时间分辨微波光电导测量系统简介

时间分辨微波电导(Time Resolved Microwave Conductivity, TRMC)是研究半导体材 料中非平衡载流子复合动力学的一种方法。它通过监测激光照射样品引起反射微波功 率的变化来反映出样品载流子衰减寿命、迁移率、复合速率等微观物理性质。这种技 术具有可操作性强、采集速度块、时间分辨率高等优点，可测量薄膜、粉末样品且不 会损坏样品，已成为表征半导体材料和光电器件基本性能的重要方法。

本文介绍了微波和传输线的基本理论，利用麦克斯韦方程组和边界条件推导了规 则波导和谐振腔的场分布和传输特性，引入了 TRMC 测量半导体载流子复合动力学的 基础理论，介绍了半导体的能带结构、非平衡载流子的产生与复合方式。此外，本文 还介绍了开放式 TRMC、消直流背景式 TRMC、腔微扰式 TRMC 测量系统的设计原理、 以及各部件的使用。开放式 TRMC 的灵敏度较低，难以测得低电导率材料的光电导信号，基于此，本文通过相移器与衰减器将测量系统的底噪背景消除至0，设计了消直流背景式 TRMC，并通过测量多晶MAPbBr3薄膜载流子寿命比较了两种测量系统的差异。

对于腔微扰式 TRMC，介绍了腔微扰现象和原理，推导了腔微扰式 TRMC 测量系统的 灵敏度因子 K 与介电常数实部和虚部的关系，发现在谐振腔正常时介电常数虚部对灵 敏度因子影响最大。本文以石英片为例，利用腔微扰法测量了石英片的介电常数，在 此谐振腔的基础上使用高频结构仿真软件 HFSS(High Frequency Structure Simulation, HFSS)对谐振腔进行电磁仿真，得到了谐振腔的特性参数，针对其反射系数低的问题，本文使用 HFSS 对耦合片的半径和厚度进行参数扫描，得到了最佳耦合效果下的谐振腔模型。

硒化锑(Antimony selenide ，Sb2Se3)是近年来非常热门的光伏材料，具有较低的电 导率，传统的开放式 TRMC 测量系统难以测量其光电导信号。本文使用消直流背景式 TRMC 测量了单晶 Sb2Se3 和多晶 Sb2 Se3 薄膜的光电导衰减动力学，为 Sb2Se3 薄膜制备 和生长工艺提供了参考。此工作分为三部分：(1) 对单晶 Sb2 Se3 和多晶 Sb2 Se3 薄膜进行 结构和形貌表征。(2) 对于单晶 Sb2 Se3 ，分析了不同激发光波长和光生载流子密度对单晶 Sb2 Se3 ，得出单晶 Sb2 Se3 的体寿命 τB 为 2.7 ns ，载流子表面复合速率为 5.12×104cm · s-1 ;对于多晶 Sb2 Se3 薄膜，分析了不同光生载流子密度对它的有效寿命和衰减动力 学的影响，结果表明厚度为 200 nm 左右的多晶 Sb2 Se3 薄膜的光电导衰减对光生载流子 密度敏感，而厚度小于 100 nm 的多晶 Sb2 Se3 薄膜的光电导衰减不随光生载流子密度变 化而变化。(3) 给出了多晶 Sb2 Se3 薄膜的载流子复合模型，分析了不同沉积厚度的 Sb2 Se3 薄膜的样品质量优劣。

审核编辑 黄宇