一种用于检测半导体器件的电荷及电场响应的系统技术方案

本发明专利技术提供了一种用于检测半导体器件的电荷及电场响应的系统，包括：电流回路，待检测的半导体器件连接在所述电流回路中；脉冲激光器，用于向待检测的半导体器件周期性地施加激光脉冲，以在半导体器件处形成光生电荷；其中，光生电荷在电流回路中传输以形成瞬态光生电流；设置在电流回路中并与半导体器件串联的采样电阻；与采样电阻并联的电压信号采集器，用于采集采样电阻的两端的电压差信号；与半导体器件并联的电压源，用于向所述半导体器件提供周期性变化的调制电压；与电压源串联的电流隔离器，用于阻止瞬态光生电流或其高频部分流经电压源。本发明专利技术的系统能够准确地探测瞬态光生电流，并适用于检测半导体器件内很慢的电荷响应过程。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体器件的性能检测领域，特别是涉及一种用于检测半导体器件的电荷及电场响应的系统。
技术介绍
随着半导体技术及太阳能电池相关研究和技术的发展，对太阳能电池等相关半导体器件的光电响应进行检测是研究其性能的重要手段及应用之一。目前已经从电学和光学角度发展出了多种研究半导体器件性能的检测手段，包括电学的直流伏安测试、交流阻抗及电容测试，以及光学吸收、发射以及光致吸收等测试手段。这些测试手段的专利技术极大促进了半导体光电领域的发展和应用。太阳能电池是一种特殊的半导体器件，其可用于发电，是一种具有很好商业应用前景的技术。对太阳能电池的研究可以进一步降低器件成本，提高器件效率，从而更好地实现对太阳能的利用。对太阳能电池不同时间尺度的检测和研究是促进太阳能电池技术发展的一种重要手段，目前已被广泛应用。对于太阳能电池等相关半导体器件，除了可以通过传统手段进行检测的很快的电荷输运过程，还可能存在一种很慢的电荷响应过程，这个过程对应的电荷量可能也很少，比如目前被广泛研究的基于甲胺铅碘的钙钛矿太阳能电池。在这种情况下，传统的检测手段就很难探测到这个很慢的过程对应的电荷及电场响应过程，这对于对器件工作机理的理解，对器件的进一步设计和性能提升是不利的，所以需要一种手段来有效地探测该物理过程。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是至少部分地解决或缓减现有技术中的不足，从而提供了一种用于检测半导体器件的电荷及电场响应的系统。按照本专利技术的用于检测半导体器件的电荷及电场响应的系统可以包括:电流回路，待检测的半导体器件连接在所述电流回路中；脉冲激光器，用于向待检测的半导体器件周期性地施加激光脉冲，以在所述半导体器件处形成光生电荷；其中，所述光生电荷在所述电流回路中传输以形成瞬态光生电流；设置在所述电流回路中并与所述半导体器件串联的采样电阻；与所述采样电阻并联的电压信号采集器，用于采集所述采样电阻的两端的电压差信号;与所述半导体器件并联的电压源，用于向所述半导体器件提供周期性变化的调制电压；和与所述电压源串联的电流隔离器，用于阻止所述瞬态光生电流或所述瞬态光生电流的高频部分流经所述电压源。可选地，所述电流隔离器包括电感。可选地，所述电压信号采集器包括示波器。可选地，所述电压源为能够产生多种不同形式的调制电压的电压信号发生器。可选地，所述脉冲激光器包括多个能够产生不同波长的激光脉冲的激光器，或者所述脉冲激光器为能够产生多个不同波长的激光脉冲的单个激光器。可选地，该系统还包括设置在所述脉冲激光器与所述半导体器件之间的滤光片，用于调节所述半导体器件接收到的所述激光脉冲的强度。可选地，该系统还包括用于容纳所述半导体器件的样品室，用于为所述半导体器件提供预定的温度环境、气氛环境和/或电磁屏蔽。可选地，该系统还包括用于向所述半导体器件提供背景光的偏置光源。可选地，所述偏置光源和所述脉冲激光器布置成使得所述背景光与所述激光脉冲沿不同的角度入射至所述半导体器件。特别地，本专利技术的系统特别适合于太阳能电池形式的半导体器件。本专利技术通过脉冲激光器提供的激光脉冲在待测的半导体器件处产生光生电流，可以将半导体器件内部极其微弱的电荷及电场变化过程通过光生电流效应进行放大，从而能够实现微小量的探测。进一步地，本专利技术通过向半导体器件提供周期性的调制电压，能够使得半导体器件内部的电荷和电场响应过程进行周期性的不断复现，以确保能够获得并记录检测结果。通过上述两个手段的结合，使得本专利技术的系统能够检测半导体器件内很慢的电荷响应过程。根据下文结合附图对本专利技术具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本专利技术的上述以及其他目的、优点和特征。【附图说明】后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本专利技术的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中:图1是根据本专利技术一个实施例的检测系统的结构示意图；图2是图1所示检测系统的电路原理图；图3示出了在图2中并联电压源对瞬态光生电流的影响以及电流隔离器在高频隔离方面的作用；图4(a)示出了半导体器件在调制电压下的瞬态光生电流探测示意图；图4(b)示出了半导体器件的内部电场在脉冲调制电压下的响应示意图；图5示出了不同结构的钙钛矿太阳能电池在不同直流调制电压下的瞬态光生电流响应；其中(a)部分对应介孔钙钛矿电池，(b)部分对应平面钙钛矿电池；和图6示出了不同结构的太阳能电池在脉冲调制电压下的瞬态光生电流响应；其中(a)部分对应基于甲胺铅碘的钙钛矿电池，(b)部分对应基于甲胺铅溴的钙钛矿电池，(C)部分对应硅太阳能电池。【具体实施方式】图1所示的检测系统用于检测半导体器件的电荷及电场响应，其中示意性地画出了待检测的太阳能电池形式的半导体器件10。该半导体器件10在其两个电极11和12处接入由电路111-113构成的电流回路110。脉冲激光器101用于向该半导体器件10周期性地施加激光脉冲，从而在半导体器件10处形成光生电荷。该光生电荷在电流回路110中传输以形成瞬态光生电流。为了探测半导体器件内部不同深度的光生电荷及电流信息，最好能够提供不同波长的激光脉冲，如532nm，660nm等。在图1中示例性地提供了两个产生不同波长激光脉冲的脉冲激光器101，在工作时可以选择其中一个来提供所需要波长的激光脉冲。在其它实施例中，还可以设置更多个对应不同波长的激光器，或者可以使用能够产生多种不同波长的激光脉冲的单个激光器，如波长可调的脉冲激光器。为了调节入射到半导体器件110上的激光脉冲的强度，在脉冲激光器101与半导体器件10之间设置有滤光片108。该电流回路110中设有与半导体器件10串联的采样电阻103。这样，瞬态光生电流能够在电流回路102中流经该采样电阻103。电压源105设置在电路114内并与半导体器件10和采样电阻103成并联关系，以向半导体器件10提供周期性变化的调制电压。通过该调制电压，可以改变半导体器件10的内部电场强度。同时，该调制电压还会作用在采样电阻103上而在采样电阻103及其所在的电路112中形成所需要的调制电流。因此，流经采样电阻103的电流实际上是调制电流与瞬态光生电流的叠加电流。诸如示波器的电压信号采集器106用于采集采样电阻103两端的电压差信号。该电压差信号及其变化反映了流经采样电阻103的电流及其变化。由于调制电流具有已知的形式，这样，流经采样电阻103的电流及其变化也就反映了待探测瞬态光生电流及其变化。可以理解，电压源105的调制电压作用在半导体器件10上时也会产生非光生的调制电流，但是，该调制电压的大小可以选择成使得该非光生电流远小于前述的瞬态光生电流，而达到忽略该非光生电流的程度。这样，在半导体器件10的非光生电流可忽略的情况下，可以认为由电压源105的调制电压产生的调制电流仅通过采样电阻105。在一个实施例中，电压源105可以是能够产生多种不同形式的调制电压的电压信号发生器，该电压信号发生器可以以一定频率向半导体器件10施加所需形式的调制电压，比如直流电压信号、正弦交流电压信号、脉冲电压信号或扫描锯齿波电压信号等，进而改变半导体器件10的内部电场强度及分布。通过改变调制电压，可以使半导体器件处在不同的电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于检测半导体器件的电荷及电场响应的系统，包括：电流回路，待检测的半导体器件连接在所述电流回路中；脉冲激光器，用于向待检测的半导体器件周期性地施加激光脉冲，以在所述半导体器件处形成光生电荷；其中，所述光生电荷在所述电流回路中传输以形成瞬态光生电流；设置在所述电流回路中并与所述半导体器件串联的采样电阻；与所述采样电阻并联的电压信号采集器，用于采集所述采样电阻的两端的电压差信号；与所述半导体器件并联的电压源，用于向所述半导体器件提供周期性变化的调制电压；和与所述电压源串联的电流隔离器，用于阻止所述瞬态光生电流或所述瞬态光生电流的高频部分流经所述电压源。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：石将建，孟庆波，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11