定量外差锁相成像技术的半导体载流子寿命成像

Carrier lifetimes are key parameters to characterize performance of semiconductor materials and devices. Theoretical differentiation between different lifetimes, such as effective lifetime, surface recombination lifetime, free-exciton lifetime, bounded-exciton lifetime etc, and experimental measurement and imaging respectively will help comprehensively evaluate and optimize the performance of new structures, processing technologies, and devices. Heterodyne lock-in carrierography (HeLIC), first introduced in 2013, has overcome the frame rate and exposure time limitations of NIR cameras, and realized high-frequency lock-in imaging, which makes it possible to resolve the distributions of different carrier lifetimes. This proposal is aiming at the development of HeLIC from a qualitative/semi-quantitative imaging modality to an all-optical non-destructive quantitative imaging technique. Specifically, the following problems will be studied: (1) the physical mechanism of nonlinear frequency mixing for the heterodyne signal generation; (2) the frequency-domain inversion theory for multiple-lifetime extraction; (3) the uniqueness problem during inversion and the closely related measurement accuracy and sensitivity by investigating the mathematical structure of the base function space of the carrier radiative recombination heterodyne theory. The research proposed here will not only serve the innovation in electronic information area including microelectronics, optoelectronics, transducers, and photovoltaics, but also provide new research ideas for other non-destructive dynamic imaging techniques.

载流子寿命是表征半导体材料和器件性能的核心参数。从理论上区分不同的载流子寿命类型（等效寿命、表面复合寿命、自由激子寿命、束缚态激子寿命等等），并从实验上予以测量和成像，有助于分析杂质能级、界面状态、缺陷密度等关键因素，可实现对新结构、新工艺、新器件性能的全面评估和优化。外差锁相载流子成像技术于2013年提出，突破了近红外CCD帧率和曝光时间的限制，实现了高频锁相成像，为分辨不同的载流子寿命分布提供了可能。本项目拟将该技术从定性、半定量进一步发展成为全光无损定量成像技术：拟研究外差信号产生的非线性混频物理机制；拟研究多个载流子寿命的频域反演理论与方法；拟从载流子辐射复合外差理论模型的基函数空间结构出发，研究逆问题的唯一性，从而确定多参数反演测量的灵敏度和精确度。本项目不仅有望为微电子、光电子、传感器、光伏能源等电子信息领域的创新研究服务，而且有望为其它无损动态成像检测技术的研究提供参考。

我国政府与科技界一直高度重视与发达国家在半导体科学与工业领域存在的差距，近年来的“中兴事件”和“华为事件”更加突显了我国在高端芯片领域自主研发与制造水平亟待提升的迫切性。我国与发达国家存在的差距不仅体现在研发设计能力与精密制造水平，也体现在先进表征技术的发展与在线质量监控体系的完善。.当前国际半导体工业界对新一代检测技术的要求可以归纳为：全光、成像、定量、精确。本项目将外差锁相载流子辐射成像（HeLIC）从一个定性成像技术发展成为了一个定量成像技术，实现了多种载流子输运与复合参数的定量测量与成像表征；同时，针对载流子输运与复合动力学的非线性问题开展了较为系统和全面的理论与实验探索，区分了多种不同的光致发光非线性机理，并给出了定量的表述。.本项目所开展的主要研究内容，除了申请书所陈述的两大方面外，还包括在研究过程中产生的一些新问题、新想法、以及应用拓展，如：（1）硅晶圆光致发光信号非线性机理的多重性分析与定量表征；（2）对硅晶圆光致发光信号非线性特征的利用——硅晶圆电阻率的全光学测量；（3）半导体表面处理工艺定量成像评估方法；（4）新型电子材料的表征应用——PbS量子点薄膜材料的激子动力学分析；（5）离子注入的非线性特征研究与表征。.本项目在多载流子寿命的频域反演逆问题唯一性的研究上较为薄弱：目前的逆问题唯一性分析只针对特定参数空间结构成立；但是，对于一般情况，本项目尚未建立从基函数空间结构出发的数学分析手段。这是在后续工作中值得深入研究的点之一。.本项目的研究成果所具有的潜在应用方向包括半导体材料特性检测以及半导体工艺过程监测两方面：在应对国际半导体工业界新一代表面洁净工艺定量评估的表征需求时，HeLIC技术已经展现出了其定量成像评估以及在线监测的应用潜力。本项目在光致发光非线性机理研究方面的探索可以为半导体检测领域的研究同行提供参考；在定量成像方面的尝试有望为其它无损检测与成像领域的创新提供新思路。