一种光致电流瞬态谱自动化分析方法与系统技术方案

光致电流瞬态谱自动化分析方法，采用波长<270nm的激光器，通过斩波器的调制形成100±50HZ的方波激发光源，照射在被测样品表面，通过被测样品材料价带至导带间的光吸收，在导带形成过剩载流子，并在空间电荷区驱动至外部电路，形成光致电流；激发光源为方波形式，即前半周期样品处于光激发状态，而后半周期则无光激发；当在光照激发条件下，光吸收形成的过剩载流子会被半导体样品中的深能级陷阱缺陷俘获；而无光照时，深能级陷阱缺陷将释放出过剩载流子，这些载流子则是无光照条件下形成的过剩载流子，同样也会被外部电路收集形成电流，通过这一电流强度及电流随时间的变化关系，获得深能级缺陷的能级位置及陷阱密度信息。

An automatic analysis method and system of photocurrent transient spectrum

【技术实现步骤摘要】
一种光致电流瞬态谱自动化分析方法与系统
本专利技术涉及一种光致电流瞬态谱自动化分析方法与系统，用于宽禁带半导体材料深能级缺陷的定量表征和分析。
技术介绍
宽禁带半导体材料包括SiC、GaN、金刚石等因其较大的禁带宽度和较高的击穿场强，是功率电力电子器件发展的优选材料，在轨道交通、汽车电子、航空航天、智能电网、新能源和武器装备领域具有重要的应用前景。半导体中缺陷的形成将影响器件的性能、稳定性和可靠性，因此研究缺陷的类型及能级分布对材料质量优化和器件制备至关重要。目前，对于宽禁带半导体材料，杂质和缺陷能级的检测主要采用深能级瞬态谱技术，即将该半导体材料制成p-n结，肖特基结或MOS电容结构，在其空间电荷区上施加一个周期性的短暂电压脉冲，测量空间电荷区的势垒电容的瞬态变化。通过在不同温度条件下电容的变化，从而分析获得深能级中心的能级位置和浓度。但是对于宽禁带半导体材料，禁带宽度大于3eV，例如GaN,SiC、金刚石和氧化镓等新型半导体材料，特别是在高阻状态下或缺陷能级较深，电压脉冲无法产生足够数目的载流子，因此电容的变化极其微小，因此无法有效检测。另外，深能级瞬态谱技术也无法得到深能级缺陷的表观电离能和俘获截面等重要信息。
技术实现思路
本专利技术目的是，为克服现有的深能级瞬态谱技术无法测量高阻宽禁带半导体材料，以及无法得到深能级缺陷的表观电离能和俘获截面等重要信息的问题，本专利技术基于光致电流瞬态谱理论构建了一种光致电流瞬态谱自动化分析方法与系统，通过所测半导体材料的光响应分析获得其深能级缺陷的信息。本专利技术所采用的技术方案是：光致电流瞬态谱自动化分析方法，采用波长较短(波长<270nm，能覆盖检测需要的能量)的激光器，通过斩波器的调制形成100±50HZ的方波激发光源，照射在被测样品表面，通过被测样品材料价带至导带间的光吸收，在导带形成过剩载流子，并在空间电荷区驱动至外部电路，形成光致电流。由于激发光源为方波形式，即前半周期样品处于光激发状态，而后半周期则无光激发。当在光照激发条件下，光吸收形成的过剩载流子会被半导体样品中的深能级陷阱缺陷俘获；而无光照时，深能级陷阱缺陷将释放出过剩载流子，这些载流子则是无光照条件下形成的过剩载流子，同样也会被外部电路收集形成电流，通过这一电流强度及电流随时间的变化关系，可以获得深能级缺陷的能级位置及陷阱密度等重要信息。光致电流瞬态谱自动化分析方法进行光致电流瞬态谱自动化分析系统，其特征是，包括计算机(PC)，斩波器，激光器，示波器，低温恒温器，温控仪；样品放在低温恒温器的样品台上，低温恒温器有两个接头，第一接头外接温控仪，内接热电偶及温度传感器，第二接头外接示波器，内接样品；激光器发射的激光通过斩波器后打到样品表面；PC电脑通过数据线连接示波器，信号源，温控仪，计算机控制示波器采集数据，控制温控仪升温以及采集数据；在测量系统中，过剩载流子经由第二接头流过采样电阻，在电阻两端产生电压，此时载流子所表示的电流信号被转换为电压信号，PC控制示波器采集，并将电压值与当前温度存储至PC。本专利技术的自动化的光致电流瞬态谱分析设备，包括一PC，一示波器，一温控仪，一激光器和斩波器，一低温恒温器。PC通过USB线控制示波器和温控仪，温控仪通过第一航空接头连接低温恒温器内部的热电偶及温度传感器，示波器探头通过第二航空接头连接低温恒温器内部样品台上的样品。激光器发射激光经过斩波器调制后射到低温恒温器内部样品表面上。本专利技术主要用于得到高阻抗半导体材料深能级缺陷信息。本专利技术的有益效果，本专利技术采用激光器斩波器提供光源获得半导体材料的光致电流的方法，克服了传统缺陷能级检测方法无法有效检测高阻特性材料，也无法得到深能级缺陷的表观电离能和俘获截面等重要信息的缺点，从而更深入的揭示半导体材料的特性，对半导体材料的发展与研究有重大影响。也可以采用LED光源，尤其是采用较强光强的紫外LED，利用后续的信号处理，虽然在光信号强度上采用激光器更加合适。附图说明图1是本专利技术低温恒温器内部结构及系统总结构示意图；图2是本专利技术中航空接头示意图；图3是本专利技术检测步骤示意图；图4是本专利技术python脚本程序示意图。图1中11、低温恒温器，12、第一航空接头，13、第二航空接头，14、玻璃观察窗，15、温度传感，16、热电偶，17、样品台，18、样品，19、斩光器，20、激光器。具体实施方式为了详细说明本专利技术的结构特点及具体操作步骤，现举一下较佳实例并配合附图进行说明。如图1所示，一种光致电流瞬态谱自动化分析系统，包括计算机(PC)，斩波器，激光器，示波器，低温恒温器，温控仪。样品放在低温恒温器的样品台上，低温恒温器有两个航空接头，第一航空接头外接温控仪，内接热电偶及温度传感器，第二航空接头外接示波器，内接样品。激光器发射的激光通过斩波器后打到样品表面。PC电脑通过USB线连接示波器，信号源，温控仪，运用python脚本控制示波器采集数据，控制温控仪升温。外部电路收集形成电流的电路是，过剩载流子经由电连接接头流过一个1K电阻，在取样电阻两端产生电压，此时载流子所表示的电流信号被转换为电压信号，并将电压值与当前温度进行对应的测量，得到深能级缺陷的能级位置及陷阱密度。所述低温恒温器中有热电偶，温度传感器，可以连接外部仪器及内部电子元器件的航空接头，加热台，样品，及激光可以穿透的透明玻璃观察窗，热电偶，温度传感器通过第一航空接头连接至温控仪，样品通过第二航空接头连接至示波器探头。PC通过USB控制的示波器和温控仪，低温恒温器11。温控仪由第一航空接头12连接低温恒温器11内部的温度传感器15，热电偶16，示波器由第二航空接头13连接低温恒温器11内部加热台17上的样品18。激光器20，型号MPL-F-266，发出激光通过斩光器19调制后由玻璃观察窗14射到样品18表面。如图2所示，第一航空接头1号，2号，3号，4号接线柱内接热电偶，外接温控仪，5号，6号接线柱内接温度传感器，外接温控仪。第二航空接头1号，2号接线柱内接样品外接示波器探头。斩波器可以采用机械斩波器，也可以采用紫外透明的光开关。所述示波器，温控仪由USB线连接计算机，受计算机控制。计算机可以调整温控仪温度，温控仪将当前温度反馈回计算机，计算机控制示波器采样，示波器将采样得到的电压值反馈回计算机。所述计算机，内有python脚本，可以实时控制温控仪，示波器行为，且对二者反馈的值进行运算处理，最终可以得到电压随温度变化曲线。所述激光器发射激光，通过斩波器调制，可以激发出样品方波状电流。如图3所示，本专利技术使用时，可以采取一下检测步骤：1、将样品固定在样品台上，确保样品和样品台充分接触，已使导热充分且快速。2、将示波器，温控仪与低温恒温器用航空接头连接在一起。3、运行python脚本，脚本程序示意图如图4，此时整套装置将在程序驱动下正确运转，程序运行完之后，将显示出电压vs温度曲线，从中可以得到半导体缺陷的相关信息。...

【技术保护点】
1.光致电流瞬态谱自动化分析方法，其特征是，采用波长<270nm的激光器，通过斩波器的调制形成100±50HZ的方波激发光源，照射在被测样品表面，通过被测样品材料价带至导带间的光吸收，在导带形成过剩载流子，并在空间电荷区驱动至外部电路，形成光致电流；激发光源为方波形式，即前半周期样品处于光激发状态，而后半周期则无光激发；当在光照激发条件下，光吸收形成的过剩载流子会被半导体样品中的深能级陷阱缺陷俘获；而无光照时，深能级陷阱缺陷将释放出过剩载流子，这些载流子则是无光照条件下形成的过剩载流子，同样也会被外部电路收集形成电流，通过这一电流强度及电流随时间的变化关系，获得深能级缺陷的能级位置及陷阱密度信息。/n

【技术特征摘要】
1.光致电流瞬态谱自动化分析方法，其特征是，采用波长<270nm的激光器，通过斩波器的调制形成100±50HZ的方波激发光源，照射在被测样品表面，通过被测样品材料价带至导带间的光吸收，在导带形成过剩载流子，并在空间电荷区驱动至外部电路，形成光致电流；激发光源为方波形式，即前半周期样品处于光激发状态，而后半周期则无光激发；当在光照激发条件下，光吸收形成的过剩载流子会被半导体样品中的深能级陷阱缺陷俘获；而无光照时，深能级陷阱缺陷将释放出过剩载流子，这些载流子则是无光照条件下形成的过剩载流子，同样也会被外部电路收集形成电流，通过这一电流强度及电流随时间的变化关系，获得深能级缺陷的能级位置及陷阱密度信息。


2.根据权利要求1所述的光致电流瞬态谱自动化分析方法，其特征是，外部电路收集形成电流的电路是，过剩载流子经由电连接接头流过一个取样电阻，在取样...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶建东，程东，陈选虎，巩贺贺，徐阳，任芳芳，顾书林，
申请(专利权)人：南京大学，南京大学深圳研究院，
类型：发明
国别省市：江苏;32