高电阻率宽禁带半导体材料本征光电导率测试方法及系统与流程

本发明涉及半导体材料与器件测试技术领域，具体涉及一种高电阻率宽禁带半导体材料本征光电导率测试方法及系统。

背景技术：

高压光导开关是高脉冲功率系统(如加速器、雷达和大功率电源)所需要的一种备受关注的器件。在高电阻率宽禁带半导体材料中，例如钒补偿半绝缘性4h碳化硅(sic)因其宽带隙(3.26ev)、高暗电阻率(大于10¹¹ω·cm)、高临界电场强度(3mv/cm)、高电子饱和速度(2.0×10⁷cm/s)和高导热系数(4.9w/cm·℃)，是一种制备结构紧凑、高耐压的外延光电导测试样品的理想材料。

多项研究工作证明了光导开关的可行性和优越性，有望推动碳化硅光导开关在加速器、雷达等领域的应用。对于大功率输出系统，开关电阻应该尽可能地低，但是目前为止性能最优的开关只达到了1ω的导通电阻，这与碳化硅单晶材料在光激发下的电导率直接相关。目前传统的测试方法只能给出器件在测试电路中的总导通电阻，但除了碳化硅衬底外，还可能包含测试电路中的接触电阻和阻抗。由此可见，目前尚需一种对高电阻率宽禁带半导体材料自身的本征光电导率进行准确测量的方法。

技术实现要素：

发明要解决的问题：

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种能简单可靠地实现的高电阻率宽禁带半导体材料本征光电导率测试方法及系统。

解决问题的技术手段：

本发明提供一种高电阻率宽禁带半导体材料本征光电导率测试方法，包括以下步骤：

1)制备在由高电阻率宽禁带半导体材料构成的衬底的厚度方向两侧表面上分别形成有作为阳极的实心电极和作为阴极且覆盖有透明导电薄膜的空心电极的光电导率测试样品，并将所述光电导率测试样品接入测试电路；

2)沿垂直于所述透明导电薄膜的方向通过光阑向所述透明导电薄膜施加激光束；

3)调节所述光阑的孔径，在每个孔径下利用示波器获取所述测试电路中连接的电容器两端的电压峰值和用于检测所述光电导率测试样品在所述激光束照射下产生的光生载流子所引起的电流变化的电流探测器的电压峰值；

4)根据所述电容器的两端的电压峰值和所述电流探测器的电压峰值计算每个孔径下的所述光电导率测试样品的最小通态电阻；

5)拟合多组所述孔径与所述最小通态电阻得到所述衬底的本征光电导率。

根据本发明，根据本发明，通过改变光阑的孔径来衬底上的激光触发区域面积(激光光斑面积)，拟合多组光阑孔径与每个孔径下对应的最小通态电阻，由此能通过将激光激发区面积作为测量变量得到碳化硅衬底的本征光导电率。除去光路搭建和电学连接，整个测试系统只有脉冲激光器、碳化硅光电导率测试样品和示波器等部件，因此该测试方法简单可靠。

也可以是，本发明中，在所述衬底的厚度方向一方表面上制备所述实心电极，在所述一方表面相反侧的另一方表面上制备外径等于所述实心电极的直径的环状的所述空心电极，在所述空心电极上覆盖所述透明导电薄膜。被激光照射的区域由于光生载流子的存在而电阻率减小，其余区域保持半绝缘状态，该结构的光电导率测试样品可以由激光透过透明导电薄膜照射衬底而直接触发。

也可以是，本发明中，步骤1)中，所述实心电极是通过沉积al、ag、au、pt、ti或ni制备得到的具有高反光特性的金属薄膜，所述空心电极是通过沉积ni、ti、au或pt制备得到的金属薄膜。因此，实心电极不仅作为光电导率测试样品的阳极发挥作用，还能借助其高反光特性将射入并穿透衬底的激光束反射回衬底的内部，从而提高激光脉冲的利用率。

也可以是，本发明中，步骤1)中，所述透明导电薄膜是由铝掺杂氧化锌、氧化镓、铟锡氧、石墨烯或者透明金属膜构成的高透光性高导电性的薄膜，其材料优选为铝掺杂氧化锌。由此，透明导电薄膜能凭借其良好的导电性能来传导光生载流子，且能使激光束穿透薄膜而垂直入射到衬底内部。

也可以是，本发明中，在步骤2)中，所述激光的波长为355nm～1064nm。通过向垂直于透明导电薄膜平面方向施加不同波长的激光脉冲，由此能检测高电阻率宽禁带半导体材料中皮秒至纳秒量级瞬态本征光电导率。

也可以是，本发明中，在步骤3)中，所述光阑的孔径在0.5mm～所述空心电极的内径的范围内选取五个以上的值。由此，能通过利用变孔径法这一新颖的测量方法获得不同激光触发面积下的最小通态电阻。

也可以是，本发明中，所述衬底的材料优选为高电阻率的高纯碳化硅、钒掺杂碳化硅或非故意掺杂碳化硅，电阻率范围为1e3ω.m～1e11ω.m，厚度为0.2mm～5mm。

本发明还提供一种用于根据上述高电阻率宽禁带半导体材料本征光电导率测试方法的测试系统，包括：用于发射所述激光束的激光器；用于调节所述激光束的直径的变孔径的所述光阑；至少接入有所述电容器、所述电流探测器和所述光电导率测试样品的测试电路，所述光阑位于所述激光器和所述光电导率测试样品之间；以及用于采集所述测试电路中的电压信号的示波器。

也可以是，本发明中，所述测试电路包括：电源；电路保护电阻；用于储存电能的电容器；负载电阻；所述光电导率测试样品；以及所述电流探测器；所述电源、所述电路保护电阻以及所述电容器串联构成闭合回路；所述光电导率测试样品与所述电流探测器串联后并联于所述电容器的两端；所述电容器的两端还并联有用于测量电压的高压探头。该测试电路结构简单，能有效提取光电导率测试样品的待测参数。

也可以是，本发明中，所述负载电阻的电阻值为10ω～50ω，所述电流探测器的内阻小于1ω，所述电源的电压值为10v～5000v。

发明效果：

本发明能以简单可靠的方法实现高电阻率宽禁带半导体材料皮秒至纳秒量级瞬态本征光电导率变孔径测试，测试系统整体简洁、控制简单、结果直观、稳定性高，弥补了目前没有可以测试高电阻率半导体材料皮秒至纳秒量级瞬态光电导率方法的空白。本发明在半导体光电性能表征领域有重要的潜在应用价值，对光导开关器件的研究和应用等国防及前沿科技等领域有重要意义。

附图说明

图1是根据本发明一实施形态的高电阻率宽禁带半导体材料本征光电导率测试系统的示意图；

图2是图1所示测试系统中使用的光电导率测试样品的结构示意图；

符号说明：

1、激光器；

2、光阑；

3、光电导率测试样品；

4、电流探测器；

5、电容；

6、电路保护电阻；

7、负载电阻；

8、电源；

9、衬底(碳化硅衬底)；

10、实心电极；

11、空心电极；

12、透明导电薄膜。

具体实施方式

以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图和下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

在此公开一种能简单、易于实现且稳定性高的高电阻率宽禁带半导体材料本征光电导率测试系统(以下简称测试系统)。图1是根据本发明一实施形态的测试系统的示意图。

如图1所示，本实施形态的测试系统包括激光器1、光阑2、测试电路以及未图示的示波器。激光器1为脉冲激光器，主要用于发射激光脉冲。光阑2为孔径可变的光阑，位于激光器1和后述的光电导率测试样品3之间，主要用于控制激光器1发射出的激光脉冲(激光束)的直径，由此调节光电导率测试样品3上的激光触发区域面积，具体地，激光触发区域的直径与光阑2的孔径相等，并随光阑2的孔径大小而改变。

测试电路上接入有光电导率测试样品3，主要用于测试光电导率测试样品3在激光脉冲照射下瞬态导通时的各项参数。测试电路包括光电导率测试样品3、电流探测器4、电容5、电路保护电阻6、负载电阻7以及电源8。其中，电容器5、用于保护电路的电路保护电阻6与电源8串联构成闭合回路，光电导率测试样品3、电流探测器4与用于分压的负载电阻7串联后并联于电容器5的两端，在电容器5的两端还并联有用于测量电压的高压探头(未图示)。光电导率测试样品3在激光束的照射下产生光生载流子使电路导通，在撤去激光束后恢复阻断状态。电流探测器4主要用于检测光电导率测试样品3在激光束照射下产生的光生载流子在电路中所引起的电流变化，电流探测器4的电阻值可以是0.025ω、0.05ω等小于1ω的值。电容器5主要用于储存电能，在电路导通时可以快速充放电。本实施形态的测试电路中，电容器5的电容值为22nf，电路保护电阻6的电阻值为1.68mω，负载电阻的电阻值为10ω～50ω，电源8的电压值可以是10v～5000v。

另外，本测试系统采用未图示的示波器采集测试电路中的数据信号，具体而言示波器主要用于采集上述高压探头的电压信号和电流探测器4的电压信号。

图2是图1所示测试系统中使用的光电导率测试样品3的结构示意图。如图2所示，光电导率测试样品3包括衬底9、实心电极10、空心电极11和透明导电薄膜12。

衬底9由高电阻率宽禁带半导体材料构成，材料优选为高纯碳化硅、钒掺杂碳化硅或非故意掺杂碳化硅，电阻率范围为1e3ω.m～1e11ω.m。本实施形态中衬底9是由高电阻率碳化硅单晶材料构成的碳化硅衬底，其外形可以是方形或圆形的薄片，其厚度可以是0.2mm～5mm，其边长或直径可以是5mm～50mm。

在衬底9的沿厚度方向的一侧表面上形成有作为阳极的实心电极10，实心电极10是通过沉积具有al、ag、au、pt、ti、ni等金属制备得到的具有高反光特性的薄膜，其直径小于衬底9的边长或直径，厚度可以是大于20nm。因此实心电极10不仅作为光电导率测试样品3的阳极发挥作用，还能借助其高反光特性将射入并穿透衬底9的激光束反射回衬底9的内部，从而提高激光脉冲的利用率。

在衬底9的沿厚度方向的另一侧表面、即实心电极10的相反一侧表面上形成有空心电极11，空心电极11是通过沉积ni、ti、au、pt等金属制备得到的薄膜，空心电极11形成为圆环状，其外径等于实心电极10的直径，环宽为0.5mm～2mm，厚度范围优选3nm～200nm，更优选的是5nm～100nm。

在空心电极11上覆盖有透明导电薄膜12，其直径大于空心电极11的内径且小于空心电极11的外径，即透明导电薄膜12设置为与空心电极11形成电学连接，与空心电极11一起构成光电导率测试样品3的阴极。透明导电薄膜12可以是采用铝掺杂氧化锌、氧化镓、铟锡氧、石墨烯或纳米厚度透明金属膜等材料制备得到的具有良好透明导电性能的薄膜。在使用铝掺杂氧化锌、氧化镓、铟锡氧、石墨烯等材料制备透明导电薄膜12时，由于其自身较好的透光性，其厚度范围可以是20nm～2000nm。而在使用金属制备透明导电薄膜12时，为了制备透明的金属薄膜，其厚度一般在6nm以下，材料例如可以选用具有良好导电性能的au、ag、pt、cu等金属。本实施形态中优选为铝掺杂氧化锌透明导电薄膜，厚度范围优选20nm～2000nm，更优选的是100nm～350nm。

透明导电薄膜12一方面能凭借其良好的导电性能来传导光生载流子，另一方面其高透光性可以使激光束穿透薄膜垂直入射到衬底内部。在上述衬底9的结构中，如果没有设置透明导电薄膜12，则当光斑直径小于空心电极11的内径时光生载流子与空心电极11之间没有电学连接，示波器得不到有效的电流信号，而如果将该透明导电薄膜12换成非透明导体，则无法实现不同直径的激光束垂直射入衬底内部。

本实施形态中，激光照射的区域由于光生载流子的存在而电阻率减小，其余区域则保持半绝缘状态。根据该光电导率测试样品3的结构，可利用激光束透过透明导电薄膜12照射衬底9的表面直接触发，同时可通过在相同的激光功率密度下调节光阑2的孔径来调节激光触发区域面积，因此本测试系统中将激光触发区域面积作为测量变量，通过改变激光触发区域面积来得到不同触发面积下测试电路的瞬态最小通态电阻(简称最小通态电阻)，进而拟合最小通态电阻与触发区域面积得到衬底9的本征电阻率，并求出衬底9的本征光电导率。

基于上述测试系统，本发明提供一种高电阻率宽禁带半导体材料本征光电导率测试方法(以下简称测试方法)。以下说明本发明的测试方法的主要步骤。

1)制备光电导率测试样品3。具体地，在薄片状的衬底9的一侧表面上制备实心电极10，在上述一侧表面相反侧的表面上制备空心电极11，在空心电极11上覆盖透明导电薄膜12。将制备得到的光电导率测试样品3接入测试电路，并将覆盖有透明导电薄膜12的空心电极11一侧朝向光阑2。

2)利用脉冲激光器1沿与透明导电薄膜12的平面垂直的方向通过光阑2向透明导电薄膜12的施加激光。激光脉冲的脉宽为皮秒至纳秒量级，波长可以是355nm～1064nm，激光功率密度为100w/cm²～10mw/cm²。

3)在同一激光功率密度下，通过调节光阑2的孔径来调节透过透明导电薄膜12的激光束直径(即，改变衬底9上的激光触发区域面积)，利用示波器采集不同孔径下的多组高压探头的电压信号和电流探测器4的电压信号。本实施形态中光阑2的孔径优选为在0.5mm～空心电极11的内径的范围内取五个以上的值。

4)利用由示波器采集到的高压探头的电压与电流探测器4的电压的峰值数据计算每个孔径下的最小通态电阻，三者满足式(1)：

rtest＝vhv·(rcvr/vcvr)-rcvr，

其中，rtest是最小通态电阻，rcvr是电流探测器4的电阻，vhv是高压探头的电压峰值，vcvr是电流探测器4的电压峰值。

5)拟合多组光阑2的孔径(也可以换算为激光触发区域面积)与该孔径下的最小通态电阻的数据得到衬底9的本征电阻率。

具体而言，最小通态电阻rtest的表观值包含衬底9的固有导通电阻和测试电路的感应阻抗，因此测试的表观最小通态电阻可表示为式(2)：

rtest＝rz+rsic，

其中，rsic是衬底9的固有导通电阻，rz是测试电路的感应阻抗。

另外，衬底9的固有导通电阻rsic只与衬底本身的厚度以及激光触发区域面积有关，三者的关系可表示为式(3)：

rsic＝ρsic·d/s，

其中，ρsic是激光脉冲触发下衬底9的最低固有导通态电阻率，即衬底9的本征电阻率；d是衬底9的厚度；s是激光触发区域面积。

对于外界条件不发生变化的测试电路来说，感应阻抗rz可以认为是一个常数c。因此，将式(3)代入式(2)，最小通态电阻rtest的表观值可由式(4)表示：

rtest＝ρsic·d/s+c。

对于光阑2的每一个孔径d，都有唯一确定的激光触发区域面积s以及通过式(1)计算得到的该孔径下的最小通态电阻rtest，因此为将激光触发区域面积s作为测量变量，根据式(4)拟合多组数据得到衬底9的本征电阻率ρsic，ρsic的倒数即为衬底9的本征光电导率。

下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。

实施例1

如图1所示搭建光路搭建并连接测试电路。测试电路中，电容器5的电容为22nf，电流探测器4的电阻rcvr为0.025ω，电路保护电阻6的电阻rl为1.68mω，负载电阻7的电阻值为10ω，电源8的电压vdc为2000v。

1)本实施例中衬底9选用碳化硅单晶材料。在厚度为0.5mm，尺寸为10mm×10mm的衬底9的一侧表面上制备由ag沉积而成的直径为6mm、厚度为200nm的实心电极10，在另一侧表面上制备由ni-ti合金沉积而成的内径为5mm、外径为6mm、厚度为150nm的空心电极11，在空心电极11上覆盖的直径为5.5mm、厚度为120nm的铝掺杂氧化锌的透明导电薄膜12。将制备得到的光电导率测试样品3接入测试电路。

2)利用脉冲激光器1沿与透明导电薄膜12的平面垂直的方向通过光阑2向衬底9施加激光脉冲。本实施例中，脉冲激光器1所发射的激光波长为532nm，激光功率密度为1mw/cm²。

3)维持激光功率密度不变，将光阑2的孔径分别调节至1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、4mm、5mm，由此改变透过透明导电薄膜12照射在衬底9上的激光光斑面积。利用示波器获取上述六个孔径下的高压探头的电压vhv和电流探测器4的电压vcvr。

4)根据示波器采集到的高压探头的电压vhv和电流探测器4的电压vcvr的峰值通过式(1)计算出上述六个孔径下各自的最小通态电阻rtest。

5)通过式(4)拟合上述六个孔径d与各孔径下的最小通态电阻rtest得到衬底9的本征电阻率ρsic，进而求出衬底9的本征光电导率。本实施例中ρsic为0.2ω·m，因此衬底9的本征光电导率为5s/m。

实施例2

如图1所示搭建光路搭建并连接测试电路。测试电路中，电容器5的电容为22nf，电流探测器4的电阻rcvr为0.0249ω，电路保护电阻6的电阻rl为1.68mω，负载电阻7的电阻值为50ω，电源8的电压vdc为4000v。

1)本实施例中衬底9选用碳化硅单晶材料。在厚度为0.8mm，尺寸为15mm×15mm的衬底9的一侧表面上制备由pt沉积而成的直径为10mm、厚度为100nm的实心电极10，在另一侧表面上制备由ni-ti-au合金沉积而成的内径为8mm、外径为10mm、厚度为200nm的空心电极11，在空心电极11上覆盖的直径为9mm、厚度为350nm的铝掺杂氧化锌的透明导电薄膜12。将制备得到的光电导率测试样品3接入测试电路。

2)利用脉冲激光器1沿与透明导电薄膜12的平面垂直的方向通过光阑2向衬底9施加激光脉冲。本实施例中，脉冲激光器1所发射的激光波长为1064nm，激光功率密度为2.34mw/cm²。

3)维持激光功率密度不变，将光阑2的孔径分别调节至1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm，由此改变透过透明导电薄膜12照射在衬底9上的激光光斑面积。利用示波器获取上述六个孔径下的高压探头的电压vhv和电流探测器4的电压vcvr。

4)根据示波器采集到的高压探头的电压vhv和电流探测器4的电压vcvr的峰值通过式(1)计算出上述六个孔径下各自的最小通态电阻rtest。

5)通过式(4)拟合上述六个孔径d与各孔径下的最小通态电阻rtest得到衬底9的本征电阻率ρsic，进而求出衬底9的本征光电导率。本实施例中ρsic为0.8ω·m，因此衬底9的本征光电导率为1.25s/m。

以上说明了应用于高电阻率碳化硅单晶材料的皮秒至纳秒量级瞬态本征光电导率变孔径测试方法及系统，但本发明也可以应用于高电阻率gan、高电阻率zno、高电阻率ga2o3、高电阻率aln、高电阻率金刚石等其他半导体材料的皮秒至纳秒量级瞬态本征光电导率测试。

根据本发明，通过设计具有透明导电层结构的光电导率测试样品，藉由改变光阑孔径来调节半导体的激光触发区域面积，结合本申请发明人首次发现的将激光激发区面积作为测量变量而得到瞬态导通电阻率的理论公式、材料电阻公式以及用于检测瞬态光电流信号的测试电路，采用实测光电流数据与理论公式的拟合，实现了一种简单可靠的测量高电阻率碳化硅单晶材料本征光电导率的方法。本发明不受测试电路寄生电感或寄生电容干扰，能有效提取衬底的本征光电导率。同时，除去光路搭建和电学连接，整个测试系统只有脉冲激光器、碳化硅光电导率测试样品和示波器等部件，因此该测试方法整体简洁、控制简单、结果直观、稳定性高。

以上的具体实施方式对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应当理解的是，以上仅为本发明的一种具体实施方式而已，并不限于本发明的保护范围，在不脱离本发明的基本特征的宗旨下，本发明可体现为多种形式，因此本发明中的实施形态是用于说明而非限制，由于本发明的范围由权利要求限定而非由说明书限定，而且落在权利要求界定的范围，或其界定的范围的等价范围内的所有变化都应理解为包括在权利要求书中。凡在本发明的精神和原则之内的，所做出的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。