专利名称：一种光伏探测材料缺陷与器件性能关联性的系统表征方法
技术领域：
本发明涉及光电子、红外及半导体技术等领域中的材料和器件技术领域，特别是涉及一种光伏探测材料缺陷与器件性能关联性的系统表征方法。
背景技术：
迄今为止，各种体系的半导体材料已在众多领域得到了广泛应用。在许多应用领域，人们对光电器件的功能和性能提出了越来越高的期望，这就相应地对半导体材料的组成、结构和质量等提出了越来越苛刻的要求。以III-V族化合物半导体为例随着对光电器件工作波段要求的拓展，多种晶格失配的外延材料体系已经广泛采用，伴随着对器件性能指标要求的提高，也相应地对失配材料体系的质量提出了更高的要求。因此，人们在采用各种可能的手段尝试提高外延材料的质量的同时，也迫切地希望搞清楚外延材料质量与器件性能之间的关联性，以期找出影响器件性能的关键因素，进而改进外延材料的质量。在各种可能影响器件性能的材料参数中，外延材料中的缺陷种类、密度及其横向和纵向分布情况等无疑是人们首先要关注的。在过去的研究实践中人们已发展起了与此相关的一系列直接的或间接的缺陷表征方法，如腐蚀坑(Etch pits)、高分辨透射电镜(HRTEM)、光荧光(PL)、X射线衍射(XRD)等等，取得了一定效果，并通过一些具体案例了解到了外延材料质量与器件性能之间的对应关系。然而在这些工作中，材料质量和器件性能的表征往往是分别独立进行的，这样就给结论的得出带来很大的不确定性和随机性。例如采用Etch pits或HRTEM来测量材料的缺陷密度本身都具有很大的不确定性和随机性，在缺陷非均匀分布的情况下尤为如此。这些测量方法本身也具有很大的局限性，有一定的适用条件。此外，这些测量方法都属破坏性的，只能对一批材料进行抽测，或者抽测同一材料的局部，因此这些材料制成器件后的性能与测得的材料缺陷之间的关联性也存在很大的不确定性和随机性，影响所得结论的可靠性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种光伏探测材料缺陷与器件性能关联性的系统表征方法，避免材料制成器件后的性能与测得的材料缺陷之间的关联性存在的不确定性和随机性。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种光伏探测材料缺陷与器件性能关联性的系统表征方法，包括以下步骤(I)根据光伏探测材料的种类和特性设计测试芯片和进行制样封装构成测试样品;(2)对所述测试样品的光电特性进行测量表征；(3)在所述测试样品上用电子束感生电流/扫描电镜或阴极荧光/扫描电镜组合的方法进行性能相关缺陷的测量表征和统计分析；(4)根据上述步骤得到的直接相关测试表征结果，据此对材料缺陷与器件性能关联性进行系统 表征。所述步骤(I)中的测试样品芯片是根据光伏探测材料的种类和特性，结合光电特性的测量要求和电子束感生电流/扫描电镜或阴极荧光/扫描电镜组合的方法的特点进行设计的。所述步骤⑴中根据测试样品缺陷密度的范围选取样品尺寸，使得测试样品对应的观察视场能完全覆盖测试样品并且测试样品占满视场。所述步骤(2)中对所述测试样品的光电特性进行测量表征针对影响器件关键性能的参数进行。所述样品的光电特性包括暗电流、光响应、光谱特征、与材料的缺陷关联的电学、光学参数。所述步骤(2)进行的测试样品光电特性测量所得的结果包含了材料缺陷的影响。所述步骤(3)中的电子束感生电流/扫描电镜或阴极荧光/扫描电镜组合的方法具有与扫描电镜观察完全对应的放大率和分辨率，其放大率和分辨率能完全覆盖缺陷观察所需的范围。所述步骤(3)在测试样品上进行的电子束感生电流/扫描电镜或阴极荧光/扫描电镜组合的方法测量所得的结果反映了直接相关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术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果本发明的一种材料缺陷与器件性能关联性的系统表征方法是一种可靠、直观而且方便的方法。在这种方法中，样品的材料缺陷与器件性能是直接对应的，从而避免不确定性和随机性；样品的设计能够满足不同材料缺陷测量范围和器件性能测试要求；所采用的材料缺陷测试方法能够直观地体现材料质量；样品的制备能够较方便地采用常规方法实现。本发明中的测试样品可以是根据光伏探测材料的种类和特性设计的测试芯片和进行制样封装构成测试专用样品，也可以利用结构和几何尺寸合适的器件芯片代替，并无严格限制；样品的光电特性可以包括暗电流、光响应、光谱特征等与材料的缺陷关联或可能关联的电学、光学参数；EBIC/SEM等组合方法可以同时获得位置分布完全对应的感生电流等参数和样品形貌信息，有利于确定其对应关系；综合所有测量结果进行系统的分析就可以找出材料缺陷与器件性能之间可能存在的关联性，统计分析出定性、半定量或定量的结果；这些结果将有利于改善材料特性。本发明既适用于光伏型光电探测器材料和太阳电池材料等，也适用于发光材料如半导体激光二极管LD，发光二极管LED等，具有很好的适应性。除光电器件外，此种方法也适用于具有Pn结的其他类型光电材料和电子材料，具有很好的普适性和通用性，可以用相当灵活的方式实现。
图I是本发明的流程图。
具体实施例方式下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。如图I所示，本发明建立了一种光伏探测材料缺陷与器件性能关联性的系统表征方法，包括步骤I :根据光伏探测材料的种类和特性设计测试芯片和进行制样封装构成测试专用样品；步骤2 :对样品的光电特性进行测量表征；步骤3 :在同一样品上用电子束感生电流/扫描电镜(EBIC/SEM)组合方法进行性能相关缺陷的测量表征和统计分析；步骤
4:对材料缺陷与器件性能关联性进行系统表征。步骤I中的测试专用样品芯片设计一方面需要满足EBIC/SEM组合测量的要求，另一方面也需要考虑器件光电特性测量对样品的需要。对于光电特性测量，常规样品尺寸可在数十微米至数百微米范围，并无苛刻要求；对于EBIC/SEM组合测量，根据样品缺陷密度的可能范围，样品尺寸需要适当选取。例如，一般而言视场中缺陷总数在10 100范围时可较方便地进行统计且随机性较小，这样对于1E5 lE6cm_2范围的缺陷密度，100x100 μ m2的样品对应的观察视场就较合适，这时对应的SEM放大倍率约在2000倍也是合适的，SEM放大倍率的选取应使视场能完全覆盖样品且样品充分占满视场；缺陷密度范围更高或更低时样品尺寸可相应减小或增加，SEM放大倍率也需做相应调整；样品测量电极的尺寸只需方便连线的要求即可。步骤2中对样品的光电特性进行测量表征主要针对影响器件关键性能的参数进行。例如对于光电探测器，其暗电流参数与缺陷密度有很强的关联性，是必须优先考虑的；其光电流特性也可能受缺陷影响，应该进行测量。其他参数则可根据具体研究需要进行。此发明中由于测量对样品基本是非破坏性的，可以交替或重复进行，但考虑到方便可靠一般先进行光电特性测量。步骤3中基于SEM的EBIC方法具有与SEM完全对应的放大率和分辨率，其放大率和分辨率完全能够满足缺陷测量要求，且与其他方法相比其放大率和分辨率都有较大的适应范围，恰好能完全覆盖缺陷观察所需的范围，根据电子束能量的不同(常规在1-40KV范围)，其扫描测量点所对应的局部响应纵向和横向分布范围也有较宽的调节范围，能够满足需要。步骤2中测得的光电参数信息全部包含且只包含步骤3所测得的全部缺陷所带来的影响，因此二者之间的关联性是直接的和确定的。对于材料样品，EBIC方法测得的强度(亮度)信息直接反映了材料局部的质量，其暗区与材料生长中引入的缺陷特别是延伸到表面的线位错直接相关，因此对测得得EBIC或CL图片用SEM所带分析软件或其他图像处理软件可方便地提取获得缺陷及其几何分布信息，统计出缺陷密度，判断出缺陷的作用范围等，同时获得的SEM图像可用于确认样品缺陷几何位置，判断样品表面形貌与缺陷可能存在的对应关系等。需要说明的是，此发明中优先采用了 EBIC/SEM组合测量是因为对于具有pn结的光伏型光电探测材料，EBIC方法虽然不是直接观察样品的特定种类缺陷，但却能直观地充分体现各种影响器件性能的有害缺陷对器件性能的综合影响。对于具有Pn结的光伏型光电探测材料，其基本功能就是将光信号转换成电信号，而电子束感生电流则在很大程度上体现了这一功能，因此具有很好的相似性和关联性。此发明中进行EBIC测量的同时也进行 对应的SEM测量是为了同时获得样品的形貌和位置尺寸信息，在后续分析中这些信息是有价值的，且在特定条件下也是对获得的样品缺陷信息的验证和确认。此发明也不局限于EBIC/SEM组合测量，例如对于基于SEM的测量，阴极荧光(CL)等与SEM的结合构成的CL/SEM组合测量也是可以采用的，且可以适应一些不含pn结的材料，对与缺陷相关的发光材料质量也有很好的综合表征效果，与器件性能会有很好的关联性。步骤4中材料缺陷与器件性能的关联性分析必须基于材料物理和器件物理，采用合适的统计和关联性分析方法进行，最直接的就是观察测量结果中测得的材料缺陷密度与器件参数之间是否具有可重复的相关性，能否得出对应的定量或半定量关系，能否据此建立相应的物理模型。由于材料和器件种类的不同，所采用的分析方法也不尽相同，可以根据具体需要米用。
根据以上步骤即可建立材料缺陷与器件性能之间的直接关联性，避免测量不确定性和随机性的影响，为改善材料特性提供合适的依据。
权利要求
1.一种光伏探测材料缺陷与器件性能关联性的系统表征方法，其特征在于，包括以下步骤 (1)根据光伏探测材料的种类和特性设计测试芯片和进行制样封装构成测试样品； (2)对所述测试样品的光电特性进行测量表征； (3)在所述测试样品上用电子束感生电流/扫描电镜或阴极荧光/扫描电镜组合的方法进行性能相关缺陷的测量表征和统计分析； (4)根据上述步骤得到的直接相关测试表征结果，据此对材料缺陷与器件性能关联性进行系统表征。
2.根据权利要求I所述的光伏探测材料缺陷与器件性能关联性的系统表征方法，其特征在于，所述步骤(I)中的测试样品芯片是根据光伏探测材料的种类和特性，结合光电特性的测量要求和电子束感生电流/扫描电镜或阴极荧光/扫描电镜组合的方法的特点进行设计的。
3.根据权利要求2所述的光伏探测材料缺陷与器件性能关联性的系统表征方法，其特征在于，所述步骤(I)中根据测试样品缺陷密度的范围选取样品尺寸，使得测试样品对应的观察视场能完全覆盖测试样品并且测试样品占满视场。
4.根据权利要求I所述的光伏探测材料缺陷与器件性能关联性的系统表征方法，其特征在于，所述步骤(2)中对所述测试样品的光电特性进行测量表征针对影响器件关键性能的参数进行。
5.根据权利要求I所述的光伏探测材料缺陷与器件性能关联性的系统表征方法，其特征在于，所述样品的光电特性包括暗电流、光响应、光谱特征、与材料的缺陷关联的电学、光学参数。
6.根据权利要求I所述的光伏探测材料缺陷与器件性能关联性的系统表征方法，其特征在于，所述步骤(2)进行的测试样品光电特性测量所得的结果包含了材料缺陷的影响。
7.根据权利要求I所述的光伏探测材料缺陷与器件性能关联性的系统表征方法，其特征在于，所述步骤(3)中的电子束感生电流/扫描电镜或阴极荧光/扫描电镜组合的方法具有与扫描电镜观察完全对应的放大率和分辨率，其放大率和分辨率能完全覆盖缺陷观察所需的范围。
8.根据权利要求I所述的光伏探测材料缺陷与器件性能关联性的系统表征方法，其特征在于，所述步骤(3)在测试样品上进行的电子束感生电流/扫描电镜或阴极荧光/扫描电镜组合的方法测量所得的结果反映了直接相关的材料缺陷的密度和分布信息。
全文摘要
本发明涉及一种光伏探测材料缺陷与器件性能关联性的系统表征方法，包括以下步骤根据光伏探测材料的种类和特性设计测试芯片和进行制样封装构成测试样品；对所述测试样品的光电特性进行测量表征；在同一测试样品上用电子束感生电流/扫描电镜或阴极荧光/扫描电镜组合的方法进行性能相关缺陷的测量表征和统计分析；根据上述步骤得到的直接相关的测试表征结果，据此对材料缺陷与器件性能关联性进行系统表征。本发明可以避免材料制成器件后的性能与测得的材料缺陷之间的关联性存在的不确定性和随机性的问题。
文档编号G01N23/22GK102645443SQ201210086690
公开日2012年8月22日 申请日期2012年3月28日 优先权日2012年3月28日
发明者刘克辉, 张永刚, 李好斯白音, 顾溢 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所