CN107091822B - 双光源激发光致发光检测半导体缺陷的装置及其检测方法 - Google Patents

双光源激发光致发光检测半导体缺陷的装置及其检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双光源激发光致发光检测半导体缺陷的装置，包括：第一激光光源、第二激光光源、半导体样品、第一透镜、第一分光片、第二分光片、反射镜、第一滤光片、第二滤光片、第二透镜、单色仪、光电探测器和计算机；第一激光光源激发半导体样品的光致发光；第二激光光源使半导体样品材料内的深能级缺陷电子态饱和；光电探测器最终探测单色仪出光口处光信号，得到双光源激发样品得到的光致发光光谱，对比单光源与双光源照射样品得到的发光光谱，确认半导体样品内的深能级缺陷是否是有效的载流子复合中心。本发明还公开了一种双光源激发光致发光检测半导体缺陷的检测方法。

Description

双光源激发光致发光检测半导体缺陷的装置及其检测方法
技术领域
本发明属于半导体材料缺陷检测技术，涉及一种双光源激发光致发光检测半导体缺陷的装置及其检测方法。
背景技术
光致发光检测半导体材料内的缺陷主要是利用光能量大于禁带宽度的激发光激发出额外的载流子，通过测量带间的载流子辐射跃迁光谱，通过不同条件下（如光强、温度等）的光谱改变来定性的研究缺陷的能级位置、分布等信息，然而此方法只能检测浅能级缺陷的特性，无法获得深能级缺陷的信息。
为了能够同时检测浅能级缺陷和深能级缺陷的特性，本发明提出了一种双光源激发光致发光检测半导体缺陷的装置及其检测方法。
发明内容
本发明公开了一种双光源激发光致发光检测半导体缺陷的装置，包括：第一激光光源、第二激光光源、半导体样品、分光镜、反射镜、凸透镜、滤光片、单色仪、光电探测器和计算机；所述第一激光光源经过分光片和透镜聚焦照射在检测的样品表面，用于激发半导体样品产生光致发光；所述第二激光光源经过分光片和透镜聚焦照射在检测的样品表面，用于使半导体样品内某一深能级缺陷电子态饱和；光致发光信号通过所述透镜收集后经过所述分光片、反射镜、滤光片后再通过透镜收集至所述单色仪入射狭缝；所述光电探测器用于探测单色仪出光射狭缝光信号；所述光电探测器的输出与所述计算机连接，得到双光源激发样品得到的光致发光光谱，对比仅用所述第一激光光源照射样品与同时用所述短波长与第二激光光源照射样品得到的发光光谱，来确认半导体样品内的深能级缺陷是否是有效的载流子复合中心。
本发明提出的所述双光源激发光致发光检测半导体缺陷的装置中，所述第一激光光源的波长处于为300 nm-2000 nm范围内，光谱半高宽范围为0.01 nm-10 nm，且光子能量大于所述半导体样品的禁带宽度。
本发明提出的所述双光源激发光致发光检测半导体缺陷的装置中，所述第二激光光源的波长处于为300 nm-2000 nm范围内，光谱半高宽范围为0.01 nm-10 nm，且光子能量可调，光子能量与所述半导体样品内的任一深能级缺陷能级与价带的能量间隔相同。
本发明提出的所述双光源激发光致发光检测半导体缺陷的装置中，所述第一激光光源和第二激光光源可以是两种相同的激光光源仪器但不限于相同，但在使用时发出的激光有波长长短及光子能量高低之分。
本发明提出的所述双光源激发光致发光检测半导体缺陷的装置中，所述第一滤光片仅滤掉所述第一激光光源的激发光源光谱，滤光片类型为限光滤光片，滤光波长范围处于为300 nm-2000 nm范围内，滤光光谱半宽为0.01 nm-10 nm。
本发明提出的所述双光源激发光致发光检测半导体缺陷的装置中，所述第二滤光片仅能够滤掉所述第二激光光源的激发光源光谱，滤光片类型为限光滤光片，滤光波长范围处于为300 nm-2000 nm范围内，滤光光谱半宽为0.01 nm-10 nm。
本发明提出的所述双光源激发光致发光检测半导体缺陷的装置中，所述光电探测器光谱响应范围覆盖所述半导体样品的光致发光光谱范围。
本发明提出的所述双光源激发光致发光检测半导体缺陷的装置中，所述计算机包括数据采集与数据处理分析软件。
本发明还提出了一种利用所述检测装置的双光源激发光致发光检测半导体缺陷的检测方法，包括如下步骤：
步骤一：利用所述第一激光光源经过分光片至透镜从而聚焦至半导体样品表面，用于激发半导体样品的光致发光；
步骤二：利用所述光电探测器检测所述单色仪出射狭缝出射的仅由所述第一激光光源照射所述半导体样品导致的光致发光光谱；
步骤三：利用所述第二激光光源经过所述分光片至透镜从而聚焦至所述半导体样品表面，与步骤一所述第一激光光源聚焦至所述半导体样品表面的位置相同，用于使所述半导体样品材料内的深能级缺陷电子态饱和；
步骤四：利用所述光电探测器检测所述单色仪出射狭缝出射的由所述第一激光光源和所述第二激光光源同时照射所述半导体样品导致的光致发光光谱；
步骤五：对比步骤二与步骤四测量的光致发光光谱强度，如果步骤四测量的光谱强度大于步骤二测量的光谱强度，说明所述半导体样品内与所述第二激光光源光能量对应的深能级缺陷为有效的载流子复合中心，如果如果步骤四测量的光谱强度等于步骤二测量的光谱强度，说明说明所述半导体样品内与所述第二激光光源光能量对应的深能级缺陷不是有效的载流子复合中心。
本发明检测方法主要利用双光源激光激发半导体样品产生光之发光，其中一激光光源光能量大于半导体禁带宽度，用于激发样品产生光致发光，另外一激光光源光能量与半导体禁带宽度内某一深能级缺陷的能级位置（与价带的能量间隔）对应，用于饱和深能级缺陷的电子态，通过对比深能级缺陷的电子态饱和与未饱和时光致发光光谱强度的对比，来检测或判断深能级缺陷是否是有效的载流子复合中心，对于目前普通单光源激发的电致发光测量只能检测半导体内浅缺陷能级的方法是一个很好的补充。
附图说明
图1为本发明所述双光源激发光致发光检测半导体缺陷的装置实施例的结构组成示意图。
图2为本发明所述双光源激发光致发光检测半导体深能级缺陷原理图。
图3为测量的单光源激光激发铜铟镓硒（CIGS）材料导致的光致发光光谱时与双光源激光同时激发CIGS导致的光致发光光谱。
具体实施方式
结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。
参见图1，本发明的双光源激发光致发光检测半导体深能级缺陷检测装置包括：第一激光光源1、第二激光光源2、半导体样品3、第一透镜4、第一分光片5、第二分光片6、反射镜7、第一滤光片8、第二滤光片9、第二透镜10、单色仪11、光电探测器12和计算机13。第一激光光源1经过第一分光片5至第一透镜4从而聚焦至半导体样品3表面，用于激发半导体样品3的光致发光；利用光电探测器12检测单色仪11出射狭缝出射的仅由第一激光光源1照射半导体样品3导致的光致发光光谱；利用第二激光光源2经过第二分光片6至第一透镜4从而聚焦至半导体样品3表面，与第一激光光源1聚焦至半导体样品3表面的位置相同，用于使半导体样品3材料内的深能级缺陷电子态饱和；利用光电探测器12检测单色仪11出射狭缝出射的由第一激光光源1和第二激光光源2同时照射半导体样品3导致的光致发光光谱；对比仅用第一激光光源1激发导致的光致发光光谱强度与同时用第一激光光源1与第二激光光源2激发导致的致发光光谱强度，如果仅用第一激光光源1激发导致的光致发光光谱强度小于同时用第一激光光源1与第二激光光源2激发导致的致发光光谱强度，说明半导体样品3内与第二激光光源2光能量对应的深能级缺陷为有效的载流子复合中心，如果等于，说明说明半导体样品3内与第二激光光源2光能量对应的深能级缺陷不是有效的载流子复合中心。
第一激光光源1的波长处于为300 nm-2000 nm范围内，光谱半高宽范围为0.01nm-10 nm，且光子能量大于半导体样品3的禁带宽度。常见的半导体Ge、 Si、GaAs、CIGS、GaN和金刚石的禁带宽度在室温下分别为0.66eV、1.12 eV、1.42 eV、 1.01~1.68 eV、3.44eV和5.47 eV。
第二激光光源2的波长处于为300 nm-2000 nm范围内，光谱半高宽范围为0.01nm-10 nm，且光子能量可调，光子能量小于于半导体样品3的禁带宽度，且光子能量与半导体样品3内的某一深能级缺陷能级与价带的能量间隔相近。
实施本发明技术方案的过程中，第一激光光源的激光波长小于第二激光光源的激光波长。
第一滤光片8仅能够滤掉第一激光光源1的激发光源光谱。滤光片类型为限光滤光片，滤光波长范围处于为300 nm-2000 nm范围内，滤光光谱半宽为0.01 nm-10 nm。
第二滤光片9仅能够滤掉第二激光光源2的激发光源光谱。滤光片类型为限光滤光片，滤光波长范围处于为300 nm-2000 nm范围内，滤光光谱半宽为0.01 nm-10 nm。
单色仪11光栅覆盖所述半导体样品3的光致发光光谱范围，处于200 nm~3000 nm范围内。
光电探测器12光谱响应范围覆盖所述半导体样品3的光致发光光谱范围。
计算机13主要包括数据采集及分析软件。用于采集光电探测器12测量的光谱。
以下给出CIGS内的0.8 eV深能级缺陷的测量结果。
将CIGS按放置于图1样品位置，图1~2展示了本发明检测装置及检测原理。利用波长为635 nm的激光激发CIGS样品，利用单色仪11与光电探测器12测得此时的光致发光光谱，光谱强度为I1。利用波长为635 nm的激光与波长为1550 nm的激光（对应深能级缺陷能级为0.8 eV，0.8 eV为缺陷能级位置与价带顶的能量间隔）同时照射CIGS样品同一位置，利用单色仪11与光电探测器12测得此时的光致发光光谱，光谱强度为I2，如图3所示，I2> I1，说明0.8 eV的深能级缺陷是有效的载流子复合中心。
本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。

Claims (7)

1.一种双光源激发光致发光检测半导体缺陷的检测方法，其特征在于，利用双光源激发光致发光检测半导体缺陷的装置，包括如下步骤：
步骤一：利用第一激光光源（1）经过第一分光片（5）至第一透镜（4）从而聚焦至半导体样品（3）表面，用于激发半导体样品（3）的光致发光；
步骤二：利用光电探测器（12）检测单色仪（11）出射狭缝出射的仅由所述第一激光光源（1）照射半导体样品（3）导致的光致发光光谱；
步骤三：利用第二激光光源（2）经过第二分光片（6）至第一透镜（4）从而聚焦至半导体样品（3）表面，与步骤一所述第一激光光源（1）聚焦至半导体样品（3）表面的位置相同，用于使半导体样品（3）材料内的深能级缺陷电子态饱和；
步骤四：利用光电探测器（12）检测所述单色仪（11）出射狭缝出射的由所述第一激光光源（1）和所述第二激光光源（2）同时照射所述半导体样品（3）导致的光致发光光谱；
步骤五：对比步骤二与步骤四测量的光致发光光谱强度，如果步骤四测量的光谱强度大于步骤二测量的光谱强度，说明所述半导体样品（3）内与所述第二激光光源（2）光能量对应的深能级缺陷为有效的载流子复合中心，如果步骤四测量的光谱强度等于步骤二测量的光谱强度，说明所述半导体样品（3）内与所述第二激光光源（2）光能量对应的深能级缺陷不是有效的载流子复合中心；
所述双光源激发光致发光检测半导体缺陷的装置，包括：第一激光光源（1）、第二激光光源（2）、半导体样品（3）、第一透镜（4）、第一分光片（5）、第二分光片（6）、反射镜（7）、第一滤光片（8）、第二滤光片（9）、第二透镜（10）、单色仪（11）、光电探测器（12）和计算机（13）；所述第一激光光源（1）经过第一分光片（5）至所述第一透镜（4）从而聚焦至所述半导体样品（3）表面，用于激发半导体样品（3）的光致发光；
所述第二激光光源（2）经过第二分光片（6）至所述第一透镜（4）从而聚焦至所述半导体样品（3）表面，用于使所述半导体样品（3）材料内的深能级缺陷电子态饱和；
所述第一滤光片（8）置于单色仪（11）入射狭缝前，用于滤掉第一激光光源（1）的激发光源光谱；
所述第二滤光片（9）置于单色仪（11）入射狭缝前，用于滤掉第二激光光源（2）的激发光源光谱；
所述第二透镜（10）用于聚焦收集的光致发光信号至单色仪（11）的入射狭缝内；
所述单色仪（11）用于扫描波长范围收集的光致发光信号的光谱；
所述光电探测器（12）用于检测单色仪（11）从出射狭缝出射的光致发光光谱；
所述计算机（13）与光电探测器（12）的输出相连，读取光致发光光谱。
2.如权利要求1所述的双光源激发光致发光检测半导体缺陷的检测方法，其特征在于，所述第一激光光源（1）的波长处于为300 nm-2000 nm范围内，光谱半高宽范围为0.01 nm-10 nm，且光子能量大于所述半导体样品（3）的禁带宽度。
3.如权利要求1所述的双光源激发光致发光检测半导体缺陷的检测方法，其特征在于，所述第二激光光源（2）的波长处于为300 nm-2000 nm范围内，光谱半高宽范围为0.01 nm-10 nm，且光子能量可调，光子能量与所述半导体样品（3）内的任一深能级缺陷能级与价带的能量间隔相同；所述第一激光光源（1）输出的激光波长和光子能量小于所述第二激光光源（2）。
4.如权利要求1所述的双光源激发光致发光检测半导体缺陷的检测方法，其特征在于，所述第一滤光片（8）仅滤掉所述第一激光光源（1）的激发光源光谱，滤光波长范围处于为300 nm-2000 nm范围内，滤光光谱半宽为0.01 nm-10 nm。
5.如权利要求1所述的双光源激发光致发光检测半导体缺陷的检测方法，其特征在于，所述第二滤光片（9）仅能够滤掉所述第二激光光源（2）的激发光源光谱，滤光波长范围处于为300 nm-2000 nm范围内，滤光光谱半宽为0.01 nm-10 nm。
6.如权利要求1所述的双光源激发光致发光检测半导体缺陷的检测方法，其特征在于，所述单色仪（11）光栅覆盖所述半导体样品（3）的光致发光光谱范围。
7.如权利要求1所述的双光源激发光致发光检测半导体缺陷的检测方法，其特征在于，所述光电探测器（12）光谱响应范围覆盖所述半导体样品（3）的光致发光光谱范围。
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