一種用于檢測(cè)半導(dǎo)體器件的電荷及電場(chǎng)響應(yīng)的系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件的性能檢測(cè)領(lǐng)域，特別是涉及一種用于檢測(cè)半導(dǎo)體器件的電荷及電場(chǎng)響應(yīng)的系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著半導(dǎo)體技術(shù)及太陽(yáng)能電池相關(guān)研究和技術(shù)的發(fā)展，對(duì)太陽(yáng)能電池等相關(guān)半導(dǎo)體器件的光電響應(yīng)進(jìn)行檢測(cè)是研究其性能的重要手段及應(yīng)用之一。目前已經(jīng)從電學(xué)和光學(xué)角度發(fā)展出了多種研究半導(dǎo)體器件性能的檢測(cè)手段，包括電學(xué)的直流伏安測(cè)試、交流阻抗及電容測(cè)試，以及光學(xué)吸收、發(fā)射以及光致吸收等測(cè)試手段。這些測(cè)試手段的發(fā)明極大促進(jìn)了半導(dǎo)體光電領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用。
[0003]太陽(yáng)能電池是一種特殊的半導(dǎo)體器件，其可用于發(fā)電，是一種具有很好商業(yè)應(yīng)用前景的技術(shù)。對(duì)太陽(yáng)能電池的研究可以進(jìn)一步降低器件成本，提高器件效率，從而更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能的利用。對(duì)太陽(yáng)能電池不同時(shí)間尺度的檢測(cè)和研究是促進(jìn)太陽(yáng)能電池技術(shù)發(fā)展的一種重要手段，目前已被廣泛應(yīng)用。對(duì)于太陽(yáng)能電池等相關(guān)半導(dǎo)體器件，除了可以通過(guò)傳統(tǒng)手段進(jìn)行檢測(cè)的很快的電荷輸運(yùn)過(guò)程，還可能存在一種很慢的電荷響應(yīng)過(guò)程，這個(gè)過(guò)程對(duì)應(yīng)的電荷量可能也很少，比如目前被廣泛研究的基于甲胺鉛碘的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。在這種情況下，傳統(tǒng)的檢測(cè)手段就很難探測(cè)到這個(gè)很慢的過(guò)程對(duì)應(yīng)的電荷及電場(chǎng)響應(yīng)過(guò)程，這對(duì)于對(duì)器件工作機(jī)理的理解，對(duì)器件的進(jìn)一步設(shè)計(jì)和性能提升是不利的，所以需要一種手段來(lái)有效地探測(cè)該物理過(guò)程。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的一個(gè)目的是至少部分地解決或緩減現(xiàn)有技術(shù)中的不足，從而提供了一種用于檢測(cè)半導(dǎo)體器件的電荷及電場(chǎng)響應(yīng)的系統(tǒng)。
[0005]按照本發(fā)明的用于檢測(cè)半導(dǎo)體器件的電荷及電場(chǎng)響應(yīng)的系統(tǒng)可以包括:
[0006]電流回路，待檢測(cè)的半導(dǎo)體器件連接在所述電流回路中；
[0007]脈沖激光器，用于向待檢測(cè)的半導(dǎo)體器件周期性地施加激光脈沖，以在所述半導(dǎo)體器件處形成光生電荷；其中，所述光生電荷在所述電流回路中傳輸以形成瞬態(tài)光生電流；
[0008]設(shè)置在所述電流回路中并與所述半導(dǎo)體器件串聯(lián)的采樣電阻；
[0009]與所述采樣電阻并聯(lián)的電壓信號(hào)采集器，用于采集所述采樣電阻的兩端的電壓差信號(hào);
[0010]與所述半導(dǎo)體器件并聯(lián)的電壓源，用于向所述半導(dǎo)體器件提供周期性變化的調(diào)制電壓；和
[0011]與所述電壓源串聯(lián)的電流隔離器，用于阻止所述瞬態(tài)光生電流或所述瞬態(tài)光生電流的高頻部分流經(jīng)所述電壓源。
[0012]可選地，所述電流隔離器包括電感。
[0013]可選地，所述電壓信號(hào)采集器包括示波器。
[0014]可選地，所述電壓源為能夠產(chǎn)生多種不同形式的調(diào)制電壓的電壓信號(hào)發(fā)生器。
[0015]可選地，所述脈沖激光器包括多個(gè)能夠產(chǎn)生不同波長(zhǎng)的激光脈沖的激光器，或者所述脈沖激光器為能夠產(chǎn)生多個(gè)不同波長(zhǎng)的激光脈沖的單個(gè)激光器。
[0016]可選地，該系統(tǒng)還包括設(shè)置在所述脈沖激光器與所述半導(dǎo)體器件之間的濾光片，用于調(diào)節(jié)所述半導(dǎo)體器件接收到的所述激光脈沖的強(qiáng)度。
[0017]可選地，該系統(tǒng)還包括用于容納所述半導(dǎo)體器件的樣品室，用于為所述半導(dǎo)體器件提供預(yù)定的溫度環(huán)境、氣氛環(huán)境和/或電磁屏蔽。
[0018]可選地，該系統(tǒng)還包括用于向所述半導(dǎo)體器件提供背景光的偏置光源。可選地，所述偏置光源和所述脈沖激光器布置成使得所述背景光與所述激光脈沖沿不同的角度入射至所述半導(dǎo)體器件。
[0019]特別地，本發(fā)明的系統(tǒng)特別適合于太陽(yáng)能電池形式的半導(dǎo)體器件。
[0020]本發(fā)明通過(guò)脈沖激光器提供的激光脈沖在待測(cè)的半導(dǎo)體器件處產(chǎn)生光生電流，可以將半導(dǎo)體器件內(nèi)部極其微弱的電荷及電場(chǎng)變化過(guò)程通過(guò)光生電流效應(yīng)進(jìn)行放大，從而能夠?qū)崿F(xiàn)微小量的探測(cè)。進(jìn)一步地，本發(fā)明通過(guò)向半導(dǎo)體器件提供周期性的調(diào)制電壓，能夠使得半導(dǎo)體器件內(nèi)部的電荷和電場(chǎng)響應(yīng)過(guò)程進(jìn)行周期性的不斷復(fù)現(xiàn)，以確保能夠獲得并記錄檢測(cè)結(jié)果。通過(guò)上述兩個(gè)手段的結(jié)合，使得本發(fā)明的系統(tǒng)能夠檢測(cè)半導(dǎo)體器件內(nèi)很慢的電荷響應(yīng)過(guò)程。
[0021]根據(jù)下文結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明具體實(shí)施例的詳細(xì)描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)更加明了本發(fā)明的上述以及其他目的、優(yōu)點(diǎn)和特征。
【附圖說(shuō)明】
[0022]后文將參照附圖以示例性而非限制性的方式詳細(xì)描述本發(fā)明的一些具體實(shí)施例。附圖中相同的附圖標(biāo)記標(biāo)示了相同或類似的部件或部分。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，這些附圖未必是按比例繪制的。附圖中:
[0023]圖1是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖2是圖1所示檢測(cè)系統(tǒng)的電路原理圖；
[0025]圖3示出了在圖2中并聯(lián)電壓源對(duì)瞬態(tài)光生電流的影響以及電流隔離器在高頻隔離方面的作用；
[0026]圖4(a)示出了半導(dǎo)體器件在調(diào)制電壓下的瞬態(tài)光生電流探測(cè)示意圖；
[0027]圖4(b)示出了半導(dǎo)體器件的內(nèi)部電場(chǎng)在脈沖調(diào)制電壓下的響應(yīng)示意圖；
[0028]圖5示出了不同結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池在不同直流調(diào)制電壓下的瞬態(tài)光生電流響應(yīng)；其中(a)部分對(duì)應(yīng)介孔鈣鈦礦電池，(b)部分對(duì)應(yīng)平面鈣鈦礦電池；和
[0029]圖6示出了不同結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池在脈沖調(diào)制電壓下的瞬態(tài)光生電流響應(yīng)；其中(a)部分對(duì)應(yīng)基于甲胺鉛碘的鈣鈦礦電池，(b)部分對(duì)應(yīng)基于甲胺鉛溴的鈣鈦礦電池，(C)部分對(duì)應(yīng)硅太陽(yáng)能電池。
【具體實(shí)施方式】
[0030]圖1所示的檢測(cè)系統(tǒng)用于檢測(cè)半導(dǎo)體器件的電荷及電場(chǎng)響應(yīng)，其中示意性地畫出了待檢測(cè)的太陽(yáng)能電池形式的半導(dǎo)體器件10。該半導(dǎo)體器件10在其兩個(gè)電極11和12處接入由電路111-113構(gòu)成的電流回路110。脈沖激光器101用于向該半導(dǎo)體器件10周期性地施加激光脈沖，從而在半導(dǎo)體器件10處形成光生電荷。該光生電荷在電流回路110中傳輸以形成瞬態(tài)光生電流。為了探測(cè)半導(dǎo)體器件內(nèi)部不同深度的光生電荷及電流信息，最好能夠提供不同波長(zhǎng)的激光脈沖，如532nm，660nm等。在圖1中示例性地提供了兩個(gè)產(chǎn)生不同波長(zhǎng)激光脈沖的脈沖激光器101，在工作時(shí)可以選擇其中一個(gè)來(lái)提供所需要波長(zhǎng)的激光脈沖。在其它實(shí)施例中，還可以設(shè)置更多個(gè)對(duì)應(yīng)不同波長(zhǎng)的激光器，或者可以使用能夠產(chǎn)生多種不同波長(zhǎng)的激光脈沖的單個(gè)激光器，如波長(zhǎng)可調(diào)的脈沖激光器。為了調(diào)節(jié)入射到半導(dǎo)體器件110上的激光脈沖的強(qiáng)度，在脈沖激光器101與半導(dǎo)體器件10之間設(shè)置有濾光片108。
[0031]該電流回路110中設(shè)有與半導(dǎo)體器件10串聯(lián)的采樣電阻103。這樣，瞬態(tài)光生電流能夠在電流回路102中流經(jīng)該采樣電阻103。電壓源105設(shè)置在電路114內(nèi)并與半導(dǎo)體器件10和采樣電阻103成并聯(lián)關(guān)系，以向半導(dǎo)體器件10提供周期性變化的調(diào)制電壓。通過(guò)該調(diào)制電壓，可以改變半導(dǎo)體器件10的內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度。同時(shí)，該調(diào)制電壓還會(huì)作用在采樣電阻103上而在采樣電阻103及其所在的電路112中形成所需要的調(diào)制電流。因此，流經(jīng)采樣電阻103的電流實(shí)際上是調(diào)制電流與瞬態(tài)光生電流的疊加電流。諸如示波器的電壓信號(hào)采集器106用于采集采樣電阻103兩端的電壓差信號(hào)。該電壓差信號(hào)及其變化反映了流經(jīng)采樣電阻103的電流及其變化。由于調(diào)制電流具有已知的形式，這樣，流經(jīng)采樣電阻103的電流及其變化也就反映了待探測(cè)瞬態(tài)光生電流及其變化。可以理解，電壓源105的調(diào)制電壓作用在半導(dǎo)體器件10上時(shí)也會(huì)產(chǎn)生非光生的調(diào)制電流，但是，該調(diào)制電壓的大小可以選擇成使得該非光生電流遠(yuǎn)小于前述的瞬態(tài)光生電流，而達(dá)到忽略該非光生電流的程度。這樣，在半導(dǎo)體器件10的非光生電流可忽略的情況下，可以認(rèn)為由電壓源105的調(diào)制電壓產(chǎn)生的調(diào)制電流僅通過(guò)采樣電阻105。在一個(gè)實(shí)施例中，電壓源105可以是能夠產(chǎn)生多種不同形式的調(diào)制電壓的電壓信號(hào)發(fā)生器，該電壓信號(hào)發(fā)生器可以以一定頻率向半導(dǎo)體器件10施加所需形式的調(diào)制電壓，比如直流電壓信號(hào)、正弦交流電壓信號(hào)、脈沖電壓信號(hào)或掃描鋸齒波電壓信號(hào)等，進(jìn)而改變半導(dǎo)體器件10的內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度及分布。通過(guò)改變調(diào)制電壓，可以使半導(dǎo)體器件處在不同的電學(xué)狀態(tài)，其內(nèi)部電荷分布、電場(chǎng)強(qiáng)度及分布均被調(diào)制，這種調(diào)制可以在瞬態(tài)光生電流的強(qiáng)度以及輸運(yùn)時(shí)間等方面反映出來(lái)。利用該調(diào)制電壓，可以將半導(dǎo)體器件在不同的電學(xué)狀態(tài)間進(jìn)行可控的切換。比如采用脈沖調(diào)制，可將半導(dǎo)體器件的內(nèi)建電場(chǎng)在不同強(qiáng)度間連續(xù)切換，這個(gè)切換過(guò)程也能通過(guò)瞬態(tài)光生電流被反映。
[0032]電壓信號(hào)采集器106所采集的電壓差信號(hào)可以被用于檢測(cè)半導(dǎo)體器件10的電荷及電場(chǎng)響應(yīng)。但是，體現(xiàn)半導(dǎo)體器件10內(nèi)的電荷及電場(chǎng)響應(yīng)變化特性的是瞬態(tài)光生電流及其變化，因此希望瞬態(tài)光生電流(或者至少是其中和電場(chǎng)響應(yīng)相關(guān)的高頻部分)能夠完全流經(jīng)采樣電阻103而不被電路114及其上的電壓源105分流。為此，在電路114上設(shè)置了與電壓源105串聯(lián)的電流隔離器107，以阻止瞬態(tài)光生電流特別是其高頻部分流經(jīng)電壓源105，而使其僅在電流回路110中傳輸。在圖1所示實(shí)施例中，該電流隔離器107包括在電路114中串聯(lián)在電壓源105兩側(cè)的兩個(gè)電感。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，瞬態(tài)光生電流的低頻部分的頻率與脈沖激光器101的激光脈沖頻率相對(duì)應(yīng)，例如20Hz左右；瞬態(tài)光生電流的高頻部分的頻率在MHz量級(jí)，而電壓源105所施加的調(diào)制電壓的頻率以及對(duì)應(yīng)的調(diào)制電流的頻率在Hz量級(jí)，因此可在很寬的范圍內(nèi)選擇電流隔離器107的電感值，以在電路114中實(shí)現(xiàn)對(duì)瞬態(tài)光生電流的高頻隔離，而且很容易保證電路的阻抗匹配。這樣有效保證了在采樣電阻103處對(duì)瞬態(tài)光生電流探測(cè)的準(zhǔn)確性。在一個(gè)實(shí)施例中，可以適當(dāng)選擇電流隔離器107的電