低阻单晶硅的太赫兹时域光谱分析

1 实验仪器及样品
本实验采用中心波长为 800nm、脉宽 100fs、重 复频率 80MHz 的掺钛蓝宝石激光器作为激发光源， 飞秒脉冲经过分束镜后分为泵浦脉冲和探测脉冲。 探测脉冲入射到 GaAs 光电导天线，产生太赫兹电磁 辐射脉冲，通过样品后与泵浦脉冲共线经过 ZnTe 探 测晶体 [10,11]。探测方法采用电光取样技术，最后，太
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3 结果与讨论
通过透射式太赫兹时域光谱方法，测量穿过样 品前后的太赫兹脉冲，以透过氮气时的太赫兹脉冲 时域波形作为参考信号，透过单晶硅的太赫兹脉冲 时域波形为样品信号，每种样品测量重复测量三次 以减小误差，取平均值作为最终的参考信号。
品的色散造成时域波的展宽；晶型不同，脉冲幅度的 变化程度也不同，说明太赫兹脉冲在每个样品中均 有不同的损耗。
应用光学 ,2011,03:505-511 [5] Kimura S,Munakata C.Method for measuring the spot
size of a laser beam using a boundary-diffraction wave[J].Optics letters,1987,12(8):552-554
参考文献
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收稿日期：2013-08-16 基金资助：国家重大科学仪器设备开发专项 (2012YQ14005) 作者简介：许长虹（1987-），女，中国石油大学（北京）理学院硕士研究生，研究方向：太赫兹波谱与探测；赵昆（1971-），男，博士，教授，博士生导
师，主要研究方向：油气光学
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Modern Scientific Instruments
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表 2 不同频率下各样品折射率对比
频率
单抛N型 <100>
单抛P型 <100>
双抛N型 <100>
双抛P型 <100>
0.4THz
4.07
0.8THz
4.11
1.2THz
4.12
1.6THz
4.13
2.0THz
4.15
平均折射率
4.12
4.65
2.74
3.75
4.67
2.76
3.75
4.67
2.75
第4期2013年8月
现代科学仪器
No.4 Aug. 2013
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低阻单晶硅的太赫兹时域光谱分析
许长虹 宝日玛 赵 昆 * 付 成 董 晨 金武军 （中国石油大学（北京）理学院 北京 102249）
摘 要 本文应用太赫兹时域光谱技术（THz-TDS）研究了 N 型和 P 型具有 <100> 和 <111> 不同晶向的单面抛光和双面 抛光的低阻（电阻率为 1 ～ 5Ω·cm）单晶硅在太赫兹波段的光学性质。结果表明，在具有相同晶向和电阻率的不同掺杂类型 的单晶硅中 P 型硅的折射率大于 N 型硅，并且单面抛光的大于双面抛光。为太赫兹时域光谱技术在单晶硅的掺杂类型和晶向 的鉴别方面提供了有效快速的实验方法。
太赫兹时域光谱（THz-TDS）是一门新兴并得 到快速发展的新技术。由于硅可产生连续可调的太 赫兹波导，则以硅作为其直接信号检测器中的主要 材料 [5,6]，因此，对产生太赫兹波的功能器件材料半导 体硅在太赫兹波段的特性的进行研究很有必要 。 [7-9]
本文使用太赫兹时域光谱作为一种单晶硅掺杂 类型、晶向判别的全新检测方法。通过对 6 种单晶 硅进行太赫兹波脉冲探测，获得依赖频率的光学常 数，如振幅太赫兹时域信号、吸收系数和介电常数实 部，由此确定单晶硅的掺杂类型和晶向。
Key words THz-TDS;Monocrystal silicon;Crystal orientation;Doping type;Refractive index
单 晶 硅 是 电 子 计 算 机、自 动 控 制 系 统、航 天 飞 机、宇宙飞船、人造卫星等现代科学技术中不可或缺 的基本材料，已作为科技应用普及材料之一渗透到 人们生活中的各个角落 [1]。单晶硅是一种性能优良 的半导体材料，广泛的应用于红外光谱频率光学元 件、红外及 γ 射线探测器、集成电路、太阳能电池等。 此外，硅的无毒性及原材料的广发分布性，决定了它 是目前最重要、产量最大、发展最快、用途最广泛的 一种半导体材料 [2]。因此，单晶硅的性能测试对于现 代科技的发展具有举足轻重的作用。
图 2 样品的频域谱
图 1 通过参考及样品的太赫兹时域光谱图
实验测量所得到样品的太赫兹时域光谱如图 1 所示。从图 1 中可以看出，太赫兹波通过样品时，样 品信号与参考信号相比均有时间延迟和振幅衰减， 这是因为 THz 脉冲在样品中的波速不同小于其在 氮气中的传播速度，且由于样品单晶硅的掺杂类型、 晶向及抛光程度的不同引起波速和光程的不同，使 得样品之间也有相对的延迟。与参考信号相比，样
4 结论
本文分别对六种具有不同性能指标的单晶硅样 品进行 THz— TDS 测试，将其折射率与不同掺杂类 型进行图像表征，结果表明，折射率在 0.2-2.0THz 频段内几乎保持不变，因此，即可根据太赫兹波段内 的折射率判断单晶硅的掺杂类型；由时域谱得知在
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太赫兹时域光谱系统本身可以测量电磁波相位、振幅 的特点进行测量；测量装置放在太赫兹时域光谱系统 的载物台上，对光斑大小和位置进行测量和计算，获 得的数据与光阑法测量的结果吻合；该测量装置可不 需要辅助电源和电路，结构简单、价格低廉，便于携带 和制作，测量方法简单实用。更加精确的方式和更全 面的功能将作为下一阶段的工作重点进行研究。
3.75
4.67
2.76
3.75
4.68
2.76
3.76
4.67
2.75
3.75
由图 3 和表 2 可以看出具有相同晶型的单晶
硅，当抛光面数相同时，P 型掺杂样品的折射率大于
N 型样品。这可能是因为单晶硅的掺杂类型不同，P
型硅以载流子空穴引起导电能力的提高，而 N 型硅
是由于自由电子引起的导电能力的提升，而极性物
Abstract The optical properties of series monocrystal silicon with low resistivity(1-5Ω·cm),different crystal orientation,doping type and polishing degree have been studied in Nitrogen environment at room temperature by terahertz time domain spectroscopy (THz-TDS).According to the character information included by Terahertz spectrum,the THz refractive index of P silicon is higher than N silicon,and single-side polishing Si is greater than double-side polishing silicon.It showed that THz-TDS technology can act as a valuable tool for identifying and inspecting doping type and crystal orientation of monocrystal silicon.
掺杂类型
尺寸
晶向
抛光
厚度
N型
4英寸
<100>
单
400μm
N型
4英寸
<111>
单
400μm
N型
4英寸
<100>
双
400μm
P型
4英寸
<100>
单
400μm
P型
4英寸
<111>英寸
<100>
双
400μm
2 实验方法
抛光的单晶硅片表面光滑，对每个样品进行三 次扫描取得到其在太赫兹脉冲下的相位和振幅。通 过菲涅尔推导得到样品在 0.2-2.0THz 频段内的折 射率。
质对太赫兹波有很强的吸收，因此，导致以电子空穴
为主的 P 型硅对太赫兹波的吸收小于以自由电子为
主的 N 型硅对太赫兹波的吸收，使得 P 型掺杂样品
的折射率大于 N 型样品。这一规律说明太赫兹时域
光谱技术能够有效、快速的对单晶硅的掺杂类型进
行表征鉴别。同时发现，当掺杂类型相同时，单面抛
光的硅片的平均折射率大于双面抛光样品。
单晶硅的性能测试指标主要包括：单晶硅中氧 含量和氮含量（即掺杂类型），电阻率，晶向及缺陷评 价等。掺杂类型主要是通过带有不同掺杂类型的硅 在红外光谱中红外及远红外波段内吸收峰高度的变 化进行判断 [3]。电阻率通过电阻率仪进行测试判断。 X 射线衍射技术—— XRD 主要用于晶体的晶向判 断，而此方法对样品具有损坏性。在对单晶硅的缺 陷评价时采用金相显微镜观察法，这种方法在样品 制备的过程中已改变了单晶硅本身的一些性质 [4]。