深紫外寬禁帶半導體熒光測試系統OminFluo990-DUV

產品概述

一、什么是寬禁帶半導體呢?

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

材料想要導電，就需要價帶中的電子躍遷到導帶中，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。

物體要導電，就必須在導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，電子就越容易發生躍遷，因此就越容易導電。相反，禁帶寬度越寬的物體，電子躍遷所需要的能量就越高，因此就越不容易發生電子躍遷而導電。

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體、半導體、寬禁帶半導體、超寬禁帶半導體和絕緣體的禁帶寬度，如下圖所示。

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

絕緣體的價帶和導帶之間的距離最遠，遠到電子基本無法獲得足夠的能量發生躍遷。

半導體的禁帶寬度介于導體和絕緣體之間。

寬禁帶半導體就是禁帶寬度大于傳統半導體的一種半導體材料，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體，如氮化鋁鎵（AlGaN）、氧化鎵（Ga2O3）等。

第三代半導體材料--寬禁帶半導體相比于傳統半導體材料都有哪些優勢呢?

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，被稱為第三代半導體材料。傳統半導體材料Si和寬禁帶半導體材料SiC、GaN的對比如下圖所示。

從圖中我們可以看出，半導體Si的禁帶寬度為1.12電子伏特，而寬禁帶半導體SiC禁帶寬度為3.23電子伏特，寬禁帶半導體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，因此寬禁帶半導體器件的工作電壓更高，體積更小。

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

飽和電子漂移速率是指半導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體材料在高頻、高速信號的處理中有出色的表現。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半導體器件常常應用于更高頻率的場合。

除此之外，寬禁帶半導體在輻射環境下的穩定性要遠超過傳統的SI基芯片，擁有優異的抗輻射能力和良好的化學穩定性。

總結：

通過對比，寬禁帶半導體材料碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）相較于傳統的半導體材料硅（Si）擁有更高的臨界電場強度、更高的熱導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半導體材料硅（Si）。寬禁帶半導體材料的這些優異性能，使得利用寬禁帶半導體材料制作的半導體功率器件更能滿足現代工業對于高功率、高電壓、高頻率、小體積的需求。

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

寬禁半導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。

四線法及霍爾效應測試均是加流測壓的過程，需要設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備。

電流源和電壓表精度要高，保證測試的準確性。

發光角度的差異：針對AlN的發光波段（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，其熒光發光角度為側面出光

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

系統方案說明如下

系統結構
(一)激光器部分
1.國產195NM超短脈沖激光產生技術方案

以鎖模鈦寶石激光器作為基頻光源，經過多級倍頻/和頻來產生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生較大的群速走離，影響后續和頻的效率，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生的群速延遲，以保持脈沖之間的同步。

基頻光源技術參數

該方案需要的基頻光源的主要技術參數：

（1）波長：780 nm

（2）脈沖寬度：~100 fs（或根據實際需求調整）

（3）重復頻率：80 MHz（或根據實際需求調整）

（4）光束質量：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)光學部分設計概述

光學部分如圖 1所示，由適配冷熱臺的顯微鏡模組、耦合光路模組、激發和收集模組(190nm-550 nm)、單色儀和TCSPC系統和側面收集模組構成。

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微米的光斑后激發樣品熒光或光電流，從而大大提高激發功率密度，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到激發和收集模組（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（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系統獲得光譜的熒光壽命。

針對AlN的發光波段（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，其熒光發光角度為側面出光，因此設置側面收集模組，將側面發出的熒光（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，可在小范圍內對樣品進行選區和通過調節Z軸進行聚焦，具體的調節方式是：變溫臺實現XY方向調整，Z軸由物鏡升降實現。

系統技術指標

革命性的插槽式并聯光路設計

深紫外寬禁帶半導體熒光測試系統OminFluo990-DUV優勢:

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

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，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衰減片調節光強。

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

系統實際安裝照片

實測數據

智能化軟件平臺和模塊化設計

· 統一的軟件平臺和模塊化設計 

· 良好的適配不同的硬件設備：平移臺、顯微成像裝置、光譜采集設備、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，FLIM，PL Mapping，光電流Mapping等。

· 智能化的數據處理模組：與數據擬合、機器學習、人工智能等結合的在線或離線數據處理模組，將光譜解析為成分、元素的分布等，為客戶提供直觀的結果。可根據客戶需求定制光譜數據解析的流程和模組

· 可根據客戶需求進行定制化的界面設計和定制化的RECIPE流程設計，實現復雜的采集和數據處理功能。

顯微光譜成像控制軟件界面

強大的光譜圖像數據處理軟件VISUALSPECTRA

顯示：針對光譜Mapping數據的處理，一次性操作，可對整個圖像數據中的每一條光譜按照設定進行批處理，獲得對應的譜峰、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、光譜單位轉化

進階功能:光譜歸一化、選區獲取積分、*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力變化,直接獲得應力定量數值,并可根據校正數據進行校正。

**功能:應力擬合:針對S1、GAN、SIC等多種材料,從拉曼光譜中解析材料的應力變化,直接獲得應力定量數值,并可根據校正數據進行校正。

載流子濃度擬合

晶化率擬合

熒光壽命擬合

自主開發的一套時間相關單光子計數(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函數(IRF)，無需實驗獲取。

2.區別于簡單的指數擬合，通過光譜響應函數卷積算法獲得每個組分的熒光壽命，光子數比例，計算評價函數和殘差，可扣除積分和響應系統時間不確定度的影響，獲得更加穩定可靠的壽命數值。

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