專利名稱：一種光伏探測材料缺陷與器件性能關聯(lián)性的系統(tǒng)表征方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光電子、紅外及半導體技術等領域中的材料和器件技術領域，特別是涉及一種光伏探測材料缺陷與器件性能關聯(lián)性的系統(tǒng)表征方法。
背景技術：
迄今為止，各種體系的半導體材料已在眾多領域得到了廣泛應用。在許多應用領域，人們對光電器件的功能和性能提出了越來越高的期望，這就相應地對半導體材料的組成、結構和質量等提出了越來越苛刻的要求。以III-V族化合物半導體為例隨著對光電器件工作波段要求的拓展，多種晶格失配的外延材料體系已經廣泛采用，伴隨著對器件性能指標要求的提高，也相應地對失配材料體系的質量提出了更高的要求。因此，人們在采用各種可能的手段嘗試提高外延材料的質量的同時，也迫切地希望搞清楚外延材料質量與器件性能之間的關聯(lián)性，以期找出影響器件性能的關鍵因素，進而改進外延材料的質量。在各種可能影響器件性能的材料參數(shù)中，外延材料中的缺陷種類、密度及其橫向和縱向分布情況等無疑是人們首先要關注的。在過去的研究實踐中人們已發(fā)展起了與此相關的一系列直接的或間接的缺陷表征方法，如腐蝕坑(Etch pits)、高分辨透射電鏡(HRTEM)、光熒光(PL)、X射線衍射(XRD)等等，取得了一定效果，并通過一些具體案例了解到了外延材料質量與器件性能之間的對應關系。然而在這些工作中，材料質量和器件性能的表征往往是分別獨立進行的，這樣就給結論的得出帶來很大的不確定性和隨機性。例如采用Etch pits或HRTEM來測量材料的缺陷密度本身都具有很大的不確定性和隨機性，在缺陷非均勻分布的情況下尤為如此。這些測量方法本身也具有很大的局限性，有一定的適用條件。此外，這些測量方法都屬破壞性的，只能對一批材料進行抽測，或者抽測同一材料的局部，因此這些材料制成器件后的性能與測得的材料缺陷之間的關聯(lián)性也存在很大的不確定性和隨機性，影響所得結論的可靠性。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種光伏探測材料缺陷與器件性能關聯(lián)性的系統(tǒng)表征方法，避免材料制成器件后的性能與測得的材料缺陷之間的關聯(lián)性存在的不確定性和隨機性。本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是提供一種光伏探測材料缺陷與器件性能關聯(lián)性的系統(tǒng)表征方法，包括以下步驟(I)根據(jù)光伏探測材料的種類和特性設計測試芯片和進行制樣封裝構成測試樣品;(2)對所述測試樣品的光電特性進行測量表征；(3)在所述測試樣品上用電子束感生電流/掃描電鏡或陰極熒光/掃描電鏡組合的方法進行性能相關缺陷的測量表征和統(tǒng)計分析；(4)根據(jù)上述步驟得到的直接相關測試表征結果，據(jù)此對材料缺陷與器件性能關聯(lián)性進行系統(tǒng) 表征。所述步驟(I)中的測試樣品芯片是根據(jù)光伏探測材料的種類和特性，結合光電特性的測量要求和電子束感生電流/掃描電鏡或陰極熒光/掃描電鏡組合的方法的特點進行設計的。所述步驟⑴中根據(jù)測試樣品缺陷密度的范圍選取樣品尺寸，使得測試樣品對應的觀察視場能完全覆蓋測試樣品并且測試樣品占滿視場。所述步驟(2)中對所述測試樣品的光電特性進行測量表征針對影響器件關鍵性能的參數(shù)進行。所述樣品的光電特性包括暗電流、光響應、光譜特征、與材料的缺陷關聯(lián)的電學、光學參數(shù)。所述步驟(2)進行的測試樣品光電特性測量所得的結果包含了材料缺陷的影響。所述步驟(3)中的電子束感生電流/掃描電鏡或陰極熒光/掃描電鏡組合的方法具有與掃描電鏡觀察完全對應的放大率和分辨率，其放大率和分辨率能完全覆蓋缺陷觀察所需的范圍。所述步驟(3)在測試樣品上進行的電子束感生電流/掃描電鏡或陰極熒光/掃描電鏡組合的方法測量所得的結果反映了直接相關的材料缺陷的密度和分布信息。有益效果由于采用了上述的技術方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有以下的優(yōu)點和積極效果本發(fā)明的一種材料缺陷與器件性能關聯(lián)性的系統(tǒng)表征方法是一種可靠、直觀而且方便的方法。在這種方法中，樣品的材料缺陷與器件性能是直接對應的，從而避免不確定性和隨機性；樣品的設計能夠滿足不同材料缺陷測量范圍和器件性能測試要求；所采用的材料缺陷測試方法能夠直觀地體現(xiàn)材料質量；樣品的制備能夠較方便地采用常規(guī)方法實現(xiàn)。本發(fā)明中的測試樣品可以是根據(jù)光伏探測材料的種類和特性設計的測試芯片和進行制樣封裝構成測試專用樣品，也可以利用結構和幾何尺寸合適的器件芯片代替，并無嚴格限制；樣品的光電特性可以包括暗電流、光響應、光譜特征等與材料的缺陷關聯(lián)或可能關聯(lián)的電學、光學參數(shù)；EBIC/SEM等組合方法可以同時獲得位置分布完全對應的感生電流等參數(shù)和樣品形貌信息，有利于確定其對應關系；綜合所有測量結果進行系統(tǒng)的分析就可以找出材料缺陷與器件性能之間可能存在的關聯(lián)性，統(tǒng)計分析出定性、半定量或定量的結果；這些結果將有利于改善材料特性。本發(fā)明既適用于光伏型光電探測器材料和太陽電池材料等，也適用于發(fā)光材料如半導體激光二極管LD，發(fā)光二極管LED等，具有很好的適應性。除光電器件外，此種方法也適用于具有Pn結的其他類型光電材料和電子材料，具有很好的普適性和通用性，可以用相當靈活的方式實現(xiàn)。


圖I是本發(fā)明的流程圖。
具體實施例方式下面結合具體實施例，進一步闡述本發(fā)明。應理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內容之后，本領域技術人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權利要求書所限定的范圍。如圖I所示，本發(fā)明建立了一種光伏探測材料缺陷與器件性能關聯(lián)性的系統(tǒng)表征方法，包括步驟I :根據(jù)光伏探測材料的種類和特性設計測試芯片和進行制樣封裝構成測試專用樣品；步驟2 :對樣品的光電特性進行測量表征；步驟3 :在同一樣品上用電子束感生電流/掃描電鏡(EBIC/SEM)組合方法進行性能相關缺陷的測量表征和統(tǒng)計分析；步驟
4:對材料缺陷與器件性能關聯(lián)性進行系統(tǒng)表征。步驟I中的測試專用樣品芯片設計一方面需要滿足EBIC/SEM組合測量的要求，另一方面也需要考慮器件光電特性測量對樣品的需要。對于光電特性測量，常規(guī)樣品尺寸可在數(shù)十微米至數(shù)百微米范圍，并無苛刻要求；對于EBIC/SEM組合測量，根據(jù)樣品缺陷密度的可能范圍，樣品尺寸需要適當選取。例如，一般而言視場中缺陷總數(shù)在10 100范圍時可較方便地進行統(tǒng)計且隨機性較小，這樣對于1E5 lE6cm_2范圍的缺陷密度，100x100 μ m2的樣品對應的觀察視場就較合適，這時對應的SEM放大倍率約在2000倍也是合適的，SEM放大倍率的選取應使視場能完全覆蓋樣品且樣品充分占滿視場；缺陷密度范圍更高或更低時樣品尺寸可相應減小或增加，SEM放大倍率也需做相應調整；樣品測量電極的尺寸只需方便連線的要求即可。步驟2中對樣品的光電特性進行測量表征主要針對影響器件關鍵性能的參數(shù)進行。例如對于光電探測器，其暗電流參數(shù)與缺陷密度有很強的關聯(lián)性，是必須優(yōu)先考慮的；其光電流特性也可能受缺陷影響，應該進行測量。其他參數(shù)則可根據(jù)具體研究需要進行。此發(fā)明中由于測量對樣品基本是非破壞性的，可以交替或重復進行，但考慮到方便可靠一般先進行光電特性測量。步驟3中基于SEM的EBIC方法具有與SEM完全對應的放大率和分辨率，其放大率和分辨率完全能夠滿足缺陷測量要求，且與其他方法相比其放大率和分辨率都有較大的適應范圍，恰好能完全覆蓋缺陷觀察所需的范圍，根據(jù)電子束能量的不同(常規(guī)在1-40KV范圍)，其掃描測量點所對應的局部響應縱向和橫向分布范圍也有較寬的調節(jié)范圍，能夠滿足需要。步驟2中測得的光電參數(shù)信息全部包含且只包含步驟3所測得的全部缺陷所帶來的影響，因此二者之間的關聯(lián)性是直接的和確定的。對于材料樣品，EBIC方法測得的強度(亮度)信息直接反映了材料局部的質量，其暗區(qū)與材料生長中引入的缺陷特別是延伸到表面的線位錯直接相關，因此對測得得EBIC或CL圖片用SEM所帶分析軟件或其他圖像處理軟件可方便地提取獲得缺陷及其幾何分布信息，統(tǒng)計出缺陷密度，判斷出缺陷的作用范圍等，同時獲得的SEM圖像可用于確認樣品缺陷幾何位置，判斷樣品表面形貌與缺陷可能存在的對應關系等。需要說明的是，此發(fā)明中優(yōu)先采用了 EBIC/SEM組合測量是因為對于具有pn結的光伏型光電探測材料，EBIC方法雖然不是直接觀察樣品的特定種類缺陷，但卻能直觀地充分體現(xiàn)各種影響器件性能的有害缺陷對器件性能的綜合影響。對于具有Pn結的光伏型光電探測材料，其基本功能就是將光信號轉換成電信號，而電子束感生電流則在很大程度上體現(xiàn)了這一功能，因此具有很好的相似性和關聯(lián)性。此發(fā)明中進行EBIC測量的同時也進行 對應的SEM測量是為了同時獲得樣品的形貌和位置尺寸信息，在后續(xù)分析中這些信息是有價值的，且在特定條件下也是對獲得的樣品缺陷信息的驗證和確認。此發(fā)明也不局限于EBIC/SEM組合測量，例如對于基于SEM的測量，陰極熒光(CL)等與SEM的結合構成的CL/SEM組合測量也是可以采用的，且可以適應一些不含pn結的材料，對與缺陷相關的發(fā)光材料質量也有很好的綜合表征效果，與器件性能會有很好的關聯(lián)性。步驟4中材料缺陷與器件性能的關聯(lián)性分析必須基于材料物理和器件物理，采用合適的統(tǒng)計和關聯(lián)性分析方法進行，最直接的就是觀察測量結果中測得的材料缺陷密度與器件參數(shù)之間是否具有可重復的相關性，能否得出對應的定量或半定量關系，能否據(jù)此建立相應的物理模型。由于材料和器件種類的不同，所采用的分析方法也不盡相同，可以根據(jù)具體需要米用。
根據(jù)以上步驟即可建立材料缺陷與器件性能之間的直接關聯(lián)性，避免測量不確定性和隨機性的影響，為改善材料特性提供合適的依據(jù)。
權利要求
1.一種光伏探測材料缺陷與器件性能關聯(lián)性的系統(tǒng)表征方法，其特征在于，包括以下步驟 (1)根據(jù)光伏探測材料的種類和特性設計測試芯片和進行制樣封裝構成測試樣品； (2)對所述測試樣品的光電特性進行測量表征； (3)在所述測試樣品上用電子束感生電流/掃描電鏡或陰極熒光/掃描電鏡組合的方法進行性能相關缺陷的測量表征和統(tǒng)計分析； (4)根據(jù)上述步驟得到的直接相關測試表征結果，據(jù)此對材料缺陷與器件性能關聯(lián)性進行系統(tǒng)表征。
2.根據(jù)權利要求I所述的光伏探測材料缺陷與器件性能關聯(lián)性的系統(tǒng)表征方法，其特征在于，所述步驟(I)中的測試樣品芯片是根據(jù)光伏探測材料的種類和特性，結合光電特性的測量要求和電子束感生電流/掃描電鏡或陰極熒光/掃描電鏡組合的方法的特點進行設計的。
3.根據(jù)權利要求2所述的光伏探測材料缺陷與器件性能關聯(lián)性的系統(tǒng)表征方法，其特征在于，所述步驟(I)中根據(jù)測試樣品缺陷密度的范圍選取樣品尺寸，使得測試樣品對應的觀察視場能完全覆蓋測試樣品并且測試樣品占滿視場。
4.根據(jù)權利要求I所述的光伏探測材料缺陷與器件性能關聯(lián)性的系統(tǒng)表征方法，其特征在于，所述步驟(2)中對所述測試樣品的光電特性進行測量表征針對影響器件關鍵性能的參數(shù)進行。
5.根據(jù)權利要求I所述的光伏探測材料缺陷與器件性能關聯(lián)性的系統(tǒng)表征方法，其特征在于，所述樣品的光電特性包括暗電流、光響應、光譜特征、與材料的缺陷關聯(lián)的電學、光學參數(shù)。
6.根據(jù)權利要求I所述的光伏探測材料缺陷與器件性能關聯(lián)性的系統(tǒng)表征方法，其特征在于，所述步驟(2)進行的測試樣品光電特性測量所得的結果包含了材料缺陷的影響。
7.根據(jù)權利要求I所述的光伏探測材料缺陷與器件性能關聯(lián)性的系統(tǒng)表征方法，其特征在于，所述步驟(3)中的電子束感生電流/掃描電鏡或陰極熒光/掃描電鏡組合的方法具有與掃描電鏡觀察完全對應的放大率和分辨率，其放大率和分辨率能完全覆蓋缺陷觀察所需的范圍。
8.根據(jù)權利要求I所述的光伏探測材料缺陷與器件性能關聯(lián)性的系統(tǒng)表征方法，其特征在于，所述步驟(3)在測試樣品上進行的電子束感生電流/掃描電鏡或陰極熒光/掃描電鏡組合的方法測量所得的結果反映了直接相關的材料缺陷的密度和分布信息。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光伏探測材料缺陷與器件性能關聯(lián)性的系統(tǒng)表征方法，包括以下步驟根據(jù)光伏探測材料的種類和特性設計測試芯片和進行制樣封裝構成測試樣品；對所述測試樣品的光電特性進行測量表征；在同一測試樣品上用電子束感生電流/掃描電鏡或陰極熒光/掃描電鏡組合的方法進行性能相關缺陷的測量表征和統(tǒng)計分析；根據(jù)上述步驟得到的直接相關的測試表征結果，據(jù)此對材料缺陷與器件性能關聯(lián)性進行系統(tǒng)表征。本發(fā)明可以避免材料制成器件后的性能與測得的材料缺陷之間的關聯(lián)性存在的不確定性和隨機性的問題。
文檔編號G01N23/22GK102645443SQ201210086690
公開日2012年8月22日 申請日期2012年3月28日 優(yōu)先權日2012年3月28日
發(fā)明者劉克輝, 張永剛, 李好斯白音, 顧溢 申請人:中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所