少子寿命测试

少子寿命测试 IR载流子密度成像 －－－－ IR载流子密度成像 CDI） （CDI） 特点：
无接触的，全光学的， 无接触的，全光学的，载流子寿命空间分布的测量技术 。使用锁相技 术，分辨率很高
与MW-PCD比较： MW-PCD比较： 比较
MW-PCD：微分寿命值分布，测试时间较长（10×10 cm2，高注入，2 MW-PCD：微分寿命值分布，测试时间较长（10× 高注入， 小时） 小时） CDI： CDI：实际寿命值分布图 ，测试时间短（ 10×10 cm2，低注入，几秒 测试时间短（ 10× 低注入， 钟），CDI技术适合于太阳电池生产在线测试 ），CDI技术适合于太阳电池生产在线测试
2）表面SRH复合 ）表面SRH复合
系 衬 底 掺 杂
最 大 体 复 浓 度 寿 的 关 与 命 合
关 系 剩 载 流 子 浓 度
过 最 大 体 复 合 寿 命 的 与
不同纯度硅的掺杂浓度与少子寿命的关系
少子寿命测试
有效寿命：表面对测试结果的影响 有效寿命：
Si片前后表面的复合速度为S Si片的厚度为W Si片前后表面的复合速度为S，Si片的厚度为W，体材料 中载流子的扩散系数为D 中载流子的扩散系数为Db
G=
∆n
τ eff
2.3 准稳态光电导（QSSPC） 准稳态光电导（QSSPC） 光照强度缓慢变化 ，非常好地测试短 和长寿命 。大信号方法 ∆n(t ) τ eff = ∂∆n G (t ) − ∂t
少子寿命测试 －－－QSSPC －－－QSSPC
测量要求： 测量要求：
1：绝对测量过剩载流子密度∆n的值 2：同时也需要准确测量产生率，通过一个光电探测器测量（例如一个校 准的太阳能电池） 进行测量 ，对于标准太阳能谱，能量大于Si W 能隙的光子密度为Nph＝2.7×1017cm-2s-1 ，W为样品的厚度，fabs为吸收份额 单位体积的产生率 G =
4: 微波反射率探测光电导
∆P = Pin
dR (σ ) ∆σ dσ
5: 反射率与光电导完全不是线性关系，这就限制了MW-PCD方法在小信号方面的 反射率与光电导完全不是线性关系，这就限制了MW-PCD方法在小信号方面的
应用，解决方法：在脉冲光激发的同时加上偏置光，研究寿命与载流子浓度之 应用，解决方法：在脉冲光激发的同时加上偏置光， 间的关系。 间的关系。 6：MW-PCD的敏感因子dR（σ）/dσ写为 A（σ）＝C/σ1.5 ，因此对于高电导（低电 MW-PCD的敏感因子 （ 的敏感因子dR /dσ写为 ）＝C/σ 因此对于高电导（ 阻）样品的敏感度降低，适用于低电导（高电阻）样品的测试，而在低电阻方 样品的敏感度降低，适用于低电导（高电阻）样品的测试， 面rf-PCD解决。 rf-PCD解决 解决。
反射光谱测试 电容-电压测试 电容 电压测试 薄膜厚度测试 拉曼测试
少子寿命测试
• 基本概念 寿命
光生电子和空穴从一开始在半导体中产生直到消失的时间差 当载流子连续产生时，决定了电子和空穴的稳定数量 当载流子连续产生时，
• 扩散长度
平均载流子从产生的点到被收集点（ 结 平均载流子从产生的点到被收集点（p-n结）的平均距离
测量原理：基于 片中自由载流 测量原理：基于Si片中自由载流 子的红外吸收 CCD：在中红外3.5～5微米 敏感 ：在中红外 ～ 微米
3个过程： 个过程： 个过程 1：近似为1个太阳（AM 1.5G） ：近似为 个太阳 个太阳（ ） 的半导体激光照在样品上， 的半导体激光照在样品上，产生 过剩自由载流子密度 CDI测试设备示意图 2：样品处于完全黑暗状态，没有 ：样品处于完全黑暗状态， 过剩载流子产生 3：上两个过程的图像之差异正比 ： 于载流子的吸收， 于载流子的吸收，也就是载流子 浓度
N ph f abs
测量内容： 测量内容：
测量电导随着光强和时间的变化关系，得出τeff 由 τ eff
1 = 1 2 J 0 ( ∆n + N dop )
2 qWni
τb
+
可以得出包含暗电流密度
测试少子寿命方面的成功应用： 测试少子寿命方面的成功应用：Sinton 的QSSPC测试设备 测试设备
少子寿命测试 －－－－QSSPC －－－－QSSPC
测量原理
G ph = q∆nW
τ eff
τ eff = σ L [G ( µ + µ )] ph n p
光源+滤波片：不同波长，可 以得到不同区域的信息 黑、光照之间的信号之差为： 过剩电导σL（显示为电压） 校准的射频电桥（V＝0）测试 电导，参考电池测试光强度
QSSPC-λ的实验设备原理图（Sinton公司） 光束的时间常数可调：同时兼容TPCD测量
少子寿命测试 －－－－MW－－－－MW-PCD
光源： 光源： 脉冲激光（方波信号， 脉冲激光（方波信号，频率 ），偏置白光 偏置白光（ 低），偏置白光（光强通过衰 减片进行调节） 减片进行调节）
少子寿命（低注入水平） 少子寿命（低注入水平） 少子寿命、 少子寿命、多子寿命的混合 中间和高注入水平）。 体（中间和高注入水平）。
少子寿命测试
测试方法的分类：
少子寿命测试
基于光电导（PCD） 基于光电导（PCD）的方法
1：工作原理 ：
光电导是半导体材料的一个重要因素， 光电导是半导体材料的一个重要因素，它描述了器件的电导随着入射光的变 化情况。 化情况。 所有的技术都是无接触的，工作原理就是光激发产生过剩载流子， 所有的技术都是无接触的，工作原理就是光激发产生过剩载流子，这些过剩载 流子在样品的暗电导基础上产生额外的光电导 。
若S>1000 cm/s，蓝光测试 ，红外 ，蓝光测试S， 光测试τb
少子寿命测试
裸硅的测量： 裸硅的测量：未钝化 一般测试值为0.1-2 µs 一般测试值为
发射极形成后：使用大于 发射极形成后：使用大于700 nm波长的光激发 波长的光激发
研究发射极钝化效果： 研究发射极钝化效果：如氧化 沉积Si ，沉积 3N4薄膜
少子寿命测试 IR载流子密度成像 －－－－ IR载流子密度成像 （CDI） CDI）
左图为CDI方法测试的结果，费时50秒，右图为MW-PCD测试结果，费时30分钟
更多信息参考： 更多信息参考：Jan Linnros, J. Appl. Phys. 84,276 (1998); Jan Linnros, J. Appl. Phys. 84,284 (1998)
瞬态脉冲光注入产生的过剩载流子
σ (t ) ⇐ R(t )
微波反射率） （R微波反射率） 微波反射率
瞬态曲线进行渐进单指数衰减～ 瞬态曲线进行渐进单指数衰减～ exp( −t / τ eff )
少子寿命测试 －－－－MW－－－－MW-PCD
工作原理
1: 它是一种瞬态方法。 它是一种瞬态方法。 2: 优点:对于过剩载流子的测量不是绝对的，而是相对测量。 优点:对于过剩载流子的测量不是绝对的，而是相对测量。 3: 缺点:瞬态方法测量短的载流子寿命，需要快的电子学记录非常快的光脉冲和光电 缺点:瞬态方法测量短的载流子寿命， 导衰减信号。 导衰减信号。
1
τ bulk
+
1
τ surface
少子寿命测试
A：Si表面很好钝化，τeff＝ τb ： 表面很好钝化 表面很好钝化， B：若τb～0.1µs，S>1000 cm/s ： ， C:若τb～100µs，S<10 cm/s 若 ，
若未钝化的Si片 若未钝化的 片，S>105 cm/s，用 ， 1000 nm的光测试 的光测试
少子寿命测试 －－－－MW－－－－MW-PCD
控制脉冲光斑的大小， 控制脉冲光斑的大小，寿命平面分布
无氧化层，单面抛光的Si片上的氧条纹分布
Patterned wafer
引自：WT-2000 µ-PCD tool， ）
少子寿命测试 IR载流子密度成像 CDI） 载流子密度成像（ －－－－ IR载流子密度成像（CDI）
少子寿命测试
2.1 瞬态衰减方法（TPCD） 瞬态衰减方法（TPCD） 这种方法基于测试载流子随着时间的相 对变化，测试长寿命有利。 对变化，测试长寿命有利。包括电感耦合 PCD，微波PCD（MW-PCD） PCD，微波PCD（MW-PCD）
d (∆n) ∆n =− dt τ eff
2.2 稳态方法 光强固定， 光强固定，光电导正比于光生载流子以 及它的寿命 ，有利于测试短寿命
1
τ eff
=
1
τb
+π 2
Db W2
当S>>Db/W
1
τ eff
=
1
τb
+2
S W
当S<<Db/W
注：晶体Si太阳能电池的性能非常强烈地依赖于在Si体内和电池表面的电子-空 穴复合。因此，准确测试复合参数（例如体载流子寿命、表面复合速度）的实 验方法在太阳能电池的研究中是最重要的。
1
τ eff
=
阳 电
阳 电
测试 简介
术研究 术研究组 兰
2010-112010-11-26
内
1 2 3 4 5 4 5
少子寿命测试-------材料检测以及工艺 材料检测以及工艺 少子寿命测试 控制 电流-电压（IV）特性测试-性能测试， 电流-电压（IV）特性测试-性能测试，电池性能参 数分析 光谱响应（量子效率）测试 器件表征 器件表征， 光谱响应（量子效率）测试-器件表征，提供工艺 参考
• 有效寿命
是发生在Si片或者太阳能电池不同区域的所有复合损失叠加的净 是发生在 片或者太阳能电池不同区域的所有复合损失叠加的净 结果数学的表述是非常有用的。 结果数学的表述是非常有用的。
1
τ eff
=
1
τ bulk
+
1
1
τ surface
τ bulk
=auger
+
1
τ SRH
复合
另外一种红外成像：红外 热像仪， 另外一种红外成像：红外lock-in热像仪，可以得出 片、电池片中的缺陷 热像仪 可以得出Si片 分布
光照红外 热像仪， 光照红外lock-in热像仪，得出正常工 红外 热像仪 作时的功率损失。 作时的功率损失。显示在多晶硅电池中晶 界是引起损失的主要原因 热像仪， 暗红外lock-in热像仪，无光照，加偏压 红外 热像仪 无光照， 显示Shunt 显示
辐射复合----寿命ms 辐射复合----寿命ms
俄歇复合--俄歇复合--在硅中主要是高注入条件下的复合
复合
Shockley-ReadShockley-Read-Hall 复合---缺陷能级引起的复合 复合--1）体内的SRH复合 ）体内的SRH复合
1：电子发射 2：电子俘获 3：空穴俘获 4：空穴发射