本发明专利技术提供一种半导体材料及器件内部缺陷无损测试方法及系统，针对被测样品的材料类型，选择合适的可调制激光光源；被测样品在激光照射下激发出特定波长的光致荧光信号，在滤光后由红外传感器接收，并转换为数字信号；控制与信号系统接收通过激光光源的频率作为数字锁相放大模块的输入参数，提取被测样品的内部缺陷分布图。通过本发明专利技术方法及系统，适用于现有大多数半导体材料及器件，产品类型涵盖半导体固体材料、半导体器件半成品和成品，非接触，对样品无损伤；整个过程无需暗室，可直接在半导体器件工作现场快速感知；采用数字锁相算法代替传统的锁相模拟电路，能够轻松与工业物联网智能终端、大数据平台等有机结合，可扩展能力强。
A Nondestructive Testing Method and System for Internal Defects of Semiconductor Materials and Devices
【技术实现步骤摘要】
一种半导体材料及器件内部缺陷无损测试方法及系统
本专利技术属于半导体材料及器件测试领域，具体涉及一种半导体材料及器件内部缺陷无损测试方法及系统。
技术介绍
半导体材料（如纯度6个9的太阳能级硅锭和硅片）及其半导体器件（如LED发光器件、空间及地面用太阳能电池片）在提纯、研制、生产、运输及工作阶段，会受材料缺陷、工艺流程、振动、噪音、污染物、高低温循环交变等因素影响，产生各类隐性缺陷，且长期在力学、电学等环境作用下，缺陷会逐渐扩展，造成半导体器件性能下降，甚至引起失效、火灾等安全隐患。高效、无损、且能够覆盖半导体器件整个生命周期的隐性缺陷测试方法对提升半导体材料及器件的长期可靠性和安全性至关重要。现有技术能够满足特定行业半导体材料及器件的室内抽样测试。如中国专利申请CN103048297A提出了一种硅片及硅太阳电池缺陷检测方法，利用LED或激光器作为光源，照射硅片或太阳电池表面，激发出特定波长的光致荧光信号，得到样品的缺陷分布参数。然而其采用滤光镜过滤非目标光谱，只能在暗室中开展，且测试效率低，适用于室内抽样，不适用于工业产品高速在线全检，也无法应用在半导体器件运行的户外场景。中国专利CN10471383A基于半导体材料电致发光原理专利技术了一种针对空间太阳电池阵列缺陷的快速检测及自动识别方法。该方法仅对设计了正负极端子的功率型半导体器件成品有效，且测试过程中需要加载高压直流电，对样品的电极和器件本体会造成一定的损伤。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：提供一种半导体材料及器件内部缺陷无损测试方法及系统，能够扩展测试对象和测试场景。本专利技术为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种半导体材料及器件内部缺陷无损测试方法，其特征在于：它包括以下步骤：S1、针对被测样品的材料类型，选择合适的可调制激光光源，选择原则为被选激光光源的激光光子能量大于被测样品材料的禁带宽度；所述的被测样品为半导体材料或器件；S2、可调制激光光源发出的调制激光照射在被测样品上；S3、被测样品在调制激光照射下激发出特定波长的光致荧光信号，在滤光后由红外传感器接收，并转换为数字信号；S4、控制与信号处理系统接收所述的数字信号，通过激光光源的频率f作为锁相信号放大的输入参数，提取被测样品的红外缺陷分布图。按上述方法，所述的S4具体为：在频率为f的调制激光光源照射下，用高速红外传感器采集红外图像序列图，依次将红外图中每个像素点的值按时间顺序组成一组时序信号，针对每组时序信号采用数字锁相信号处理技术（如快速傅里叶变换算法FFT），计算出幅度值和相位值，组合成幅度值二维矩阵和相位二维矩阵，最后通过数字图像构成技术合成样品缺陷图，包含缺陷的形状特征和在材料中的深度。按上述方法，所述的S2中，激光光源是被脉冲调制和匀光后的，其中激光光源的调制频率不高于红外传感器正常工作帧率的1/4。按上述方法，所述的红外传感器满足以下条件：在被测样品禁带宽度对应的波长区间，量子效率＞50%，采样频率≥9帧/s。按上述方法，所述的滤光由安装在红外传感器镜头上的滤光镜完成，滤光镜满足以下条件：在被测半导体材料禁带宽度对应的波长区间内，带通截止率99.99%，透过率优于80%。一种半导体材料及器件内部缺陷无损测试系统，其特征在于：本系统包括控制与信号处理系统、可调制激光光源、滤光镜和红外传感器；其中，可调制激光光源的激光光子能量大于被测样品材料的禁带宽度；所述的被测样品为半导体材料或器件；可调制激光光源发出的激光照射在被测样品上，使得被测样品在激光照射下激发出特定波长的光致荧光信号，在滤光后由红外传感器接收，并转换为数字信号；控制与信号处理系统接收所述的数字信号，通过可调制激光光源的频率f作为锁相信号放大的输入参数，提取产品的红外缺陷分布图；可调制激光光源和红外传感器的开启、激光光源的频率调节，由所述的控制与信号处理系统控制。按上述系统，所述的控制与信号处理系统包括：红外传感控制模块、激光光源控制模块、时序信号提取模块、数字低通滤波模块、数字锁相模块、数字信号发生器、数字图像合成模块和数字图像存储模块；其中，红外传感控制模块用于控制红外传感器的开关；激光光源控制模块用于控制可调至激光光源的开关；时序信号提取模块用于将红外传感器采集的红外图中每个像素点的值按时间顺序组成一组时序信号；数字低通滤波模块用于对所述的时序信号进行滤波处理；数字锁相模块用于对滤波后的时序信号，采用数字锁相信号处理技术，计算出幅度值和相位值，组合成幅度值二维矩阵和相位值；数字图像合成模块用于将幅度值二维矩阵和相位值，通过数字图像构成技术合成样品缺陷图，包含缺陷的形状特征和在材料中的深度特性；数字信号发生器用于调节可调制激光光源的频率，并将可调制激光光源的频率f输入给数字锁相模块作为锁相信号放大的输入参数。本专利技术的有益效果为：1、针对被测样品的材料类型选择合适的激光光源，因此能够适用于现有大多数半导体材料及器件，产品类型涵盖半导体固体材料、半导体器件半成品和成品；将采集的数字图像序列中的每个像素值按时间顺序组成时序信号，采用数字锁相技术进行锁相放大，可滤除环境中稳定的白底噪声，提升系统的信噪比，故整个测试过程无需暗室，可直接在半导体器件工作现场快速感知；由于核心部分在控制与信号处理系统的数据处理上，采用数字锁相算法代替传统的锁相模拟电路，因此能够轻松与工业物联网智能终端、大数据平台等有机结合，可扩展能力强。2、将微弱信号数字锁相放大技术与半导体材料及器件光致发光原理结合，有效提升了半导体材料及器件的测试效率，扩展了测试对象和应用场景；可用于常规半导体材料及器件的材料物理损伤（如隐裂、碎片等）、晶格缺陷（如位错）和杂质污染（如B、O等杂质）等缺陷的测试。附图说明图1为本专利技术一实施例的装置及原理图。图2为控制与信号处理系统的具体结构框图。图3为本专利技术一实施例的被测样品图。图4为图3被测样品的测试结果图。图中：1：被测样品；2：滤光镜；3：红外传感器镜头；4：红外传感器；5：控制与信号处理系统；6：可调制激光光源；7：激光；8：特定波长的光致发光信号。具体实施方式下面结合具体实例和附图对本专利技术做进一步说明。本专利技术提供一种半导体材料及器件内部缺陷无损测试方法及系统，如图1所示。S1、针对被测样品1的材料类型，选择合适的可调制激光光源6，选择原则为被选激光光源6的激光光子能量大于被测样品1材料的禁带宽度，即：公式中：h为普朗克常量，h≈6.626×10-34J·s；c为真空中的光速c=10×108m/s；λ为激光光源光谱，一般采用单位是nm；Ei为半导体材料的禁带宽度，单位为电子伏特（eV，1eV≈1.60×10-19J）。说明：半导体材料的禁带宽度可查表获得，如硅半导体的禁带宽度是1.12eV，对应能量光子的波长约为1150nm，原则上波长小于1150nm的激光均可应用于本方法，从成本考虑一般选择808nm的激光。所述的被测样品1为半导体材料或器件，如：Ge、Si、Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体（InGaAs、GaInP等），样品类型涵盖半导体固体材料（如硅锭、硅片等）、半导体器件半成品（如外延片、太阳电池扩散片等）、半导体器件成品（如太阳电池、LED光源芯片、运行在现场的太阳能发电板等）S2、激光光源6发出的激本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种半导体材料及器件内部缺陷无损测试方法，其特征在于：它包括以下步骤：S1、针对被测样品的材料类型，选择合适的可调制激光光源，选择原则为被选激光光源的激光光子能量大于被测样品材料的禁带宽度；所述的被测样品为半导体材料或器件；S2、可调制激光光源发出的调制激光照射在被测样品上；S3、被测样品在调制激光照射下激发出特定波长的光致荧光信号，在滤光后由红外传感器接收，并转换为数字信号；S4、控制与信号处理系统接收所述的数字信号，通过激光光源的频率f作为锁相信号放大的输入参数，提取被测样品的内部缺陷分布图。
【技术特征摘要】
1.一种半导体材料及器件内部缺陷无损测试方法，其特征在于：它包括以下步骤：S1、针对被测样品的材料类型，选择合适的可调制激光光源，选择原则为被选激光光源的激光光子能量大于被测样品材料的禁带宽度；所述的被测样品为半导体材料或器件；S2、可调制激光光源发出的调制激光照射在被测样品上；S3、被测样品在调制激光照射下激发出特定波长的光致荧光信号，在滤光后由红外传感器接收，并转换为数字信号；S4、控制与信号处理系统接收所述的数字信号，通过激光光源的频率f作为锁相信号放大的输入参数，提取被测样品的内部缺陷分布图。2.根据权利要求1所述的半导体材料及器件内部缺陷无损测试方法，其特征在于：所述的S4具体为：在频率为f的调制激光光源照射下，用高速红外传感器采集红外图像序列图，依次将红外图中每个像素点的值按时间顺序组成一组时序信号，针对每组时序信号采用数字锁相信号处理技术，计算出幅度值和相位值，组合成幅度值二维矩阵和相位值，最后通过数字图像构成技术合成样品缺陷图，包含缺陷的形状特征和在材料中的深度特性。3.根据权利要求1所述的半导体材料及器件内部缺陷无损测试方法，其特征在于：所述的S2中，激光光源是被脉冲调制和匀光后的，其中激光光源的调制频率取值不高于红外传感器正常工作帧率的1/4。4.根据权利要求1所述的半导体材料及器件内部缺陷无损测试方法，其特征在于：所述的红外传感器满足以下条件：在被测样品禁带宽度对应的波长区间，量子效率＞50%，采样频率≥9帧/s。5.根据权利要求1所述的半导体材料及器件内部缺陷无损测试方法，其特征在于：所述的滤光由安装在红外传感器镜头上的滤光镜完成，滤光镜满足以下条件：在被测半导体材料禁带宽度对应的波长区间内，带通截止率99.99%，透过率优于80%。6.根据权利要求1所述的半导...
【专利技术属性】
技术研发人员：彭云峰，丁叶飞，黄川，
申请(专利权)人：上海道口材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。