專利名稱：長波碲鎘汞光伏器件物理參數(shù)的檢測方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種無損的器件物理參數(shù)的分析方法，具體地說，是通過測量光伏器件的電流-電壓(I-V)曲線或電阻-電壓(R-V)曲線，然后根據(jù)碲鎘汞的暗電流模型擬合獲得器件的物理參數(shù)。
背景技術：
傳統(tǒng)的載流子濃度、電子遷移率的檢測手段一般為霍爾法；少子壽命的檢測手段有很多，常用的有光調制紅外吸收法。這些方法只適用于具體某種摻雜類型的材料，而無法直接對已經(jīng)形成pn結的器件進行檢測。對于離子注入成結的n-on-p型器件，其結區(qū)特征參數(shù)還不是很清楚，現(xiàn)在的主流觀點認為是離子注入造成的材料損傷形成了n型摻雜；因此采用典型的摻雜區(qū)確定方法——二次離子質譜儀，已無法直接測定n區(qū)的載流子濃度。為此，雖然可以用霍爾測量等典型方法或光學手段對碲鎘汞材料的基本參數(shù)進行測定，但由于pn結成結的復雜性，有時甚至連pn結的位置都無法明確地確定，所以目前pn結區(qū)中直接決定器件性能的材料基本參數(shù)尚無有效途徑進行直接測定。光伏器件的I-V曲線和R-V曲線的測量非常簡單可靠，只要建立準確的分析途徑就能得到器件的物理參數(shù)。目前，典型的I-V和R-V特性分析基本采用順序擬合模式來獲得器件的基本特征參數(shù)；即，在不同的偏壓范圍使用在此范圍內占主導的暗電流機制來進行擬合。然而，在大多數(shù)偏壓下，許多器件常常有幾種暗電流機制同時主導著它們的暗電流；這使得采用順序擬合模式得到的擬合參數(shù)有很大的誤差。為解決這個問題，需要發(fā)展一種同時在擬合偏壓范圍內對I-V特性或R-V特性進行擬合(同時擬合模式)的方法。然而，這種方法不僅耗費時間，而且在數(shù)學上往往會出現(xiàn)多極小值問題，所以目前同時擬合模式的參數(shù)提取方法還沒能建立。為此，把一種可以準確地從I-V或R-V曲線中提取器件中材料基本參數(shù)新方法(同時擬合模式)與成熟的I-V或R-V曲線測量手段結合在一起將為碲鎘汞長波器件分析提供全新的途徑。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于根據(jù)碲鎘汞長波器件的暗電流基本物理模型，建立了一種采用同時擬合模式的快速器件參數(shù)檢測方法。
光伏型碲鎘汞探測器的暗電流主要來源于四種機制擴散電流(Idiff)、產(chǎn)生復合電流(Igr)、陷阱輔助隧穿電流(Itat)和帶到帶直接隧穿電流(Ibbt)。擴散電流是pn結光二極管的基本電流機制，它主要產(chǎn)生于耗盡區(qū)兩側一個少子擴散長度內的電子-空穴對的隨即熱產(chǎn)生與復合過程。其表達式可以寫為Idiff=Aqni2kTq(μnτn·1Na+μpτp·1Nd)(exp(qVdkT)-1)---(1)]]>位于耗盡區(qū)的雜質或缺陷可作為產(chǎn)生復合中心，引起的電流即為產(chǎn)生復合電流，可表述為Igr=A·niW0kTτ0Vbi2sinh(qVd2kT)(1-VdVbi)12·f(b)]]>(2)式中，f(b)是一個積分因子，可表示為
f(b)=∫0∞duu2+2bu+1=ln(b+b2-1)b2-1(b>1)1b(b=1)11-b2[π2-arctgb1-b2](b<1)]]>(3)式中，b=exp(-qVd2KT)cosh[Et-EikT+12ln(τpτn)].]]>在反向偏壓下，pn結耗盡區(qū)內的電子，可以借助隧道效應，從價帶直接進入導帶，形成通過pn結的直接隧穿電流 隧穿過程也可以通過耗盡區(qū)內的雜質或缺陷作為中間態(tài)實現(xiàn)，即陷阱輔助隧穿電流Itat=-A·π2q2Ntme*M2(Vbi-Vd)h3(Eg-Et)exp(-3Eg2F(a)82qPE)]]>(5)式中，F(xiàn)(a)=π2+sin-1(1-2a)+2(1-2a)a(1-a),]]>a＝Et/Eg。
暗電流表達式中，P是Kane矩陣元，取值8.49×10-8eV·cm；M是躍遷矩陣元，有(me*/m0)M2＝1×10-23eV2·cm3；W0是零偏下的耗盡區(qū)寬度；E＝(Vbi-Vd)/W是耗盡區(qū)的電場；耗盡區(qū)寬度可表示為W=2ϵsϵ0(Na+Nd)(Vbi-Vd)qNaNd.]]>與擴散電流相聯(lián)系的電阻可表述為Rdiff=(dIdiffdVe)-1;]]>與產(chǎn)生復合電流相聯(lián)系的電阻可表述為Rgr=(dIgrdVe)-1;]]>與陷阱輔助隧穿電流相聯(lián)系的電阻可表述為Rtat=(dItatdVe)-1;]]>與帶到帶隧穿電流相聯(lián)系的電阻可表述為Rbbt=(dIbbtdVe)-1;]]>Rs為器件的串聯(lián)電阻；所以總的動態(tài)電阻可以表示為Rfit=(1Rdiff+1Rgr+1Rtat+1Rbbt)-1+Rs---(6)]]>目前，主流的碲鎘汞焦平面探測器為在汞空位摻雜的p型材料上采用B離子注入成結的n-on-p型平面結。對于這種類型的器件，需要擬合提取的參數(shù)主要有六個n區(qū)摻雜濃度Nd、p區(qū)電子遷移率與壽命之比μn/τn、空間電荷區(qū)有效壽命τ0、陷阱能級相對位置Et/Eg和陷阱濃度Nt，以及串聯(lián)電阻Rs。
由于(6)式是六個參數(shù)形成的函數(shù)，在擬合過程中，其目標函數(shù)是由六個參數(shù)形成的6維空間中的多極小值函數(shù)，所以這種方法取得的擬合參數(shù)與擬合前參數(shù)初值的選取有很大關系，其誤差范圍較難確定；而且，由于參數(shù)的合理變化范圍比較大，所需要花費擬合時間也相應增長，因此尋求一種快捷、準確的擬合途徑是很有必要的。
從上面的分析可以看出，擬合方法的改進主要應該在擬合參數(shù)初值的選取上。因此，擬合過程的第一步首先是確定初值。對任一偏壓，假設理論值等于實驗值，那么根據(jù)式(6)，可建立方程Rexp-(1Rdiff+1Rgr+1Rtat+1Rbbt)-1-Rs=0---(7)]]>方程(7)中包含六個未知量，即六個擬合參數(shù)。只要在實驗曲線上選取六個特征點，就可以得到一個六元超越方程的方程組。求解方程組，即可得到擬合參數(shù)的初值。由于方程(7)是非線性超越方程，需要使用泰勒級數(shù)將非線性項展開，然后迭代求解；所以在求解過程中，仍舊需要選定一組初值。在這個過程中，又會存在容錯性問題當初值偏離方程解一定范圍時，方程求解出現(xiàn)發(fā)散。因此，直接求解六元方程組在實際操作中不可行。
需要進行假設近似來求解(7)式。知道長波碲鎘汞二極管的四種暗電流機制在各個偏壓段所起的作用各不相同大正偏壓下，擴散電流為主導；零偏和小正偏時，產(chǎn)生復合電流為主導；小反偏下，陷阱輔助隧穿為主導；大反偏下，帶到帶直接隧穿為主導；而器件的串聯(lián)電阻一般遠小于pn結電阻，僅在非常大的正偏時起作用，在求初值時可以將串聯(lián)電阻忽略。雖然它們之間的作用范圍會存在交疊甚至掩蓋，但這個一般性規(guī)律也為求解方程(7)提供了假設依據(jù)。
首先，發(fā)現(xiàn)帶到帶直接隧穿機制只與擬合參數(shù)Nd有關。只要在大反偏下找一實驗點，認為此偏壓下暗電流由帶到帶隧穿機制主導，方程(7)可以簡化為Rexp-Rbbt＝0(8)方程(8)為一元超越方程，可很容易地求得Nd。
在大正偏下的暗電流由擴散機制主導，方程(7)可以簡化為Rexp-Rdiff(9)擴散電流與參數(shù)Nd和μn/τn有關，將大正偏壓下的一實驗點和所得的Nd代入，方程(7)為一元超越方程，可求得μn/τn。
在小正偏壓下，認為暗電流來自產(chǎn)生復合機制和擴散機制共同作用，方程(7)可以簡化為Rexp-(1Rdiff+1Rgr)-1=0---(10)]]>產(chǎn)生復合電流與參數(shù)Nd、μn/τn和τ0有關，將小正偏壓下的一實驗點和所得的Nd、μn/τn代入，方程(10)為一元超越方程，可求得τ0。
最后，在中等反偏壓下，認為暗電流來自產(chǎn)生復合機制、陷阱輔助隧穿機制和帶到帶隧穿機制共同作用，方程(7)可以簡化為Rexp-(1Rgr+1Rtat+1Rbbt)-1=0---(11)]]>陷阱輔助隧穿電流與參數(shù)Nd、Et/Eg和Nt有關，方程(11)為二元超越方程，需選取兩個實驗點采用搜索法和迭代法結合的辦法來求解Et/Eg和Nt。首先考慮搜索法Et/Eg存在一合理范圍(0.2～0.8)，并在這一范圍以0.01的步長變化。對每一Et/Eg對應兩個實驗點可分別求得兩個Nt值；比較這兩個Nt值，兩者最接近時對應的Et/Eg則可作為迭代法的初值。在迭代過程中，第一步，將Nd、Et/Eg、τ0和中反偏下的一實驗點代入式(11)中求得Nt；第二步，將Nd、Nt、τ0和中反偏下的另一實驗點代入式(11)中求得一新的Et/Eg。然后，將這一新的Et/Eg作為初值重復第一步，開始另一循環(huán)；如此迭代直到達到收斂精度。采用這樣的方法，可求得Et/Eg和Nt。
通過以上方法，能得到較為合理的擬合參數(shù)初值。根據(jù)初值，相應地也可以給出參數(shù)變化范圍。如參數(shù)值釘扎在參數(shù)變化范圍的邊界上，則將參數(shù)變化范圍再多放寬1倍。
在擬合過程中，每一參數(shù)由上述方法得到初值及變化范圍，然后在變化范圍內，對六個參數(shù)取不同組合值；每一組參數(shù)代入到(6)式中可以計算得到一條理論R-V曲線。取F=Σi=1N[log(Rfit(Vdi))-log(Rexp(Vdi))]2]]>為目標函數(shù)；其中，Rexp為實驗值，N為數(shù)據(jù)個數(shù)。然后，采用標準的非線性梯度搜索法與N維函數(shù)全域極小值搜尋問題重構法結合來最小化目標函數(shù)F；F值越小，理論與實驗越吻合。圖1給出了擬合程序的流程圖。圖1中，循環(huán)結束的滿足條件使用的判據(jù)為設定一循環(huán)次數(shù)n，當在n次循環(huán)過程中，目標函數(shù)函數(shù)值沒有發(fā)生變化或者其變化小于某一精度時，循環(huán)結束。通過這樣一個過程，我們總可以得到一條與實驗比較吻合的理論R-V曲線，同時獲得一組擬合參數(shù)，即為提取的器件參數(shù)。


圖1為擬合程序的流程圖。
圖2為碲鎘汞器件I-V特性測試實驗設備結構示意圖。
圖3為實施例器件測試得到的R-V曲線及其擬合結果。
具體實施例方式基于上述思路，以下通過實施例及附圖對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
器件I-V特性的測量是在如圖2所示的實驗設備上完成的。首先，打開放氣閥，對真空腔體充氣，將貼好樣品的樣品臺固定在樣品架上，將待測引針與測量導線焊接好。固定屏蔽罩，固定真空罩。然后，關閉放氣閥，打開熱偶硅管真空計，插上機械泵電磁閥開關，對腔體抽真空。當真空度達到0.1torr時，停止真空泵。再然后，打開冷卻循環(huán)水，打開壓縮機電源開關，對樣品臺進行冷卻，打開溫度控制儀(如Lakeshore331)，對樣品臺的溫度進行監(jiān)控。最后，當溫度降到10k以下后，可在Lashore331上設置需要溫度，待樣品臺溫度達到設定值時，即可開始測量。由于在分析方法中求初值的第一步便是大反偏下求得與直接隧穿相關的n區(qū)載流子濃度初值，因此希望測得直接隧穿電流占完全主導的偏壓范圍的性能曲線，故反偏電壓應該要適當大。在這里，所采用的測量偏壓范圍為-0.8～0.3V，偏壓間隔為5mV。
器件的R-V特性是直接從實驗測得的I-V曲線，利用數(shù)學微分關系R＝dV/dI得到(見圖3)。得到R-V特性后，必須分別對六個擬合參數(shù)求初值。在-0.6V處選取實驗值代入式(8)求得Nd初值為1.66×1016cm-3；在0.05V處選取實驗值代入式(9)求得μn/τn初值為1.3×1013cm2/Vs2；在0V處選取實驗值代入式(10)求得τ0初值為0.34ns；在-0.05V和-0.15V處選取兩實驗點代入式(11)求得Et/Eg和Nt的初值分別為0.471和1.78×1013cm-3；將正偏方向最后10個偏壓點的電阻值求平均后作為串連電阻Rs的初值，為420Ω。
根據(jù)初值，得到參數(shù)的擬合范圍；然后通過擬合，擬合結果見圖3，最終得到擬合參數(shù)值Nd為2.35×1016cm-3；μn/τn為5.2×1013cm2/Vs2；τ0為0.036ns；Et/Eg和Nt分別為0.481和8.66×1012cm-3；Rs為473Ω。
權利要求
1.一種長波碲鎘汞光伏器件物理參數(shù)的檢測方法，包括步驟S1.測量碲鎘汞光伏器件的I-V曲線；S2.利用關系式R＝dV/dI獲得R-V曲線；S3.根據(jù)碲鎘汞的暗電流模型擬合獲得器件的物理參數(shù)。
2.根據(jù)權利要求1所述的長波碲鎘汞光伏器件物理參數(shù)的檢測方法，其特征在于所說的光伏型碲鎘汞探測器件的暗電流模型中主要暗電流包括擴散電流Idiff、產(chǎn)生復合電流Igr、陷阱輔助隧穿電流Itat和帶到帶直接隧穿電流Ibbt，并與之分別相應的電阻與Rdiff、Rgr、Rtat和Rbbt，以及串聯(lián)電阻Rs和總動態(tài)電阻RfitRfit=(1Rdiff+1Rgr+1Rtat+1Rbbt)-1+Rs]]>然后，以長波碲鎘汞二極管的四種暗電流機制在各個偏壓段所起的作用各不相同的假設為基礎，進而求得擬合初值。
3.根據(jù)權利要求2所述的長波碲鎘汞光伏器件物理參數(shù)的檢測方法，其特征在于所述的參數(shù)擬合為同時快速擬合模式來獲取器件的物理參數(shù)。
4.根據(jù)權利要求3所述的長波碲鎘汞光伏器件物理參數(shù)的檢測方法，其特征在于根據(jù)R-V曲線分別對六個擬合參數(shù)Nd、μn/τn、τ0、Et/Eg、Nt和RS求初值。
全文摘要
一種長波碲鎘汞光伏器件物理參數(shù)的檢測方法，包括步驟S
文檔編號G01R31/28GK1996033SQ20061014806
公開日2007年7月11日 申請日期2006年12月27日 優(yōu)先權日2006年12月27日
發(fā)明者陸衛(wèi), 全知覺, 李志鋒, 李寧, 甄紅樓, 陳平平, 陳效雙, 李天信 申請人:中國科學院上海技術物理研究所