深紫外寬禁帶半導(dǎo)體熒光測試系統(tǒng)OminFluo990-DUV

產(chǎn)品概述

一、什么是寬禁帶半導(dǎo)體呢?

固體的能帶結(jié)構(gòu)主要分為導(dǎo)帶、價帶和禁帶三部分，原子中最外層電子稱為價電子，價電子所占據(jù)的能帶稱為價帶；比價帶能量更高的允許帶稱為導(dǎo)帶；在價帶和導(dǎo)帶之間的范圍是電子無法占據(jù)的，這一范圍稱為禁帶。

材料想要導(dǎo)電，就需要價帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶中，形成可以自由移動的電子。電子需要躍遷的距離就是禁帶寬度。

物體要導(dǎo)電，就必須在導(dǎo)帶中存在可以移動的自由電子。因此，我們可以猜想：禁帶寬度越窄的物體，電子就越容易發(fā)生躍遷，因此就越容易導(dǎo)電。相反，禁帶寬度越寬的物體，電子躍遷所需要的能量就越高，因此就越不容易發(fā)生電子躍遷而導(dǎo)電。

那事實是不是和我們猜想的一樣呢？讓我們分別來看一下導(dǎo)體、半導(dǎo)體、寬禁帶半導(dǎo)體、超寬禁帶半導(dǎo)體和絕緣體的禁帶寬度，如下圖所示。

從圖中我們可以看出，導(dǎo)體的價帶頂部和導(dǎo)帶的底部挨在了一起，即導(dǎo)體的禁帶寬度為0。因此，導(dǎo)體不需要外部能量，價帶中的電子就可以移動到導(dǎo)帶中，從而導(dǎo)電。

絕緣體的價帶和導(dǎo)帶之間的距離最遠，遠到電子基本無法獲得足夠的能量發(fā)生躍遷。

半導(dǎo)體的禁帶寬度介于導(dǎo)體和絕緣體之間。

寬禁帶半導(dǎo)體就是禁帶寬度大于傳統(tǒng)半導(dǎo)體的一種半導(dǎo)體材料，如碳化硅（SIC）和氮化鎵（GAN）。如果禁帶寬度再寬一點，就被稱為超寬禁帶半導(dǎo)體，如氮化鋁鎵（AlGaN）、氧化鎵（Ga2O3）等。

第三代半導(dǎo)體材料--寬禁帶半導(dǎo)體相比于傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料都有哪些優(yōu)勢呢?

碳化硅（SiC）是由碳元素和硅元素組成的一種化合物半導(dǎo)體材料，和氮化鎵（GaN）都具有寬禁帶寬度的特性，被稱為第三代半導(dǎo)體材料。傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料Si和寬禁帶半導(dǎo)體材料SiC、GaN的對比如下圖所示。

從圖中我們可以看出，半導(dǎo)體Si的禁帶寬度為1.12電子伏特，而寬禁帶半導(dǎo)體SiC禁帶寬度為3.23電子伏特，寬禁帶半導(dǎo)體GaN的禁帶寬度和SiC差不多為3.42電子伏特。正是因為SiC和GaN具有更寬的禁帶寬度，從而使其擁有更高的擊穿電場強度，從上表中可以看出，SiC和GaN的臨界電場強度大約是Si的10倍左右，因此寬禁帶半導(dǎo)體器件的工作電壓更高，體積更小。

SiC的熱導(dǎo)率為4.0，而SI的導(dǎo)熱率只有1.5，因此SIC的散熱性能更好，擁有更優(yōu)良的耐高溫性能，有助于提高系統(tǒng)的整體功率密度。但我們也看到了氮化鎵（GaN）的熱導(dǎo)率只有1.3，因此這就決定了GaN半導(dǎo)體器件工作的功率沒有SiC半導(dǎo)體器件工作的溫度高。

飽和電子漂移速率是指半導(dǎo)體中電子漂移速度的最大值，當電子漂移速度達到該值時，即使再增大電場強度，電子的漂移速度也不會再增加。高飽和電子漂移速率的半導(dǎo)體材料在高頻、高速信號的處理中有出色的表現(xiàn)。從上表可以看出，GaN的飽和電子漂移速率為2.5，比Si和SiC都大，因此GaN半導(dǎo)體器件常常應(yīng)用于更高頻率的場合。

除此之外，寬禁帶半導(dǎo)體在輻射環(huán)境下的穩(wěn)定性要遠超過傳統(tǒng)的SI基芯片，擁有優(yōu)異的抗輻射能力和良好的化學(xué)穩(wěn)定性。

總結(jié)：

通過對比，寬禁帶半導(dǎo)體材料碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）相較于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料硅（Si）擁有更高的臨界電場強度、更高的熱導(dǎo)率和更大的飽和電子漂移速率，材料性能可以說是單方面碾壓傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料硅（Si）。寬禁帶半導(dǎo)體材料的這些優(yōu)異性能，使得利用寬禁帶半導(dǎo)體材料制作的半導(dǎo)體功率器件更能滿足現(xiàn)代工業(yè)對于高功率、高電壓、高頻率、小體積的需求。

寬禁帶半導(dǎo)體材料的表征，以載流子濃度及載流子遷移率為主
寬禁帶半導(dǎo)體材料測試難點在于：

寬禁半導(dǎo)體帶材料的帶隙較大，擊穿電場較高。需要上千伏高壓進行測試。

寬禁帶半導(dǎo)體材料是高流器件的制備材料，需要用到幾十安培的高流進行測試。

四線法及霍爾效應(yīng)測試均是加流測壓的過程，需要設(shè)備能輸出電流并且測試電壓。

電阻率及電子遷移率通常范圍較大，需要電流電壓范圍都很大的設(shè)備。

電流源和電壓表精度要高，保證測試的準確性。

發(fā)光角度的差異：針對AlN的發(fā)光波段（200-210nm），沒有合適的濾光片濾除激光，且AlN由于輕重空穴帶反轉(zhuǎn)，其熒光發(fā)光角度為側(cè)面出光

我司研發(fā)的DUVL900 深紫外超寬禁帶半導(dǎo)體熒光測試系統(tǒng)，基于我司20年左右的第三代半導(dǎo)體表征測試經(jīng)驗，可以有效地對寬禁帶與超寬禁帶半導(dǎo)體材料例如AlN和AlGaN等進行熒光激發(fā)。

系統(tǒng)方案說明如下

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
(一)激光器部分
1.國產(chǎn)195NM超短脈沖激光產(chǎn)生技術(shù)方案

以鎖模鈦寶石激光器作為基頻光源，經(jīng)過多級倍頻/和頻來產(chǎn)生195nm的深紫外激光。受非線性晶體相位匹配條件的限制，常用的紫外倍頻晶體BBO直接倍頻產(chǎn)生的激光波長>205nm,但BBO晶體可支持和頻的方式獲得200nm波長以下的激光。因此擬采用倍頻+兩級和頻的方式來獲得所需的195nm激光，方案示意圖如圖1所示。780nm左右的基頻光首先經(jīng)倍頻獲得二倍頻激光脈沖（390nm），然后二倍頻激光再與剩余基頻光和頻獲得三倍頻脈沖（260nm），三倍頻脈沖再與基頻光和頻產(chǎn)生四倍頻紫外激光（195nm）。另外由于脈沖較短，激光在倍頻與傳輸過程中會產(chǎn)生較大的群速走離，影響后續(xù)和頻的效率，因此在每個和頻單元需要加入延遲線來補償不同波長光束之間產(chǎn)生的群速延遲，以保持脈沖之間的同步。

基頻光源技術(shù)參數(shù)

該方案需要的基頻光源的主要技術(shù)參數(shù)：

（1）波長：780 nm

（2）脈沖寬度：~100 fs（或根據(jù)實際需求調(diào)整）

（3）重復(fù)頻率：80 MHz（或根據(jù)實際需求調(diào)整）

（4）光束質(zhì)量：M <1.3

（5）功率：~2.5W（取決于對195NM激光功率的需求，2.5W基頻光對應(yīng)于約4mW

的195nm激光功率）

（2）輸出功率

195 nm激光輸出功率約4 mW（基頻功率>2.5W@780nM）

(二)光學(xué)部分設(shè)計概述

光學(xué)部分如圖 1所示，由適配冷熱臺的顯微鏡模組、耦合光路模組、激發(fā)和收集模組(190nm-550 nm)、單色儀和TCSPC系統(tǒng)和側(cè)面收集模組構(gòu)成。

顯微鏡模組配備適配190-600nm的紫外物鏡，可將激光聚焦成約2微米的光斑后激發(fā)樣品熒光或光電流，從而大大提高激發(fā)功率密度，以獲得較強的熒光信號。顯微鏡可在顯微成像和熒光光譜兩種模式下切換，用戶可以通過聚焦到樣品的顯微像確認熒光收集區(qū)域、激光光斑聚焦和收集光路的對準等。

耦合光路模組將激光和物鏡收集的熒光傳輸?shù)郊ぐl(fā)和收集模組（190nm-550nm），通過長波通濾光片將195nm的激光和熒光分離，190nm-550nm的熒光進入單色儀入口1收集，通過時間分辨單光子系統(tǒng)（TCSPC）中的PMT獲得熒光信號強度，通過光柵逐步長掃描獲得光譜，通過TCSPC系統(tǒng)獲得光譜的熒光壽命。

針對AlN的發(fā)光波段（200-210nm），沒有合適的濾光片濾除激光，且AlN由于輕重空穴帶反轉(zhuǎn)，其熒光發(fā)光角度為側(cè)面出光，因此設(shè)置側(cè)面收集模組，將側(cè)面發(fā)出的熒光（200-550nm）通過一個單獨傾斜60度角的物鏡收集后，通過光纖傳入單色儀入口2進行收集和測量。

樣品位于可變溫-190~600℃(標配）與10K~300K（可選）冷熱臺中，可通過光窗進行光激發(fā)和收集。為了對樣品進行聚焦，將冷熱臺置于手動XYZ平移臺上，可在小范圍內(nèi)對樣品進行選區(qū)和通過調(diào)節(jié)Z軸進行聚焦，具體的調(diào)節(jié)方式是：變溫臺實現(xiàn)XY方向調(diào)整，Z軸由物鏡升降實現(xiàn)。

系統(tǒng)技術(shù)指標

革命性的插槽式并聯(lián)光路設(shè)計

深紫外寬禁帶半導(dǎo)體熒光測試系統(tǒng)OminFluo990-DUV優(yōu)勢:

強大的光路穩(wěn)定性：取消了傳統(tǒng)意義上的顯微鏡周邊冗余，更加貼合光路穩(wěn)定性要求比較高的未來應(yīng)用場景

無限拓展的可能性：顯微鏡光路，熒光，RAMAN，振鏡掃描光電流光路，不同波長的熒光與RAMAN測試，依次并聯(lián)，無限拓展

定量測試的高準確度：激光功率校準集成在顯微鏡模組中，通過測量激光采樣鏡獲取的少量激光光強，可作為激光功率的實時校準和參考，并通過集成在熒光和拉曼模組中的連續(xù)衰減片調(diào)節(jié)光強。

更多的功能實現(xiàn)：熒光光強對于激發(fā)功率密度非常敏感，要準確的比較不同樣品的熒光光強，需要應(yīng)用翹曲度模組通過自動對焦，固定激發(fā)光斑的大小，同時通過激光功率校準來固定激發(fā)光強，最終保證了顯微共聚焦熒光光強的穩(wěn)定性和可比較性。

系統(tǒng)實際安裝照片

實測數(shù)據(jù)

智能化軟件平臺和模塊化設(shè)計

· 統(tǒng)一的軟件平臺和模塊化設(shè)計 

· 良好的適配不同的硬件設(shè)備：平移臺、顯微成像裝置、光譜采集設(shè)備、自動聚焦裝置等

· 成熟的功能化模塊：晶圓定位、光譜采集、掃描成像Mapping、3D層析，Raman Mapping，F(xiàn)LIM，PL Mapping，光電流Mapping等。

· 智能化的數(shù)據(jù)處理模組：與數(shù)據(jù)擬合、機器學(xué)習(xí)、人工智能等結(jié)合的在線或離線數(shù)據(jù)處理模組，將光譜解析為成分、元素的分布等，為客戶提供直觀的結(jié)果。可根據(jù)客戶需求定制光譜數(shù)據(jù)解析的流程和模組

· 可根據(jù)客戶需求進行定制化的界面設(shè)計和定制化的RECIPE流程設(shè)計，實現(xiàn)復(fù)雜的采集和數(shù)據(jù)處理功能。

顯微光譜成像控制軟件界面

強大的光譜圖像數(shù)據(jù)處理軟件VISUALSPECTRA

顯示：針對光譜Mapping數(shù)據(jù)的處理，一次性操作，可對整個圖像數(shù)據(jù)中的每一條光譜按照設(shè)定進行批處理，獲得對應(yīng)的譜峰、壽命、成分等信息，并以偽彩色或3D圖進行顯示。

顯微光譜成像控制軟件界面

3D顯示

基礎(chǔ)處理功能:去本底、曲線平滑、去雜線、去除接譜臺階、光譜單位轉(zhuǎn)化

進階功能:光譜歸一化、選區(qū)獲取積分、*大、*小、*大/*小值位置等

譜峰擬合:采用多種峰形(高斯、洛倫茲、高斯洛倫茲等)對光譜進行多峰擬合,獲取峰強、峰寬、峰位、背景等信息。

**功能:應(yīng)力擬合:針對Si、GaN、SiC等多種材料,從拉曼光譜中解析材料的應(yīng)力變化,直接獲得應(yīng)力定量數(shù)值,并可根據(jù)校正數(shù)據(jù)進行校正。

**功能:應(yīng)力擬合:針對S1、GAN、SIC等多種材料,從拉曼光譜中解析材料的應(yīng)力變化,直接獲得應(yīng)力定量數(shù)值,并可根據(jù)校正數(shù)據(jù)進行校正。

載流子濃度擬合

晶化率擬合

熒光壽命擬合

自主開發(fā)的一套時間相關(guān)單光子計數(shù)(TCSPC)熒光壽命的擬合算法，主要特色

1.從上升沿擬合光譜響應(yīng)函數(shù)(IRF)，無需實驗獲取。

2.區(qū)別于簡單的指數(shù)擬合，通過光譜響應(yīng)函數(shù)卷積算法獲得每個組分的熒光壽命，光子數(shù)比例，計算評價函數(shù)和殘差，可扣除積分和響應(yīng)系統(tǒng)時間不確定度的影響，獲得更加穩(wěn)定可靠的壽命數(shù)值。

3.*多包含4個時間組分進行擬合。

熒光壽命擬合

主成分分析和聚類分析

每個主成分的譜顯示

主成分的分布圖

主成分聚類處理和分析