GB T 1553-1997 硅和锗体内少数载流子寿命测定光电导衰减法.pdf
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1、ICS 77. 040. 01 H 21 GB 中华人民共和国国家标准GB /T 1 5 5 3 - 1 9 9 7 硅和错体内少数载流子寿命测定光电导衰减法Standard test methods for minority carrier lifetime in bulk germanium and silicon by measurement of photoconductivity decay 1997-06-03发布1997-1201实施E主柔之辈支才运盟主喳李嘉毒发布GB/T 15 5 3 1997 前本标准等效采用美国试验与材料协会ASTMF28一90光电导衰减法测量错和硅体内少
2、数载流子寿命的标准测试方法,结合我国的实际情况,对GB1553一79、GB5257-85进行修订而成的。本标准起草时,删去了F28-90中“有害说明”及“关键词”章节,删减了“意义和用途”中的5.1 5.2条内容,合并了“方法A”和“方法B”。考虑到实际应用的需要,本标准把GB1553一79的附录A硅单晶中少数载流子寿命测定高频光电导衰减法非仲裁测量方法作为标准的附录放在附录A中。本标准从1997年12月1日起实施。本标准从生效之日起,同时代替GB1553一79、GB5257-85。本标准的附录A是标准的附录。本标准由中国有色金属工业总公司提出。本标准由中国有色金属工业总公司标准计量研究所归口
3、。本标准起草单位:峨崛半导体材料厂、中国有色金属工业总公司标准计量研究所。本标准主要起草人:吴道荣、刘文魁、尹建华、吴福立。中华人民共和国国家标准硅和错体内少数载流子寿命测定光电导衰减法Standard test methods for minority carrier lifetime in bulk germanium and silicon by measurement of photoconductivity decay 1 范围1. 1 本标准规定了硅和错单晶体内少数载流子寿命的测量方法。GB/T 1553-1997 GB 1553 79 代替GB5257 85 本标准适用于非本征硅
4、和错单晶体内载流子复合过程中非平衡少数载流子寿命的测量。1. 2 本标准包括两种测试方法。1. 2. 1 方法A一脉冲光方法,适用于错和硅。1. 2. 2 方法B一一斩切光方法,仅适用于电阻率不小于1n. cm的硅试样。1. 3 两种方法都不破坏试样的内在特性,试样可以重复测试,但要求试样具有特殊的条形尺寸(见表1)和研磨的表面,一般不宜作其他用途。 4 本标准可测的最低寿命值取决于光源的余辉,而可测的最高寿命值主要取决于试样尺寸(见表2)。表l推荐的三种试样尺寸口1口1类型长度宽度厚度A 15.0 2. 5 2. 5 B 25.0 5. 0 5.0 c 25.0 10.0 10.0 表2试样
5、体寿命可测的最大值句s 材料类型A类型B类型Cp型错32 125 460 n型错64 250 950 p型硅90 350 1 300 n型硅240 1 000 3 800 2 引用标准下列标准所包含的条文,通过在本标准中引用而构成为本标准的条文。本标准出版时,所示版本均为有效。所有标准都会被修订,使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性。GB/T 1550-1997 非本征半导体材料导电类型测试方法GB/T 1551 1995硅、错单晶电阻率测定直流二探针法GB/T 14264-93 半导体材料术语国家技术监督局199706-03批准1997-12-01实施1 GB/T 1553-1
6、997 3 定义本标准采用下列定义。3. 1 表观寿命filament lifetime 光电导电压衰减到初始值的1/e时的时间常数rF(s),用公式(1)表示:t.V = t.V0exp(- t/rF) 式中:t.V光电导电压,V;t.Vo光电导电压的峰值或初始值,V;t一一一时间,问。TF一一表观寿命,阳。4 方法提要. ( 1 ) 4. 1 方法A一一在两端面为研磨表面并具有欧姆接触的单一导电类型的半导体单晶试样上通一直流电流,用示波器观察试样上的电压降。对试样施一脉冲光,在试样中产生非平衡少数载流子,同时触发示波器扫描。从脉冲光停止起电压衰减的时间常数可由示波器扫描测得。当试样中电导率
7、调幅非常小时,所观察到的电压衰减等价于光生载流子的衰减,因此电压衰减的时间常数就等于非平衡少数载流子衰减的时间常数,少数载流子寿命即由该时间系数确定。必要时,应消除陷阱效应和对表面复合及过量电导率调幅进行修正。4. 2 方法B一一本方法只适用于硅。光源为斩切光而非脉冲光,其他与方法A相同。光源波长为1. 0 1.1 pm。本方法需满足小注入条件以避免过量电导率调幅的影响。信号进入示波器以前,可对信号进行调节,对表面复合需进行修正。本方法不适用于测试条件下呈非指数规律变化信号的试样。5 意义和用途本标准只适用于研究、开发和过程控制,不适用于抛光片的验收测试。对于一般非仲裁性的测试,可使用本标准的
8、附录A。6 干扰因素6. 1 陷阱效应影响室温下的硅和低温状况下的错,载流子陷阱会产生影响。如果试样中存在电子或空穴陷阱,脉冲光停止后,非平衡少数载流子将保持较高浓度并维持相当长一段时间,光电导衰减曲线会出现一条长长的尾巴。在这段衰减曲线上进行测量将错误地导致寿命值增大。6. 1. 1 沿衰减曲线进一步延伸,由高端至低端进行测量,若时间常数增加,可判定存在陷阱效应(消除方法见10.1. 9)。6. 1. 2 当试样中陷阱效应超过衰减曲线总幅度的5%(方法A)或衰减曲线呈非指数规律变化时(方法B),就不能用本方法测量少数载流子寿命。6.2 表面复合影响6. 2. 1 表面复合会影响寿命测量,特别
9、是使用小块试样时。表3给出了推荐试样尺寸对应的表面复合率,在“计算”一章中也给出了表面复合修正的一般公式。当试样表面积与体积之比很大时,更有必要进行修正。6. 2. 2 若对表面复合修正太大,会严重降低测量的准确性。建议对测量值的修正不要超过测量值倒数的1/2(即表观寿命须大于体寿命的一半,或表面复合率不大于体寿命的倒数,见11章公式(10)。标准条形试样所测定的最大体寿命值列于表2。2 GB/T 1 5 5 3 1 9 9 7 表3表面复合率R.cfJ.S I 材料类型A类型B类型Cp型错o. 032 30 o. 008 13 o. 002 15 n型错o. 015 75 o. 003 96
10、 o. 001 05 p型硅o. 011 20 o. 002 82 o. 000 75 n型硅o. 004 20 o. 001 05 o. 000 28 6. 3 注入量的影响测量时试样电导率调幅必须很小,这样试样上电势差的衰减才等价于光生载流子的衰减。6. 3. 1 方法A:当试样上最大直流电压调幅LlVo/Vdc超过0.01时,允许进行修正。6. 3. 2 方法B不允许作这种修正。此处小注入条件是指在连续光照下稳定存在于试样中注入的少数载流子浓度与平衡的多数载流子浓度之比小于o.001(见10.2. 10)。若光注入不能降低到小注入值,试样就不宜用本方法测量。6.4 光生伏特效应影响试样电
11、阻率不均匀会产生使衰减信号扭曲的光电压一一光生伏特效应。方法A和方法B(见10. 1. 5和10.2.6)都给出了判定是否存在这种光生电压的方法。在没有电流通过时就呈现光电压的试样不适宜用本方法测量。6.5 光源波长的影响光生载流子大幅度衰减会影响曲线的形状,尤其在衰减初期使用脉冲光时,这种现象更为显著。因为脉冲光源比斩切光源注入的载流子初始浓度一致性差,方法A要求使用滤光片以增加注入载流子浓度的一致性,并在衰减曲线峰值逐渐减弱之后进行测量。6.6 电场影响如果少数载流子被电流产生的电场扫出试样的一端,少数载流子就不会形成衰减曲线。因此,两种方法都需要用一块挡光板遮挡试样端面,使测试中扫出效应
12、不显著。6. 7 温度影响半导体中杂质的复合特性受温度强烈影响,控制测量时的温度就相当重要。在相同温度下进行的测量才可以作比较。6.8 杂质复合中心影响不同的杂质中心具有不同的复合特性,当试样中存在一种以上类型的复合中心时,观察到的衰减曲线可能包含两个或多个具有不同时间常数的指数曲线,诸曲线合成结果也不呈指数规律,测量不能得出单一寿命值。6. 9滤光片的影响滤光片本身有信号,它和试样信号叠加产生测试误差。因此应选择厚度1mm、与被测试样材料相同、信号较弱(低寿命值)的滤光片。7 试剂和材料7. 1 纯水25时电阻率大于2MO cm的去离子水。7. 2 研磨材料氧化铝粉,颗粒范围为512.mo
13、7. 3 欧姆接触材料在试样端面应形成欧姆接触,可使用镇、错或金电镀浴,要避免铜沾污。对硅试样,可用一小滴镣滴在金刚砂布上,并使用加热盘将试样加热至35。3 GB/T 1 5 5 3-1 9 9 7 8 测试仪器8. 1 测试电路图测试电路图见图1。示波器电源串联电阻图l少数载流子寿命测量电路示意图8.2 光源脉冲(方法A)或斩切(方法B)光源,光源须在光强从最大值减小到其10%时关断,或关断时间小于所测试样寿命时间的1/5或更少。用于硅试样测量的光源光谱分布的最大值应在波长范围1.0 1.1 m以内。8. 2. 1 方法A一一缸闪光管或放电管,配备o.01 F的电容器以及可提供频率为260H
14、z脉冲的高压电源。光源应在0.3 s内达到最大光强,并在小于0.5 s内光强由最大值下降不大于5%。采用更小的电容可获得更短的脉冲宽度,适合测量表观寿命低于5阳的试样。8. 2. 2 方法B一一脉冲发生器光源,用以产生周期性方波光脉冲,脉冲幅度、高度和间隔应单独可调,脉冲宽度和间隔的可调范围最少应在520s之间,光摞最高辐射能应足够大,测量信号最小不低于1 mV;光脉冲上升沿和下降沿两个时间系数均应小于被测最低表现寿命值的1/5。脉冲发生器还应为信号调节器和示波器提供触发信号。注:具有所提供特性的光源是一个发光二极管(LED),其关断时间约为0.1问。此外,用机械转动法把光斩切为频率15Hz、
15、45Hz或77Hz的A6-V,8-A鸽带状灯丝灯,适用于表观寿命不小子5间的测量。8.3 电源电源应稳定并经过良好滤波,应在试样上产生不低于5V的直流电压。电路中的串联电阻R,值至少是试样电阻R及接触电阻Re之和的20倍,电路中还应有对试样电流换向及切断电流的开关装置。8.4 试样夹具及恒温器隔热试样夹具及恒温器应使试样处于规定温度271,夹具与试样的整个端面应保持欧姆接触,并至少应使试样四个侧面中的一个侧面处于光照下。注z制作与试祥端面成欧姆接触的试样夹具的方法较多,建议使用金属带或纤维的压力接触,也可用厚铅板或锢板。8. 5 滤光片滤光片应双面抛光,由与试样相同的材料制成,厚度为1mm,直
16、接放置在矩形窗孔膜片的上方(仅用于方法A,见8.5)。8.6 矩形窗孔膜片放置于靠近试样的光照表面,光透过矩形窗孔膜片,只能照射到试样的部分区域。对方法A,光照区域是长度Lj=L/2,宽度Wj=W/2;对方法B,光照区域是长度Lj=3.0士0.1mm,宽度Wj=W。两种方法,光照部位都在试样中央位置。4 GB/T 1553-1997 8. 7 电信号测量线路8. 7. 1 前置放大器一一具有可调的高、低频频带范围,低频截止频率从o.3 Hz 30 Hz可调。8. 7. 2 信号调节器一一脉冲取样均衡器或波形整形器,用于改善小信号时的信噪比。仅用于方法B,为保证小注入条件而减少光照时采用。8.
17、7. 3 示波器一一具有合适的时间扫描和信号灵敏度及经校准的时间基线,其精度和线性度都优于3%,并能被试验信号或外部信号触发,还应配备有助于分析衰减曲线的透明屏幕,其要求如下:a)对方法A,规定屏幕尺寸在10cm 10 cm以内,该尺寸有利于减小视差。屏幕上刻有一条曲线,在基线上方的高度沿横坐标的距离呈指数衰减,由公式(2)表示:y = 6exp(- x/2. 5) 式中:z和y都是以刻度盘的刻度划分(见图2)。b)对方法B,屏幕上还有一条附加水平线,位于y最大值的0.37处。 ( 2 ) 6 5 aa句。TIllRy=6 exp (-x/2. 5) 2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 噜
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- GB 1553 1997 体内 少数 载流子 寿命 测定 电导 衰减
