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SPM900 系列少子壽命成像測試儀原理說明
非平衡少數(shù)載流子
少數(shù)載流子的壽命是半導體材料的一個重要參數(shù)，也是評價半導體質(zhì)量的一個指標。例如在光伏電池中，少子壽命決定了少子擴散長度， 決定了光吸收層、內(nèi)建電場區(qū)域的厚度設計等重要的器件參數(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， 進行失效分析，對工藝過程進行優(yōu)化。
載流子的復合
在一定溫度下，處于熱平衡狀態(tài)的半導體材料，電子- 空穴對的產(chǎn)生和復合保持一種動態(tài)平衡，載流子濃度是一定的。然而，外界的作用會破壞這種熱平衡，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，通常對于半導體器件的性能起到?jīng)Q定性的作用。
當外界作用撤掉后，處于非平衡態(tài)的載流子會通過復合而產(chǎn)生衰減，直到載流子濃度恢復到之前的熱平衡狀態(tài)。載流子的復合方式可以分為三類：SRH 復合、輻射復合及俄歇復合（直接和間接）。
(a) SRH 復合； (b) 輻射復合； (c) 直接俄歇復合；（d）間接俄歇復合
少子壽命測試
少子壽命的測量通常包括非平衡載流子的注入和檢測兩個方面，*常用的注入方法是光注入和電注入。對于間接帶隙的半導體，常使用電注入或者微波光電導衰減的方法進行少子壽命測試，間接帶隙半導體一般壽命較長， 為毫秒量級。而對于GaAs 這類的直接間隙半導體，復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），通常使用時間分辨光致發(fā)光光譜（TRPL）的方法來進行測試。
激光掃描少子壽命成像測量儀SPM900
當外界作用停止以后，少子的濃度（ΔC）隨時間t 增長呈指數(shù)衰減的規(guī)律。由以下方程可知，少子的壽命為當少子濃度衰減到初始濃度1/e 時候所經(jīng)歷的時間。在輻射復合中，發(fā)光的強度與少子的濃度相關，因此可以通過檢測發(fā)光的壽命來獲得少子的壽命信息。
當在顯微鏡上加載少子壽命測試模塊，就可以得到微區(qū)下半導體器件的少子壽命分布信息，這對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間相關單光子計數(shù)進行設計，包含顯微鏡主體，激光光源，光子計數(shù)檢測器，單色儀以及自動XY 樣品臺等部分。位于顯微鏡上的激光光源用于樣品的激發(fā)，通過控制樣品臺的移動，可以進行微區(qū)單點少子壽命測量和少子壽命成像。
少子壽命成像測試應用
外延ZnS 薄膜半導體
本征帶- 淺雜質(zhì)復合
半導體中施主- 受主對復合
深能級復合
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合機制研究
半導體外延片缺陷和雜質(zhì)檢測
測試軟件
控制測試界面
測試軟件的界面遵循“All In One"的簡潔設計思路，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移動，通過顯微鏡的明場光學像定位到合適區(qū)域，框選掃描區(qū)域進行掃描，逐點獲得熒光衰減曲線，實時生成熒光圖像等。
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?？勺詣訉呙璜@得的FLIM 數(shù)據(jù)，逐點進行多組分熒光壽命擬合（組分數(shù)小于等于4），對逐點擬合獲得的熒光強度、熒光壽命等信息生成偽彩色圖像顯示。
3D 顯示功能
少子壽命測試案例
MicroLEDMicroLED 顯示技術是指以自發(fā)光的微米量級的LED 為發(fā)光像素單元，將其組裝到驅(qū)動面板上形成高密度LED 陣列的顯示技術， 在發(fā)光亮度、分辨率、對比度、穩(wěn)定性、能量損耗等方面有很大優(yōu)勢，可以應用在AR/VR，可穿戴光電器件，柔性顯示屏等領域。由于MicroLED 的尺寸在微米級別，因此需要在顯微鏡下進行檢測。下圖為使用少子壽命成像系統(tǒng)對直徑為80 微米的MicroLED 微盤進行測試。
單組分擬合，可以看到紅圈中的污損位置，雖然影響發(fā)光強度，但對發(fā)光壽命沒有影響
鈣鈦礦測試
鈣鈦礦屬于直接帶隙半導體材料，具有高光學吸收，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，可以廣泛應用在光子學與光電信息功能器件等領域，例如鈣鈦礦太陽能電池，鈣鈦礦量子點，鈣鈦礦LED 等材料的研究。對于鈣鈦礦中的載流子輻射復合的研究對于提供器件的光電轉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合發(fā)光成像和壽命成像。圖中可見此鈣鈦礦樣品有兩個壽命組分，且不同壽命組分的相對含量也可以從相對振幅成像圖中很直觀的看到。
晶圓級大尺寸的少子壽命成像測試儀
4、6、8 英寸晶圓樣品測試，可在此基礎上增加小行程電動位移臺實現(xiàn)數(shù)百納米至微米尺度的精細掃描
參數(shù)指標
系統(tǒng)性能指標： | |
光譜掃描范圍 | 200-900nm |
*小時間分辨率 | 16ps |
壽命測量范圍 | 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 | |
科研級正置顯微鏡 | 落射明暗場鹵素燈照明，12V，100W 5 孔物鏡轉盤，標配明場用物鏡：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 |
小尺寸掃描用電動位移臺 | 高精度電動XY 樣品臺，行程：75*50mm（120*80mm 可選）， *小步進：50nm，重復定位精度＜ 1μm |
大尺寸掃描用電動位移臺 | XY 軸行程200mm/250mm，單向定位精度≤ 30μm，水平負載：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， 波長準確度：±0.1nm，波長重復性：±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)電動可調(diào) |
探測器：制冷型紫外可見光電倍增管，光譜范圍：185-900nm（標配，可擴展） | |
光譜CCD ( 可擴展PL mapping） | 低噪音科學級光譜CCD（LDC-DD），芯片格式：2000x256，像元尺寸：15μm*15μm, 探測面：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，風冷，*高量子效率值>95% |
時間相關單光子計數(shù)器 (TCSPC） | 時間分辨率：16/32/64/128/256/512/1024ps……33.55μs，死時間＜ 10ns， *高65535 個直方圖時間窗口，瞬時飽和計數(shù)率：100Mcps，支持穩(wěn)態(tài)光譜測試； |
OmniFlμo-FM 壽命成像 專用軟件 | 控制功能：控制樣品平移臺移動，通過顯微鏡的明場光學像定位到合適區(qū)域， 框選掃描區(qū)域進行掃描，逐點獲得發(fā)光衰減曲線，實時生成發(fā)光圖像等 數(shù)據(jù)處理功能：自動對掃描獲得的壽命成像數(shù)據(jù)，逐點進行多組分發(fā)光壽命擬合 ( 組分數(shù)小于等于4），對逐點擬合獲得的發(fā)光強度、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) |
