CN103901335B - 一种半导体少数载流子寿命分布的红外偏振光学成像检测方法与*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体少数载流子寿命分布的红外偏振光学成像检测方法与***。所述方法由短波焦平面红外相机采集少数载流子辐射复合偏振发光图像序列、激光光源偏振激励、少数载流子辐射复合偏振发光信号处理与图像分析三个步骤组成；所述***包括激光偏振激励装置、NI数据采集卡、短波焦平面红外相机及计算机。本发明应用红外偏振成像技术和数字信号处理技术得到调制偏振光诱发半导体材料的少数载流子辐射复合偏振光的频域响应特性，利用少数载流子辐射复合偏振发光频响特性分析得到少数载流子寿命，这是一种快速、准确获取少数载流子寿命分布的无损检测方法。

Description

一种半导体少数载流子寿命分布的红外偏振光学成像检测方法与***

技术领域

本发明涉及一种半导体少数载流子寿命分布的红外偏振光学成像检测方法与***，尤其涉及一种基于调制偏振光致少数载流子辐射技术测量半导体材料少数载流子寿命分布情况的无损检测方法与***。

背景技术

随着新型半导体材料制备技术的发展，高性能、高转化效率的太阳能电池需求不断增大，现代太阳能电池工业需求已达到GW量级。半导体材料制备质量控制与评价已成为关键问题。众所周知，少数载流子寿命是衡量半导体及其产品的重要参数。

目前代表性的半导体少数载流子寿命检测技术主要有电致发光（Electroluminescence—EL）、光电导衰减检测（Photoconductancedecay—PCD）、光致发光检测技术（Photoluminescence—PL）和光热辐射检测技术（Photothermalradiometry—PTR）等。其中电致发光（EL）一般适用于具有PN结的太阳能电池结构，根据发光强弱可以快速检测材料载流子寿命分布，该方法快速、准确，但需要施加偏置电压，这与太阳能电池发生接触易造成二次破坏，同时要求有电极。光电导衰减检测（PCD）是一种准确快速且无接触的测试方法，但该方法对待测半导体样品的形状尺寸和电阻率有一定要求，并且测量半导体的平均载流子寿命，难于实现少数载流子寿命分布的测量，另外，当测量载流子寿命较短的半导体材料时，则需电子学设备快速记录光脉冲和光电导衰减信号，其灵敏度低。光致发光检测（PL）是一种快速、非接触检测半导体硅片的少数载流子寿命的检测方法，该方法可实现半导体硅片少数载流子寿命分布的快速检测。光热辐射检测技术（PTR）是一种非接触的无损检测方法，应用于半导体材料少数载流子寿命检测时，其计算量大，分析复杂。

尽管目前存在基本成熟的少数载流子寿命分布检测方法，这些方法各有所长，也各有其局限性。调制偏振光致载流子辐射发光检测技术具有快速、非接触、分析简单、灵敏度高等优点，可实现半导体样件的少数载流子寿命检测与分布，且少数载流子寿命分布的分辨率高。因此，实现高效可靠检测半导体少数载流子寿命分布具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于调制偏振光致载流子辐射的半导体少数载流子寿命分布无损检测方法，应用红外偏振成像技术和数字信号处理技术得到调制偏振光诱发半导体材料的少数载流子辐射复合偏振光的频域响应特性，利用少数载流子辐射复合偏振发光频响特性分析得到少数载流子寿命，这是一种快速、准确获取少数载流子寿命分布的无损检测方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种半导体少数载流子寿命分布的红外偏振光学成像检测方法，由短波焦平面红外相机采集少数载流子辐射复合偏振发光图像序列、激光光源偏振激励、少数载流子辐射复合偏振发光信号处理与图像分析三个步骤组成，具体内容如下：

首先，将短波焦平面红外相机通过高度调整立柱固定在工作台上，调焦镜头前端带有第一1/4λ偏振片和长通滤波片，利用数据线分别与计算机和NI数据采集卡相连，由计算机与NI数据采集卡完成短波焦平面红外相机的初始化及采集参数设置，同时计算机控制NI数据采集卡产生按正弦规律调制的信号；通过调整短波焦平面红外相机与被测样件的相对位置和调节调焦镜头使被测样件充满整个视场范围；

然后，将NI数据采集卡产生的按正弦规律变化调制信号输入到光纤激光器电源的调制端，控制光纤激光器产生的激光光强按正弦规律变化，调制激光由光纤输入到固定在调整架上的激光准直器，准直后的调制激光经过第二1/4λ偏振片和工程散射片产生矩形整形发散的调制偏振激光照射被测样件，通过调整架调整调制偏振激光入射光线与样件的待检区域表面外法线的夹角，尽量保持二者重合，但最大夹角应小于30°，保证入射调制偏振光照射到被测样件的待检区域内；

最后，打开光纤激光器电源的激光输出开关，计算机控制NI数据采集卡触发光纤激光器产生光强按正弦规律变化偏振激励被测样件，同时计算机与NI数据采集卡控制短波焦平面红外相机对被测样件待检区域表面产生的少数载流子辐射复合的偏振发光进行记录，将调制激励信号作为参考信号，并与记录的少数载流子辐射复合的偏振发光信号进行数字锁相相关运算得到少数载流子辐射复合偏振发光的幅值图与相位图。记录至少一个周期，为了提高信噪比，应记录100个周期以上，短波焦平面红外相机采样频率设置满足调制频率2倍以上，即满足奈奎斯特法则，通过改变调制频率，可得到少数载流子辐射复合偏振发光的幅频与相频序列图像，利用少数载流子辐射复合偏振发光的幅频与相频特性提取少数载流子平均寿命，实现样件检测区域少数载流子平均寿命分布的快速、准确无损检测。

一种半导体少数载流子寿命分布的红外偏振光学成像检测***，包括激光偏振激励装置、NI数据采集卡、短波焦平面红外相机及计算机，其中：

所述激光偏振激励装置用以实现激光偏振激发半导体产生少数载流子，它包括光纤激光器、调整架、激光准直器、第二1/4λ偏振片与工程散射片。光纤激光器的激光输出光纤与激光准直器相连接，激光准直器前端连接第二1/4λ偏振片与工程散射片，并一同固定在调整架上，调整架放置在立柱上，可实现3个转动与1个移动运动；

所述NI数据采集卡与计算机相连，用以控制短波焦平面红外相机的初始化、采集参数设置，产生调制激励信号和控制触发短波焦平面红外相机记录少数载流子辐射复合偏振发光图像序列；

所述短波焦平面红外相机用以采集半导体少数载流子辐射复合偏振发光图像序列，短波焦平面红外相机前端带有第一1/4λ偏振片与长通滤波片，长通滤波片用以消除激励偏振激光的反射影响；

所述计算机用以控制NI数据采集卡与短波焦平面红外相机采集半导体辐射复合偏振发光信号，对采集得到的红外偏振发光图像序列进行相应的处理。

本发明中，采用短波焦平面红外相机的波长响应范围为900nm~1700nm，像素640×512，全幅最大采样频率110Hz。

本发明中，采用调制激光通过第二1/4λ偏振片和工程散射片产生矩形整形扩散的调制激光偏振光激发样件产生少数载流子，由短波焦平面红外相机通过第一1/4λ偏振片记录少数载流子辐射复合发光的偏振光图像。

本发明中，采用的半导体激光器作为激励光源，光子能量应大于半导体的带隙能，具有较高吸收系数。在进行检测时，调整架用于固定激光准直器，可实现调制偏振激光的入射光线角度调整。

本发明中，采用工程散射片将调制激光偏振光进行矩形整形扩散照射样件。

本发明中，采用的调整架用于固定光纤激光准直器，实现调制偏振激光的入射光线角度调整。

本发明中，采用短波焦平面红外相机采集图像序列，利用调制信号与少数载流子辐射偏振发光信号的数字锁相相关运算得到幅值与相位，通过载流子辐射偏振发光信号的频域动态响应特性分析得到载流子寿命，实现半导体材料少数载流子寿命分布的无损检测。

本发明对利用短波焦平面红外相机记录少数载流子辐射偏振发光图像序列进行处理，基于半导体少数载流子辐射偏振发光测量少数载流子寿命是一种利用数字信号处理方法提取载流子辐射偏振发光信号频域动态特性并进行分析的方法，它结合了信息处理技术、计算机图像处理技术及偏振光电检测技术的长处，检测与分析半导体材料的少数载流子寿命分布情况，可实现对半导体材料少数载流子寿命分布的快速准确无损检测。

附图说明

图1为半导体材料少数载流子寿命分布检测示意图；

图2为偏振光激励调整示意图；

图3为半导体硅片少数载流子寿命分布结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

如图1所示，一种半导体少数载流子寿命分布的红外偏振光学成像检测方法是利用计算机软件处理红外偏振图像序列实现半导体材料的少数载流子寿命测量与分布检测，包括三个部分：短波焦平面红外相机采集少数载流子辐射复合偏振发光图像序列、激光光源偏振激励、少数载流子辐射复合偏振发光信号处理与图像分析，具体内容如下：

一、短波焦平面红外相机采集少数载流子辐射复合偏振发光图像序列步骤

步骤1：将短波焦平面红外相机14通过高度调整立柱15固定在工作台1上，短波焦平面红外相机14调焦镜头前端带有第一1/4λ偏振片16和长通滤波片17，通过第一数据线13和第二数据线12分别与计算机9和NI数据采集卡11相连，计算机9和NI数据采集卡11之间通过数据线10相连；

步骤2：通过计算机9与NI数据采集卡11完成短波焦平面红外相机14的初始化、采集参数设置及图像显示，控制NI数据采集卡11产生按正弦规律调制的信号；

步骤3：通过高度调整立柱15对短波焦平面红外相机14与被测样件2的相对位置进行调整，调节短波焦平面红外相机14的调焦镜头使被测样件2充满整个视场范围。

二、激光光源偏振激励步骤

步骤1：NI数据采集卡11产生按正弦规律调制的信号通过第三数据线6输入到光纤激光器电源8的调制端，光纤激光器电源8通过第四数据线7控制光纤激光器5产生的激光光强按正弦规律变化；

步骤2：调整架19通过立柱3固定在工作台1上，调制激光由光纤4输入到固定在调整架19上的激光准直器18再经过第二1/4λ偏振片20和工程散射片21产生矩形整形发散的调制偏振激光照射被测样件2；

步骤3：由调整架19调整调制偏振激光的入射光线与被测样件2的待检区域表面外法线的夹角，保持二者重合，或最大夹角小于30°，保证入射调制偏振光照射到被测样件2的待检区域内。

三、少数载流子辐射复合偏振发光信号处理与图像分析步骤

步骤1：打开光纤激光器电源8的激光输出开关，计算机控制NI数据采集卡11触发光纤激光器5产生偏振光强按正弦规律变化激励被测样件2；

步骤2：短波焦平面红外相机记录被测样件2待检区域表面产生的少数载流子辐射复合的偏振发光图像序列，并与调制激励信号进行数字锁相相关运算得到少数载流子辐射复合偏振发光的幅值图与相位图；

步骤3：通过改变调制频率，得到少数载流子辐射复合偏振发光的幅频与相频序列图像，利用少数载流子辐射复合偏振发光的幅频与相频特性提取少数载流子平均寿命，实现被测样件2检测区域少数载流子平均寿命分布的无损检测。

四、无损检测实例

为了说明该方法的实际检测效果，进行了P型半导体硅片的少数载流子寿命检测试验。

硅片少数载流子寿命检测实验：采用单晶硅抛光硅片作为样件。调制激光激励参数：功率0.03W/cm²，调制频率10~400Hz；短波焦平面红外相机采样频率1000Hz，图3为检测结果。

实际检测结果为：得到了半导体硅片的少数载流子寿命分布，采用本方法能够快速准确实现少数载流子寿命的检测。

Claims (9)

1.一种半导体少数载流子寿命分布的红外偏振光学成像检测方法，其特征在于所述方法步骤如下：

首先，将短波焦平面红外相机通过高度调整立柱固定在工作台上，调焦镜头前端带有第一1/4λ偏振片和长通滤波片，短波焦平面红外相机利用数据线分别与计算机和NI数据采集卡相连，由计算机与NI数据采集卡完成短波焦平面红外相机的初始化及采集参数设置，同时计算机控制NI数据采集卡产生按正弦规律调制的信号；通过调整短波焦平面红外相机与被测样件的相对位置和调节调焦镜头使被测样件充满整个视场范围；

然后，将NI数据采集卡产生的按正弦规律变化调制信号输入到光纤激光器电源的调制端，控制光纤激光器产生的激光光强按正弦规律变化，调制激光由光纤输入到固定在调整架上的激光准直器，准直后的调制激光经过第二1/4λ偏振片和工程散射片产生矩形整形发散的调制偏振激光照射被测样件；

最后，打开光纤激光器电源的激光输出开关，计算机控制NI数据采集卡触发光纤激光器产生光强按正弦规律变化偏振激励被测样件，同时计算机与NI数据采集卡控制短波焦平面红外相机对被测样件待检区域表面产生的少数载流子辐射复合的偏振发光进行记录，将调制信号作为参考信号，并与记录的少数载流子辐射复合的偏振发光信号进行数字锁相相关运算得到少数载流子辐射复合偏振发光的幅值图与相位图；通过改变调制频率，可得到少数载流子辐射复合偏振发光的幅频与相频序列图像，利用少数载流子辐射复合偏振发光的幅频与相频特性提取少数载流子平均寿命，实现样件检测区域少数载流子平均寿命分布的快速、准确无损检测。

2.根据权利要求1所述的半导体少数载流子寿命分布的红外偏振光学成像检测方法，其特征在于所述调制偏振激光入射光线与被测样件的待检区域表面外法线的最大夹角小于30°。

3.根据权利要求1所述的半导体少数载流子寿命分布的红外偏振光学成像检测方法，其特征在于记录偏振发光信号时，至少记录一个周期的偏振发光信号。

4.根据权利要求1所述的半导体少数载流子寿命分布的红外偏振光学成像检测方法，其特征在于为了提高信噪比，应记录100个周期以上的偏振发光信号。

5.根据权利要求1所述的半导体少数载流子寿命分布的红外偏振光学成像检测方法，其特征在于所述短波焦平面红外相机的波长响应范围为900nm~1700nm，像素为640×512，全幅最大采样频率为110Hz。

6.一种半导体少数载流子寿命分布的红外偏振光学成像检测***，其特征在于所述***包括激光偏振激励装置、NI数据采集卡、短波焦平面红外相机及计算机，其中：

所述激光偏振激励装置用以实现激光偏振激发半导体产生少数载流子；

所述NI数据采集卡用以控制短波焦平面红外相机的初始化、采集参数设置，产生调制信号和控制触发短波焦平面红外相机记录少数载流子辐射复合偏振发光图像序列；

所述短波焦平面红外相机用以采集半导体少数载流子辐射复合偏振发光图像序列；

所述计算机用以控制NI数据采集卡与短波焦平面红外相机采集半导体辐射复合偏振发光信号，对采集得到的少数载流子辐射复合偏振发光图像序列进行相应的处理。

7.根据权利要求6所述的半导体少数载流子寿命分布的红外偏振光学成像检测***，其特征在于所述激光偏振激励装置包括光纤激光器、调整架、激光准直器、第二1/4λ偏振片与工程散射片，光纤激光器输出的激光通过光纤与激光准直器相连接，激光准直器前端连接第二1/4λ偏振片与工程散射片，并一同固定在调整架上。

8.根据权利要求6所述的半导体少数载流子寿命分布的红外偏振光学成像检测***，其特征在于所述短波焦平面红外相机的前端带有第一1/4λ偏振片与长通滤波片。

9.根据权利要求6或8所述的半导体少数载流子寿命分布的红外偏振光学成像检测***，其特征在于所述短波焦平面红外相机的波长响应范围为900nm~1700nm，像素为640×512，全幅最大采样频率为110Hz。