太阳能级单晶硅少子寿命测量的探讨.doc

单晶硅非平衡少数载流子寿命测试文集浙江金贝太阳能科技有限公司编译2014年6月16日前 言硅载流子复合寿命的测量一直是国内外半导体行业十分重视的课题，我们列出ASTM、SEMI标准中三个涉及寿命测量的方法：1、SEM1 MF28-02（2003年11月出版）Test Methods for Minority-Carrier Lifetime in Bulk Germanium and Silicon by Measurement of Photoconductivity Decay光电导衰退测量锗和硅体少数载流子寿命的测量方法。2、SEMI MI535-1104（2004年11月出版）Standand Test Method for Carrier Recombination Lifetime in Silicon wafers by Noncontact Measurement of Photoconductivity Decay by Microwave Reflectance 微波反射无接光电导衰退测量硅片载流子复合寿命测试方法。3、ASTM Designation:F391-96Standard Test Methods for Minority Carrier Diffusion Length in Extrinsic Semiconductors by Measurement of Steady-state Surface Photovoltage用稳态表面光电压测量半导体中少数载流子扩散长度的标准方法。第1个标准（MF28）是美国材料试验协会最早发佈的寿命测试标准，它针对体形规则表面经研磨的单晶计算出最大可测体寿命，这个标准阐述了测量锗、硅单晶体寿命的经典方法，并在近年来又做了一些重要补充和修订，但我国现有版本的译文是1987年根据ASTM 1981年重新审批的28-75文本翻译的，距今已有二十多年了。第2个标准（M1535-1104），侧重阐述了表面复合速度对硅片寿命测量的影响，并给出减少表面复合影响的处理方法，是测准硅片寿命的重要文献，但至今尚未见到中译本。1、2两个标准都是我国很多从事寿命测量的技术人员和领导深入了解寿命测量时很需要参考的重要资料，也是我们公司在研制寿命仪的过程中必须比较透彻了解的两个标准，因此，公司请王世进总工及单晶硅测试方面的老专家江瑞生老师对上述标准进行了翻译，现将译文及有关本公司寿命测量的资料汇编在一起，希望能对半导体行业的同仁们有所助益，也作为对中国有色金属工业标准计量质量研究所在银川组织召开，由西安隆基硅材料有限公司承办的太阳能级单晶硅国标讨论会的一个献礼。浙江金贝太阳能科技有限公司目 录1.太阳能级单晶硅少子寿命测量的探讨12.SEMI MF 28-02 光电导衰退测量锗和硅体少数载流子寿命的测量方法33.SEMI MF1535-1104 微波反射无接触光电导衰退测量硅片载流子复合寿命测试方法16相关资料1注入水平探讨 25 相关资料2载流子复合寿命的温度关系 28 相关资料3少数载流子复合寿命314.SPV法检测硅材料性能的新进展35太阳能级单晶硅少子寿命测量的探讨我国半导体单晶硅、锗的少子寿命测量，从研究测试方法及设备到生产寿命测试仪器，已有近50年的历史。80年代初我国开始生产硅单晶少子寿命测试仪，其中上海电动工具研究所、浙江大学、广州半导体材料研究所都小批量生产过高频光电导衰退寿命测试仪，解决了我国区熔单晶、集成电路级硅单晶的少子寿命测试问题。在中国有色金属工业标准所的组织下，高频光电导衰退法的寿命测量精度通过国内十多个单位所做的巡回检测中得到了肯定，并定为国家标准测试方法，但这些国产仪器一直被认为只能测量电阻率大于13cm的硅单晶少子寿命，因此未进入电阻率范围在0.56cm的太阳能硅单晶领域。近年来随着仪器设备的改进以及对单晶硅表面处理工艺的研究，我国高频光电导衰硅单晶少子寿命测试仪的测试下限（如LT-1D）已远低于0.1cm，甚至达到0.01cm。因此太阳能硅单晶生产企业可以尝试使用国产的寿命仪检测硅单晶少子寿命。目前太阳能硅电池生产企业普遍采用了国外的微波反射光电导衰退法测量硅片寿命，这种方法简称为“PCD”法，与我国使用了几十年的高频光电导衰退寿命测量方法（简称“HFPCD”），同属光电导衰退法（PCD法），两者之间有共同之处亦有差异，下面列表加以说明。高频光电导衰退（HFPCD）与微波光电导衰退（PCD）方法及设备的对照表（以浙江金贝太阳能科技有限公司的LT-1型与匈牙利SemiLab Rt.WT-1000为例）方法（设备） 参数HFPCD（LT-1）PCD（WT-1000）光源波长1.07m0.904m（904nm）光在硅单晶中的贯穿深度220m30m寿命可测范围5s6000s0.25s1ms工作频率30MHz10GHz电阻率下限0.01cm0.1cm读数方式用示波器读数通过数据处理软件由电脑读数校核方法配0.7、1mm校核片偏差20%精度尚未确定注：贯穿深度是根据光吸收公式：I=I0e-x计算，其中为光在硅单晶中的吸收係数，据文献资料（Silicon Semiconductor Technology W.R.Runyan）报导：300K时，1.07m波长的光在硅单晶中的吸收係数1.07.610cm-1；0.904波长光吸收係数为：0.95.6102cm-1。例如：=0.904波长的光，进入硅单晶后，当时，X=17.9m，当 时，约为30m。从上表可以看出，两种设备所用的光源波长均在SEM1 MF1535-1104标准规定的范围内：0.91.1m，只是一个较长，一个较短，从而引起光贯穿（注入）深度不一样。我们认为0.904波长的光较适合测薄片，1.07的光更适合测体内寿命。在北京有色金属研究总院及万向硅峯公司做过两种方法（设备）的对比检测，对于寿命为40s左右的硅片及锗片，两种设备的测量结果非常一致，但对于寿命较低及厚度较厚的样片测量，结果相差较大，往往是用HFPCD设备测出寿命值较高，例如在万向硅峯用浙大及昆德公司生产的HFPCD设备测量同一样片（电阻率13cm），寿命值均为200s，而用WT-1000测量只有15s，我们认为这是由于0.904波长的光注入深度只有30m，受表面状态的干扰较大，如果样片表面都按SEM1MF1535-1104中规定的方法严格处理，测量值就不会相差这么大。硅片表面状态对寿命值测量的影响要视硅单品本身体寿命的大小而定，只要表面复合寿命比体寿命大10倍，就看不出表面对测量的干扰，但是在体寿命较高，而表面很差（复合速度很高时）时，表面状态对寿命测量的干扰就太大了。单晶表面状态不同会导致表面复合速度的极大差别。举例如下：最好的干氧热氧式腐蚀抛光表面，表面复合速度仅有0.25cm/秒，对厚度0.5mm的样片，可测量高于1ms（与表观寿命相等）的体寿命。相反，表面研磨0.5mm厚的硅片，表面复合速度高达107cm/秒，即使其体寿命很高（如1ms）测出的表观寿命值也只有20s，这是因为此时测出的寿命只与厚度有关，而与体寿命相差很远了。这个结果可以按SEM1 MF28-02给出的计算公式推演出来：O=（-Rs）-1 O体寿命 F表观寿命 RS表面复合速率上式可以改写成：当薄片厚度为，半径为r时， D少子扩散係数电子扩散係数（Si）：38厘米2/秒，空穴扩散係数（Si）：13厘米2/秒当时，RS= ，此时，在表面复合速度很高，也就是RS很大时，因此， 我们可以利用以上原理为寿命测试做校核片，考核仪器测量的精度（详见浙江大学半导体材料研究室：测准硅单晶少子寿命的讨论）。太阳能级单晶硅片的特点是很箔，一般在200m左右，表现寿命测量值受表面状态的干扰很大，但生产企业不可能按国际校标准或国家标准对每片硅片进行严格的表面处理，往往对线切割机切出的硅片直接测量，我们认为这些企业应该对这种切割表面的状态（主要指表面复合速度的大小及稳定性）作一些认真的评估，弄清表观寿命值与真正体寿命值的差别，否则测出的寿命值对指导和监控生产就缺乏坚实的科学基础。做好这些评估工作对适当制定太阳能级硅单晶少子寿命的具体指标也很重要。SEMI MF 28-02光电导衰退测量锗和硅体少数载流子寿命的测量方法本标准最初由ASTM国际发布为ASTM F28-63T。它由ASTM投票程式正式批准，并遵守ASTM专利要求。虽然本标准的所有权已移交到SEMI，但它未经SEMI投票程式正式批准，它既不遵从SEMI关于专利的规则，也不遵从SEMI的编辑准则。2003年10月它在网站上发表，并在2003年11月出版。最末一个版本由ASTM国际发布为ASTM F28-02。1. 范围1.1 本方法包含非本征锗或硅单晶块体样品与载流子复合过程相关的少数载流子寿命的测量。1.2 本方法基于测量光脉冲产生载流子之后的样品电导率的衰退。包括下列两种测量方法：1.2.1 测量方法A脉冲法。适于锗和硅。11.2.2 测量方法B斩波法。专用于电阻率1Wcm的硅样品。21.3 从样品可反复进行测量的意义上说，两种方法都是非破坏性的，但方法要求特殊尺寸的棒条样品（见表1）及表面条件（研磨），一般说它们不适于再作它用。 1.4 最低可测寿命值取决于光源关断特性，而最高寿命值主要取决于测量样品的尺寸（见表2）。注1少数载流子寿命也可以从按测量方法F391表面光电压（SPV）方法测出的扩散长度推导得到。少数载流子寿命为扩散长度的平方除以少数载流子扩散系数，后者可从漂移迁移率算出。SPV测量主要对少数载流子敏感，多数载流子的影响由于表面耗尽区的作用而受到抑制，结果使SPV测出的寿命总是比光电导衰退（PCD）法测出的寿命短，因为光电导除包含少数载流子外还包含多数载流子的贡献。当陷阱不存在时，假定SPV测量中吸收系数数值正确，PCD测量中表面复合的贡献被正确计入，SPV方法和PCD方法应得到相同的寿命值（1）。31.5 本标准不打算述及在其应用中可能会遇到的所有的安全问题。在使用前制订适宜的安全及健康操作方法并确定规章限制的适用性，是本标准使用者的责任。特定的危害陈述见第9节。2. 参考文档2.1 ASTM标准：D5127 用于电子和半导体工业的超纯水指南4F42 非本征半导体材料导电类型的测量方法5F43 半导体材料电阻率的测量方法5F391 稳态表面光电压测量非本征半导体少数载流子扩散长度的测量方法52.2 其它标准：DIN 50440/1 光电导衰退法测量硅单晶载流子寿命：棒状测量样品的测量3IEEE标准225 光电导衰退法测量锗和硅少数载流子寿命23. 术语3.1 定义：3.1.1 （均质半导体）少数载流子寿命少数载流子产生与复合之间的平均时间间隔。3.2 本标准特定定义：3.2.1 样条寿命如下定义的光电导电压衰退时间常数tF(mS)：DV=DV0exp(-t/tF)其中：DV=光电导电压（V），DV0=光电导电压峰值或饱和值（V），t=时间(mS)。4. 测量方法提要4.1 测量方法A直流电流借助两端的欧姆接触通过一块具有研磨表面的均质半导体单晶样品，样品上的电压降在示波器上观测。能量接近于禁带隙的短脉冲光在短暂的时间内在样品内部产生过剩载流子。光脉冲触发示波图形，从示波图上测量光脉冲停止后电压衰退的时间常数。如果样品的电导率调制很小，则观测到的电压衰退与光注入载流子的衰退等同，因之电压衰退的时间常数等于过剩载流子衰退的时间常数，少数载流子寿命从该时间常数确定。要求陷阱效应要消除，表面复合和过量电导率调制的修正要进行。4.2 测量方法B本测量方法专用于硅，除了过剩载流子是由斩波光而不是脉冲光产生外，与测量方法A相同。光波长规定在1.0到1.1mm之间。此外，本法要求满足低注入水平条件以避免过量电导率调制效应，并给出特殊的接触步骤以保证形成欧姆接触；在示波器之前可采用信号调整。要求进行表面复合修正。在测量条件下产生非指数信号的测量样品是不适于测量的。5. 意义和用途5.1 少数载流子寿命是半导体材料基本参数之一。很多金属杂质在锗和硅中形成复合中心。在很多情况下这些复合中心对器件和电路的性能有害；在其它一些情况下，复合特性必须仔细地进行控制以获得期望的器件性能。5.1.1 如果自由载流子浓度不太高，少数载流子寿命由此类复合中心控制。由于不能分辨复合中心的类型，少数载流子寿命的测量仅提供材料中金属沾污的一个非特指的定性测量。5.1.2 自由载流子量多时，自由载流子将控制寿命。因之，当用在电阻率低于1Wcm的硅样品时，本方法不是确定由有害金属或其它非掺杂杂质形成的复合中心的存在的可靠手段。5.2 由于要求特殊的测量样品，本方法不可能在要进入后道器件和电路制造工序的材料上直接进行测量。而且，晶体中复合中心的浓度不太可能是均匀分布的，为保证测量样品能代表被评估材料的特性，必须仔细地选择样品。5.3 本法适用于研究开发及过程控制，不适用于抛光片的验收测量，因为它们不能在有抛光面的样品上进行测量。6. 干扰因素6.1 室温下的硅和低温下的锗中，载流子陷阱效应可能很显著。如果样品中存在电子或空穴的陷阱，则在光脉冲停止之后的一个相对较长的时间内，相反类型载流子的过剩浓度会维持高水平，导致光电导衰退曲线的长尾巴。在衰退曲线的这一部位进行测量时，将导致错误的长时间常数值。6.1.1 如果时间常数随着沿衰退曲线越来越往后部进行的测量而增加，可辨识出陷阱效应存在。6.1.2 硅中陷阱可依靠将样品加热到50至70或用稳态背景泛光照射样品的办法消除掉。6.1.3少数载流子寿命不应在陷阱贡献超过衰退曲线总幅度5%（测量方法A）或衰退曲线为非指数（测量方法B）的样品上确定。6.2 测量受表面复合效应的影响，特别是使用小样品时。本法规定的表面制备导致无限大的表面复合速度，对具有无限大表面复合速度的样品的表面复合修正和特定推荐的样品尺寸见表3。在计算节中还给出了总的修正公式。当样品表面面积与体积之比很大时，修正特别重要。6.2.1 如果表面复合修正项太大，则少数载流子测量的精密度严重劣化。建议对观测到的衰退时间所作的修正不要超过衰退时间观测值倒数的一半。在标准棒条样品上能够被测量的最大体寿命值列于表2。6.3 如果要使实际是样品两端电位衰退的观察到的衰退等于光注入载流子的衰退，则样品中的电导率调制必须很小。6.3.1 测量方法A在测得的样品直流电压最大调制值DV0/DVdc超过0.01时允许采用修正。6.3.2 测量方法B不允许采用这种修正。在此方法中，低水平光注入的条件是：在恒定光照时样品中处于稳态的注入少数载流子浓度与平衡多数载流子浓度之比应小于0.001（见12.10节）。如果光注入不能减小到低水平值，样品不适于用本法测量。6.4 样品中的非均匀性可导致光电压使光电导衰退信号扭曲。在本标准两个测量方法中都提供了检测光电压存在的方法（见11.5及12.6节）。在没有电流时有光电压存在的样品不适于用本法测量少数载流子寿命。6.5 光注入载流子的较高次模衰退能影响衰退曲线的形状，特别是在其早期（2）。使用脉冲光源时此现象更显著，因为其注入载流子的初始浓度比使用斩波光源更不均匀。因此，测量方法A要求使用滤光片（用以增加注入载流子浓度的均匀性）以及在衰退曲线较高次模消失后进行样条寿命的测量。6.6 少数载流子如果被电流建立的电场扫到样品尾端，它们将不再对衰退曲线有贡献。本标准两个测量方法都要求使用遮罩遮住样品尾部使之不受光照，并给出监测方法保证扫出效应不显著。6.7 半导体杂质的复合特性与温度强烈相关，因而控制测量温度是必要的。如果要进行数据的比较，各次测量应在同一温度下进行。6.8 不同的杂质中心有不同的复合特性。样品中如果有不只一种复合中心存在时，衰退可由两条或多条具有不同时间常数的指数曲线组成，使得最终衰退曲线呈非指数性。在这种样品的光电导衰退曲线上不可能得出单一的少数载流子寿命值。7. 仪器（见图1）7.1 光源脉冲（测试方法A）或斩切（测试方法B）光源的关断时间是指光强从最大值衰减到10%强度所经历的时间，关断时间或小于被测样品制成的样条寿命值的1/5或更小，用于硅试样测量的光源光谱分布的最大范围应在波长1.01.1m以内。注2小于1s的关断时间可以通过以下任何一个方法进行测量，用一片厚0.1mm，长10mm，宽4mm的细硅箔，相应地亦可按检测方法A的步骤，用厚0.25mm，长10mm，宽4mm的锗箔片进行测量，如果样条的所有表面都被研磨，亦或样条的寿命小于1s，此时可以忽略样品少数载流子的体寿命。7.1.1 检测方法A-氙闪光管或放电管，用电容器以及可提供频率为260Hz脉冲的高压电源。一个充电至几仟伏的0.01F电容，可得到一个闪亮的放电；光源在0.3s内达到最大光强，并在小于0.5s内光强从最大值衰低到只剩5%以下，测量小于5s样条寿命，最好是用更小的电容获取更短的脉冲宽度，尽管此时所得到的总可用光通量会更小些。7.1.2 检测方法B脉冲发生器光源（3），用以产生周期性方波光脉冲，脉冲幅度，脉冲高度及间隔应单独可调，脉冲宽度和间隔的可调范围应至少在5s 至20ms之间，光源最大的辐照功率应足够大，以至于测量信号最小不低于1mv；光脉上升沿和下降沿两个时间系数均应小于被测最短的样条寿命的1/5，脉冲发生器必须为与之相接的信号调节器、示波器提供触发信号。注3具有这些特性的最佳光源是硅掺砷化镓光发射二极管（LED）。这种类型的二极管关断时间约为0.1s，此关断时间还能用注2中提供的步骤去测量，A6-V，8-A钨带灯用机械斩切成15，45或77Hz频率的光，适用于测量表观寿命5s的样条寿命（4）。7.2 稳定、滤波良好的电流源电源稳定并经过良好滤波，应提供直流电流通过试样并足以在样品上产生不低于5V的直流电压。电源可采用恒流源或反过来可做成由无感系列电阻构成的恒压源，电路中的串联电阻RS至少是试样电阻R及接触电阻RC总和的20倍，电路中还应有对试样电流换向及切断电流的开关装置。7.3 隔热试样夹具及恒温器，应使样品处于规定温度271，夹具与试样的整个端面必须保持欧姆（非整流）接触并至少应使试样四个侧面中的一个侧面借助于光管或其它光学系统处于光照之下，必须配有测定样品夹持器温度的设备。注4恒温控制是可取的，但对检验方法A并不需要。注5很多方法可以在试样端面制作欧姆接触，建议使用金属带或纤维做压力接触，用厚铅板或铟板也是适宜的。7.4 滤光片，两面抛光，1mm厚，由与试样相同的材料制成。仅是检验方法A有此需要，直接放在矩形窗口上面（见7.5）7.5 矩形窗口尽可能放在靠近试样光照表面附近。打开窗口仅让一部份样品受到光照，对检测方法A，样品光照区为长L1=1/2及宽W1=W/2；对于检测方法B，长L1=3.00.1mm，宽W1=W3，两种检测方法，光照部份均集中在试样中心部位。7.6 电信号侧量线路7.6.1 前置放大器，通频带的上限、下限可调，低频截止频率可在0.3HZ30HZ范围内调节。7.6.2 信号调节器脉冲取样均衡器或波形整形器，用于改善小信号时的信噪比，仅是检测方法B为保证小注入条件而减小光照强度时才有此需要。7.6.3 示波器 具有适当的时间扫描及信号灵敏度，示波器要有一个连续地经校准的时间基线，其精度和线性度都优于3%，并能被检测信号或外部信号触发，还应配备有助于分析衰减曲线的透明屏幕，要求如下： 对方法A，规定屏幕尺寸在10cm10cm以内，该尺寸有利于减少视差。屏幕上含有一条曲线，基线之上曲线高度沿横坐标的距离呈指数衰减，遵守下面的方程式：y=6exp（-x/2.5）式中：x和y均标有刻度线（见图2） 对检测方法B，屏幕上还有一条附加水平线，位于y最大值的0.37处。7.6.4 对电子线路的总体要求如下： 校准垂直偏转灵敏度至0.1mv/cm或更好。 垂直增益及偏转线性度在3%以内。 响应时间：输入信号按渐进方式变化时，输出信号的上升或下降时间小于最小的被测样条寿命的1/5。 脉冲没有明显的失真现象，如过冲或阻尼效应。7.7 研磨设备：能把试样的所有表面加工成平整、平行的研磨表面7.8 清洗和干燥样品的设备：需在水中超声搅拌清洗，并用干燥氮气吹干试样。7.9 千分尺或游标卡尺：测量样品尺寸，精确至0.1mm或更好。8. 试剂和材料8.1 纯水参考E-3级水的规定或用在D5127指引中所描述的更好的水。8.2 研磨材料氧化铝粉，商品规格的颗粒范围为5-12m。8.3 欧姆接触材料为在试样端面形成欧姆接触，可使用对硅试样可用镍、铑、或金电镀浴，但要避免铜污染，镍滴在金刚砂布上，并使用加热盘将试样加热至35。9. 危险性9.1 供脉冲光源使用的高压电源是危险的，在联结和运作中要适当小心，特别注意在关断电源后的一段时间里相联的电容可能保持充电状态，对电路做任何改变或调整之前，应使电容完全放电。9.2 若恒流源没有联结外部电路会产生高输出电压，因此对恒流源做任何改变电路联结前要切断电源或短接输出电路。9.3 机械斩波器会损伤手指及散开的衣服对所用的任何机械斩波器，在设备安装时均应适当遮蔽。10. 取样与测量样品10.1 由于晶体中复合中心浓度可能不均匀，要仔细选择样品使之能代表被评估晶体的性能。10.2 从晶体的所需部位将测量样品切割成长度为l、厚度为t、宽度为w的长方体，见表1。对测量方法B，只推荐使用B型和C型样品。测量及记录样品所有的尺寸到最近的0.1mm。注7较小尺寸的样品适宜于低寿命值的测量材料。B型样品适宜于大部分直拉硅材料的测量，C型样品建议用于区熔硅材料的测量。10.3 在临测量之前，用6至12mm的氧化铝研磨样品的六个面以获得平整的无光表面。10.4 研磨后，将样品放在激烈的水流或超声水槽中浸洗，用干燥氮气吹干。确认所有的研磨残渣都从样品端面去除掉，使得每个端面的整个面上都能得到良好的接触。10.5 在样品的两个端面的全部表面上制作非整流的欧姆接触。注8建议在锗端面上镀镍、铑或金。电镀过程中应避开铜。硅上获得欧姆接触的最佳办法是将样品加热至35再在金刚砂布上擦镓滴以形成镓涂面。n型硅样品端面镀镍和p型硅样品端面镀铑也是令人满意的。10.6 样品的导电类型未知时，按测量方法F42确定。10.7 接触检查。10.7.1 将样品放在样品架上，在某个方向上通以电流以产生2至5V电压。记录样品两端电压降为V1。10.7.2 将电流反向，记录样品两端电压降为V2。10.7.3 如果V1和V2相等，其差值在5%以内，样品可接受。10.8 按两探针测量方法F43测量及记录样品修正到27的电阻率。11 测量方法A步骤脉冲光法11.1 将样品夹在样品架中，调整光孔位置使样品中心部位受光照。测量及记录样品架温度至1。11.2 开光源电源，接好前置放大器和示波器连线。11.3 及调节电流使样品两端电压为2至5V。11.4 下步骤使观察到的衰退曲线与画在示波器透明屏上的参考指数曲线吻合。11.4.1 调节垂直位移控制器将观察到的衰退曲线的基线移到与参考指数曲线的基线重合。调节时基扫描速度至一个很慢的值，使屏上含有很多个寿命周期以利于调节。11.4.2 增大时基以产生单周期迹线。调节水平位移、垂直放大、时基扫描速度等控制器直至观察到的衰退曲线尽可能与参考指数曲线相配，使脉冲幅度峰值DV0与参考指数曲线左上点对准。11.5 样品没有产生光电压的非均匀性。关断电流，保持光源为开的状态，其它控制器不变。观察是否在示波器上能检测到光电压信号。如果能检测到大于脉冲峰值1%的信号，将样品标为由于有非均匀性的存在不适于用本法测量。11.6 如果观察不到光电压信号，如果衰退是纯指数的，按下式确定样条寿命tF（单位为ms）：tF=2.5S1其中：S1=时基扫描速度，单位为ms/cm。注9如果示波器没有连续标定的时基，参考指数衰退曲线就不能用。此时样条寿命可如下确定：将时基扫描速度旋至一个合适的标定值S2（ms/cm），在衰退曲线上测量幅度比为2:1的任意两点间以厘米为单位的水平距离M，按下式计算样条寿命：tF=1.44MS2在没有透明屏（见节）时，此方法也可采用。11.7 当观察到的衰退曲线不是但接近纯指数时，在衰退曲线低端若干对测量点处确定样条寿命。11.7.1 如果样品的一半或更小部分受光照，在曲线上当光电导电压信号衰退到其峰值的60%以后的部位上确定样条寿命。11.7.2 如果样品的一半以上部分受光照，在曲线上当光电导电压信号衰退到其峰值的25%以后的部位上确定样条寿命。11.7.3 无论是以上哪种情况，增大垂直增益控制器将衰退曲线放大，使所需部位充满示波屏整个垂直刻度；调节时基扫描速度到一个合适的标定值S2（ms/cm），使衰退曲线所需部位尽可能充满示波屏的整个水平刻度；在衰退曲线上测量幅度比为2:1的任意两点间以厘米为单位的水平距离M，按下式计算样条寿命：tF1=1.44MS2重复此步骤至少两次以获得tF2、tF3等。11.7.4 确定和记录作为tFi平均值的平均样条寿命tF。如果tFi差值大于10%，不要记录平均值，将此样品报告为不适于用本测量方法测量。注10特别是在p型硅的情况，寿命是注入载流子浓度的变化非常迅速的函数，采用宽范围的平均值可能涉及很大的误差。11.8 检查陷阱的存在。注意从衰退曲线上低于峰值DV0的25%以下部位的点子对上测得的样条寿命的变化。如果样条寿命值随着测量沿曲线往下而增大，则陷阱存在。消除陷阱的方法是将样品加热到50-70或以恒定的背景光照射。如果陷阱的贡献大于衰退曲线总幅度的5%，将此样品报告为由于陷阱效应不适于用本测量方法测量。11.9 确认载流子没有扫出到样品端面。11.9.1 关断或遮断光源，测量样品两端直流电压Vdc。11.9.2 计算Vdc与的乘积。如果此乘积大于或等于表4中被测量材料和样品类型的常数，进到11.10节。扫出条件满足。注11给出的常数是针对推荐长度的样品的。如果使用另外尺寸的样品，条件由下式给出：Vdc30l/其中：l=样品长度，单位为mm，m=少数载流子迁移率，单位为cm2/Vs（见表4），tF=样条寿命，单位为ms。11.9.3 果扫出条件不满足，减小通过样品的电流以减小Vdc。11.9.4 这样做将改变衰退曲线的形状，从而改变tF值。重复11.4至11.9.3的步骤，直至tF不变及扫出条件满足。11.10 低注入水平条件是否满足。11.10.1 在满足扫出条件的同一电流下，开光源电源，测量脉冲幅度峰值DV0。11.10.2 如果DV0/Vdc0.01，进到计算节，对本测量方法而言注入水平足够低。11.10.3 如果DV0/Vdc0.01，按下式修正样条寿命：tF=tFmeas1-(DV0/Vdc)其中：tFmeas=按11.6节测出的或按11.7.4节计算出的样条寿命值，tF=样条寿命修正值。12. 测量方法B步骤斩波光法12.1 将样品夹在样品架中，调整光孔位置使样品中心部位受光照。确认样品架温度为271。记录此温度。12.2 开光源电源，接好前置放大器和示波器连线。12.3 接通及调节电流使样品两端电压为2至5V。调节脉冲幅度和示波器垂直增益和时基扫描速度控制器，使得在示波器上可以看到若干个周期的信号。12.4 调节脉冲宽度使脉冲幅度在关断之前达到饱和值DV0，调节脉冲关断时间使得在脉冲之间的信号回到基线（直流电压值）。12.5 调节示波器时基扫描速度控制器和电流和脉冲幅度使得在示波器上可以看到大幅度的单一迹线。不要使直流电压超过5V。调节示波器垂直位移控制器使基线与示波屏上标出的所需刻度重合。再按需要再次调节其它控制器直至迹线充满示波屏（见图3）。12.6 关断电流，保持光源为开的状态，其它控制器不变。观察是否在示波器上能检测到光电压信号。如果能检测到大于脉冲峰植1%的信号，将样品标为由于有非均匀性的存在不适于用本法测量。12.7 如果观察不到光电压信号，将光电导信号衰退的起点与衰退曲线上光电导信号为饱和值的0.37的点之间的时间作为样条寿命tF的一级近似。12.8 提高前置放大器的低频阈（直至10/tF）以消除低频噪音。不要将低频阈提高到衰退曲线显示正增长的程度。12.9 确认载流子没有扫出到样品端面（5）。12.9.1 关断或遮断光源，测量样品两端直流电压Vdc。12.9.2 如果扫出条件满足（即对n型硅Vdc1170/tF，对p型硅Vdc390/tF），进到12.10节。注1212.9.2节给出的常数是针对B尺寸和C尺寸样品及7.5节中规定的光照长度（30mm）而言的。如果使用另外尺寸的样品，条件由下式给出：Vdc(106lcl)/(500mtF)其中：lc=光照样品区与负接触端（对n型硅）或正接触端（对p型硅）之间的距离，mm，l=样品长度，mm，m=少数载流子迁移率，cm2/Vs（见表4），tF=样条寿命，ms。12.9.3 如果扫出条件不满足，减小通过样品的电流以减小Vdc。12.9.4 这样做将改变衰退曲线的形状，从而改变tF值。重复12.7至12.9.3的步骤，直至tF不变及扫出条件满足。注13当样品长度光照部分相对于中心不对称（例如光照区的一端位于样品中心）时，如果通过样品的电流极性反转后tF的测量值变化不大于5%，扫出条件满足。12.10 检查低注入水平条件是否满足。12.10.1 在满足扫出条件的同一电流下，开光源电源，测量脉冲幅度峰值DV0。12.10.2 如果低注入水平条件满足（即对n型硅DV0/Vdc1.610-4，对p型硅DV0/Vdc4.810-4），进到12.11节。注1412.10.2节给出的常数是针对B和C尺寸样品及7.5节中规定的光照长度（30mm）而言的。如果使用另外尺寸的样品，低注入水平条件由下式给出：(DV0/Vdc)10-31+(mmin/mmaj)(lI/l)其中：mmin=少数载流子迁移率，cm2/Vs，mmaj=多数载流子迁移率，cm2/Vs。12.10.3 如果低注入水平条件不满足，减弱光强。12.10.4 重复12.8节至12.10.3节的步骤，直至低注入水平条件满足。注15当光强必须减弱时，建议使用信号调节器（见7.6.2节）以改善信噪比。12.11 当扫出条件与低注入水平条件都满足时，调节示波器时基扫描速度控制器使得在示波屏上可以看到光脉冲末端。注16此时所要求的时基扫描约为tF初始估计值的5至10倍。12.12 退曲线的0.9DV0至0.1DV0之间，测量及记录至少五个等间距点的幅度及相关的衰退时间。12.13 将样品旋转90，使样品到达271的温度平衡。12.14 在新的测点上，用与以上相同的测量条件测量至少五个等间距点的幅度及相关的衰退时间。12.15 对样品上的每个位置，在半对数纸上作幅度与相应时间的关系图（logDV=f(t)）。12.16 如果结果图上显示线性衰退，进到12.17节，否则将样品报告为不适于用本测量方法测量载流子寿命。12.17 如果得到线性衰退，对每个位置，从斜率上将横坐标上读出的相应于DV0和0.37DV0之间的时间差值作为样条寿命tF。12.18 取两个tF值的平均值。13. 计算13.1 按下式计算低注入水平下的体少数载流子寿命：t0=(tF-1-Rs)-1其中Rs为表面复合速度，标准类型样品的Rs列于表3。注17注意：请注意6.2.1节和表2关于最大可测体少数载流子寿命的叙述。注18如果测量其它尺寸的样品，对于长为l、宽为w、厚为t的长方体样品，Rs可按下式计算：Rs=p2Dl-2+w-2+t-2对于长为l、半径为r的长圆形样品：Rs=p2Dl-2+(9/16r-2)在上述公式中，D为少数载流子扩散系数。14. 报告14.1 报告下列信息：14.1.1 测量日期和地点，14.1.2 操作者姓名，14.1.3 采用的测量方法（A或B）以及与标准步骤的不同之处，14.1.4 采用的光源类型。14.2 对于每个被测样品，报告下列信息：14.2.1 样品尺寸（或样品类型），14.2.2 样品的导电类型和电阻率，14.2.3 样品上的测量点，光照区的长和宽，lI和wI，单位为mm，14.2.4 直流电压降，Vdc，单位为V，峰值（测量方法A）或饱和（测量方法B）电压调制值DV0，单位为毫伏，14.2.5 是否采用了信号调整装置（仅对测量方法B），14.2.6是否进行了调制修正（仅对测量方法A），14.2.7 样条寿命tF的测量值或修正值（如果在测量方法A中进行了调制修正），14.2.8 体少数载流子寿命的计算值tB，单位为ms。15. 精密度和偏差15.1 精密度：15.1.1测量方法A本标准的1975版声称本测量方法被有能力的操作者在许多实验室使用时，期望的精密度估计对测锗为50%（两个相对标准偏差），测硅为135%（两个相对标准偏差）。未提供有关此估计的基础资料。由于本测量方法某些方面已被阐述得更全面，现今版本的精密度能期望较原估计有改善。但是，如对硅要进行更精确的测量，建议采用测量方法B。15.1.2 测量方法BDIN 50440/13声称，在符合本测量方法的条件下确定低注入水平少数载流子寿命时，相对不确定度不超过10%。未提供支持此声明的资料。15.2 偏差由于没有能从之确定真实值的绝对标准，因而不能提供有关偏差的完整论述。但是，DIN 50440/13声称，如果寿命由硅中某些复合中心控制，由于本测量方法中给出的低注入水平条件对这些复合中心并不是要求很严，系统误差不超过+10%。16. 关键词16.1 carrier lifetime; germanium; minority carriers; photoconductivity decay; silicon; single crystal silicon.载流子寿命，锗，少数载流子，光电导衰退，硅，单晶硅。1 本法基于IEEE Standard 225，Proceedings IRE, Vol 49, 1961, pp. 1292-1299.2 DIN 50440/1 为等效方法，其责任者为DIN Committee NMP 221, Commottee F-1与之维持密切联系。DIN 50440/1可从Beuth Verlag GmbH, Burggrafenstrasse 4-10, D-1000 Berlin 30, FRG 获得。3 括号中的黑体字参见本测量方法后面的参考文献。4 Annual Book of ASTM Standards, Vol 11.01, ASTM International, 100 Barr Harbor Drive, West Conshohocken, PA 19428, Telephone: 610-832-9500, Fax: 610-832-9555, Website: .5 Annual Book of ASTM Standards, Vol 10.05.参考文献1 Saritas, M., and McKell, H. D., “Comparison of Minority-Carrier Diffusion Length Measurements in Silicon by the Photoconductive Decay and Surface Photovoltage Methods,” Journal of Applied physics, Vol 63, May l, 1988, pp.4562-4567.2 Blakemore, J. S., Semiconductor Statistics, New York, Pergamon Press, 1962, Section 10.4.3 Graff, K., Piefer, H., and Goldbach, G., “Carrier Lifetime Doping of p-Type Silicon by Annealing Processes,” Semiconductor Silicon, 1973, Huff, H. H., and Burgess, R. R., eds., The Electrochemical Society , Princeton, 1973, pp.170-178.4 Mattis, R. L. and Baroody. A. J. Jr., “Carrier Lifetime Measurement by the Photoconductive Decay Method,” NBS Technical Note 736, September 1972.5 Benda, H., Dannhuser, F., and Spenke, E., “The Practical Significance of the So-Called Stevenson-Keyes Condition on the Measurement of Carrier Lifetime by the Light Pulse Method,” Siemens Forschungsund Entwicklungs-berichte, Vol 3, 1972, pp.255-262(德文)表1 三种推荐的棒条样品尺寸类型长，mm宽，mm厚，mmA15.02.52.5B25.05.05.0C25.010.010.0表2 体少数载流子最大可测寿命值tB，ms材料A型B型C型p型锗32125460n型锗64250950p型硅903501300n型硅24010003800表3 表面复合速度，Rs，ms-1材料A型B型C型p型锗0.032300.008130.00215n型锗0.015750.003960.00105p型硅0.011200.002820.00075n型硅0.004200.001050.00028图1 少数载流子寿命测量线路示意图图2 测量方法A中示波器上需拟合的指数曲线表4 少数载流子迁移率(cm2/Vs)及测量方法A推荐样品长度的扫出条件常数材料迁移率A型B和C型p型锗38007.312n型锗18001118p型硅14001220n型硅4702035图3 测量方法B光电导电压一个周期的示波图注： 对此处提出的标准在任何特定应用中的适用性，SEMI不作保证或表示。标准适用性的决定，仅为使用者的责任。对于此处提到的材料和设备，使用者被告诫应查阅制造商的说明书、产品标签、产品数据单及其它相关资料。此处的标准常会进行更改而不预先告知。出版本标准后，对宣称与本标准中提及的任一条款有关的任何专利权和版权的合法性，半导体设备和材料国际（SEMI）不表示立场。本标准的使用者被明确告知，任何此类专利权和版权的判断以及侵犯这类权利的风险，全由他们自行承担。本文由浙江金贝太阳能科技有限公司陈煜辉 曾庆拓 合译2014年6月16日SEMI MF1535-1104微波反射无接触光电导衰退测量硅片载流子复合寿命测试方法这一指导文件学术上由全球硅片委员会批准，并由北美硅片委员会直接负责。现今的版本由北美地区标准委员会在2004年8月16日批准出版。最初于2004年9月在网站上发表，并在2004年11月出版。原始版本由ASTM国际以ASTM F1535-94出版，最近的上一个版本为SEMI MF1535-00。1. 目的1.1 如果半导体中载流子浓度不太高，载流子复合寿命由能级位于禁带中的杂质中心决定。很多金属杂质在硅中形成这样的复合中心。在大多数情况下，这些杂质很低的浓度（1010至1013原子/