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SPM900 系列少子壽命成像測(cè)試儀原理說明
非平衡少數(shù)載流子
少數(shù)載流子的壽命是半導(dǎo)體材料的一個(gè)重要參數(shù)，也是評(píng)價(jià)半導(dǎo)體質(zhì)量的一個(gè)指標(biāo)。例如在光伏電池中，少子壽命決定了少子擴(kuò)散長度， 決定了光吸收層、內(nèi)建電場(chǎng)區(qū)域的厚度設(shè)計(jì)等重要的器件參數(shù)；載流子壽命也可以反映器件中雜質(zhì)或者缺陷的影響，抑或是存在污染， 進(jìn)行失效分析，對(duì)工藝過程進(jìn)行優(yōu)化。
載流子的復(fù)合
在一定溫度下，處于熱平衡狀態(tài)的半導(dǎo)體材料，電子- 空穴對(duì)的產(chǎn)生和復(fù)合保持一種動(dòng)態(tài)平衡，載流子濃度是一定的。然而，外界的作用會(huì)破壞這種熱平衡，使其處于與熱平衡相偏離的狀態(tài)，隨之改變的是載流子的濃度， 多于平衡值的載流子就是非平衡載流子。非平衡少數(shù)載流子也稱也稱少子，通常對(duì)于半導(dǎo)體器件的性能起到?jīng)Q定性的作用。
當(dāng)外界作用撤掉后，處于非平衡態(tài)的載流子會(huì)通過復(fù)合而產(chǎn)生衰減，直到載流子濃度恢復(fù)到之前的熱平衡狀態(tài)。載流子的復(fù)合方式可以分為三類：SRH 復(fù)合、輻射復(fù)合及俄歇復(fù)合（直接和間接）。
(a) SRH 復(fù)合； (b) 輻射復(fù)合； (c) 直接俄歇復(fù)合；（d）間接俄歇復(fù)合
少子壽命測(cè)試
少子壽命的測(cè)量通常包括非平衡載流子的注入和檢測(cè)兩個(gè)方面，*常用的注入方法是光注入和電注入。對(duì)于間接帶隙的半導(dǎo)體，常使用電注入或者微波光電導(dǎo)衰減的方法進(jìn)行少子壽命測(cè)試，間接帶隙半導(dǎo)體一般壽命較長， 為毫秒量級(jí)。而對(duì)于GaAs 這類的直接間隙半導(dǎo)體，復(fù)合的能量幾乎全部以發(fā)光的形式放出，發(fā)光效率高，壽命較短（典型的壽命在10-8-10-9s），通常使用時(shí)間分辨光致發(fā)光光譜（TRPL）的方法來進(jìn)行測(cè)試。
激光掃描少子壽命成像測(cè)量儀SPM900
當(dāng)外界作用停止以后，少子的濃度（ΔC）隨時(shí)間t 增長呈指數(shù)衰減的規(guī)律。由以下方程可知，少子的壽命為當(dāng)少子濃度衰減到初始濃度1/e 時(shí)候所經(jīng)歷的時(shí)間。在輻射復(fù)合中，發(fā)光的強(qiáng)度與少子的濃度相關(guān)，因此可以通過檢測(cè)發(fā)光的壽命來獲得少子的壽命信息。
當(dāng)在顯微鏡上加載少子壽命測(cè)試模塊，就可以得到微區(qū)下半導(dǎo)體器件的少子壽命分布信息，這對(duì)于微小型器件的研究及質(zhì)量控制十分重要。激光掃描少子壽命成像儀基于時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，包含顯微鏡主體，激光光源，光子計(jì)數(shù)檢測(cè)器，單色儀以及自動(dòng)XY 樣品臺(tái)等部分。位于顯微鏡上的激光光源用于樣品的激發(fā)，通過控制樣品臺(tái)的移動(dòng)，可以進(jìn)行微區(qū)單點(diǎn)少子壽命測(cè)量和少子壽命成像。
少子壽命成像測(cè)試應(yīng)用
外延ZnS 薄膜半導(dǎo)體
本征帶- 淺雜質(zhì)復(fù)合
半導(dǎo)體中施主- 受主對(duì)復(fù)合
深能級(jí)復(fù)合
III-V 族載流子雜質(zhì)俘獲過程研究
非輻射中心的電子弛豫及復(fù)合機(jī)制研究
半導(dǎo)體外延片缺陷和雜質(zhì)檢測(cè)
測(cè)試軟件
控制測(cè)試界面
測(cè)試軟件的界面遵循“All In One"的簡潔設(shè)計(jì)思路，用戶可在下圖所示的控制界面中完成采集數(shù)據(jù)的所有步驟：包括控制樣品平移臺(tái)移動(dòng)，通過顯微鏡的明場(chǎng)光學(xué)像定位到合適區(qū)域，框選掃描區(qū)域進(jìn)行掃描，逐點(diǎn)獲得熒光衰減曲線，實(shí)時(shí)生成熒光圖像等。
數(shù)據(jù)處理界面
功能豐富的熒光壽命數(shù)據(jù)處理軟件，充分挖掘用戶數(shù)據(jù)中的寶貴信息。可自動(dòng)對(duì)掃描獲得的FLIM 數(shù)據(jù)，逐點(diǎn)進(jìn)行多組分熒光壽命擬合（組分?jǐn)?shù)小于等于4），對(duì)逐點(diǎn)擬合獲得的熒光強(qiáng)度、熒光壽命等信息生成偽彩色圖像顯示。
3D 顯示功能
少子壽命測(cè)試案例
MicroLEDMicroLED 顯示技術(shù)是指以自發(fā)光的微米量級(jí)的LED 為發(fā)光像素單元，將其組裝到驅(qū)動(dòng)面板上形成高密度LED 陣列的顯示技術(shù)， 在發(fā)光亮度、分辨率、對(duì)比度、穩(wěn)定性、能量損耗等方面有很大優(yōu)勢(shì)，可以應(yīng)用在AR/VR，可穿戴光電器件，柔性顯示屏等領(lǐng)域。由于MicroLED 的尺寸在微米級(jí)別，因此需要在顯微鏡下進(jìn)行檢測(cè)。下圖為使用少子壽命成像系統(tǒng)對(duì)直徑為80 微米的MicroLED 微盤進(jìn)行測(cè)試。
單組分?jǐn)M合，可以看到紅圈中的污損位置，雖然影響發(fā)光強(qiáng)度，但對(duì)發(fā)光壽命沒有影響
鈣鈦礦測(cè)試
鈣鈦礦屬于直接帶隙半導(dǎo)體材料，具有高光學(xué)吸收，高增益系數(shù)、高缺陷容忍度、帶隙可調(diào)，制備成本低等優(yōu)點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用在光子學(xué)與光電信息功能器件等領(lǐng)域，例如鈣鈦礦太陽能電池，鈣鈦礦量子點(diǎn)，鈣鈦礦LED 等材料的研究。對(duì)于鈣鈦礦中的載流子輻射復(fù)合的研究對(duì)于提供器件的光電轉(zhuǎn)換性能有很大的幫助。
以下示例為鈣鈦礦樣品的少子輻射復(fù)合發(fā)光成像和壽命成像。圖中可見此鈣鈦礦樣品有兩個(gè)壽命組分，且不同壽命組分的相對(duì)含量也可以從相對(duì)振幅成像圖中很直觀的看到。
晶圓級(jí)大尺寸的少子壽命成像測(cè)試儀
4、6、8 英寸晶圓樣品測(cè)試，可在此基礎(chǔ)上增加小行程電動(dòng)位移臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)百納米至微米尺度的精細(xì)掃描
參數(shù)指標(biāo)
系統(tǒng)性能指標(biāo)： | |
光譜掃描范圍 | 200-900nm |
*小時(shí)間分辨率 | 16ps |
壽命測(cè)量范圍 | 500ps-1ms（具體視激光器而定） |
小尺寸空間分辨率 | ≤ 1μm@100X 物鏡@405nm 皮秒脈沖激光器 |
大尺寸掃描 | 可適用4 英寸、6 英寸、8 英寸樣品 |
配置參數(shù)： | |
脈沖激光器 | 375nm 皮秒脈沖激光器，脈寬：30ps，平均功率1.5mW@50MHz |
405nm 皮秒脈沖激光器，脈寬：25ps，平均功率2.5mW@50MHz | |
450nm 皮秒脈沖激光器，脈寬：50ps，平均功率1.9mW@50MHz | |
488nm 皮秒脈沖激光器，脈寬：70ps，平均功率1.3mW@50MHz | |
510nm 皮秒脈沖激光器，脈寬：75ps，平均功率1.1mW@50MHz | |
635nm 皮秒脈沖激光器，脈寬：65ps，平均功率4.3mW@50MHz | |
660nm 皮秒脈沖激光器，脈寬：60ps，平均功率1.9mW@50MHz | |
670nm 皮秒脈沖激光器，脈寬：40ps，平均功率0.8mW@50MHz | |
其他皮秒或納秒脈沖激光器具體視材料及激發(fā)波長而定 | |
科研級(jí)正置顯微鏡 | 落射明暗場(chǎng)鹵素?zé)粽彰鳎?2V，100W 5 孔物鏡轉(zhuǎn)盤，標(biāo)配明場(chǎng)用物鏡：10×，50×，100× 監(jiān)視CCD：高清彩色CMOS 攝像頭，像元尺寸：3.6μm*3.6μm， 有效像素：1280H*1024V，掃描方式：逐行，快門方式：電子快門 |
小尺寸掃描用電動(dòng)位移臺(tái) | 高精度電動(dòng)XY 樣品臺(tái)，行程：75*50mm（120*80mm 可選）， *小步進(jìn)：50nm，重復(fù)定位精度＜ 1μm |
大尺寸掃描用電動(dòng)位移臺(tái) | XY 軸行程200mm/250mm，單向定位精度≤ 30μm，水平負(fù)載：30Kg； |
光譜儀 | 320mm焦距影像校正單色儀，雙入口、狹縫出口、CCD出口，配置三塊68×68mm大面積光柵， 波長準(zhǔn)確度：±0.1nm，波長重復(fù)性：±0.01nm，掃描步距：0.0025nm， 焦面尺寸：30mm(w)×14mm(h)，狹縫縫寬：0.01-3mm 連續(xù)電動(dòng)可調(diào) |
探測(cè)器：制冷型紫外可見光電倍增管，光譜范圍：185-900nm（標(biāo)配，可擴(kuò)展） | |
光譜CCD ( 可擴(kuò)展PL mapping） | 低噪音科學(xué)級(jí)光譜CCD（LDC-DD），芯片格式：2000x256，像元尺寸：15μm*15μm, 探測(cè)面：30mm*3.8mm，背照式深耗盡芯片，低暗電流， *低制冷溫度-60℃ @25℃環(huán)境溫度，風(fēng)冷，*高量子效率值>95% |
時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)器 (TCSPC） | 時(shí)間分辨率：16/32/64/128/256/512/1024ps……33.55μs，死時(shí)間＜ 10ns， *高65535 個(gè)直方圖時(shí)間窗口，瞬時(shí)飽和計(jì)數(shù)率：100Mcps，支持穩(wěn)態(tài)光譜測(cè)試； |
OmniFlμo-FM 壽命成像 專用軟件 | 控制功能：控制樣品平移臺(tái)移動(dòng)，通過顯微鏡的明場(chǎng)光學(xué)像定位到合適區(qū)域， 框選掃描區(qū)域進(jìn)行掃描，逐點(diǎn)獲得發(fā)光衰減曲線，實(shí)時(shí)生成發(fā)光圖像等 數(shù)據(jù)處理功能：自動(dòng)對(duì)掃描獲得的壽命成像數(shù)據(jù)，逐點(diǎn)進(jìn)行多組分發(fā)光壽命擬合 ( 組分?jǐn)?shù)小于等于4），對(duì)逐點(diǎn)擬合獲得的發(fā)光強(qiáng)度、發(fā)光壽命等信息生成偽彩色圖像顯示 圖像處理功能：直方圖、色表、等高線、截線分析、3D 顯示等 |
操作電腦 | 品牌操作電腦，Windows 10 操作系統(tǒng) |
