单晶硅非平衡少数载流子寿命测试文集1

单晶硅非平衡少数载流子寿命测试文集1

来源：gzkdkj 发布时间：2008-9-3

广州市昆德科技有限公司编译

2008年6月1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:F391-96

Standard 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。

广州市昆德科技有限公司

总经理王昕

副总经理勾秀君

2008年6月1日

目录

1.太阳能级单晶硅少子寿命测量的探讨 (1)

2.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 (3)

3.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 (31)

4.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

（广州市昆德科技有限公司王世进王昕）

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1~3Ω·cm的硅单晶少子寿命，因此未进入电阻率范围在0.5~6Ω·cm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0.1Ω·cm，甚至达到0.01Ω·cm。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“μPCD”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（μPCD）方法及设备的对照表

注：贯穿深度是根据光吸收公式：I=I0e-αx计算，其中α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：300°K时，1.07μm波长的光在硅单晶中的吸收係数α1.0≈7.6×10cm-1；0.904μ波长光吸收係数为：α0.9≈5.6×102cm-1。例如：λ=0.904μ波长的光，进

入硅单晶后，当

时，X=17.9μm，当时，约为30μm。

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：0.9~1.1μm，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0.904μ波长的光较适合测薄片，1.07μ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40μs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13Ω·cm），寿命值均为200μs，而用WT-1000测量只有15μs，我们认为这是由于0.904波长的光注入深度只有30μm，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τ＞1ms）测出的表观寿命值也只有20μs，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：

=（T-Rs）-1——体寿命——表观寿命R S——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 r＞＞时，R S= ，此时，在表面复合速度很高，也就是R S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200μm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。