测量方法，其实验装置如图3所示(注意PN结不加电压). 图3 光探针测量硅半导体界面表面复合速率的 实验装置图 Fig.3 Scheme of experimental facility of PC technique to measure silicon PN junction 在用上述方法测量的时候，高斯光束在HN-3型He-Ni激光管(波长:0.632 8 μm，输出功率:1 mW，输出光束发散度,3 mrad)通过聚焦而获得，光斑尺寸的大小直接影响到测量结果的准确性，一般来说，光斑越小越好.但是，考虑到当光斑减小时，在半导体硅表面照射产生的电子-空穴对也会减小，从而引起外电路测试电流小到不易测量，为此，采用两个凸透镜对He-Ni激光器发射的高斯光束进行聚焦，实验中经过聚焦的高斯光束的光斑尺寸约为50,60 μm. 利用这样的光探针测量半导体时，获得的光探针距离与外电路电流的关系曲线如图4所示，这与文献,4,中报道的硅半导体PN结采用电子束方法的测量结果基本一致. 图4 光探针法实验测量曲线 Fig.4 Experimental result of PC technique 3 表面复合速率的确定 实际测量的整流器表面，它是一个带有θ斜角造型的斜面，θ=25?，这样，实际测量情况的PN结与硅表面有一个成θ的三角函数关系，如图5所示. 图5 实际测试的台面型PN结结构 Fig.5 Angle beveled mesa structure of PN 而在实际的台面型PN结情况下，应用x=zcot θ平面作为收集平面，将x=zcot θ的三角函数关系代入方程(8)中，并沿此平面进行积分，得 经过变量代换，得到表达式: (9) 由于He-Ni激光器产生的高斯光束在硅界面处的产生率G是未知的，并且，由于有各种不同的有机和无机表面钝化与表面保护对光不同的吸收度，使测得的结果受到一定的影响，因而采用归一化方法，通过应用Window Mathcad计算软件，计算出式(9)的归一化理论值，然后，再用实验结果来进行比较，得到半导体硅不同界面态的微观参数——表面复2,1,,6,合速率v.在此过程中，常数D=20 cm/s,h=0.1 μm.另外，扩散长s 度，由式L=Dτ得到，因此，只要测量出半导体硅器件的寿命τ即可. 本文实验中的整流管芯都由山西永济电机厂元件分厂生产，实验用的管芯的寿命通过应用美国Solid State Measurements Inc.公司生产的OCD-28型半导体寿命检测仪测得的，试样的体内寿命τ=44 μs.根 据确定的参数，应用Window Mathcad计算软件计算了不同表面复合速率的归一化理论值，计算结果如图6所示.用测量结果归一化后的值与之进行比较，而拟合得到被测量介质——PN结界面的表面复合速率v值. s 图6 方程(9)得到表面复合速率的归一化结果 Fig.6 The normalization result of v using Eq.(9) s 4 实验结果与结论 应用本文所介绍的光电测量实验装置，对不同的表面保护和钝化的大功率台面型硅半导体器件进行了实测，实验中采用的高压整流管芯是铁道部永济电机厂生产的600 μm厚的N型(中照单晶)硅片，硅片的.ρ=120,125 Ωcm,θ=25?,θ=5?，实际结构为N+NP型，试样的寿12 命测得为τ=44 μs. 应用光电测量实验装置对管芯在目前国内常用的无机钝化和有机保护界面的表面复合速率进行了测量，并用测量结果归一化后的值与计算结果的理论值进行比较，而拟合得到被测量介质——PN结界面的表面复4合速率v值.具体结果如下:硅管芯腐蚀钝化界面的v=1.0×10 cm/s，ss3硅管芯半绝缘含氧硅钝化界面的v=4.0×10 cm/s，硅管芯聚酯改性硅s3漆保护界面的v=4.5×10 cm/s. s 本文通过系统的研究分析以后，提出了应用光探针的光电测量方法，并且将该方法直接用来测量台面型器件的参数，同时导出了相应的计算公式，确定了可进行电量测量实验装置，测量了目前国内常用的几种硅半导体的无机钝化和有机保护界面的表面复合速率. 基金项目:国家“八五”重点科技攻关项目(85-715-2-5) 作者简介:张 峰(1968,)，男，副教授. 文章编号:1006-2467(1999)12-1590-05 作者单位:上海交通大学 信息与控制工程系，上海 200030 参考文献: ,1, 黄 昆，韩汝奇.半导体物理基础,M,.北京:科学出版社，1979.89,110,261,269. ,2, 郭维廉.硅-二氧化硅界面物理,M,.北京:国防工业出版社， 1982.103,121,147,153. ,3, Jastrzebski L, Langowski J, Gatos H C. Application of scanning electron microscopy to determination of surface recombination velocity: GaAs,J,. Appl Phys Letters, 1975,27(10):537,539. ,4, Davidson S M. Injection and doping dependence of SEM and scanning light spot diffusion length measurement in silicon power rectifiers,J,. Solid-State Electronics, 1982,25(4):261,265. ,5, Bothra S, Tyagi S. Surface recombination velocity and lifetime in InP,J,. Solid State Electronics, 1991,34(1):47, 51. ,6, Fuyki T, Masunami H, Tanaka T. The influence of the generation volume of minority carriers on EBIC,J,. J Phys D: Appl Phy,1980,13(1):1093,1100. 收稿日期:1998-11-18