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少子寿命测量

表面复合对少子寿命测量影响的定量分析 我们测量硅单晶、铸造多晶以及单晶硅片、多晶硅片的少子寿命,都希望得到与真实体寿命b τ相接近的测量值(表观寿命),而不是一个受表面影响很大的表面复合寿命s τ。因为在寿命测量中只有b τ才能真正反映半导体材料的内在质量,而表面复合寿命只能反映样品的表面状态,是随表面状态变化而变化的变数。 通过仪器测量出的寿命值我们一般称为表观寿命,它与样品体寿命及表面复合寿命有如下关系,公式(1)由SEMI MF28-0707给出的计算公式τ0 =S F R τ--11(τ0或b τ表示体寿命)推演出来: S b F τττ111+= (1) 即仪器测量值F τ,它实际上是少子体寿命b τ和表面复合寿命s τ的并联值。 光注入到硅片表面的光生少子向体内扩散,一方面被体内的复合中心(如铁原子)复合,另一方面扩散到非光照面,被该表面的复合中心复合。 光生少子在体内平均存在的时间由体复合中心的多少而决定,这个时间就称为体寿命。如果表面很完美,则表面复合寿命趋于无穷大,那么表观寿命即等于体寿命。 但实际上的表面复合寿命与样品的厚度及表面复合速度有关。 由MF1535-0707中给出s l D l sp diff s 222+=+=πτττ (2)可知,其中: diff τ=D l 22 π——少子从光照区扩散到表面所需的时间 sp τ= 2l s ——少子扩散到表面后,被表面(复合中心、缺陷能级)复合所需要的时间 l ——样品厚度 D ——少子扩散系数,电子扩散系数Dn=33.5cm 2/s ,空穴扩散系数Dp=12.4 cm 2/s

S ——表面复合速度,单位cm/s 硅晶体的表面复合速度随着表面状况在很大范围内变化。如表1所示: 表1 据文献记载,硅抛光面在HF 酸中剥离氧化层后复合速度可低至0.25cm/s ,仔细制备的干氧热氧化表面复合速度可低至1.5-2.5cm/s ,但是要达到这样的表面状态往往不容易,也不稳定,除非表面被钝化液或氧化膜保护。一般良好的抛光面表面复合速度都会达到 104 cm/s ,最容易得到而且比较稳定的是研磨面,因为它的表面复合速度已达到饱和,就像饱和浓度的盐水那样,再加多少盐进去浓度依然不变。 现在很多光伏企业为了方便用切割片直接测量寿命,即切割后的硅片不经清洗、抛光、钝化等减少和稳定表面复合的工艺处理,直接放进寿命测试仪中测量,俗称裸测,这种测量简单、方便、易操作。 为了定量分析表面复合对测量值F τ的影响,我们以最常用厚度为180μm 的P 型硅片为例进行定量分析。因为切割面实质上也是一种研磨面,是金属丝带动浆料研磨的结果,一般切割、研磨面的表面复合速度为S=107cm/s ,但线切割的磨料较细,我们将其表面复合的影响估计的最轻,也应该是S ≥105cm/s 。因为良好的抛光面S ≈104cm/s,我们按照2007版的国际标准MF1535-0707、MF28-0707提供的公式:b τ= S F R τ--1 1 ,其中Rs 是表面复合速率,表面复合寿命S s R 1=τ, 由以上公式即可推演出常用公式:S b F τττ111+= 表面复合寿命s l D l sp diff s 222+=+=πτττ 我们以以下的计算结果来说明,当切割面的表面复合速度为S=105cm/s 时, l =180μm 厚的硅片当它的体寿命由0.1μS 上升到50μS (或更低、更高)时, 我们测出的表观寿命受表面影响的程度,以及真实体寿命b τ与实测值F τ相差多

高频光电导衰减法测量Si 中少子寿命 一、概述 半导体中的非平衡少数载流子寿命是与半导体中重金属含量、晶体结构完整性直接有关的物理量。它对半导体太阳电池的换能效率、半导体探测器的探测率和发光二极管的发光效率等都有影响。因此,掌握半导体中少数载流子寿命的测量方法是十分 必要的。 测量非平衡少数载流子寿命的方法有许多种,分别属于瞬态法和稳态法两大类。瞬态法是利用脉冲电或闪光在半导体中激发出非平衡载流子,改变半导体的 体电阻,通过测量体电阻或两端电压的变化规律直接获得半导体材料的寿命。这类方法包括光电导衰减法和双脉冲法。稳态法是利用稳定的光照,使半导体中非平衡少子的分布达到稳定的状态,由测量半导体样品处在稳定的非平衡状态时的某些物理量来求得载流子的寿命。例如:扩散长度法、稳态光电导法等。 光电导衰减法有直流光电导衰减法、高频光电导衰减法和微波光电导衰减法,其差别主要在于是用直流、高频电流还是用微波来提供检测样品中非平衡载流子的衰减过程的手段。直流法是标准方法,高频法在Si 单晶质量检验中使用十分方便,而微波法则可以用于器件工艺线上测试晶片的工艺质量。 本实验采用高频光电导衰减法测量Si 中少子寿命。 二、实验目的 1 ?掌握用高频光电导衰减法测量Si 单晶中少数载流子寿命的原理和方法。 2.加深对少数载流子寿命及其与样品其它物理参数关系的理解。 三、实验原理 当能量大于半导体禁带宽度的光照射样品时,在样品中激发产生非平衡电子和空 穴。若样品中没有明显的陷阱效应,那么非平衡电子( ?n)和空穴(? p)的浓度相 等,它们的寿命也就相同。样品电导率的增加与少子浓度的关系为 _q」pip q 」/n

第三章:少数载流子寿命测试 少数载流子寿命是半导体材料的一个重要参数,它在半导体发展之初就已经存在了。早在20世纪50年代,Shockley 和Hall等人就已经报道过有关少数载流子的复合理论[1-4],之后虽然陆续有人研究半导体中少数载流子的寿命,但由于当时测试设备简陋,样品制备困难,尤其对于测试结果无法进行系统地分析。因此对于少数载流子寿命的研究并没有引起广泛关注。直到商业需求的增加,少数载流子寿命的测试才重新引起人们的注意。晶体生产厂家和IC集成电路公司纷纷采用载流子寿命测试来监控生产过程,如半导体硅单晶生产者用载流子寿命来表征直拉硅单晶的质量,并用于研究可能造成质量下降的缺陷。IC集成电路公司也用载流子寿命来表征工艺过程的洁净度,并用于研究造成器件性能下降的原因。此时就要求相应的测试设备是无破坏,无接触,无污染的,而且样品的制备不能十分复杂,由此推动了测试设备的发展。 然而对载流子寿命测试起重要推动作用的,是铁硼对形成和分解的发现[5,6],起初这只是被当作一种有趣的现象,并没有被应用到半导体测试中来。直到Zoth 和Bergholz发现,在掺B半导体中,只要分别测试铁硼对分解前后的少子寿命,就可以知道样品中铁的浓度[7]。由于在现今的晶体生长工艺中,铁作为不锈钢的组成元素,是一种重要的金属沾污,对微电子器件和太阳能电池的危害很严重。通过少数载流子寿命测试,就可以得到半导体中铁沾污的浓度,这无疑是一次重大突破,也是半导体材料参数测试与器件性能表征的完美结合。之后载流子寿命测试设备迅速发展。 目前,少数载流子寿命作为半导体材料的一个重要参数,已作为表征器件性能,太阳能电池效率的重要参考依据。然而由于不同测试设备在光注入量,测试频率,温度等参数上存在差别,测试值往往相差很大,误差范围可能在100%,甚至以上,因此在寿命值的比较中要特别注意。 概括来说,少数载流子寿命的测试及应用经历了一个漫长的发展阶段,理论上,从简单的载流子复合机制到考虑测试结果的影响因素。应用上,从单纯地用少子寿命值作为半导体材料的一个参数,到把测试结果与半导体生产工艺结合起来考虑。测试设备上,从简陋,操作复杂到精密,操作简单,而且对样品无接触,

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,即少数载流子,是半导体物理的概念。它相对于多子而言。 半导体材料中有电子和空穴两种载流子。如果在半导体材料中某种载流子占少数,导电中起到次要作用,则称它为少子。如,在 N型半导体中,空穴是少数载流子,电子是多数载流子;在P型半导体中,空穴是多数载流子,电子是少数载流子。 多子和少子的形成:五价元素的原子有五个价电子,当它顶替晶格中的四价硅原子时,每个五价元素原子中的四个价电子与周围四个硅原子以共价键形式相结合,而余下的一个就不受共价键束缚,它在室温时所获得的热能足以便它挣脱原子核的吸引而变成自由电子。出于该电子不是共价键中的价电子,因而不会同时产生空穴。而对于每个五价元素原子,尽管它释放出一个自由电子后变成带一个电子电荷量的正离子,但它束缚在晶格中,不能象载流子那样起导电作用。这样,与本征激发浓度相比,N型半导体中自由电子浓度大大增加了,而空穴因与自由电子相遇而复合的机会增大,其浓度反而更小了。 少子浓度主要由本征激发决定,所以受温度影响较大。 香港永先单晶少子寿命测试仪 >> 单晶少子寿命测试仪 编辑本段产品名称 LT-2单晶少子寿命测试仪 编辑本段产品简介 少数载流子寿命(简称少子寿命)是半导体材料的一项重要参数,它对半导体器件的性能、太阳能电池的效率都有重要的影响.我们采用微波反射光电导衰减法研制了一台半导体材料少子寿命测试仪,本文将对测试仪的实验装置、测试原理及程序计算进行了较详细的介绍,并与国外同类产品的测试进行比较,结果表明本测试仪测试结果准确、重复性高,适合少子寿命的实验室研究和工业在线测试. 技术参数: 测试单晶电阻率范围 >2Ω.cm 少子寿命测试范围 10μS~5000μS 配备光源类型 波长:1.09μm;余辉<1 μS; 闪光频率为:20~30次/秒; 闪光频率为:20~30次/秒; 高频振荡源 用石英谐振器,振荡频率:30MHz 前置放大器 放大倍数约25,频宽2 Hz-1 MHz 仪器测量重复误差 <±20%

高频光电导衰减法测量Si 中少子寿命 预习报告: 一,什么是少子寿命? 少子,即少数载流子。少子寿命指少子的平均生存时间,寿命标志少子浓度减少到原值的1/e 所经历的时间。少数载流子寿命是与半导体中重金属含量、晶体结构完整性直接有关的物理量。它对半导体太阳电池的换能效率、半导体探测器的探测率和发光二极管的发光效率等都有影响。 二,如何测量少子寿命? 测量非平衡少数载流子寿命的方法有许多种,分别属于瞬态法和稳态法两大类。本实验采用高频光电导衰减法测量Si 中少子寿命。 三,实验原理: 当能量大于半导体禁带宽度的光照射样品时,在样品中激发产生非平衡电子和空穴。若样品中没有明显的陷阱效应,那么非平衡电子(?n )和空穴(?p)的浓度相等,它们的寿命也就相同。样品电导率的增加与少子浓度的关系为n q p q n p ?+?=?μμσ当去掉光照,少子密度将按指数衰减,即τ t e p -∝?,因此导致电导率为τ σt e - ∝?。 高频源提供的高频电流流经被测样品,当红外光源的脉冲光照射样品时,单晶体内产生的非平衡光生载流子使样品产生附加光电导,从而导致样品电阻减小。由于高频源为恒压输出,因此流经样品的高频电流幅值增加?I ,光照消失后,?I 逐渐衰减,其衰减速度取决于光生载流子在晶体内存在的平均时间,即寿命。在小注入条件下,当光照区复合为主要因素时,?I 将按指数规律衰减,此时取样器上产生的电压变化?V 也按同样的规律变化,即 τt e V V - ?=?0 图2指数衰减曲线 一, Si. t

?V~t 曲线: (一) (二) (三) 计算少子寿命: 电压满足τ t e V V -?=?0,在测量数据中,由于时间原点的不同选择,t 的绝对值不同, 但是相对值相同。任选两个点(t 1,?V 1),(t 2,?V 2),有?V 1=?V 0e ? t 1+?t τ ,?V 2=?V 0e ? t 2+?t τ ,

Abruptness of a-Si:H/c-Si interface revealed by carrier lifetime measurements Stefaan De Wolf and Michio Kondo Citation: Appl. Phys. Lett. 90, 042111 (2007); doi: 10.1063/1.2432297 View online: https://www.wendangku.net/doc/e618396762.html,/10.1063/1.2432297 View Table of Contents: https://www.wendangku.net/doc/e618396762.html,/resource/1/APPLAB/v90/i4 Published by the AIP Publishing LLC. Additional information on Appl. Phys. Lett. Journal Homepage: https://www.wendangku.net/doc/e618396762.html,/ Journal Information: https://www.wendangku.net/doc/e618396762.html,/about/about_the_journal Top downloads: https://www.wendangku.net/doc/e618396762.html,/features/most_downloaded Information for Authors: https://www.wendangku.net/doc/e618396762.html,/authors

Abruptness of a-Si:H/c-Si interface revealed by carrier lifetime measurements Stefaan De Wolf a?and Michio Kondo National Institute of Advanced Industrial Science and Technology(AIST),Central2,1-1-1Umezono, Tsukuba,Ibaraki305-8568,Japan ?Received27September2006;accepted15December2006;published online26January2007? Intrinsic hydrogenated amorphous silicon?lms can yield outstanding electronic surface passivation of crystalline silicon wafers.In this letter the authors con?rm that this is strongly determined by the abruptness of the interface.For completely amorphous?lms the passivation quality improves by annealing at temperatures up to260°C,most likely by?lm relaxation.This is different when an epitaxial layer has been grown at the interface during?lm deposition.Annealing is in such a case detrimental for the passivation.Consequently,the authors argue that annealing followed by carrier lifetime measurements allows determining whether the interface is abrupt.?2007American Institute of Physics.?DOI:10.1063/1.2432297? Hydrogenated amorphous silicon?a-Si:H??lms depos-ited on crystalline silicon?c-Si?surfaces have increasingly attracted attention over the past20years.Initially,it was discovered that abrupt electronic heterojunctions can be cre-ated with such structures.1Soon afterwards applications fol-lowed,including bipolar transistors,2imaging devices,3and solar cells.4For the latter it was recognized that the output parameters bene?t substantially from inserting a few nano-meter thin intrinsic a-Si:H?i??lm between the doped amor-phous emitter and c-Si substrate.For solar cells that feature a similar heterostructure back surface?eld,impressive energy conversion ef?ciencies exceeding21%have been reported.5 The role of the a-Si:H?i?buffer layer has been discussed in literature?see,e.g.,Refs.6–12?:It is known that such?lms can yield outstanding surface passivation for c-Si surfaces,13 but also that growth of an epitaxial interface during a-Si:H?i?deposition is detrimental for heterojunction device performance.12For hot wire chemical vapor deposited ?CVD?a-Si:H,where no ion bombardment takes place, abrupt interfaces have been obtained either by limiting the deposition temperature T depo?Ref.14?or by terminating the c-Si surface with a SiN x monolayer prior to a-Si:H deposition.15The abruptness of the interface,i.e.,whether instant a-Si:H deposition on c-Si occurred without initial epitaxial growth,was in these studies determined either by transmission electron microscopy?TEM??Refs.12,14,and 15?or by?in situ?spectroscopic ellipsometry?SE?,16for which mirror polished surfaces are desirable.To gain know- ledge about the electronic surface passivation properties of these interfaces,the most straightforward technique is by measuring the effective carrier lifetime?eff of the samples. Such measurements are known to be extremely sensitive, allowing for detection of bulk defect densities as low as 109–1011cm?3in a simple,contactless technique at room temperature.17 In this letter,we show that by low temperature?up to 260°C?postdeposition annealing,the surface passivation quality of direct plasma enhanced?PE?CVD a-Si:H?i??lms improves when the a-Si:H/c-Si interface is abrupt.This contrasts with the case when an epitaxial?lm has been grown at the interface,where the surface passivation quality is seen to degrade signi?cantly by a similar annealing treat-ment.Consequently,we argue that annealing followed by carrier lifetime measurements allows accurate determination of the onset of epitaxial growth in an easy-to-use way which is not restricted to polished c-Si surfaces. For the experiments,300?m thick relatively low resistivity??3.0?cm?boron-doped?oat zone?100??FZ?-Si?p?wafers have been used.Both surfaces of the sub-strates were mirror polished to eliminate the in?uence of substrate surface roughness on the passivation properties18 and to allow for SE measurements.For predeposition surface cleaning,the samples were?rst immersed in a ?H2SO4:H2O2??4:1?solution for10min to grow a chemical oxide,which was followed by a rinse in de-ionized water. The oxide was then stripped off in a dilute HF solution?5%?for30s.After this the samples were immediately transferred to the load lock of the deposition system.For?lm deposi-tion,a parallel plate direct PECVD reactor operated at radio frequency?rf??13.56MHz?power was used,in which the samples were mounted at the top electrode.The electrode distance and diameter were respectively20and230mm.An undiluted SiH4?ow of20SCCM?SCCM denotes cubic cen-timeter per minute at STP?was used and the chamber was maintained at low pressure?0.5Torr?.The value for T depo was varied from105to255°C.The rf power absorbed by the plasma was5W.This is the minimal power required to maintain a stable plasma at the given deposition conditions. To evaluate the surface passivation quality,identical?lms of about50nm thick were deposited on both wafer surfaces. After deposition,the samples were consecutively annealed in a vacuum furnace?30min,with annealing temperatures T ann ranging from120to260°C?.In between the annealing steps,the value for?eff of the samples was measured with a Sinton Consulting WCT-100quasi-steady-state photocon-ductance system,19operated in the so-called generalized mode.Since high quality FZ-Si wafers have been used throughout the experiments,the contribution of the bulk to the total recombination expressed by?eff can be neglected.In such a case,the effective surface recombination velocity S eff, which value can be regarded as a direct measure for the passivation quality of the?lms present at the surfaces,may a?Electronic mail:stefaan.dewolf@aist.go.jp APPLIED PHYSICS LETTERS90,042111?2007? 0003-6951/2007/90?4?/042111/3/$23.00?2007American Institute of Physics 90,042111-1

施美乐博公司上海代表处 上海浦东新区商城路738号胜康廖氏大厦906A (邮编:200120 Rm.906A,Suncome Liauw's Plaza, No.738, Shangcheng Road, Pudong,Shanghai 200120, China Tel: +86-21-58362889 Fax: +86-21-58362887 To : Semilab 产品用户 FROM : 黄黎 / Semilab Shanghai Office Pages : 5 Pages (included this page Refer : 1、Semilab 公司上海办事处联系方法 2、关于少子寿命测试若干问题的讨论 尊敬的Semilab 产品用户: 感谢您和贵公司一直以来对我们的支持! 为了更好地服务于中国客户,Semilab 公司现已在上海成立办事处。 具体的联系方法为: 施美乐博公司上海办事处 上海浦东新区商城路738号胜康廖氏大厦906A (邮编:200120 Tel: +86-21-58362889 Fax: +86-21-58362887 联系人:黄黎先生

手机: +86-138******** (Shanghai +86-135******** (Beijing E-mail: leon.huang@https://www.wendangku.net/doc/e618396762.html, Website: https://www.wendangku.net/doc/e618396762.html, 现提供关于少子寿命测试若干问题的讨论,供您参考,并烦请填写客户意见反馈表,传真给我们,以便我们改进工作,谢谢!如您还有任何问题或需要,请随时与我们联系。 此致 敬礼! 施美乐博公司上海办事处 2006年4月7日 施美乐博公司上海代表处 上海浦东新区商城路738号胜康廖氏大厦906A (邮编:200120 Rm.906A,Suncome Liauw's Plaza, No.738, Shangcheng Road, Pudong,Shanghai 200120, China Tel: +86-21-58362889 Fax: +86-21-58362887 关于少子寿命测试若干问题的讨论 鉴于目前Semilab 少子寿命测试已在中国拥有众多的用户,并得到广大用户的一致认可。现就少子寿命测试中,用户反映的一些问题做出如下说明,供您在工作中参考: 1、Semilab μ-PCD 微波光电导少子寿命的原理

实验一光电导衰退测量少数载流子的寿命 一、实验目的 1.理解非平衡载流子的注入和复合过程; 2.了解非平衡载流子寿命的测量方法; 3.学会光电导衰退测量少子寿命的实验方法。 二、实验原理 半导体中少数载流子的寿命对双极型器件的电流增益、正向压降和开关速度等起着决定性作用。半导体太阳能电池的换能效率、半导体探测器的探测率和发光二极管的发光效率也和载流子的寿命有关。因此,半导体中少数载流子寿命的测量一直受到广泛的重视。 处于热平衡状态的半导体,在一定的温度下,载流子浓度是一定的,但这种热平衡状态是相对的,有条件的。如果对半导体施加外界作用,破坏了热平衡的条件,这就迫使它处于与热平衡状态相偏离的状态,称为非平衡状态。处于非平衡状态的半导体,其载流子浓度也不再是 n0 和 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,有时也称为过剩载流子。要破坏半导体的平衡态,对它施加的外部作用可以是光,也可以是电或是其它的能量传递方式。常用到的方式是电注入,最典型的例子就是 PN 结。用光照使得半导体内部产生非平衡载流子的方法,称为非平衡载流子的光注入,光注入时,非平衡载流子浓度Δn=Δp。 当外部的光注入撤除以后,注入的非平衡载流子并不能一直存在下去,它们要逐渐消失,也是原来激发到导带的电子又回到价带,电了和空穴又成对的消失了。最后,载流子浓度恢复到平衡时的值,半导体又回到平衡态,过剩载流子逐渐消失,这一过程称为非平衡载流子的复合。实验表明,光照停止后,Δp 随时间按指数规律减少。这说明非平衡载流子不是立刻全部消失,而是有一个过程,即它们在导带和价带中有一定的生存时间,有的长些,有的短些。非平衡载流子的平均生存时间称为非平衡载流子的寿命,用t 表示。由于相对于非平衡多数载流子,非平衡少数载流子的影响处于主导的、决定的地位,因而非平衡载流子的寿命通常称为少数载流子寿命。显然 1/t 就表示单位时间内非平衡载流子的复合概率。通常把单位时间单位体积内净复合消失的电子-空穴对数称为非平衡载流子的复合率。很明显,Δp/t 就代表复合率。 以光子能量略大于半导体禁带宽度的光照射样品,在样品中激发产生非平衡电子和空穴。若样品中没有明显的陷阱效应,那么非平衡电子和空穴浓度相等,他们的寿命也就相同。如果所采用的光在半导体中的吸收系数比较小,而且非平衡载流子在样品表面复合掉的部分可以忽略,那么光激发的非平衡载流子在样品内可以看成是均匀分布。假定一束光在一块n型半导体内部均匀的产生非平衡载流子Δn和Δp。在t=0时刻,光照突然停止,Δp 随时间而变化,单位时间内非平衡载流子浓度的减少应为-dΔp(t)/dt,它由复合引起,因此应当等于非平衡载流子的复合率,即

实验:半导体少子寿命的测量 一.实验的目的与意义 非平衡少数载流子(少子)寿命是半导体材料与器件的一个重要参数。其测量方法主要有稳态法和瞬态法。高频光电导衰退法是瞬态测量方法,它可以通过直接观测少子的复合衰减过程测得其寿命。 通过采用高频光电导衰退法测量半导体硅的少子寿命,加深学生对半导体非平衡载流子理论的理解,使学生学会用高频光电导测试仪和示波器来测量半导体少子寿命。 二.实验原理 半导体在一定温度下,处于热平衡状态。半导体内部载流子的产生和复合速度相等。电子和空穴的浓度一定,如果对半导体施加外界作用,如光、电等,平衡态受到破坏。这时载流子的产生超过了复合,即产生了非平衡载流子。当外界作用停止后,载流子的复合超过产生,非平衡少数载流子因复合而逐渐消失。半导体又恢复平衡态。载流子的寿命就是非平衡载流子从产生到复合所经历的平均生存时间,以τ来表示。 下面我们讨论外界作用停止后载流子复合的一般规律。 当以恒定光源照射一块均匀掺杂的n 型半导体时,在半导体内部将均匀地产生非平衡载流子Δn 和Δp 。设在t=0时刻停止光照,则非平衡载流子的减少-d Δp /dt 应等于非平衡载流子的复合率Δp (t )/τ。1/τ为非平衡载流子的复合几率。即: ()τ t p dt p d ?=?- (1-1) 在小注入条件下,τ为常量,与Δp (t )无关,这样由初始条件:Δp (0)=(Δp )0可解得: ()τt e p t p -?=?0 (1-2) 由上式可以看出: 1、 非平衡载流子浓度在光照停止后以指数形式衰减,Δp (∝)=0,即非平衡载流子浓度随着时间的推移而逐渐消失。 2、 当t=τ时,Δp (τ)=(Δp )0/e 。即寿命τ是非平衡载流子浓度减少到初始值的1/e 倍所经过的时间。因此,可通过实验的方法测出非平衡载流子对时间的指数衰减曲线,由此测得到少子寿命值τ。 图1-1 高频光电导衰退法测量原理图

在硅的各种加工过程中,硅表面上通常都有离子吸附,它们引起半导体内的表面势垒产生耗尽层或反型层。光照在半导体表面时,能量稍大于半导体禁带宽度的光子,将会把价带中的电子激发到导带,从而形成电子空穴对,并向低密度区扩散。由于表面上存在着耗尽区,其电场将电子-空穴分离,产生表面光电压(SPV )。 理论计算 α-=++1 Φ1()(1)eff P A S V L L (1) 其中对于耗尽层 A =qn 0/KT exp(qV /KT ) 对于反型层 A =qu i 2/KTn O 在小注入条件下寿命值τ与扩散长度L 的关系,即:L = 2 L D τ=,扩散系数D 为已知常数,因此通过扩散长度测量可以立即计算出寿命值。 用SPV 测量扩散长度的方法: (1)恒定表面光电压法,其特点是测量过程中单色光的波长度变化时,表面

光电压恒定不变,可对电阻率为0.1~6Ω·cm 、少子寿命短到20ns 的硅单晶进行测量。一般认为表面光电压(ΔV)是非平衡载流子浓度的函数。根据光照强度Φ与表面光电压△V 的函数关系: )11()(L M V F α+ ?=Φ /(1)S D L M B R +=- (2) 其中,对于给定的样品,M 是一个常数,对于F (△V )在测量过程中,即在改变 光源波长时(吸收系数α随之而和),调节光强Φ,使表面光电压△V 保持不变,于是F (△V )在测量过程中也保持为常数,在数次改变波长(即改变α-1)后, 得到相应的Φ值,即有一组:α-11,Φ1;α-12,Φ2;……α-1n ,Φn 数据,以Φ 为纵标,α-1为横座标,联成一直线,并将直线延长到Φ=0得: 1)L αΦ=0=(1+ (3) 该直线的截距即为要测的扩散长度(样品(或处延层) 的厚度必须大于4倍扩散长度,如果小于扩散长度的一半,则测得的不是在外延层中的扩散长度,而是衬底中的扩散长度), 如图所示: (2)恒定光通量法 即Φeff 是恒定的。根据(1)式 )11)((1 -++=?ΦαL L D S A V eff 扩散长度L 可以Φeff/△V 对α-1的直线图确定 (3)

少子寿命的测试问题 鉴于目前 Semilab 少子寿命测试已在中国拥有众多的用户,并得到广大用户的一致认可。现就少子寿命测试中,用户反映的一些问题做出如下说明,供您在工作中参考: 1、Semilabμ-PCD 微波光电导少子寿命的原理微波光电导衰退法(Microwave photoconductivity decay)测试少子寿命,主要包括激光注入产生电子-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。 少子寿命主要反映的是材料重金属沾污及缺陷的情况。 Semilab μ-PCD 符合ASTM 国际标准F 1535 - 00 2、少子寿命测试的几种方法 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 3、表面处理和钝化的原因 μ-PCD 测试的是少子有效寿命,它受两个因素影响:体寿命和表面寿命。 测试的少子寿命可由下式表示

实验2 高频光电导衰退法测量硅单晶少子寿命 1. 实验目的 掌握一种测量硅单晶少子寿命的方法。 2. 实验内容 用高频光电导衰退法测量硅单晶棒或单晶片的少子寿命。 3. 实验原理 3.1 直流光电导衰退法 直流光电导衰退法是根据恒定电流作用下半导体样品的光电导随时间衰减的特性来测量少子寿命的。其测试简图见图1 。图中,R 是被测半导体样品的体电阻,E 是直流电源,R C 是测试回路的限流电阻,且选择R R C >>,故可近似认为流过样品的电流I 恒定不变。这样,用示波器记录光照停止后R 两端电压随时间的变化就等同于记录R 随时间的变化,实际上也就是记录半导体中非平衡载流子浓度随时间的衰减的曲线,由此衰减曲线就可以得到单晶材料的少子寿命。 以N 型半导体为例,设样品暗电导率为0σ,光照下的电导率为σ,那么 ()100n q n μσ= ()20σ σσ?+= 式(2)中,σ?为附加光电导率。假设光注入下非平衡载流子浓度为p n ??,,若无明显的陷阱效应,近似有p n ?=?,所以附加光电导(σ?)与非平衡少数载流子浓度(p ?)之间有如下关系 () ()3p n pq μμσ+?=? 在小注入条件下,近似有0σσ≈,故光照条件下电阻率的改变量为 ()4112 0σσσρ?-≈-=?

相应电阻的改变量近似为 ()520 σσ ρs l s l R ?-=?= ? 式中s l ,分别为样品的长度和截面积。将式(1)、(3)代入式(5),得到 ()60 0R n p R n p n ?+??-=?μμμ 式中,n q n R μ00=,它是无光照条件下半导体样品的体电阻。于是,样品体电阻(R )两端电压的改变量为 ()()7000V n p IR n p R I V n p n n p n μμμμμμ+?-=+?-=?=? 把式(7)换一种写法,可以得到光照前后样品两端电压的相对变化与样品中少数载流 子浓度之间的关系 ()80n p n n p V V μμμ+?-=? 式中V 为无光照时直流电流I 在样品上产生的电压降。 由式(8)可以看出,光照后被测样品上电压的相对变化()V V ?与非平衡载流子浓度()p ?成正比,同时也与光注入的注入比()0n p ?成正比。由半导体物理可知,在光照停止以后,半导体中由外部光照产生的非平衡少数载流子,遵循指数衰减规律而复合消失,即 ()90τ t e p p -?=? 式中0p ?为光照停止瞬间少数载流子的浓度, t 为时间,τ为少子寿命。因为p ?在光照停止后是随时间减少的,所以V ?也是随时间减少的。由此可见,当脉冲光照射样品时,从示 波器上观察的电压随时间变化曲线所反应的是,两次脉冲光照间隙光生非平衡载流子衰减的曲线,只要测出该曲线的衰减常数就可以由式(9)得到非平衡少数载流子的寿命τ。 3.2 高频光电导衰退法 高频光电导衰退法测少子寿命的示意图见图2。它主要由光学和电学这两部分组成。光学部分主要是脉冲光源系统。充电到数千伏的电容器经脉冲电源触发放电,为氙气灯提供电源,使其给出余辉时间小于s μ10的光脉冲(1次/秒),再经过光栏、聚光镜、滤光片投射于被测样品表面。这种光源光强度大,频谱丰富,能为硅、锗提供能量高于吸收边的有效激发光(硅的本征吸收边波长为m μ1.1),在样品厚度范围内产生分布均匀的非平衡载流子。但是由于短波强吸收光只在样品表面产生非平衡载流子,并在表面处复合掉,故高阻、中阻单晶要用硅或锗滤光片滤去强吸收短波光,以减小表面效应。对于s μτ10<的样品采

实验二光电导衰退测量少数载流子的寿命 实验项目性质:综合实验 所涉及课程:半导体物理、半导体材料 计划学时:2学时 一、实验目的 1.理解非平衡载流子的注入与复合过程; 2.了解非平衡载流子寿命的测量方法; 2.学会光电导衰退测量少子寿命的实验方法。 二、实验原理 半导体中少数载流子的寿命对双极型器件的电流增益、正向压降和开关速度等起着决定性作用。半导体太阳能电池的换能效率、半导体探测器的探测率和发光二极管的发光效率也和载流子的寿命有关。因此,半导体中少数载流子寿命的测量一直受到广泛的重视。 处于热平衡状态的半导体,在一定的温度下,载流子浓度是一定的,但这种热平衡状态是相对的,有条件的。如果对半导体施加外界作用,破坏了热平衡的条件,这就迫使它处于与热平衡状态相偏离的状态,称为非平衡状态。处于非平衡状态的半导体,其载流子浓度也不再是n0和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,有时也称为过剩载流子。要破坏半导体的平衡态,对它施加的外部作用可以是光,也可以是电或是其它的能量传递方式。常用到的方式是电注入,最典型的例子就是PN结。用光照使得半导体内部产生非平衡载流子的方法,称为非平衡载流子的光注入,光注入时,非平衡载流子浓度Δn=Δp。 当外部的光注入撤除以后,注入的非平衡载流子并不能一直存在下去,它们要逐渐消失,也是原来激发到导带的电子又回到价带,电了和空穴又成对的消失了。最后,载流子浓度恢复到平衡时的值,半导体又回到平衡态,过剩载流子逐渐消失,这一过程称为非平衡载流子的复合。实验表明,光照停止后,Δp随时间按指数规律减少。这说明非平衡载流子不是立刻全部消失,而是有一个过程,

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