可调控注入比的高频光电导寿命测试仪及其测试方法与流程

本发明涉及载流子复合寿命测试研究领域，特别涉及一种可调控注入比的高频光电导寿命测试仪及其测试方法。

背景技术：

在半导体材料及器件的生产过程中，所使用的生产设备几乎都含有金属，因此，重金属(主要是铁)对半导体材料的污染是普遍存在的问题，严重影响半导体晶体材料的性能。半导体材料的载流子复合寿命是评价半导体材料性能优劣的重要参数指标之一，它可以灵敏地反映出重金属含量的多寡，直接检测材料及器件性能，因此载流子复合寿命测试仪是半导体硅单晶、半导体器件、集成电路、铸造多晶、光伏企业，高等院校及研究院所重要的质量检测设备。

目前国内外测量载流子复合寿命的仪器主要有高频光电导寿命测试仪、微波反射无接触寿命测试仪、准稳态光电导少子寿命测试仪三种。其中，块状体半导体材料体寿命的测量，以高频光电导寿命测试仪为主。

研究证明：载流子复合寿命值是注入比η的函数(η是非平衡载流子浓度与平衡载流子浓度之比，通过数学推导η也相当于光电导电压与检波电压之比)，当注入比η值不同时，测出的寿命值会相差很大，而目前国内外的寿命测试仪均不能自动控制注入比(例如公告号CN201110882Y)，这样就会出现同一半导体材料晶体用不同仪器测量时，由于注入比不一致，测量得到的寿命值相差较大。有实验证明国外同一公司两种不同型号的寿命仪测量同一批晶体寿命时，结果相差40％，究其原因主要是测量时仪器对样品施加的注入比不同。这就导致行业里很难建立起准确统一的寿命测试标准，从而可能导致误判，使成品率下降，增加生产成本，造成浪费。

因此，需要提供一种注入比可设定并可自动控制的、成本较低的高频光电导寿命测试仪及其测试方法。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种可调控注入比的高频光电导寿命测试仪及其测试方法，该系统可实现注入比的设定及自动控制，保证寿命测试时注入比的一致性，大大减小了载流子复合寿命测量的不确定度，更准确地测试半导体材料的载流子复合寿命，真实反映材料的整体性能，同时具有成本低的优点。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：可调控注入比的高频光电导寿命测试仪，包括样品台、测试主机、工控机、显示器，所述样品台包括红外激光器、载物平台、第一测试电极板和第二测试电极板，第一测试电极板、第二测试电极板与红外激光器均固定在载物平台上，载物平台中心设有出光孔，测量时，待测样品置于载物平台上，待测样品与两测试电极板形成接触，红外激光器发出的激光束穿过出光孔照射在待测样品上；所述测试主机包括可编程脉冲光源驱动器、高频信号发生器、磁环取样器、数字峰值检波器、宽带放大器、数据采集卡。可编程脉冲光源驱动器的输入端与工控机相连，其输出的脉冲电流强度在工控机控制下可调，可编程脉冲光源驱动器的输出端与红外激光器相连，驱动红外激光器射出特定强度及波长的激光束，高频信号发生器的输出端与第一测试电极板相连，第二测试电极板、磁环取样器、数字峰值检波器、宽带放大器、数据采集卡、工控机、显示器依次连接，所述数字峰值检波器的其中一个输出端还与工控机相连。本发明通过工控机控制可编程脉冲光源驱动器的输出，进而控制红外激光器的光强，使得注入比稳定在设定值，便于建立起准确统一的寿命测试标准，避免出现同一半导体材料晶体在使用不同仪器测量时，由于注入比不一致导致得到的寿命值不一致，降低误判。

优选的，所述可编程脉冲光源驱动器通过GPIB(General-Purpose Interface Bus，通用接口总线)卡与工控机相连。

优选的，所述数字峰值检波器包括用于测试信号的检波电压的模拟信号峰值检波单元、用于显示测试信号的检波电压的数字电压表，以及用于与工控机通信的单片机模块。

优选的，所述工控机接收的相关信号实时地显示在显示器上，以便于工作人员监测。

一种基于上述可调控注入比的高频光电导寿命测试仪的测试方法，包括步骤：

(1)待测样品置于样品台上，并与两测试电极板形成良好接触；

(2)设定注入比值；

(3)高频信号发生器发出高频电流信号流过样品，数字峰值检波器检测得到测试信号的检波电压值；

(4)根据设定的注入比值和检波电压值，计算得出所需测试信号的强度，工控机控制可编程脉冲光源驱动器驱动红外激光器发出相应光强的激光束，令测试信号的强度达到计算值；

(5)被测样品在红外激光束照射下产生光电导信号，高速数据采集卡将光电导信号转化为数字信号输给工控机，工控机根据数字信号计算出样品寿命值。

具体的，所述步骤(4)中，所需测试信号的强度ΔV计算方法如下：

ΔV＝V_o·η；

其中，V_o表示检波电压值，η表示注入比值。

具体的，所述步骤(5)中，样品寿命值τ根据光电导信号指数衰减函数公式计算得到，公式为：

V＝V_m·e^–t/τ；

其中，t表示时间，V_m表示光电导信号的峰值，е＝2.718。当t＝t₁时，V＝V₁，t＝t₂时，V＝V₂；当通过测试软件选择V₁/V₂＝е时，ln(V₁/V₂)＝(t₂－t₁)/τ＝1，此时t₂－t₁＝τ。

优选的，步骤(4)中，工控机检测当前测试信号的强度，并根据公式η＝ΔV/V_o计算当前的注入比是否等于设定值，如果不等于，则工控机根据二者的差值向可编程脉冲光源驱动器发出指令，通过调节加在红外激光器中发光二极管上工作电压的升或降，进而控制发光管发出的光强的增或减，进一步改变注入比，直到当前的注入比达到设定值，此时V_m＝ΔV。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明中采用工控机控制可编程脉冲光源驱动器的输出，可实现光强的自动控制，减少人工调节光强步骤，提高测量效率。

2、本发明中数字峰值检波器实现了检波电压的数字化，减少了人工读数步骤，提高测量便捷性。

3、本发明注入比可在测试前设定好，有利于使用不同仪器测试时，具有一致的注入比，保证测量的一致性。

附图说明

图1为本实施例的工作原理示意图；

图2是本实施例样品台布局示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

本实施例所述的可调控注入比的高频光电导寿命测试仪包括样品台、测试主机、工控机和显示器。下面结合图1、2对各个结构进行具体说明。

所述样品台结构参见图2，包括第一测试电极板1、第二测试电极板2、红外激光器3、载物平台4，第一测试电极板和第二测试电极板与红外激光器均固定在载物平台上，载物平台中心设有出光孔，检测时，待测样品5置于载物平台上，待测样品与两测试电极板形成良好接触，红外激光器发出的激光束穿过出光孔照射在待测样品上。

所述测试主机参见图1，包括可编程脉冲光源驱动器、高频信号发生器、磁环取样器、数字峰值检波器、宽带放大器、高速数据采集卡。可编程脉冲光源驱动器通过GPIB卡与工控机相连；高频信号发生器的输出端与样品台上的第一测试电极板相连，磁环取样器的输入端与第二测试电极板相连，磁环取样器的输出端与数字峰值检波器的输入端要连；峰值检波器的输出端分别与工控机及宽带放大器的输入端相连，数字峰值检波器设有模拟信号峰值检波单元、数字电压表及内置单片机模块，可用于检测、显示测试信号的检波电压及与工控机通信；宽带放大器的输出端与高速数据采集卡输入端相连，高速数据采集卡输出端与工控机相连；所述工控机与显示器连接。

测量时，高频信号发生器高电平端向第一测试电极板输出高频电流，高频电流信号流过待测样品，到达第二测试电极板，再通过磁环取样器输入端原边回到高频信号发生器的低电平端，磁环取样器副边输出端连接到数字峰值检波器输入端，数字峰值检波器检测出测试信号的检波电压并通过数字电压表显示出来，同时将检测电压输出给工控机。检波后的测试信号经过宽带放大器放大，并由高速数据采集卡转换为数字信号后传输给工控机，最后工控机对接收到的数字信号进行相应的运算，通过显示器显示测试结果。

本实施例测试方法，包括步骤：

(1)待测样品置于样品台上，并与两测试电极板形成良好接触；

(2)设定注入比值；

(3)高频信号发生器发出高频电流信号流过样品，数字峰值检波器检测得到测试信号的检波电压值；

(4)工控机根据设定的注入比值和检波电压值，计算得出所需测试信号的强度，然后工控机控制可编程脉冲光源驱动器驱动红外激光器发出相应光强的激光束，令测试信号的强度达到计算值；

(5)被测样品在红外激光束照射下产生光电导信号，高速数据采集卡将光电导信号转化为数字信号输给工控机，工控机根据数字信号计算出样品寿命值。

步骤(4)中，工控机检测当前测试信号的强度，并根据公式η＝ΔV/V_o计算当前的注入比是否等于设定值，如果不等于，则工控机根据二者的差值向可编程脉冲光源驱动器发出指令，通过调节加在红外激光器中发光二极管上工作电压的升或降，进而控制发光管发出的光强的增或减，进一步改变注入比，直到当前的注入比达到设定值，此时V_m＝ΔV。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。