浅谈光电探测器与图像传感器（十六）：光电器件的测量和分析方法总结（1）

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绪论

光电器件的测量与分析体系涵盖了性能评估、材料表征、物理机理探究以及可靠性与失效分析等维度。下图系统梳理了器件在设计、制造及分析全流程中涉及的关键测试与表征方法。需要指出的是，图中仅展示了核心测试项目，实际的测试方案应依据具体的器件类型及应用场景需求进行定制化的补充与完善。

图1 光电器件测量和分析方法

一、性能测量

性能测量是光电器件评估的基础步骤，旨在量化其工作特性参数，以验证设计规格并识别潜在风险和性能瓶颈。该部分通常在器件制备、封装后进行。光电器件的主要性能指标见上一章节内容。浅谈光电探测器和图像传感器（十五）：光电探测器的主要性能参数

光学特性测量

其中光学测量主要涉及器件对光的响应特性。响应光谱测试通过扫描不同波长光源，记录电流或电压变化，以绘制光谱响应曲线。量子效率（QE）测量分为外部量子效率（EQE）和内部量子效率（IQE），评估入射光子到输出载流子的转换率。响应速度测量量化上升时间（rise time）和下降时间（fall time），适用于高速探测器。暗电流测量在无光条件下评估噪声水平，而噪声测量包括散粒噪声（shot noise）、热噪声（thermal noise）和1/f噪声，使用频谱分析仪量化。调制测量分为空间调制和时间调制，空间调制采用调制传递函数（MTF）评估空间分辨率，时间调制通过时域变频测量器件的响应频段。浅谈光电探测器和图像传感器（十五）：光电探测器的主要性能参数

图2 常见的光学特性参数

电学特性测量

电学测量旨在揭示器件在电场作用下的载流子输运特性与界面行为。核心测试包括：

电流-电压（I-V）特性：通过扫描偏压获取器件的整流特性，提取阈值电压、饱和电流、串联/并联电阻及理想因子。对于新兴半导体器件，还需特别关注扫描速率依赖性与迟滞效应（Hysteresis），以评估离子迁移或电荷捕获现象。

电容-电压（C-V）特性：利用 Mott-Schottky 图谱分析，量化器件的内建电势 ()、耗尽区宽度及载流子浓度剖面，是评估结区质量的重要手段。

接触与传输特性：采用传输线模型（TLM）或四探针法精确提取接触电阻，消除电极接触对性能评估的干扰；针对光电晶体管或栅控器件，则通过 Id-Vg 转移曲线估算场效应迁移率及开关比。

常见的电学特性测量， ref1

性能测量中常见的问题

以上所述的基本的性能测量方式在应用到新型新兴半导体器件上时，往往由于多学科背景和应用多样性，性能评估往往存在不一致，导致基准比较困难。近日Nature Photonics上发表综述总结了基于新兴半导体技术的光电探测器准确评估指南[2]，提出在进行性能表征测量时需要注意的一些关键事项。相关事项总结如下。

常见的新兴光电探测器性能测量问题

一个容易出现分歧的关键指标是暗电流，这是评估噪声和灵敏度的基础。传统电流-电压扫描可能因电荷捕获或离子迁移引起的瞬态效应而失效，导致滞回或漂移（如图1a所示的双向扫描曲线显示扫描速率依赖）。为此，建议采用阶跃电压方法，允许电流稳定，并报告时间演变。此外，面积暗电流密度需通过变尺寸器件验证归一化，以避免外围贡献的误差，并考虑温度影响，以实现应用相关基准。

其次，响应度和外部量子效率测量需严格控制照明条件。使用覆盖95%-100%有效区的光阑孔径确保辐照均匀，避免外围吸收或空间非均匀性。

其三，调制测量中需要监测暗电流漂移，并在调制测量中选择远低于带宽的频率，以模拟连续波获得其平衡态行为。

最后，线性度和线性动态范围（LDR）评估针对信号保真度至关重要。文献中常误将双对数坐标下的直线视为线性，但斜率α ≠ 1表示非线性功率律。

二、材料表征

材料表征旨在揭示光电器件内部微观结构、缺陷和组成，提供性能优化的材料学基础。该过程多采用无损或微损技术，结合成像和谱学方法。

光学形貌表征

光学显微表征是最直接的材料表征方法。该技术基于光的传播、干涉、衍射及偏振等物理现象，通过调制光与样品的相互作用，实现微观结构的可视化。根据对比度形成机制，可分为明场显微、暗场显微、偏光显微等成像模式，不同模式下可获取材料的多维度形貌特征。

主要的光学显微成像技术

电子束相互作用相关表征技术

以电子束（如透射电子显微镜、高分辨透射电子显微镜、扫描电子显微镜、扫描透射电子显微镜）或离子束（如聚焦离子束、氦离子显微镜）作为激发源，它们与样品材料相互作用时，会激发出多种次级粒子和特征信号,这些信息可用于推断样品的尺寸、材料及其他特性.SEM,TEM,EDS等表征手段均是基于这一原理实现的。这些可测量的次级粒子包括：

二次电子 ()： 用于获取样品表面形貌信息（）。

背散射电子 ()：用于获取样品元素衬度信息。

特征 X 射线 (/)：用于获取元素组成和空间分布信息。

俄歇电子（Auger electrons）: 表面成分分析，适用于轻元素（Z≤33）检测

透射电子： TEM成像基础，用于高分辨结构表征与动态观察,获取样品晶体结构和内部微观形貌信息（/）。

弹性散射电子（Elastically scattered electrons,SAEDs） :选区电子衍射，用于晶体结构分析与物相鉴定

非弹性散射电子（Inelastic electrons,EELS） 电子能量损失谱，分析元素化学态与电子结构

阴极发光 ()：用于分析半导体的光学性质和能带结构。

图通过电子-材料相互作用的表征技术汇总[3]

表征技术的结合应用

不同表征技术可以结合应用，比如 AFM、SEM、TEM是常见的形貌表征方法。SEM和AFM常用于材料的表面形貌表征和厚度判定，将AFM探针换成导电针尖后可以实现CAFM (Conductive Atomic Force Microscope)[4]功能，即测量材料的微区电流，表征材料的电学性能的均匀性和缺陷态的数量、分布情况等。

AFM和SEM常常还与其他表征手段结合起来进行材料的微区和全局特性的表征，比如AFM常常和KPFM结合起来，看不同空间区域材料的功函数分布情况[5]。

SEM设备中常集成X射线能谱仪(Energy Dispersive X-ray Spectrometers，EDS)，实现形貌和元素的同时测定。SEM、AFM等也常和其他测试的结果（比如Raman）对应起来获取微区的多维度信息[6]。

TEM通过透射电子束的收集获得材料的形貌特征，其具有相对于SEM和AFM更高的分辨率，一般用于表征材料的界面特性而不是表面形貌。TEM也可以进行一些缺陷或原子迁徙的动态原位观察，比如在忆阻器中可以观察导电细丝的形成过程[7]。

扫描隧穿电子显微术（Scanning Tunneling Electron Microscopy, STM）是一种用以实现单个原子尺度的形貌表征乃至表面电子行为分析的超高分辨率的显微技术[8, 9]。作为一种原子级别的显微技术，其作用已远远不仅是形貌分析，而更多的是用以对材料在原子尺度上进行物化分析。STM可以实现原子级别的缺陷的原位观察[10]，可以实现原子和分子的操控[11]、电子输运行为的研究等[12]。

电子能带结构和激子态信息的提取常常通过光学手段实现。其中各种光电子能谱用于实现能带结构的测定，比如常用角分辨光电子能谱（Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy，ARPES）来实现能带的直接观测[13]，吸收光谱提取其光学吸收特性；拉曼光谱可以看晶格振动模式； X射线衍射（X-Ray Diffraction，XRD）可得到原子层间距的信息等。

除了这些常见的表征手段外，由于新兴的低维材料体系中有复杂有趣的极化激元模式，近年来很多用于极化激元模式原位研究的近场显微技术(SNOM)也有着迅速的发展[14-17]。就测试设备而言，简单的SNOM是基于AFM系统的部件增添和改进，利用CAFM针尖作为光学天线或者在针尖中引入近场的光纤激发源，探测材料在光激发下的激化激元模式。

常见的表征方法结合，ref33

应力表征

半导体材料的应力也可以通过表征的方式实现量测。ITRS总结了评估材料中应力和应变的技术进行全面的表格概述，特别是与半导体器件和晶圆级处理相关。该表格按尺度分层组织——从晶体管级别到晶圆级别——根据测量能力、灵敏度、空间分辨率、样品要求和破坏性对方法进行分类。比如电子衍射技术如CBED和NBD利用晶格畸变分析来获得原子级应力，因此常用于晶体管级别的应力测量，而光学方法如拉曼光谱检测由应变诱导的振动模式偏移获得应力/应变信息，因此常用于微区应力测量。