OmniFluo990-DUV 深（shēn）紫外寬禁帶半導體熒光（guāng）測試係統

產品概述

產品概述

一、什麽是寬禁帶半導體呢（ne）?

固體的能帶結構主（zhǔ）要分為導帶、價帶和禁帶三部分（fèn），原子中最外層電子稱為價（jià）電（diàn）子，價電子所占（zhàn）據的能帶稱為價帶；比價（jià）帶能量更高的允（yǔn）許帶稱為導帶（dài）；在價帶和導帶之間的範圍是電子無法占據的，這一範圍（wéi）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（yào）躍遷的（de）距離（lí）就（jiù）是禁帶寬度。

物體（tǐ）要導電，就必須在導帶中存（cún）在可以移動的（de）自由電子。因此，我們可以猜（cāi）想：禁帶寬度越窄的（de）物體，電子就越容易發生躍遷，因此就（jiù）越（yuè）容易導電。相反，禁帶寬（kuān）度（dù）越（yuè）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（qiān）而導電。

那事實是不是和我們猜想的一樣呢？讓我們分別（bié）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（rú）下（xià）圖（tú）所示。

從圖中我們可以看（kàn）出（chū），導體（tǐ）的價帶頂部（bù）和（hé）導帶的底部挨在了一起，即導體的禁帶寬度為（wéi）0。因此，導體（tǐ）不需要（yào）外部能量（liàng），價帶中的電子就可（kě）以移動到導帶中，從而導電。

絕緣體（tǐ）的價帶和導帶之間的距離最遠，遠到（dào）電子基本無法（fǎ）獲得足夠的能量發生躍遷。

半導體的禁帶（dài）寬度介於導體和絕緣（yuán）體之間。

寬（kuān）禁帶（dài）半導體就是（shì）禁帶寬度大於傳統半導體的一種（zhǒng）半導體材料，如碳化矽（SIC）和氮化镓（GAN）。如果（guǒ）禁帶寬度再寬一點，就被稱為超寬（kuān）禁帶半導體，如氮化鋁镓（AlGaN）、氧化（huà）镓（Ga2O3）等。

第三代（dài）半導體（tǐ）材料--寬禁帶半導體相比於傳統（tǒng）半導體材料都有（yǒu）哪些優勢呢?

碳化（huà）矽（SiC）是由碳元素和矽元素組成的一（yī）種（zhǒng）化合物（wù）半導體材料，和氮（dàn）化镓（GaN）都具有（yǒu）寬禁帶寬度的特性，被稱為第三代半導體材料。傳統半（bàn）導體材料Si和寬禁帶半導體材料SiC、GaN的對比如（rú）下圖所示。

從圖中我（wǒ）們可以看出，半（bàn）導體Si的禁帶寬（kuān）度為1.12電子伏特，而寬禁（jìn）帶半導體SiC禁帶寬度為3.23電子伏特（tè），寬禁帶半導體GaN的禁帶寬度和SiC差不多為3.42電子伏特（tè）。正（zhèng）是因為SiC和（hé）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（qiáng）度（dù）大約是Si的10倍左右，因此寬禁帶半導體器（qì）件的工作電壓更高，體積更小（xiǎo）。

SiC的熱導率為4.0，而SI的導熱（rè）率隻有1.5，因此SIC的散熱性能更好，擁有更優良的耐高溫性能，有助於提高係統的（de）整體功率密度。但我們也看到了氮化镓（GaN）的熱導率隻有1.3，因此這（zhè）就決定了GaN半導體器件工作的功率沒（méi）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（sù）度的最大值，當電子（zǐ）漂移速（sù）度達到該值時，即使再增大電場強度，電子（zǐ）的（de）漂移速度也不會再（zài）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（bǐ）Si和SiC都大，因（yīn）此GaN半導（dǎo）體器（qì）件常常應用（yòng）於更高頻率（lǜ）的場合。

除此之（zhī）外，寬禁帶半導體（tǐ）在輻射環境下的穩定性要遠超過傳統的SI基芯片（piàn），擁有優異（yì）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矽（SiC）和氮化镓（GaN）相較於傳統的半導體材料矽（Si）擁有更高的臨（lín）界電（diàn）場強度、更高的熱導（dǎo）率和更大的飽和電子漂移速（sù）率（lǜ），材料性能可以說是單方麵碾壓傳統半導體材料（liào）矽（Si）。寬禁帶半導體材料的（de）這些優異性能，使得利用寬禁帶半導體材料製作的半導體（tǐ）功率（lǜ）器件更能滿足（zú）現代工業對於高功率、高電壓、高頻率、小體積的需求。

寬禁帶半導體材（cái）料的表征，以載流子濃度及載流子遷移率為主
寬禁帶半（bàn）導體材料測試難點在於：
寬禁半導體帶材料的帶隙較大，擊穿電場較高。需要上（shàng）千伏高壓進行測（cè）試。

寬禁帶半導體材料是高流器件（jiàn）的製備材（cái）料（liào），需要（yào）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並且測試電壓。

電阻率及電子遷移（yí）率通常（cháng）範圍較（jiào）大，需要電流（liú）電壓範圍都很大的設備。

電流源和電壓表精（jīng）度要高，保證測試的準確性（xìng）。

發光角度的差（chà）異：針對AlN的發光波段（duàn）（200-210nm），沒有合適的濾光片濾除激光，且AlN由於輕重空穴帶反轉，其熒光發（fā）光角（jiǎo）度（dù）為（wéi）側麵出（chū）光

我司研發的DUVL900 深紫外超寬禁帶半導體熒（yíng）光測試係統（tǒng），基於我司（sī）20年左右的第三代半導體表征測試經驗，可以有效地對（duì）寬禁帶與超寬禁帶半導體材料例如AlN和AlGaN等進（jìn）行熒光激發。

係（xì）統方案說明如下

係統結構
(一)激光（guāng）器部分（fèn）
1.國產195NM超（chāo）短脈衝激光產（chǎn）生技（jì）術方案

以鎖模（mó）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（guāng）。受非線性晶（jīng）體相位匹配條（tiáo）件的限製，常用的紫外倍頻晶體BBO直接（jiē）倍頻產生（shēng）的激光波長>205nm,但BBO晶體可支持和頻的方（fāng）式獲得（dé）200nm波長以下的激光。因此擬采（cǎi）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（suǒ）示。780nm左右的（de）基頻光首先經倍頻獲得二倍頻激光脈衝（chōng）（390nm），然後二倍頻激光再與剩餘基頻光和頻獲得三倍頻脈衝（260nm），三倍頻脈衝再與（yǔ）基頻光和頻產生四倍頻紫外激光（195nm）。另外由於脈衝較（jiào）短，激光在倍頻與傳輸過程中會（huì）產生較大的群速走離，影響（xiǎng）後續和頻的效率，因此在每個和頻單元需要加入延遲線來補（bǔ）償不（bú）同波長光束之間產生的群速延遲，以保持脈衝之（zhī）間的（de）同步（bù）。

基頻（pín）光（guāng）源技術參數（shù）

該方（fāng）案需要的基頻光源的主要技術參數：

（1）波長：780 nm

（2）脈衝寬度：~100 fs（或根（gēn）據實際需求調整（zhěng））

（3）重複頻率：80 MHz（或根據實際需求調整）

（4）光束（shù）質量：M <1.3

（5）功率：~2.5W（取決於對195NM激光功率的需求，2.5W基頻光對應於約4mW

的195nm激光功率）

（2）輸出功率（lǜ）

195 nm激（jī）光輸出功率約4 mW（基頻功率>2.5W@780nM）

(二)光學部分（fèn）設計概述

光學（xué）部分如圖 1所示，由適配冷熱台的顯微鏡（jìng）模組、耦合光路模（mó）組、激發和收集模組(190nm-550 nm)、單色儀和TCSPC係統（tǒng）和側（cè）麵收集模組構成。

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微米的光斑後激發樣（yàng）品熒光或光電流，從（cóng）而大大提（tí）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（xiàng）和熒（yíng）光光譜兩種模式下切換，用戶（hù）可以通過聚焦到（dào）樣品的（de）顯微像確認熒光收集區域、激光光斑（bān）聚焦和收集光路的（de）對準等。

耦合光路模組將激光和物鏡收集的熒光傳輸到激（jī）發和收（shōu）集模組（190nm-550nm），通過長波通濾光（guāng）片（piàn）將195nm的激光和熒光分離，190nm-550nm的熒光進入單色（sè）儀入口1收集，通過時間（jiān）分辨單光子係統（TCSPC）中（zhōng）的PMT獲得熒光信號（hào）強度，通過光柵逐步長掃描獲得光譜，通過TCSPC係統（tǒng）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（lǜ）光片濾除激光，且AlN由於輕重空穴帶反轉，其熒光發光角度（dù）為側麵出光，因此設置側麵收集模組，將側麵發出的熒光（200-550nm）通過一個單獨傾斜60度（dù）角的物鏡收（shōu）集後，通過光纖傳入單色儀（yí）入口2進（jìn）行收集和測量（liàng）。

樣品位於可變溫-190~600℃(標配）與10K~300K（可選）冷熱台中，可通過（guò）光窗進行光激發（fā）和（hé）收集。為了對樣品進行聚焦，將（jiāng）冷熱台置於手動XYZ平移台（tái）上（shàng），可（kě）在小範圍內對樣品進行選區和通過調節（jiē）Z軸進（jìn）行聚焦，具體的調節方式是：變（biàn）溫台實現XY方（fāng）向（xiàng）調（diào）整（zhěng），Z軸由物鏡升降實現。

係（xì）統技術指標

革命性的插槽（cáo）式並聯（lián）光路設計

優勢:

強大的（de）光路穩定性：取消了傳統意義上的（de）顯微鏡周邊冗餘，更加貼合光路穩定性要（yào）求比較高的未來應用場（chǎng）景

無限（xiàn）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，依次並聯，無限拓展

定量測試的高（gāo）準確度：激（jī）光功率校準（zhǔn）集成在顯微鏡模組中，通過測量（liàng）激光采樣鏡獲取的少量激光（guāng）光（guāng）強，可作（zuò）為激光功率的實（shí）時校準和參考，並（bìng）通過集成在熒光和拉曼模組（zǔ）中的連續衰減片調節光強。

更多的功能實現：熒光光強（qiáng）對於激發功率密（mì）度非常敏感，要準（zhǔn）確的比較不同（tóng）樣（yàng）品的熒光光強，需要應用翹曲度模組通過自動對焦，固（gù）定激發光斑（bān）的大小（xiǎo），同時通過激光功率校準來固（gù）定激（jī）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（xìng）。

係統實際安裝照片