ICS 29.045 H80 GB 中华人民共和国国家标准 GB/T 1553—2009 代替GB/T1553—1997 硅和体内少数载流子寿命测定 光电导衰减法 Test methods for minority carrier lifetime in bulk germanium and silicon by measurement of photoconductivity decay 2009-10-30发布 2010-06-01实施 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局 发布 中国国家标准化管理委员会 GB/T1553—2009 前言 本标准代替GB/T1553一1997《硅和锗体内少数载流子寿命测定光电导衰减法》。 本标准与原标准相比，主要有如下变化： 新增加少子寿命值的测量下限范围； 删除了有关“斩切光”的内容； 一本标准将GB/T1553一1997中第7章“试剂和材料”和第8章“测试仪器”并为第6章“测量仪 器”; 一本标准在“干扰因素”章增加了对各干扰因素影响的消除方法。 本标准的附录A为规范性附录。 本标准由全国半导体设备和材料标准化技术委员会提出。 本标准起草单位：峨嵋半导体材料厂。 本标准主要起草人：江莉、杨旭。 本标准所代替标准的历次版本发布情况为： GB1553—1979,GB5257—1985、GB/T1553—1997。 I GB/T1553—2009 硅和锗体内少数载流子寿命测定 光电导衰减法 1范围 1.1本标准规定了硅和锗单晶体内少数载流子寿命的测量方法。本标准适用于非本征硅和锗单晶体 内载流子复合过程中非平衡少数载流子寿命的测量。 1.2本标准为脉冲光方法。这种方法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 殊的条形尺寸和研磨的表面，见表1。 表 1 单位为毫米 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 1.3本标准可测的最低寿命值为10μus，取决于光源的余辉，而可测的最高寿命值主要取决于试样的尺 寸，见表2。 表 2 单位为微秒 材料 类型A 类型B 类型C P型锗 32 125 460 n型锗 64 250 950 P型硅 90 350 1300 n型硅 240 1000 3800 1. 4 本标准不适用于抛光片的验收测试。 2规范性引用文件 下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有 的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究 是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。 GB/T1550非本征半导体材料导电类型测试方法 GB/T1551硅、锗单晶电阻率测定直流两探针法 GB/T14264半导体材料术语 3术语和定义 GB/T14264规定的以及下列术语和定义适用于本标准。 3. 1 表观寿命filamentlifetime 光电导衰减到初始值的1/e时的时间常数tp（μs）。 GB/T1553—2009 3. 2 体寿命lifetime 晶体中非平衡载流子由产生到复合存在的平均时间间隔，它等于非平衡载流子浓度衰减到起始值 的1/e(e2.718)所需的时间，又称少数载流子寿命。 4方法原理 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，用公式（1)表示。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。 △V = △Voexp(-t/tr) .(1) 式中： AV 光电导电压，单位为伏特（V）； AV。 光电导电压的峰值或初始值，单位为伏特（V)； t——时间,单位为微秒(μs)； Tr一一表观寿命，单位为微秒(μs)。 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干扰因素 5.1陷阱效应影响 室温下的硅和低温状况下的锗，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的导致寿命值增大。 5.1.1沿衰减曲线进一步延伸，由衰减曲线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8.9。 5.1.2当试样中陷效应超过衰减曲线总幅度的5%，就不能用本方法测量少数载流子寿命。 5.2表面复合影响 5.2.1表面复合会影响寿命测量，特别是使用小块试样时。表3给出了推荐试样尺寸对应的表面复合 率R，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。 5.2.2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，见第9章公式（8）。标 准条形试样所测定的最大体寿命值列于表2。 表 3 类型A/ 类型 B/ 类型C/ 材 料 (μs-1) (μs-1) (μs-1) P型 0.032 3 0.00813 0.00215 n型锗 0. 015 75 0.003 96 0.001 05 P型硅 0.0112 0.002 82 0.000 75 n型硅 0.0042 0.00105 0.00028 2 GB/T 1553—2009 5.3注入量的影响 上最大直流电压调幅△V/V超过0.01时，允许进行修正。 5.4光生伏特效应影响 试样电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。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。测量时避免光照。 5.5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 为脉冲光源注入的载流子初始浓度一致性差，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。或用单色激光作光源。 5.6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，需要 用一块挡光板遮挡试样端面，使测试中扫出效应不显著。 5.7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 测量才可以做比较。 5.8杂质复合中心的影响 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。 5.9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。 6测量仪器 6.1测试电路图 测试电路图见图1。 电压表 换向关 示波器 前曾放人器 膜片 滤光片 光源 光学系统 电源 申联心阻 图1少数载流子寿命测量电路示意图 3