多晶硅少數(shù)載流子壽命的分析與檢測

潘華清,林 碩

（1.上饒職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械系，江西上饒，334100； 2.閩南師范大學(xué)物理系，福建漳州，363000）

多晶硅少數(shù)載流子壽命的分析與檢測

潘華清1,林 碩2

（1.上饒職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械系，江西上饒，334100； 2.閩南師范大學(xué)物理系，福建漳州，363000）

少數(shù)載流子壽命（以下簡稱少子壽命）是衡量晶硅半導(dǎo)體性能的重要參數(shù)。在實際生產(chǎn)中少子壽命受到多種因素的影響，如硅片厚度、雜質(zhì)含量、晶粒均勻性、內(nèi)部缺陷等。檢測少子壽命主要的方法有三大類，根據(jù)載流子在半導(dǎo)體中產(chǎn)生的不同途徑而有瞬態(tài)法、穩(wěn)態(tài)法和準穩(wěn)態(tài)法；根據(jù)光電壓進行的檢測；以及光束誘導(dǎo)電流法、電子束誘導(dǎo)電流法等其它方法，并指出這些方法的優(yōu)缺點。

多晶硅；少數(shù)載流子壽命；分析；檢測

少數(shù)載流子壽命作為半導(dǎo)體材料設(shè)計和生產(chǎn)中一個重要的技術(shù)參數(shù)，受到多種因素（如雜質(zhì)含量、缺陷等）的影響，它決定著半導(dǎo)體的性能、半導(dǎo)體探測器的效率以及太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率等。這需要對少數(shù)載流子壽命進行分析和檢測。下面分析影響少子壽命的因素和檢測少子壽命的方法。和1.25。按照多晶硅錠部位的不同而選取這些部位分別檢測少子壽命，得到的結(jié)果是多晶硅錠頭尾與四周的少子壽命較低，也就是說雜質(zhì)聚集越多的部位其少子壽命就越低。有研究發(fā)現(xiàn)，在鑄造的多晶硅硅錠中存在著少子壽命過低的一個區(qū)域，這個區(qū)域位于硅錠的兩端且其中含有濃度相當高的鐵、氧等[2]。

Istratov，Buonassisi，Pickett等總結(jié)分析了多晶硅中的雜質(zhì)含量，他們發(fā)現(xiàn)冶金級多晶硅中含有很高的雜質(zhì)量，太陽能多晶硅電池中的雜質(zhì)含量比冶金級多晶硅中的要低2-5個數(shù)量級，而且有些雜質(zhì)的含量小于檢出限，如Mn、Ti、Zr和V等[3]。G?tzberger，Luther，Willeke等研究發(fā)現(xiàn)，冶金級多晶硅中含有過渡金屬雜質(zhì)，如Fe、Co、Ni、Mn、Cr等，這些雜質(zhì)的存在使太陽電池中少子壽命出現(xiàn)了極大的降低[4]。

多晶硅晶粒的尺寸及其形態(tài)和太陽電池的性能具有密切的關(guān)系，多晶硅中晶粒粗大且均勻有利于提高太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率[1]。通常，鑄造多晶硅中晶粒尺寸在毫米到厘米級別，其

1 影響少子壽命的因素

影響多晶硅片少數(shù)載流子壽命的因素主要有硅片厚度、雜質(zhì)含量、晶粒均勻性、內(nèi)部缺陷等。

通過將不同厚度的多晶硅片檢測其少子壽命，得到的結(jié)果是當多晶硅片達到一定的厚度時，其少子壽命不會隨著厚度的增加而增大，也就是說少子壽命表現(xiàn)出穩(wěn)定性[1]。

根據(jù)分凝原理，在多晶硅中雜質(zhì)含量主要集中于硅錠的底部，如Fe、Co、Ni、P等，而O含量則集中在硅錠的四周與頂部，這些元素的分凝系數(shù)分別是8×10-5、8×10-4、3×10-7、0.35均勻性一般都不好，當晶粒尺寸不到1毫米時其光伏性能就表現(xiàn)的不理想。在相當大的程度上多晶硅錠中晶粒的形狀與尺寸主要由鑄錠的工藝條件來決定，這些條件有鑄錠的溫度分布、固液界面的形狀、凝固速度等。而細晶區(qū)一般在多晶硅錠的邊緣處出現(xiàn)。

鑄造多晶硅內(nèi)部缺陷主要是位錯、晶界、自間隙原子等，而對多晶硅性能產(chǎn)生重要影響的則是位錯和晶界。在冷卻硅錠的過程中出現(xiàn)過大的溫度梯度，硅晶粒中就會出現(xiàn)位錯，從而影響到其少子壽命[5,6]。多晶硅中存在數(shù)量眾多的晶界[7]因而對光伏電池的性能產(chǎn)生影響，這主要是因為晶界存在著雜質(zhì)偏聚和沉淀現(xiàn)象并使之成為載流子的復(fù)合中心。

為了更好提高多晶硅片中的少子壽命就要在鑄錠提純的過程中進行綜合考慮，選擇合適的多晶硅片厚度以及鑄造過程中晶粒的均勻性等等。

2 檢測方法

目前檢測多晶硅中少子壽命主要的方法有三大類[8]，一類是根據(jù)載流子在半導(dǎo)體中產(chǎn)生的不同途徑而有瞬態(tài)法、穩(wěn)態(tài)法和準穩(wěn)態(tài)法；另一類是根據(jù)光電壓進行的檢測；還有一類是其它方法(如光束誘導(dǎo)電流法LBIC、電子束誘導(dǎo)電流法EBIC等)。

2.1 光電導(dǎo)法

基于光電導(dǎo)方法的瞬態(tài)法是在半導(dǎo)體中通過脈沖或者閃光的形式激發(fā)出少數(shù)載流子，從而測量出半導(dǎo)體體電阻的變化情況，由此直接得到半導(dǎo)體材料的少數(shù)載流子壽命；目前瞬態(tài)法主要有光電導(dǎo)衰減法（MW-PCD）。而穩(wěn)態(tài)法則是基于穩(wěn)定的光照條件，使得半導(dǎo)體材料中的少數(shù)載流子壽命及其分布達到一個穩(wěn)定的狀態(tài)，由此測量相應(yīng)的物理量就可以得到少數(shù)載流子的壽命。而在準穩(wěn)態(tài)下則有準穩(wěn)態(tài)光電導(dǎo)法（QSSPC）。

2.1.1 瞬態(tài)法——微波反射光電導(dǎo)衰減法（MW-PCD）

在測量時MW-PCD是借助光電導(dǎo)而不是對載流子大小進行測量，然而作為一種瞬態(tài)測量方法要求有相應(yīng)快速的電子設(shè)備以記錄光電導(dǎo)衰減的信號與光脈沖。這一測試方法是從被測半導(dǎo)體樣品的表面所反射的微波信號，通過提取其功率隨時間的變化來記錄微波光電導(dǎo)信號的衰減[9]。在測試的樣品中由于采用了脈沖光源而在其中產(chǎn)生了過剩載流子，并因此使得被測樣品表面發(fā)生電導(dǎo)變化。這也就是說所反射的微波在能量上的變化正好是過剩載流子濃度的變化。通常，這一技術(shù)只在光注入水平為小注入的情況下才保證其具有相當?shù)拿舾行裕欢谥貞K雜或是高注入的情況下，因為反射的微波很可能達到1，此時的測試就不能很好地提現(xiàn)光脈沖對微波反射所產(chǎn)生的影響，由此給測試帶來了麻煩。因而微波反射的方法只用在高電阻樣品中，其測量也只限在電導(dǎo)范圍內(nèi)。

MW-PCD無法在不同光強下去直接測試樣品中過剩載流子的濃度，而必須通過模型的計算來獲得其數(shù)值，由此獲得表面復(fù)合速度和載流子注入水平之間的關(guān)系。

2.1.2 穩(wěn)態(tài)法

目前穩(wěn)態(tài)法主要有高頻光電導(dǎo)法、直流光電導(dǎo)法以及微波反射光電導(dǎo)法。穩(wěn)態(tài)法多用于單晶硅的測量。

直流光電導(dǎo)法——半導(dǎo)體材料在光脈沖的照射下，通過恒定電流并在半導(dǎo)體材料兩端出現(xiàn)電壓衰減的過程，測量其中的時間常數(shù)，由此確定其中的少子壽命[10]。

高頻光電導(dǎo)法——半導(dǎo)體材料在光脈沖的照射下，把高頻振蕩信號通過電容耦合到半導(dǎo)體上，由此測量高頻振蕩信號振幅出現(xiàn)衰減的時間，并測量其中的時間常數(shù)，從而確定其中的少子壽命[10]。

2.1.3 準穩(wěn)態(tài)光電導(dǎo)法（QSSPC）

在測量時，QSSPC技術(shù)主是通過一個脈沖光（接近2毫秒）因為照射到樣品的表面而獲得光電導(dǎo)，為獲取這一脈沖光主要的來源有發(fā)光二極管陣列、閃光燈或者是其它光源。而這一脈沖光可以確保在測試小于200微秒的樣品且在光源衰減期間都使樣品處在穩(wěn)定的狀態(tài)。其測試的原理是借助射頻電感的耦合而獲取測試樣品中的光電流[12]。在光電探測器中測量得到照射到樣品表面上的總光通量，之后按照樣品的結(jié)構(gòu)參數(shù)得到載流子產(chǎn)生率；在校準后的射頻電路感應(yīng)耦合中測試得到樣品的光電導(dǎo)，此后示波器記錄著這一射頻電路輸出的時間分辨信號，最后由計算機系統(tǒng)的處理獲得樣品的少子壽命。

這一測試方法的優(yōu)勢在于可以在大范圍光強范圍內(nèi)絕對測量過剩載流子，也能結(jié)合Shockley-Read-Hall模型獲得各種復(fù)合壽命，例如表面符合速度隨載流子濃度發(fā)生變化的關(guān)系。

2.2 光電壓法

光電壓法是體現(xiàn)光伏效應(yīng)的最早的測量方法。半導(dǎo)體材料在連續(xù)光照下就會在其內(nèi)部獲得非常多的電子-空穴對，并在半導(dǎo)體材料的表面處產(chǎn)生晶格的中斷而形成了表面勢，光照產(chǎn)生的過剩電子-空穴對在表面勢的作用下產(chǎn)生分離，由此在其表面產(chǎn)生光電壓。這一方法測量時無損且簡單，有比較大的測量范圍，對于N型和P型半導(dǎo)體以及低到2ns時間的半導(dǎo)體都能測量。

2.3 其它方法

光束誘導(dǎo)電流法（LBIC）是基于一定形狀和大小的單色光束去激發(fā)太陽電池而獲得電流，然后對其測量而得到其光譜效應(yīng)[13]。在單色光束照射到太陽電池的局部區(qū)域產(chǎn)生了光生載流子，而只有那些沒有參與復(fù)合的少子才會獲得電流信號。此時為了獲得這一電流信號的數(shù)值，就要對單色光束的強度根據(jù)標準進行標定，并采用適當?shù)募夹g(shù)提高這一電流信號的信噪比。這一檢測方法可以測試半導(dǎo)體材料的體擴散鏟毒，也可以測試在特定波長下半導(dǎo)體的量子效率，從而更直接表征半導(dǎo)體材料的光電性能。

電子束誘導(dǎo)電流法（EBIC）是通過電子束注入到測試樣品中而獲得的電流，并把它作為表征測試樣品特征的信號[14]。大多數(shù)的EBIC都在掃描電鏡上進行，因為其能提供電子束。通過電子束的注入而在樣品中產(chǎn)生了電子空穴對，可以對其進行收集、放大以及分析，這樣在樣品中不同區(qū)域而出現(xiàn)了載流子的產(chǎn)生、復(fù)合或者漂移等現(xiàn)象，然后通過EBIC將其中的差異性給予圖像輸出。這一檢測方法能表征半導(dǎo)體表面幾十納米的缺陷信息。

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The analysis and detection of Polysilicon minority carrier lifetime

Pan Huaqing1,Lin Shuo2
（1.Department of mechanics, Shangrao Vocational Technical College,Jiangxi Shangrao,334100;2.Department of physics, Career Technical College, Shangrao Normal University,Fujian Zhangzhou,363000）

the minority carrier lifetime (hereinafter referred to as little sub life) is an important parameter to measure the performance of crystalline silicon semiconductor. In actual production, the little sub life is affected by many factors, such as the thickness of silicon wafer, impurity content, grain uniformity, internal defects and so on. There are three major methods for detecting the lifetime of the detector, which are transient, steady state and quasi steady state according to the different ways of carrier generation in semiconductor.

polycrystalline silicon; minority carrier lifetime; analysis; detection

TM914.4

A

江西省教育廳科技課題GJJ11672；閩南師范大學(xué)博士科研啟動金:2002L21332（SnS基納米結(jié)構(gòu)太陽電池模擬研究）

潘華清，1970-07，男，漢，江西上饒，碩士，副教授，太陽電池。