各位朋友好，大家好。

在上一期，我们针对于GaAs与InP的红外PL光谱测试进行了综合性的介绍。

在本期，开始我们GaAs与InP光谱测试系列的第四辑：TRPL 测试揭示 GaAs 与 InP 材料与晶圆载流子动力学奥秘。

在本期中，我们会和大家分享近TRPLPL如何用于GaAs与InP测试以及相关的意义。

一、引言

1.背景知识

在半导体物理学中，载流子动力学是决定光电子和微电子器件性能的核心要素。砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）作为 III - V 族半导体材料的杰出代表，因其卓越的物理特性，如高电子迁移率、直接带隙以及优异的光学性能，在现代光通信、激光技术、光探测以及高速电子器件等诸多前沿领域发挥着关键作用。从高性能的半导体激光器到灵敏的光探测器，再到高速低功耗的集成电路，这些材料的应用无处不在，且其载流子动力学特性直接左右着器件的响应速度、转换效率以及整体稳定性。

随着科技的飞速发展，特别是纳米技术和量子信息技术的崛起，人们对 GaAs 和 InP 材料在纳秒甚至皮秒时间尺度内的载流子行为的研究需求日益迫切。时间分辨光致发光（TRPL）测试技术应运而生，它不仅能够捕捉到载流子寿命、扩散和陷阱捕获等关键动力学参数，还具备高时间分辨率的独特优势，能够在超短的时间窗口内精准描绘出载流子的瞬态行为。这使得 TRPL 测试成为解锁 GaAs 和 InP 材料载流子动力学奥秘的一把关键钥匙，对于推进相关材料的性能优化和新型器件的设计开发有着不可估量的价值。

2.研究意义

深入探究 GaAs 和 InP 材料的载流子动力学特性，不仅有助于优化材料的生长工艺、提升器件性能，还对新型光电子器件的研发具有重要的指导意义。TRPL 测试技术以其独特的优势，为研究这些材料的载流子动力学提供了有力支持，推动了半导体光电子领域的技术进步和产业升级。

二、TRPL 测试技术原理

1.核心机制

TRPL 测试巧妙结合超短脉冲激光激发与高精度时间探测，精准捕捉载流子瞬态动力学。超短脉冲激光（皮秒至飞秒级）瞬间激发半导体材料，产生大量电子 - 空穴对，其复合发光被高速探测器记录。借助时间相关单光子计数（TCSPC）或 streak camera 技术，构建发光强度 - 时间曲线，即 TRPL 衰减曲线，精准提取载流子寿命、扩散长度及陷阱特性等关键参数。

2.关键参数

• 载流子寿命 ：反映载流子从产生到复合的平均时间，是衡量材料光学和电学性能的关键指标。高结晶质量、低缺陷密度的晶圆通常展现出更长的载流子寿命。

• 载流子扩散长度 ：指载流子在复合前扩散的平均距离，对于评估材料的输运特性至关重要，尤其在需要长距离载流子传输的器件中。

• 陷阱特性 ：包括陷阱的位置、捕获截面以及陷阱密度等，全面描绘出材料中陷阱的分布和特性，影响载流子的传输和复合过程。

三、TRPL 测试在 GaAs 材料中的应用

1.载流子寿命测量

在 GaAs 晶圆的载流子寿命测量中，TRPL 测试展现出卓越的精度和灵敏度。高纯度、无缺陷的 GaAs 晶圆通常具有较长的载流子寿命，表明内部非辐射复合几率较低，有利于高效率的光致发光和电致发光。生长温度和 V/III 比对载流子寿命有显著影响，通过 TRPL 测试实时监测可优化生长工艺。而晶圆中的位错、晶界以及杂质的存在会导致载流子寿命大幅缩短，这些缺陷和杂质充当非辐射复合中心，吸引载流子并加速其复合过程。通过 TRPL 测试，可以定量分析杂质的类型和浓度对载流子寿命的影响。

2.载流子扩散研究

TRPL 测试通过监测不同位置的光致发光信号的时间变化，精准描绘出载流子的扩散轨迹。在高质量的 GaAs 晶圆中，载流子扩散长度可达数微米甚至数十微米，这对于制备大面积、高性能的光电子器件至关重要。当晶圆中存在晶格畸变或应力应变时，载流子扩散会受到显著阻碍。通过 TRPL 测试，可以直观地观察到这种变化，并结合退火等修复工艺，优化晶圆的载流子扩散特性。

3.陷阱捕获特性分析

TRPL 测试能够精准识别 GaAs 材料中的陷阱类型和位置。深能级陷阱通常源于晶格缺陷或杂质能级，对载流子的捕获作用强烈，会显著影响载流子的传输和复合过程。通过 TRPL 测试，可以观察到由于陷阱捕获效应导致的多指数衰减曲线。通过对这种多指数衰减曲线的拟合分析，可以获取陷阱的深度、捕获截面以及陷阱密度等关键参数。这些参数对于优化 GaAs 晶圆的电子器件性能具有重要的指导意义。

四、TRPL 测试在 InP 材料中的应用

1.载流子寿命测量

在 InP 晶圆的载流子寿命测量中，TRPL 测试同样发挥着不可替代的作用。InP 材料具有独特的直接带隙特性，其载流子寿命对材料的光学增益和电学性能具有重大影响。高纯度、无缺陷的 InP 晶圆中，载流子寿命相对较长，有利于实现高效的光发射和电光转换。而晶圆中的杂质和缺陷会显著缩短载流子寿命。通过 TRPL 测试，可以精准检测这些杂质对载流子寿命的影响，为 InP 晶圆的掺杂工艺优化提供了关键数据支持。

2.载流子扩散研究

对于 InP 材料的载流子扩散研究，TRPL 测试能够揭示载流子在晶圆内部的传输特性。在高质量的 InP 晶圆中，载流子扩散长度较大，这对于制备高效的光电子器件至关重要。晶圆中的位错、晶界以及应力应变等缺陷会严重阻碍载流子的扩散。通过 TRPL 测试，可以直观地观察到位错对载流子扩散的影响，并结合材料生长和加工工艺的优化，降低位错密度，提高载流子扩散长度。

3.陷阱捕获特性分析

在陷阱捕获特性分析方面，TRPL 测试能够精准地识别 InP 材料中的陷阱类型和位置。深能级陷阱在 InP 材料中可能来源于晶格缺陷、杂质能级或界面态，对载流子的捕获和释放行为会显著影响材料的光电性能。通过 TRPL 测试，可以观察到由于陷阱捕获效应导致的复杂衰减曲线。通过对这种多指数衰减曲线的详细分析，可以获取陷阱的深度、捕获截面以及陷阱密度等关键参数。这些参数对于优化 InP 晶圆的光电子器件性能具有重要的指导意义。

图1. SF900晶圆级荧光光谱测试系统

主要可测试功能如下：

375nm激发的稳态PLMapping，最长到1000nm

405nm激发的TRPLMapping，最长到900nm

532nm激发的PLMapping，最长到1000nm

532nm激发的NIR PLMapping，最长到1700nm

五、TRPL 测试技术的最新进展与挑战

1.技术进展

• 超快激光技术与探测器技术的革新 ：超短脉冲激光器的稳定性和可调谐性提升，探测器的探测灵敏度和时间分辨率提高，进一步拓展了 TRPL 测试的应用范围和研究深度。

• 时间分辨与空间分辨的协同提升 ：结合显微镜系统或聚焦离子束制备的微纳结构样品，实现微米甚至纳米尺度上对载流子动力学过程的原位监测，为研究半导体材料的微观载流子行为提供了机遇。

• 多物理场耦合的 TRPL 测试技术 ：电场辅助、磁场辅助以及温度调节的 TRPL 测试技术，为深入理解载流子动力学过程提供了更全面的手段。

2.面临的挑战

• 复杂体系的载流子动力学建模与数据解析 ：复杂半导体体系中载流子行为受多种因素影响，建立准确的动力学模型和解析复杂衰减曲线存在困难，需要大量实验数据验证和修正模型。

• TRPL 测试与其他表征技术的融合与数据一致性 ：不同表征技术之间存在测试条件、样品状态和数据表征方式的差异，导致数据之间的不一致性和对比困难，需要建立统一的样品表征标准和数据融合方法。

• 样品制备与测试环境的严格要求 ：TRPL 测试对样品制备质量和测试环境条件要求高，需要确保晶圆表面平整、清洁且无损伤，并严格控制温度、磁场、电场以及激光功率等参数，以避免引入额外的噪声和误差。

六、结论

TRPL 测试技术是探究半导体材料载流子动力学奥秘的有力工具，在 GaAs 和 InP 材料与晶圆的研究中展现出巨大应用潜力。通过对载流子寿命、扩散和陷阱捕获等参数的精准测量，为优化材料生长工艺、提升器件性能以及推动新型光电子器件的研发提供了坚实数据支持和深刻物理见解。随着技术不断发展，TRPL 测试将在半导体光电子领域持续发挥引领作用，推动技术突破和产业升级。