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)載流子壽命測試系統(tǒng)。闡述了光電導(dǎo)衰退法測試原理，分析了測試系統(tǒng)構(gòu)成，以及光脈沖下降沿時間、微弱信號放大處理、前放帶寬、精密定位等關(guān)鍵技術(shù)，其主要性能指標是：少數(shù)載流子壽命測試范圍：10*-7 ~6 *10-6；可測樣品尺寸：小于20mm；單色光光點大小：Φ0.3mm；測試數(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； 測試系統(tǒng)

引言
　　衡量紅外探測器性能的主要技術(shù)指標是探測率和響應(yīng)率，而該指標與制作紅外探測器的各種半導(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)合機構(gòu)，更好地掌握材料性能，可有效地進行晶片篩選，提高器件成品率和性能。少數(shù)載流子壽命的測試方法有多種，但對于工藝線上的在線測試而言，要求簡潔方便且為非破壞性測試。文中采用光電導(dǎo)衰退法（PCD）測量半導(dǎo)體材料的少數(shù)載流子壽命及其空間分布直觀、準確、可靠。該系統(tǒng)采用雙光路折反射設(shè)計，適用窗口封裝于底面和側(cè)面杜瓦瓶樣品的測試。操作軟件以Windows98, 為平臺，可自動或半自動測試，其步進精度高，壽命測試范圍寬。

測試原理
　　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，位于價帶的電子受激發(fā)躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生電子’空穴對，形成非平衡載流子⊿n ⊿p，對于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-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，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；
（5） 小注入條件。
公式（2）可簡化為：
　　　　　　　　　⊿σ=⊿pq（μn+μp） （2）
如果在t=0 時，光照突然停止，光生載流子由于復(fù)合效應(yīng)，其濃度隨時間減小至平衡態(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，⊿p（t）=（ ⊿p）\-o，這就是說非平衡載流子濃度隨時間的變化按指數(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:

通過測量電壓波形從zui大值下降到其1/e的時間，就可得到少數(shù)載流子壽命τp。以上就是PCD法測量少數(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測試系統(tǒng)組成
少數(shù)載流子壽命測試系統(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電路和脈沖激光發(fā)射器組成。其中脈沖激勵重復(fù)頻率為200Hz，光脈沖下降沿時間小于15ns，該參數(shù)直接影響壽命的測試低限。
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)主要用于實現(xiàn)光子流的匯聚。為了調(diào)節(jié)光強方便和消除像差，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?，到濾光片（為防止大注入現(xiàn)象而衰減光強），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)精密微動裝置
　　由精密步進電機驅(qū)動的X-Y微動平臺，裝有讀數(shù)光柵尺，具有準確初始定位功能。光學(xué)系統(tǒng)置于精密平臺上，由計算機發(fā)出驅(qū)動信號，通過讀取光柵尺數(shù)值監(jiān)測X-Y位置的變化，實現(xiàn)自動補償，從而達到閉環(huán)控制，使步進精度達到2ns。
（4） 測試杜瓦瓶
　　對于碲鎘汞和銻化銦等材料而言，用其制作的紅外探測器都在低溫狀態(tài)下工作，因此也需在低溫下測試其少數(shù)載流子壽命，測試杜瓦瓶是引入系統(tǒng)噪聲的主要原因，我們設(shè)計了一種杜瓦瓶，不論在結(jié)構(gòu)上還是引線連接方式上都作了特殊處理，有效地保證了信號傳輸、降低了噪聲。
（5） 微弱信號放大及顯示采樣
　　由光激發(fā)產(chǎn)生的信號極其微弱且噪聲較高，放大信號、抑制噪聲是準確測量的關(guān)鍵，對前置放大器要求有足夠的帶寬（10Hz50MHz）和增益，以滿足測量范圍和大面積樣品的要求。我們選用進口前置放大器及輔助電路，實現(xiàn)了信號放大HP54616B存儲示波器用來完成放大器輸出波形的顯示，下降沿時間的測量和數(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） 計算機采樣和控制部分
　　計算機完成微動平臺控制，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方向步進電機驅(qū)動信號，使精密平臺移動，計算機不斷讀取光柵尺返回數(shù)據(jù)進行動態(tài)修正，確保X-Y平臺移動精度。通過GPIB488接口與HP54616B存儲示波器通訊，完成初始化、下降沿時間的讀取。在WIN98上應(yīng)用測試軟件TESTPOINT平臺設(shè)計各測試、顯示程序。軟件功能強大，可完成對不同半導(dǎo)體樣品的自動和半自動測試，單步步長任意可調(diào)。測試完畢計算機自動完成數(shù)據(jù)處理并產(chǎn)生各種報表文件，供用戶進行二次處理、記錄存盤、打印輸出。

4系統(tǒng)主要性能指標
（1） 載流子壽命測試范圍:10*-7 ~6 *10-6S
（2） 可測樣品尺寸：小于20mm；
（3） X-Y平臺單步步長范圍：1-4mm；
（4） 單色光光點大?。?Phi;0.3mm；
（5） 測試數(shù)據(jù)穩(wěn)定度：優(yōu)于10%。

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