使用太赫兹快速探测器测量硅少数载流子寿命

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微波光电导衰减法测量N型4H-SiC少数载流子寿命

微波光电导衰减法测量N型4H-SiC少数载流子寿命高冬美;陆绮荣;韦艳冰;黄彬【摘要】In order to understand the electrical property of N-type 4H-SiC better and evaluate its crystal quality, with laser technique and microwave photoconductivity measurement as a tool of the non-conductive and non-destructive characterization for semiconductors, the measurement principle was described and the experimental equipment was put forward. The dependence of the minority carrier lifetime on the excitation intensity was discussed. The results show that the changing of the laser pulse energy (I. E. The photon injection level) little affect the carrier lifetime of the specimen, its peak voltage is proportional to the excitation intensity. The method of carrier lifetime measurement is convenient and efficient and has a great significance for examination of the property of SiC material.%为了更好地了解N型4H-SiC的电学特性,评价其晶体质量,采用激光技术和微波光电导作为非接触、非破坏性测量半导体特性的一种工具,描述了其测试原理和实验装置,并讨论了不同的激发强度下,其少数载流子寿命的变化.结果表明,改变入射激光能量(即光子注入水平),样品电压峰值与激发强度成正比,对其载流子寿命几乎没有影响.该方法能方便快捷地测量载流子的寿命,对SiC材料性能的研究具有重要意义.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2011(035)005【总页数】4页(P610-612,631)【关键词】激光技术;少数载流子寿命;微波光电导;4H-SiC;注入水平【作者】高冬美;陆绮荣;韦艳冰;黄彬【作者单位】桂林理工大学机械与控制工程学院,桂林541004;桂林理工大学现代教育中心,桂林541004;桂林理工大学机械与控制工程学院,桂林541004;桂林理工大学机械与控制工程学院,桂林541004【正文语种】中文【中图分类】TN304.2引言SiC是Ⅳ-Ⅳ族二元化合物，每个原子被4个异种原子所包围，通过定向的强四面体SP3键结合在一起，具有强的共价键结构，使它具有高的硬度、高熔解温度、高的化学稳定性和抗辐射能力。

晶硅太阳能电池少子寿命的测试问题

少子寿命的测试问题鉴于目前 Semilab 少子寿命测试已在中国拥有众多的用户，并得到广大用户的一致认可。

现就少子寿命测试中，用户反映的一些问题做出如下说明，供您在工作中参考：1、Semilabμ-PCD 微波光电导少子寿命的原理微波光电导衰退法(Microwave photoconductivity decay)测试少子寿命，主要包括激光注入产生电子-空穴对和微波探测信号的变化这两个过程。

904nm 的激光注入（对于硅，注入深度大约为30um）产生电子-空穴对，导致样品电导率的增加，当撤去外界光注入时，电导率随时间指数衰减，这一趋势间接反映少数载流子的衰减趋势，从而通过微波探测电导率随时间变化的趋势就可以得到少数载流子的寿命。

少子寿命主要反映的是材料重金属沾污及缺陷的情况。

Semilab μ-PCD 符合ASTM 国际标准F 1535 - 002、少子寿命测试的几种方法通常少数载流子寿命是用实验方法测量的，各种测量方法都包括非平衡载流子的注入和检测两个基本方面。

最常用的注入方法是光注入和电注入，而检测非平衡载流子的方法很多，如探测电导率的变化，探测微波反射或透射信号的变化等，这样组合就形成了许多寿命测试方法。

近30 年来发展了数十种测量寿命的方法，主要有：直流光电导衰退法；高频光电导衰退法；表面光电压法；少子脉冲漂移法；微波光电导衰减法等。

对于不同的测试方法，测试结果可能会有出入，因为不同的注入方法，表面状况的不同，探测和算法等也各不相同。

因此，少子寿命测试没有绝对的精度概念，也没有国际认定的标准样片的标准，只有重复性，分辨率的概念。

对于同一样品，不同测试方法之间需要作比对试验。

但对于同是Semilab 的设备，不论是WT-2000 还是WT-1000，测试结果是一致的。

μ-PCD 法相对于其他方法，有如下特点：（1）无接触、无损伤、快速测试（2）能够测试较低寿命（3）能够测试低电阻率的样品（最低可以测0.01ohmcm 的样品）（4）既可以测试硅锭、硅棒，也可以测试硅片，电池（5）样品没有经过钝化处理就可以直接测试（6）既可以测试P 型材料，也可以测试N 型材料（7）对测试样品的厚度没有严格的要求（8）该方法是最受市场接受的少子寿命测试方法3、表面处理和钝化的原因μ-PCD 测试的是少子有效寿命，它受两个因素影响：体寿命和表面寿命。

太阳能电池用多晶硅材料少数载流子寿命的测试

寿命越高，太阳电池的短路电流、开路电压会越
材料时，价带上的电子就有可能被激发到导带能级上，使得导带电子及价带空穴数目增加，半导体
材料的电导率发生变化，形成光电导现象。假设
几０和Ｐ。分别表示光照前平衡状态下的电子和空穴浓度， △ ｎ、Ａｐ表示由于光照新产生的电子和
中图分类号：ＴＮ３０４
多晶硅是生产单晶硅的直接原料，也是一种
极为重要的优良半导体材料，在半导体器件和太
阳能电池方面有着很大的需求。多晶硅太阳电池
１光电导衰退法测量少子寿命的实验原理
空穴浓度，则在光照情况下载流子的浓度变为凡＝凡。＋△ｎ，Ｐ＝Ｐ。＋Ａｐ。假如半导体材料是本征的，或半导体材料中的施主和受主已经饱和电离，则有 △ ｎ＝△ ｐ。光注入引起非平衡载流子后由于载流子的浓
高＿２引。但是，多晶硅中存在大量的微缺陷，以及较多的铜、铁、镍等金属杂质，这些微缺陷和金属杂质形成一些深能级，成为光生非平衡载流子的
太阳能电池用多晶硅材料少数载流子寿命的测试
邵铮铮，李修建，戴荣铭
（国防科技大学，湖南长沙４１００７３）
摘

半导体物理实验——高频光电导法测少子寿命

实验报告一、实验目的和任务1、了解光电导法测试少数载流子寿命的原理，熟练掌握LT-2高频光电导少数载流子寿命测试仪的使用方法；2、测非平衡载流子的寿命。

二、实验原理处于热平衡状态的半导体，在一定温度下，载流子浓度是一定的。

这种处于热平衡状态下的载流子浓度，称为平衡载流子浓度。

半导体的热平衡状态是相对的，有条件的。

如果对半导体施加外界作用，破坏了热平衡的条件，这就迫使它处于与热平衡状态相偏离的状态，称为非平衡状态。

处于非平衡状态的半导体，其载流子浓度不再是n0和p0，可以比它们多出一部分。

比平衡状态多出来的这部分载流子称为非平衡载流子，有时也称过剩载流子。

图3.1 光注入引起附加光电导寿命的全称是非平衡少数载流子寿命，它的含意是单晶在受到如光照或点触发的情况下会在表面及体内产生新的（非平衡）载流子，当外界作用撤消后，它们会通过单晶体内由重金属杂质和缺陷形成的复合中心逐渐消失，杂质、缺陷愈多非平衡载流子消失得愈快，在复合过程中少数载流子起主导和决定的作用。

这些非平衡少数载流子在单晶体内平均存在的时间就简称少子寿命。

图3.2 非平衡载流子随时间指数衰减曲线通常寿命是用实验方法测量的。

各种测量方法都包括非平衡载流子的注入和检测两个基本方面。

最常用的注入方法是光注入和电注入，而检测非平衡载流子的方法很多。

不同的注入和检测方法的组合就形成了许多寿命测量方法。

三、实验设备本实验采用LT-2高频光电导少数载流子寿命测试仪。

该仪器灵敏度高，配备有红外光源，可测量包括集成电路级硅单晶在内的各种类型硅单晶及常用的晶体管级锗单晶。

该仪器根据国际通用方法—高频光电导衰退法的原理设计，由稳压电源、高频源、检波放大器、脉冲光源及样品电极共五部分组成，采用印刷电路和高频接插件连接。

整机结构紧凑，测量数据准确、可靠。

图3.7 单晶少子寿命测试仪和示波器连接示意图四、实验结论实验通过测电压间接的少子寿命指少子的平均生存时间，寿命标志少子浓度减少到原值的1/e所经历的时间，实验中便通过测量最高点电压减少到原值的1/e所经历的时间，与最高点多少无关；当样品含有重金属且存在缺陷时，会产生杂质能级，成为少子的复合中心，从而寿命降低。

晶体硅少数载流子寿命测定

晶体硅少数载流子寿命测定光电导衰减法本方法仅限于浙江协成硅业有限公司使用一、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性号的半导体单晶试样上通一直电流，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衰减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，用以下公式表示。

必要时，应消除缺陷效应和对表面复合及过量电导率调幅进行修正。

△V=△V oexp(-t/てF )式中：△V ——光电导电压，单位为伏特（V）；△V o ——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）；てF ————表观寿命，单位为微秒（µs）。

二、测量步骤1、高频光电导的使用1.1、开机前检查电源开关、电源开关是否处于关断状态：“0”处于低位，“1”在高位——关闭状态用随机配置的信号线连接。

拧紧寿命仪背板的保险管帽，插好电源线。

1.2、打开寿命仪电源开关即将电源开关“1”按下，此时“1”处于低位，“0”处于高位。

开关指示灯亮。

先在铂电极尖端点上两滴直来水，后将单晶放在电极上准备测量。

1.3开启脉冲官员开关光脉冲发生器为双电源供电，先按下光源“1”，此时“1”在低位，“0”在高位，寿命仪内脉冲发生器开始工作。

在顺时针方向拧响带开关电位器（光强调节），此时光强指示数字表在延时十秒左右（储能电容完成充电）数值上升。

测量数千欧姆·厘米的高阻单晶时，光强电压只要用到5V左右；测量数十欧姆·厘米的单晶可将电压加到10V左右。

测量几欧姆·厘米的单晶可将电压加到15V左右。

光强调节电位器顺时针方向旋转，脉动光源工作电压升高，光强增强，最高可调到20V，此时流经发光管的电流高达20A，因此不能在此条件下长期工作。

硅单晶少数载流子寿命测试规定

洛阳中岳实业有限公司硅单晶少数载流子寿命测试规定1.范围和目的1.1适用范围：适用于本公司多晶拉制成单晶及磷检后单晶的测定1.2目的：1.2.1 通过对少数载流子的测定来断定多晶产品质量的好坏1.2.2 通过测定对工艺生产进行指导1.2.3寿命值可灵敏地反映单晶体重金属污染及缺陷存在的情况，是单晶质量的重要检测项目2.引用标准：GB/T1553-1997 硅和锗体内少数载流子寿命测定光电导衰法3.测试原理：高频源提供高频电流经测试样品，但红外脉冲光照射样品时，单晶体内产生非平衡光生载流子，使样品产生附加光电导，样品电阻下降，由于高频源为恒压输出，因此，流过样品的高频电流幅值，此时增加I，光照消失后，I便逐渐衰退，其衰退速度取决于光生非平衡载流子在晶体内存在的平均时间（寿命值）。

I按指数衰减，在取样器上产生的电压变化V，也按同样指数衰减。

此信号经经检波器调和和高频滤波，再经宽频放大后输入到脉冲示波器，在示波器上显示出一条指数衰减曲线，对照标准曲线，可读出样品少数载流子寿命。

4.仪器设备及测试指标4.1 仪器4.1.1 DSY-Ⅱ型单晶寿命测试仪4.1.2 GOS-620型双轨迹示波器4.2 测试指标4.2.1 测试单晶电阻率下限：硅单晶：3-10欧·厘米4.2.2 可测单晶寿命：10µS-5000µS4.2.3 Φ25mm-Φ125mm L2 mm-50 mm4.2.4 样品切面光滑，无刀痕，且经喷砂处理，表面干燥，无污染、变色。

5 测试步奏5.1开机：打开寿命仪电源总开关，打开示波器电源开关，仪器预热10分钟5.2 用棉签沾自来水涂抹测试电极，将测试样品喷砂面放上并使其与电极均匀接触。

如样品太轻接触不好，可用重物压上样品。

5.3 打开红外光源开关，调节红外光源输出电压,调节示波器亮度选择合适的亮度，调节聚焦旋钮聚焦。

5.4 调节示波器上扫描时间，垂直衰减电压，波线位置，触发准位，触发模式旋钮，尽量使示波器上衰减曲线与标准曲线对照卡上的一致，5.5 将标准曲线卡对上示波器上的衰减曲线，示波器上衰减曲线与标准曲线对照上X轴上相交，数出X轴上相交格数，乘上扫描时间旋钮所在档位。

太赫兹瞬态吸收光谱探测系统及载流子寿命测量方法[发明专利]

专利名称：太赫兹瞬态吸收光谱探测系统及载流子寿命测量方法
专利类型：发明专利
发明人：田震,张钊,张伟力,陈勰宇,刘丽媛,张逸竹,何明霞,欧阳春梅,谷建强,韩家广
申请号：CN201810968892.2
申请日：20180823
公开号：CN108827914A
公开日：
20181116
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及太赫兹光谱技术领域，为降低高时间精度的太赫兹瞬态吸收光谱仪的装置复杂程度和搭建成本，提升工作窗口宽度，提高探测响应速度。

同时，提供一种测量半导体中非平衡态少数载流子寿命的方法。

提供一种新的表征光电材料载流子动力学性质的方法，克服现阶段测量载流子瞬态过程装置的缺点：动态时间探测范围窄、同步两台纳秒激光器难、装置使用维护成本高，本发明，太赫兹瞬态吸收光谱探测系统及载流子寿命测量方法，包括：探测单元；激发单元；接收单元：设置有皮秒级响应太赫兹超快探头作为光谱分布探测器，由示波器将光谱分布探测器输出的电信号加以处理，直接呈现。

本发明主要应用于太赫兹光谱测试场合。

申请人：天津大学
地址：300072 天津市南开区卫津路92号
国籍：CN
代理机构：天津市北洋有限责任专利代理事务所
代理人：刘国威
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少数载流子寿命测试系统研究

少数载流子寿命测试系统研究赵毅强，翟文生，王健，刘铁臣摘要：少数载流子寿命是衡量半导体材料性能的关键参数之一，文中介绍了光电导衰退法少数载流子寿命测试系统。

阐述了光电导衰退法测试原理，分析了测试系统构成，以及光脉冲下降沿时间、微弱信号放大处理、前放带宽、精密定位等关键技术，其主要性能指标是：少数载流子寿命测试范围：10*-7 ~6 *10-6；可测样品尺寸：小于20mm；单色光光点大小：Φ0.3mm；测试数据稳定度优于10%。

关键词：少数载流子寿命；光电导衰退法；测试系统引言衡量红外探测器性能的主要技术指标是探测率和响应率，而该指标与制作红外探测器的各种半导体材料（碲镉汞、锑化铟、硅等）的少数载流子寿命有着密切的关系。

通过研究少数载流子寿命，了解其寿命的复合机构，更好地掌握材料性能，可有效地进行晶片筛选，提高器件成品率和性能。

少数载流子寿命的测试方法有多种，但对于工艺线上的在线测试而言，要求简洁方便且为非破坏性测试。

文中采用光电导衰退法（PCD）测量半导体材料的少数载流子寿命及其空间分布直观、准确、可靠。

该系统采用双光路折反射设计，适用窗口封装于底面和侧面杜瓦瓶样品的测试。

操作软件以Windows98, 为平台，可自动或半自动测试，其步进精度高，寿命测试范围宽。

测试原理少数载流子寿命（体）定义为在一均匀半导体中少数载流子在产生和复合之间的平均时间间隔。

在一定温度条件下，处于热平衡状态的半导体，载流子浓度是一定的，当用某波长的光照射半导体材料，如果光子的能量大于禁带宽度，位于价带的电子受激发跃迁到导带，产生电子’空穴对，形成非平衡载流子⊿n ⊿p，对于n型材料非平衡电子称为非平衡多数载流子，非平衡空穴称为非平衡少数载流子，对-型材料则相反。

用光照使半导体内部产生非平衡载流子的方法称为非平衡载流子的光注入。

光注入时，半导体电导率的变化为：⊿σ=⊿nqμn+⊿pqμp(1)假设符合下列条件：（1）样品所加的电场很小，以至少数载流子的漂移导电电流可忽略；（2）样品是均匀的，即p0或n0在样品各处是相同的；（3）在样品中没有陷阱存在（即符合⊿n=⊿p）；（4）表面复合可以忽略不计；（5）小注入条件。

光电导衰退测量少数载流子的寿命

光电导衰退测量少数载流子的寿命光电导衰退测量少数载流子的寿命一、目的本实验的目的是学会用高频光电导衰退法测量硅单晶中少数载流子的寿命。

半导体中少数载流子的寿命对双极型器件的电流增益、正向压降和开关速度等起着决定性作用。

半导体太阳能电池的换能效率、半导体探测器的探测率和发光二极管的发光效率也和载流子的寿命有关。

因此，半导体中少数载流子寿命的测量一直受到广泛的重视。

测量少数载流子寿命的方法很多，分别属于瞬态法和和稳态法两大类。

瞬态法是由测量半导体样品从非平衡态向平衡态过渡过程的快慢来确定载流子寿命。

例如：对均匀半导体材料有光电导衰退法，双脉冲法，相移法；对P-N 结二极管有反向恢复时间法，开路电压衰退法。

稳态法是由测量半导体处在稳定的非平衡时的某些物理量来求得载流子的寿命。

例如：扩散长度法，稳态光电导法，光磁效应法，表面光电压法等。

近年来，许多文章介绍扫描电镜测量半导体的少数载流子扩散长度。

在硅单晶的检验和器件工艺监测中应用最广泛的是光电导衰退法和表面光电压法，这两种测试方法已经被列入美国材料测试学会(ASTM)的标准方法。

光电导衰退法有直流光电导衰退法、高频光电导衰退法和微波光电导衰退法。

其差别主要在于用直流、高频电流还是微波来提供检测样品中非平衡载流子的衰退过程的手段。

直流法是标准方法，高频法在硅单晶质量检验中使用十分方便，而微波法则可以用于器件工艺线上测试晶片的工艺质量。

二、原理以光子能量略大于半导体禁带宽度的光照射样品，在样品中激发产生非平衡电子和空穴。

若样品中没有明显的陷阱效应，那么非平衡电子和空穴浓度相等，他们的寿命也就相同。

如果所采用的光在半导体中的吸收系数比较小，而且非平衡载流子在样品表面复合掉的部分可以忽略，那么光激发的非平衡载流子在样品内可以看成是均匀分布。

设t=0时停止照射，非平衡的电子和空穴将不断复合而逐渐减少。

对于n 型半导体中任意一点，非平衡载流子流过体内复合中心消失的复合率是dtp d ??，它和非平衡载流子的浓度?p 成正比。

利用宽带太赫兹波检测硅晶元的特性

利用宽带太赫兹波检测硅晶元的特性发表时间：2018-04-03T09:45:53.353Z 来源：《基层建设》2017年第36期作者：孙夏思王红梅匙梦雪[导读] 摘要：硅已经被广泛应用于现代微电子领域，准确测量其电学和光学特性对其应用具有重要意义。

中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司西安 710065摘要：硅已经被广泛应用于现代微电子领域，准确测量其电学和光学特性对其应用具有重要意义。

本文提出利用太赫兹（THz）无损检测技术研究硅（Si）晶元的方法，采用空气共振产生和检测THz时域光谱系统产生了0.1-8 THz的THz波，利用该系统的时域光谱模块获得高阻Si的时域波形和频谱，计算得到其折射率、相对介电常数；利用光泵浦-THz探测模块测得Si的载流子寿命。

实验结果和出厂标定的参数近似，本方法也适用于其他半导体晶元的光电特性的检测。

关键词：太赫兹波，光泵浦太赫兹探测技术，硅，载流子寿命硅（Si）是现代电子信息领域中一种非常重要的半导体材料，不仅广泛应用于各种各样的电子器件，如集成电路，而且也应用于功率电子器件、传感器、太阳能电池等[1]。

因此，准确研究Si材料的光电特性（折射率、相对介电常数、载流子寿命等）对其应用具有重要意义，这些参数直接影响到器件的正向压降，开关速度和Si发光二极管的发光效率[2]。

测试半导体的性能的传统的测试方法有很多缺陷。

例如，表面光压衰减法[3]、光电导率衰减法[4]是最广泛使用的少子寿命测量方法，对表面光压衰减法要求待测样品厚度不小于少子的扩散长度的4倍，并且样品必须是低注入的。

常用的有三种光电导率衰减法：非接触微波反射法[5]，直流[6]和高频[7]光电导衰减法，第一种方法比第二种和第三种方法更先进并且其测量结果更精确，但是仪器价格昂贵；第二种方法是少子载流子寿命测试的常用方法，然而，这种方法要求样品具有特定的几何形状，并且需要制作欧姆接触电极；而第三种方法的测试精度不够高[8]。

高频光电导衰减法测量Si中少子寿命

高频光电导衰减法测量Si 中少子寿命一、概述半导体中的非平衡少数载流子寿命是与半导体中重金属含量、晶体结构完整性直接有关的物理量。

它对半导体太阳电池的换能效率、半导体探测器的探测率和发光二极管的发光效率等都有影响。

因此，掌握半导体中少数载流子寿命的测量方法是十分必要的。

测量少数载流子寿命的方法有许多种，分别属于瞬态法和稳态法两大类。

瞬态法是利用脉冲电或闪光在半导体中激发出非平衡载流子，改变半导体的体电阻，通过测量体电阻或两端电压的变化规律直接获得半导体材料的寿命。

这类方法包括光电导衰减法和双脉冲法。

稳态法是利用稳定的光照，使半导体中非平衡少子的分布达到稳定的状态，由测量半导体样品处在稳定的非平衡状态时的某些物理量来求得载流子的寿命。

例如：扩散长度法、稳态光电导法等。

光电导衰减法有直流光电导衰减法、高频光电导衰减法和微波光电导衰减法，其差别主要在于是用直流、高频电流还是用微波来提供检测样品中非平衡载流子的衰减过程的手段。

直流法是标准方法，高频法在Si 单晶质量检验中使用十分方便，而微波法则可以用于器件工艺线上测试晶片的工艺质量。

本实验采用高频光电导衰减法测量Si 中少子寿命。

二、实验目的1．掌握用高频光电导衰减法测量Si 单晶中少数载流子寿命的原理和方法。

2. 加深对少数载流子寿命及其与样品其它物理参数关系的理解。

三、实验原理当能量大于半导体禁带宽度的光照射样品时，在样品中激发产生非平衡电子和空穴。

若样品中没有明显的陷阱效应，那么非平衡电子（∆n ）和空穴(∆p)的浓度相等，它们的寿命也就相同。

样品电导率的增加与少子浓度的关系为n q p q n p ∆+∆=∆μμσq ：电子电荷;µp 和µn 分别为空穴和电子的迁移率。

当去掉光照，少子密度将按指数衰减，即τte p -∝∆τ：少子寿命，表示光照消失后，非平衡少子在复合前平均存在的时间。

因此导致电导率τσte -∝∆也按指数规律衰减。

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第48卷第9期红外与激光工程2019年9月Vol.48No.9Infrared and Laser Engineering Sep.2019使用太赫兹快速探测器测量硅少数载流子寿命张钊，陈勰宇，田震(天津大学精密仪器与光电子工程学院光电信息技术教育部重点实验室太赫兹波研究中心，天津300072)摘要：利用脉冲触发信号在半导体中产生非平衡态载流子的方式，提出一种使用太赫兹连续源和超快速响应探头测量半导体少数载流子寿命的方法，用于表征半导体的瞬态载流子动力学过程。

根据上述设计原理及思路，以泵浦光作为周期性激励信号，搭建出一套工作时间窗口为纳秒到秒量级，时间精度在纳秒量级的非接触式半导体少数载流子寿命测量系统，具有装置简单、操作方便、成本低廉等优点。

使用搭建的系统对不同掺杂类型、不同掺杂浓度、不同厚度单晶硅的非平衡态少数载流子寿命进行测量。

最后，通过改变泵浦光单脉冲能量，对单晶硅光生载流子寿命进行测量，结果表明单晶硅少数载流子寿命随着泵光能量的增大而变长。

该系统所实现的宽工作窗口、高时间精度太赫兹快速过程的探测，可应用于太赫兹领域的快速成像和快速生物响应探测。

关键词：太赫兹；光泵；单晶硅；少数载流子寿命中图分类号：O473文献标志码：A DOI：10.3788/IRLA201948.0919003Measurement of minority carrier lifetime in siliconby high speed terahertz detectorZhang Zhao,Chen Xieyu,Tian Zhen(Center for Terahertz Waves,College of Precision Instrument and Optoelectronics Engineering,and the Key Laboratory of Opto-electronics Information and Technology(Ministry of Education),Tianjin University,Tianjin300072)Abstract:Using pulse trigger signal to generate non-equilibrium carriers in semiconductor,a method for minority carrier lifetime mapping of semiconductor was proposed,with the aid of a terahertz continuous wave source and an ultrafast-response probe,which can apply for characterizing transient carrier dynamics in semiconductor.Based on the above-mentioned design principles,a non-contact minority carrier lifetime measuring system was set up by using the optical pump as the periodic excitation,whose time window was from nanosecond to second and temporal resolution was the order of nanosecond.The system owned various advantages,such as simple device,convenient operation and low cost.The non-equilibrium minority carrier lifetime of monocrystalline silicon with different doping types,different doping concentration,and different thickness were measured by using our system.Finally,the photo-generated carrier lifetime of the monocrystalline silicon was measured through changing the optical pump power.Result shows that the收稿日期：2019-05-05；修订日期：2019-06-03基金项目：国家重点研发计划(2017YFA0701004)；国家自然科学基金(61722509，61675145，61735012)作者简介：张钊(1994-)，女，硕士生，主要从事太赫兹器件及系统方面的研究。

Email:zz0608@导师简介：田震(1981-)，男，教授，硕士生导师，博士，主要从事太赫兹器件及系统方面的研究。

Email:tianzhen@minority carrier lifetime of monocrystalline silicon increases with the enhancement of pump power.The wide-working-window and high-time-resolution detection of terahertz fast processes,which is realized by the proposed system,can be applied for the fast imaging and rapid bio-response detection at the terahertz range. Key words:terahertz;optical pump;monocrystalline silicon;minority carrier lifetime0引言在“电子设备无处不在”的21世纪，半导体材料的改进和优化对于解决生产成本、环境污染等问题有重要的意义。

硅(Silicon)已经成为光电子学领域应用广泛的半导体材料[1-3]。

现阶段有很多表征半导体光电特性的方法，例如表面光伏法(Surface photovoltaic)[4]、开路电压衰减法(Open circuit voltage decay)[5]等，这些方法需要与待测样品进行电接触，测量方式复杂，不便于实时原物测量。

另一种常用方式是基于热成像技术的载流子密度成像法(Carrier density imaging)[6-7]，以波长范围在5μm以下的热辐射电磁波来探测样品中光生载流子，然而光电材料在这一波长范围内的吸收率极低，限制了探测结果的准确性。

上述方法都属于表征光电材料稳态特性的方法。

然而，对半导体瞬态响应的探测分析，也是研究瞬态载流子动力学和光电材料性质的一种重要工具，是推动半导体元器件制备和创新的基础。

瞬态动力学性质的表征为深入研究光电材料工作原理提供依据，为进一步优化材料的功能特性奠定基础。

近些年，光泵太赫兹探测(Optical-pump terahertz-probe)，一种非接触式无损探测太赫兹瞬态吸收光谱(Terahertz transient absorption spectroscopy)的方法，成为电磁领域和光谱学领域的研究热点，被广泛应用于研究半导体中载流子动力学过程[8-11]。

使用泵浦光作为激励，待测样品中产生的光生载流子通过能带填充，带隙重整，陷阱填充以及载流子吸收等一系列作用影响瞬态光电导率。

由于太赫兹波的吸收与样品内部电导率的变化存在函数关系，通过对瞬态响应光谱中衰减信号的处理，可以得到半导体内载流子的寿命、浓度、迁移率等材料信息，帮助研究电子捕获、电子空穴复合、扩散现象等超快动力学过程。

但是常规的光泵太赫兹探测法仍存在一些局限性。

由于探测光谱的时间响应窗口受泵浦光和探测脉冲之间时间延迟调控的影响，纳秒及纳秒量级以上的时间延迟是不可能单纯靠增加光学延迟线的长度来实现。

因此，使用光学延迟线的太赫兹瞬态响应光谱系统仅能实现时间窗口较窄的光谱探测(皮秒到纳秒)，严重制约半导体中纳秒到微秒甚至若干秒时间范围内的动力学过程的研究。

纳秒到微秒时间窗口的瞬态吸收光谱探测可通过同步一台飞秒激光器(泵浦光源)和一台纳秒超连续激光器(探测光源)实现，然而，在纳秒时间精度内同步两台激光器对技术要求极高，且搭建成本高，系统光路复杂，往往需要搭配使用高精度电子同步延时器件和设计反馈回路，调试过程繁复，维护检修困难[12-14]。

现在比较成熟的测量宽时间窗口半导体载流子寿命的方法是时间分辨荧光光谱法[15-17]，可实现皮秒到秒量级，皮秒时间精度的光生载流子寿命测量。

这种方法成本相对较高，需要使用飞秒激光器、光谱仪、高精度窗口采样等设备。

而且，载流子复合过程除电子空穴复合辐射荧光外，还存在非辐射复合，因此，在物理原理上限制了使用荧光光谱测量少数载流子寿命的精确性。

1系统搭建1.1设计思路基于上述研究背景的介绍及分析，现提出一种可表征纳秒到秒时间响应的瞬态载流子动力学过程的太赫兹连续源探测法，原理如图1所示。

以太赫兹连续波激光器作为探测光源，利用脉冲型触发信号在半导体中产生非平衡态载流子，使用超快速响应太赫兹探头作为太赫兹光电探测器，接收太赫兹信号，探测待测样品受激前后太赫兹透射信号的变化情况。

对所得太赫兹信号的观测及数据处理，有助于研究半导体内非平衡态载流子动力学过程。

作为激发单元的周期性触发信号，可以使用激光脉冲激发半导体，也可以采用电脉冲信号。

根据不同半导体、光电材料的瞬态动力学特性，还可以通过外加周期性变化的磁场，周期性改变的应力场，周期性变化的温度控制等方式对材料进行激励，实现激发态吸收的测量，进而分析研究材料中电子空穴复合过程、能量转移过程等动力学现象。

图1太赫兹瞬态透射光谱系统设计原理Fig.1Design principle of transient transmission spectroscopy system1.2实验系统基于1.1节中所述的探测系统设计原理，以光泵浦作为激励源，搭建了一套光泵-太赫兹可测量半导体纳秒到秒量级少数载流子寿命的系统，装置示意图如图2所示。

探测光源为Terasense公司生产的100GHz太赫兹连续波激光器。

泵浦光源为Coherent 公司生产的Legend Elite Duo-USP-1K的放大级激光器，输出的中心波长800nm，重复频率1kHz，脉冲宽度小于50fs，输出的最大单脉冲能量为7mJ。