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摘要：硅已经被广泛应用于现代微电子领域，准确测量其电学和光学特性对其应用具有重要意义。本文提出利用太赫兹（THz）无损检测技术研究硅（Si）晶元的方法，采用空气共振产生和检测THz时域光谱系统产生了0.1-8 THz的THz波，利用该系统的时域光谱模块获得高阻Si的时域波形和频谱，计算得到其折射率、相对介电常数；利用光泵浦-THz探测模块测得Si的载流子寿命。实验结果和出厂标定的参数近似，本方法也适用于其他半导体晶元的光电特性的检测。
关键词：太赫兹波，光泵浦太赫兹探测技术，硅，载流子寿命
硅（Si）是现代电子信息领域中一种非常重要的半导体材料，不仅广泛应用于各种各样的电子器件，如集成电路，而且也应用于功率电子器件、传感器、太阳能电池等[1]。因此，准确研究Si材料的光电特性（折射率、相对介电常数、载流子寿命等）对其应用具有重要意义，这些参数直接影响到器件的正向压降，开关速度和Si发光二极管的发光效率[2]。
测试半导体的性能的传统的测试方法有很多缺陷。例如，表面光压衰减法[3]、光电导率衰减法[4]是最广泛使用的少子寿命测量方法，对表面光压衰减法要求待测样品厚度不小于少子的扩散长度的4倍，并且样品必须是低注入的。常用的有三种光电导率衰减法：非接触微波反射法[5]，直流[6]和高频[7]光电导衰减法，第一种方法比第二种和第三种方法更先进并且其测量结果更精确，但是仪器价格昂贵；第二种方法是少子载流子寿命测试的常用方法，然而，这种方法要求样品具有特定的几何形状，并且需要制作欧姆接触电极；而第三种方法的测试精度不够高[8]。
本文采用太赫兹无损检测技术测量Si晶元的性质，尽管这种方法已经被用于Si和其他半导体材料的测试中[9，10]，但是现有的报道中测试的频率范围都小于3 THz。本文中使用基于空气的太赫兹相干产生和探测时域光谱系统进行样品测试，其频谱范围可达0.1-8 THz。与所报道文献相比，本文可以在更大的频谱范围内研究Si晶元的折射率和相对介电常数，并且采用光泵浦-THz探测（OPTP）方法获得了载流子寿命。
图 1带有光泵浦-THz探测模块的基于空气的
太赫兹波相干产生和检测时域光谱系统光路示意图
图1所示为本实验中所使用的带有光泵浦-THz探测模块的基于空气的太赫兹波相干产生和检测时域光谱系统光路示意图。由激光放大器（Spitfire，Spectra-Physics，美国）产生一束波长为800 nm的基频光，经非线性β-BBO后，产生波长为400 nm的倍频光。当基频光和倍频光共线聚焦到空气中时，根据空气的四波混频效应，一束强THz脉冲从电离的空气中产生[11].根据四波混频的逆效应，THz脉冲的强度与基频光在空气等离子体中产生的二次谐波的强度成正比，利用光电倍增管（PMT）可以测得二次谐波的强度。THz时域波形可以通过移动平移台1改变THz脉冲与探测光脉冲的时间延迟而得到。待测样品放置于样品室中THz波的焦点位置。
对于OPTP模式，平移台1固定于THz波峰值出现的位置，泵浦激光脉冲和THz脉冲的时间延迟通过移动平移台2改变，从而可以获得被光激发后的样品电导率随时间的变化规律。
图2的插图是参考THz脉冲和经过Si样品后的THz脉冲的时域波形图，通过快速傅里叶变换（FFT）后得到的响应的频谱，见图2。由图知，THz频谱覆盖0.1-8 THz，由于Si的吸收，通过Si后的THz时域波形的幅值衰减了11.1%，这并不是非常明显，说明实验中使用的Si材料对THz波的吸收率不是很高，说明Si中载流子浓度较低。
通过比较THz波通过Si片和THz波通过自有空间（参考）的频谱，利用公式（1）-（3）可以计算出Si的折射率（n）和相对介电常数（εr），其结果如图2所示。
本文利用光泵浦-THz探测方法无损测试了硅晶元的瞬态电导率，THz波的频率范围为0.1到8 THz。图4为在800 nm的激光泵浦下，硅晶元对THz波的透过率在皮秒时间尺度内的变化规律。从240 ps到260 ps，由于激光的激励作用在硅材料内部产生了大量的光生载流子，导致材料对THz波的透过率急剧降低。260 ps后，激光消失，光生电子和空穴在硅晶元内部复合，导致材料对THz波的透过率升高。因此，可以利用指数函数去拟合Si的载流子寿命曲线而得到Si的载流子寿命。图4中，蓝色线是利用光泵浦-太赫兹探测方法获得的实验结果，红色曲线为指数拟合曲线。拟合曲线方程为 ，因此可以得到Si的载流子寿命为905 ps。
结论
本文使用高阻硅作为样品，利用THz无损检测方法研究了Si的特性。利用时域光谱测试模块，测得在1-8THz范围内，其相对折射率约为3.4，相对介电常数从11.4升高到11.5；利用光泵浦-THz探测模块测得Si的载流子寿命约为905ps。与传统的测试方法相比，本方法具有测试方便，结果准确的特点。
参考文献：
[1]S.K.Ghandi，Power semiconductor devices，John Wiley Sons，New York，1977.
[2]D.Macdonald，A.Cuevas，M.Di Sabatino，L.J.Geerligs，Carrier lifetime studies of strongly compensated p-type Czochralski silicon，23rd European Photovoltaic Solar Energy Conference，Valencia，Spain，September 2008，951-957.
[3]O.von Roos，Analysis of the photo voltage（PVD）method for measuring minority carrier lifetimes in P-N junction solar cells，J.Appl.Phys.52（1981）5833-5837.
[4]A.C.Sim，A note on the use of filters in photo-conductive decay measurements，Proceedings of the IEEE.Part B：Electronic and Communication Engineering，106（1959）308-310.
[5]D.Macdonald，and A.Cuevas，Understanding minority carrier trapping in multicrystalline silicon，Sol.Energ.Mat.Sol.C 65（2001）509-516.
[6]M.Saritas，and H.D.Mckell，Comparison of minority-carrier diffusion length measurements in silicon by the photoconductive decay and surface photovoltage methods，J.Appl.Phys.63（1988）4561-4567.
论文作者:孙夏思,王红梅,匙梦雪
论文发表刊物:《基层建设》2017年第36期
论文发表时间:2018/4/3
标签：载流子论文; 时域论文; 脉冲论文; 寿命论文; 样品论文; 频谱论文; 折射率论文; 《基层建设》2017年第36期论文;