少子寿命测试

少子寿命测试研发中心少子寿命是半导体材料和器件的重要参数。它直接反映了材料的质量和器件特性。能够准确的得到这个参数,对于半导体器件制造具有重要意义。少子是相对于多子而言的。在n型半导体中，由于电子的浓度远远大于空穴的浓度，电子被称为多子，空穴被称为少子；p型半导体则相反。平衡载流子浓度：处于热平衡状态的半导体(热平衡状态指在没有外界影响的条件下，热力学系统的宏观性质不随时间变化的状态。所谓外界影响，是指外界对系统作功或传热。)在一定温度下载流子浓度是一定的，称为平衡载流子浓度。常用n0，p0表示平衡电子和空穴浓度。非平衡载流子：如果对半导体施加外界作用破坏了热平衡条件，就会使它处于非平衡状态，其载流子浓度不再是n0，p0，可以比它们多出一部分。比平衡状态多出来的这部分载流子称为非平衡载流子。常用⊿n，⊿p表示非平衡电子和空穴浓度。对于n型半导体⊿n为非平衡多数载流子，⊿p为非平衡少数载流子；p型半导体相反。由于非平衡少子起着很重要的作用，通常所说的非平衡载流子是指非平衡少数载流子。少子寿命的定义：要破坏半导体的平衡状态，可以对其进行光注入(光照)或电注入(如p-n结正向工作时，或金属探针与半导体接触时)。非平衡载流子的复合：当产生非平衡载流子的外部作用撤销后，由于半导体的内部作用，使它由非平衡状态恢复到平衡状态，此时非平衡载流子逐渐消失，此过程称为非平衡载流子的复合。半导体处于平衡状态时，电导率σ=nqμn+pqμp

光注入时必然导致半导体电导率的增大，电导率σ=(n+⊿n)qμn+(p+⊿p)qμp

⊿n=⊿p引起的附加电导率为：⊿σ=⊿nqμn+⊿pqμp=⊿pq(μp+μn)光注入撤销后，由于非平衡载流子的复合，电导率会降低，所以光注入时半导体材料电导率的变化可以反映出其非平衡载流子浓度的变化。少子寿命：非平衡载流子的平均生存时间称为非平衡载流子的寿命。由于相对于非平衡多子，非平衡少子的影响处于主导的、决定的地位，所以非平衡载流子的寿命常称为少数载流子寿命。太阳能电池光电流是光激发产生非平衡载流子，并在pn结作用下流动产生的。载流子的复合会使光电流减少，少子寿命越小光电流越小。同时少子寿命减小，增加漏电流从而使开路电压减小。总之，少子寿命越小，电池效率越低。影响少子寿命的因素：杂质、电阻率、温度、表明状态、硅片厚度等。实际测量得到的是体复合和表面复合共同作用的少子寿命，其中有用的是体复合得到的体少子寿命。非平衡载流子的复合机制：1，直接复合：电子在导带和价带之间的直接跃迁引起的电子和空穴的直接复合；2，间接复合：电子和空穴通过禁带的能级（深能级杂质复合中心）进行复合，分为体内复合和表面复合。间接复合为硅中非平衡载流子主要的复合机制。复合能级越深，少子寿命越小，所以深能级杂质对少子寿命的影响极大，少量深能级杂质也能大大降低少子寿命。过度族金属杂质往往是深能级杂质，如Fe，Cr，Mo等杂质。少子寿命对太阳能电池的影响

通常少数载流子寿命是用实验方法测量的，各种测量方法都包括非平衡载流子的注入和检测两个基本方面。最常用的注入方法是光注入和电注入，而检测非平衡载流子的方法很多，如探测电导率的变化，探测微波反射或透射信号的变化等，这样组合就形成了许多寿命测试方法。近30年来发展了数十种测量寿命的方法，主要有：直流光电导衰退法；高频光电导衰退法；表面光电压法；少子脉冲漂移法；微波光电导衰减法等。对于不同的测试方法，测试结果可能会有出入，因为不同的注入方法，表面状况的不同，探测和算法等也各不相同。因此，少子寿命测试没有绝对的精度概念，也没有国际认定的标准样片的标准，只有重复性，分辨率的概念。对于同一样品，不同测试方法之间需要作比对试验。但对于同是Semilab的设备，不论是WT-2000还是WT-1000，测试结果是一致的。

μ-PCD法相对于其他方法，有如下特点：

（1）无接触、无损伤、快速测试

（2）能够测试较低寿命

（3）能够测试低电阻率的样品（最低可以测0.01ohmcm的样品）

（4）既可以测试硅锭、硅棒，也可以测试硅片，电池

（5）样品没有经过钝化处理就可以直接测试

（6）既可以测试P型材料，也可以测试N型材料

（7）对测试样品的厚度没有严格的要求

（8）该方法是最受市场接受的少子寿命测试方法少子寿命测试的几种方法microwave-inducedphotoconductivedecay(μ-PCD)法是测量半导体材料中少子寿命的一种很常用的方法。WT-2000PV红外脉冲激光源(904nm)微波源和信号接收(10±0.5GHz)优点：可靠，重复性好，测量时间短，能够得到高分辨率的寿命图技术包括光注入产生电子-空穴对和微波探测信号的变化这两个过程。904nm的激光注入（对于硅，注入深度大约为30um）产生电子-空穴对，导致样品电导率的增加，当撤去外界光注入时，电导率随时间指数衰减，这一趋势间接反映少数载流子的衰减趋势，从而通过微波探测电导率随时间变化的趋势就可以得到少数载流子的寿命。激光器光注入：红外半导体激光器产生激光脉冲(904nm波长的光)，照射到样品上，样品产生非平衡电子孔穴对，在硅片上的注入深度大约30um，产生的自由载流子位于样品的前表面。信号探测：样品受到激发时处于非平衡状态，载流子浓度变大，电导率变大，当撤去激发后非平衡载流子逐渐复合，电导率随时间指数衰减，这一趋势间接反映少数载流子的衰减趋势，从而通过微波探测电导率随时间变化的趋势就可以得到少数载流子的寿命。体材料及表面的复合在样品受到激发时以及在激发后的很短的时间内会发生自由载流子的再分布，在这个快速的再分布以后，到样品的热平衡状态之间会有两个平行的过程，分别为体复合与载流子扩散到表面以及表面复合。少子寿命有下面的方程决定激发(产生非平衡载流子)载流子的再分布热平衡状态载流子扩散到材料表面载流子表面复合载流子体内复合少子寿命由下面的方程决定其中，τdiff为少子从样品体内扩散到表面所需时间。τsurf为由于样品表面复合产生的表面寿命，τmeas为样品的测试寿命，d为样品厚度，Dn，Dp分别为电子和空穴的扩散系数；S为表面复合速度。表面寿命对测试寿命有很大影响，使其偏离体寿命，下图是体寿命与测试寿命的关系。在样品厚度一定的情况下，即扩散寿命一定，如果表面复合速率很大，则在测试高体寿命样品时，测试寿命值与体寿命值就会偏差很大；而对于低体寿命的样品，不会使少子寿命降低很多。因此我们需对样品表面进行钝化，降低样品的表面复合速率。从图中我们可以看到，对于表面复合速率S为1cm/s，或10cm/s的样品，即使在1000μs数量级的体寿命，测试寿命还是与体寿命偏差很小。即当样品的表面复合速率为10cm/s或更小的情况下，对于1000μs数量级高体寿命的样品，测试寿命也能用来表示体寿命。总结：

（1）为了使测试的有效寿命趋向于体寿命，我们要尽量减少表面寿命的影响，为此我们推荐使用表面钝化的方法，通常的钝化方法有热处理，化学钝化及硅片表面电荷沉积等方法。

（2）对于太阳能领域，因材料表面不做抛光处理，所以我们推荐使用化学钝化的方法。

（3）在体寿命较高，而表面寿命较低的情况下，化学钝化后测试寿命有较大提高，测试寿命更加趋向于体寿命。

（4）在体寿命较低的情况下，比如<3μs，化学钝化前后寿命值不会明显变化，可以认为此时测试寿命

即为体寿命。

4、表面处理和钝化的方法

为了有效减少表面复合，我们推荐下面的处理和钝化方法，供用户参考：

使用化学钝化前，对于不同的样品，需要不同的处理方法，主要是为了减少表面损伤层的影响：

（1）对于抛光过或表面特别均匀的腐蚀过，而且是表面没有氧化层的样片,无需预先处理

（2）对于抛光过或表面特别均匀的腐蚀过，表面有氧化层的样片，在化学钝化前需要HF处理。

方法如下：在5%HF中浸泡一段时间，时间的长短取决于氧化层的厚度，如20A的氧化层，需要30S;500-2000A的氧化层需要5-10分钟。

（3）对于表面有损伤，或粗糙表面的样片（太阳