少子壽命測試

少子壽命測試研發(fā)中心少子壽命是半導(dǎo)體材料和器件的重要參數(shù)。它直接反映了材料的質(zhì)量和器件特性。能夠準(zhǔn)確的得到這個參數(shù),對于半導(dǎo)體器件制造具有重要意義。少子是相對于多子而言的。在n型半導(dǎo)體中，由于電子的濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空穴的濃度，電子被稱為多子，空穴被稱為少子；p型半導(dǎo)體則相反。平衡載流子濃度：處于熱平衡狀態(tài)的半導(dǎo)體(熱平衡狀態(tài)指在沒有外界影響的條件下，熱力學(xué)系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)不隨時間變化的狀態(tài)。所謂外界影響，是指外界對系統(tǒng)作功或傳熱。)在一定溫度下載流子濃度是一定的，稱為平衡載流子濃度。常用n0，p0表示平衡電子和空穴濃度。非平衡載流子：如果對半導(dǎo)體施加外界作用破壞了熱平衡條件，就會使它處于非平衡狀態(tài)，其載流子濃度不再是n0，p0，可以比它們多出一部分。比平衡狀態(tài)多出來的這部分載流子稱為非平衡載流子。常用⊿n，⊿p表示非平衡電子和空穴濃度。對于n型半導(dǎo)體⊿n為非平衡多數(shù)載流子，⊿p為非平衡少數(shù)載流子；p型半導(dǎo)體相反。由于非平衡少子起著很重要的作用，通常所說的非平衡載流子是指非平衡少數(shù)載流子。少子壽命的定義：要破壞半導(dǎo)體的平衡狀態(tài)，可以對其進(jìn)行光注入(光照)或電注入(如p-n結(jié)正向工作時，或金屬探針與半導(dǎo)體接觸時)。非平衡載流子的復(fù)合：當(dāng)產(chǎn)生非平衡載流子的外部作用撤銷后，由于半導(dǎo)體的內(nèi)部作用，使它由非平衡狀態(tài)恢復(fù)到平衡狀態(tài)，此時非平衡載流子逐漸消失，此過程稱為非平衡載流子的復(fù)合。半導(dǎo)體處于平衡狀態(tài)時，電導(dǎo)率σ=nqμn+pqμp

光注入時必然導(dǎo)致半導(dǎo)體電導(dǎo)率的增大，電導(dǎo)率σ=(n+⊿n)qμn+(p+⊿p)qμp

⊿n=⊿p引起的附加電導(dǎo)率為：⊿σ=⊿nqμn+⊿pqμp=⊿pq(μp+μn)光注入撤銷后，由于非平衡載流子的復(fù)合，電導(dǎo)率會降低，所以光注入時半導(dǎo)體材料電導(dǎo)率的變化可以反映出其非平衡載流子濃度的變化。少子壽命：非平衡載流子的平均生存時間稱為非平衡載流子的壽命。由于相對于非平衡多子，非平衡少子的影響處于主導(dǎo)的、決定的地位，所以非平衡載流子的壽命常稱為少數(shù)載流子壽命。太陽能電池光電流是光激發(fā)產(chǎn)生非平衡載流子，并在pn結(jié)作用下流動產(chǎn)生的。載流子的復(fù)合會使光電流減少，少子壽命越小光電流越小。同時少子壽命減小，增加漏電流從而使開路電壓減小?？傊?，少子壽命越小，電池效率越低。影響少子壽命的因素：雜質(zhì)、電阻率、溫度、表明狀態(tài)、硅片厚度等。實際測量得到的是體復(fù)合和表面復(fù)合共同作用的少子壽命，其中有用的是體復(fù)合得到的體少子壽命。非平衡載流子的復(fù)合機制：1，直接復(fù)合：電子在導(dǎo)帶和價帶之間的直接躍遷引起的電子和空穴的直接復(fù)合；2，間接復(fù)合：電子和空穴通過禁帶的能級（深能級雜質(zhì)復(fù)合中心）進(jìn)行復(fù)合，分為體內(nèi)復(fù)合和表面復(fù)合。間接復(fù)合為硅中非平衡載流子主要的復(fù)合機制。復(fù)合能級越深，少子壽命越小，所以深能級雜質(zhì)對少子壽命的影響極大，少量深能級雜質(zhì)也能大大降低少子壽命。過度族金屬雜質(zhì)往往是深能級雜質(zhì)，如Fe，Cr，Mo等雜質(zhì)。少子壽命對太陽能電池的影響

通常少數(shù)載流子壽命是用實驗方法測量的，各種測量方法都包括非平衡載流子的注入和檢測兩個基本方面。最常用的注入方法是光注入和電注入，而檢測非平衡載流子的方法很多，如探測電導(dǎo)率的變化，探測微波反射或透射信號的變化等，這樣組合就形成了許多壽命測試方法。近30年來發(fā)展了數(shù)十種測量壽命的方法，主要有：直流光電導(dǎo)衰退法；高頻光電導(dǎo)衰退法；表面光電壓法；少子脈沖漂移法；微波光電導(dǎo)衰減法等。對于不同的測試方法，測試結(jié)果可能會有出入，因為不同的注入方法，表面狀況的不同，探測和算法等也各不相同。因此，少子壽命測試沒有絕對的精度概念，也沒有國際認(rèn)定的標(biāo)準(zhǔn)樣片的標(biāo)準(zhǔn)，只有重復(fù)性，分辨率的概念。對于同一樣品，不同測試方法之間需要作比對試驗。但對于同是Semilab的設(shè)備，不論是WT-2000還是WT-1000，測試結(jié)果是一致的。

μ-PCD法相對于其他方法，有如下特點：

（1）無接觸、無損傷、快速測試

（2）能夠測試較低壽命

（3）能夠測試低電阻率的樣品（最低可以測0.01ohmcm的樣品）

（4）既可以測試硅錠、硅棒，也可以測試硅片，電池

（5）樣品沒有經(jīng)過鈍化處理就可以直接測試

（6）既可以測試P型材料，也可以測試N型材料

（7）對測試樣品的厚度沒有嚴(yán)格的要求

（8）該方法是最受市場接受的少子壽命測試方法少子壽命測試的幾種方法microwave-inducedphotoconductivedecay(μ-PCD)法是測量半導(dǎo)體材料中少子壽命的一種很常用的方法。WT-2000PV紅外脈沖激光源(904nm)微波源和信號接收(10±0.5GHz)優(yōu)點：可靠，重復(fù)性好，測量時間短，能夠得到高分辨率的壽命圖技術(shù)包括光注入產(chǎn)生電子-空穴對和微波探測信號的變化這兩個過程。904nm的激光注入（對于硅，注入深度大約為30um）產(chǎn)生電子-空穴對，導(dǎo)致樣品電導(dǎo)率的增加，當(dāng)撤去外界光注入時，電導(dǎo)率隨時間指數(shù)衰減，這一趨勢間接反映少數(shù)載流子的衰減趨勢，從而通過微波探測電導(dǎo)率隨時間變化的趨勢就可以得到少數(shù)載流子的壽命。激光器光注入：紅外半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光脈沖(904nm波長的光)，照射到樣品上，樣品產(chǎn)生非平衡電子孔穴對，在硅片上的注入深度大約30um，產(chǎn)生的自由載流子位于樣品的前表面。信號探測：樣品受到激發(fā)時處于非平衡狀態(tài)，載流子濃度變大，電導(dǎo)率變大，當(dāng)撤去激發(fā)后非平衡載流子逐漸復(fù)合，電導(dǎo)率隨時間指數(shù)衰減，這一趨勢間接反映少數(shù)載流子的衰減趨勢，從而通過微波探測電導(dǎo)率隨時間變化的趨勢就可以得到少數(shù)載流子的壽命。體材料及表面的復(fù)合在樣品受到激發(fā)時以及在激發(fā)后的很短的時間內(nèi)會發(fā)生自由載流子的再分布，在這個快速的再分布以后，到樣品的熱平衡狀態(tài)之間會有兩個平行的過程，分別為體復(fù)合與載流子擴散到表面以及表面復(fù)合。少子壽命有下面的方程決定激發(fā)(產(chǎn)生非平衡載流子)載流子的再分布熱平衡狀態(tài)載流子擴散到材料表面載流子表面復(fù)合載流子體內(nèi)復(fù)合少子壽命由下面的方程決定其中，τdiff為少子從樣品體內(nèi)擴散到表面所需時間。τsurf為由于樣品表面復(fù)合產(chǎn)生的表面壽命，τmeas為樣品的測試壽命，d為樣品厚度，Dn，Dp分別為電子和空穴的擴散系數(shù)；S為表面復(fù)合速度。表面壽命對測試壽命有很大影響，使其偏離體壽命，下圖是體壽命與測試壽命的關(guān)系。在樣品厚度一定的情況下，即擴散壽命一定，如果表面復(fù)合速率很大，則在測試高體壽命樣品時，測試壽命值與體壽命值就會偏差很大；而對于低體壽命的樣品，不會使少子壽命降低很多。因此我們需對樣品表面進(jìn)行鈍化，降低樣品的表面復(fù)合速率。從圖中我們可以看到，對于表面復(fù)合速率S為1cm/s，或10cm/s的樣品，即使在1000μs數(shù)量級的體壽命，測試壽命還是與體壽命偏差很小。即當(dāng)樣品的表面復(fù)合速率為10cm/s或更小的情況下，對于1000μs數(shù)量級高體壽命的樣品，測試壽命也能用來表示體壽命。總結(jié)：

（1）為了使測試的有效壽命趨向于體壽命，我們要盡量減少表面壽命的影響，為此我們推薦使用表面鈍化的方法，通常的鈍化方法有熱處理，化學(xué)鈍化及硅片表面電荷沉積等方法。

（2）對于太陽能領(lǐng)域，因材料表面不做拋光處理，所以我們推薦使用化學(xué)鈍化的方法。

（3）在體壽命較高，而表面壽命較低的情況下，化學(xué)鈍化后測試壽命有較大提高，測試壽命更加趨向于體壽命。

（4）在體壽命較低的情況下，比如<3μs，化學(xué)鈍化前后壽命值不會明顯變化，可以認(rèn)為此時測試壽命

即為體壽命。

4、表面處理和鈍化的方法

為了有效減少表面復(fù)合，我們推薦下面的處理和鈍化方法，供用戶參考：

使用化學(xué)鈍化前，對于不同的樣品，需要不同的處理方法，主要是為了減少表面損傷層的影響：

（1）對于拋光過或表面特別均勻的腐蝕過，而且是表面沒有氧化層的樣片,無需預(yù)先處理

（2）對于拋光過或表面特別均勻的腐蝕過，表面有氧化層的樣片，在化學(xué)鈍化前需要HF處理。

方法如下：在5%HF中浸泡一段時間，時間的長短取決于氧化層的厚度，如20A的氧化層，需要30S;500-2000A的氧化層需要5-10分鐘。

（3）對于表面有損傷，或粗糙表面的樣片（太陽