本發(fā)明屬于光伏電池技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及到一種晶體硅體壽命的精確測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體中少數(shù)載流子的壽命對(duì)雙極型器件的電流增益、正向壓降和開關(guān)速度等起著決定性作用。半導(dǎo)體太陽能電池的換能效率、半導(dǎo)體探測(cè)器的探測(cè)率和發(fā)光二極管的發(fā)光效率也和載流子的壽命有關(guān)。因此，半導(dǎo)體中少數(shù)載流子壽命的測(cè)量一直受到廣泛的重視。
在測(cè)量少子壽命時(shí)，除了硅片體內(nèi)的重金屬雜質(zhì)會(huì)產(chǎn)生復(fù)合中心，單晶表面缺陷也會(huì)起到復(fù)合中心的作用，因此非平衡少子壽命測(cè)量值不僅取決于體內(nèi)重金屬雜質(zhì)數(shù)量，也與表面缺陷數(shù)量有關(guān)。對(duì)不同硅表面，表面復(fù)合速度相差很大，SEMI MF 1535 標(biāo)準(zhǔn)中給出的最佳酸腐蝕表面，表面復(fù)合速度很低S=0.25㎝/s，最差的表面（研磨面）復(fù)合速度S≈107㎝/s（飽和速度），二者相差八個(gè)數(shù)量級(jí)。因此表面復(fù)合速度對(duì)硅片的少子壽命測(cè)量有著很大的影響。
測(cè)量少數(shù)載流子壽命的方法很多，分別屬于瞬態(tài)法和穩(wěn)態(tài)法兩大類。瞬態(tài)法是由測(cè)量半導(dǎo)體樣品從非平衡態(tài)向平衡態(tài)過渡過程的快慢來確定載流子壽命。單晶硅片為均勻半導(dǎo)體材料，測(cè)量方法有光電導(dǎo)衰退法，雙脈沖法，相移法。穩(wěn)態(tài)法是由測(cè)量半導(dǎo)體處在穩(wěn)定的非平衡時(shí)的某些物理量來求得載流子的壽命。例如：擴(kuò)散長度法，穩(wěn)態(tài)光電導(dǎo)法，光磁效應(yīng)法，表面光電壓法等。
在硅單晶的檢驗(yàn)和器件工藝監(jiān)測(cè)中應(yīng)用最廣泛的是光電導(dǎo)衰退法和表面光電壓法，這兩種測(cè)試方法已經(jīng)被列入美國材料測(cè)試學(xué)會(huì)（ASTM）的標(biāo)準(zhǔn)方法。光電導(dǎo)衰退法有直流光電導(dǎo)衰退法、高頻光電導(dǎo)衰退法和微波光電導(dǎo)衰退法。其差別主要在于用直流、高頻電流還是微波來提供檢測(cè)樣品中非平衡載流子的衰退過程的手段。直流法是標(biāo)準(zhǔn)方法，高頻法在硅單晶質(zhì)量檢驗(yàn)中使用十分方便，而微波法則可以用于器件工藝線上測(cè)試晶片的工藝質(zhì)量。
高頻光電導(dǎo)法相對(duì)微波而言頻率較低，各種測(cè)試條件比較接近直流光電導(dǎo)法。因此更適合于測(cè)量塊狀單晶。微波反射光電導(dǎo)法是專門針對(duì)硅片壽命測(cè)量發(fā)展的方法，它是通過監(jiān)測(cè)樣片微波反射來測(cè)定樣片電導(dǎo)率的變化，實(shí)現(xiàn)了無接觸測(cè)量，因此更適合于測(cè)量拋光硅片。無論哪種方法，測(cè)量硅片時(shí)，對(duì)表面都必須做嚴(yán)格的腐蝕鈍化處理才能獲得較準(zhǔn)確的結(jié)果，非常麻煩，往往還需要供方和需方對(duì)測(cè)試中的表面處理達(dá)成共識(shí)，共同觀測(cè)壽命的相對(duì)變化，而且對(duì)較薄的硅片進(jìn)行直接測(cè)量，往往得到的只是表面復(fù)合壽命。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為了解決上述問題，本發(fā)明公開了一種晶體硅體壽命的精確測(cè)量方法，可以簡單快速表征硅片體壽命。
為實(shí)現(xiàn)該發(fā)明目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
一種晶體硅體壽命的精確測(cè)量方法，使用渦流電導(dǎo)傳感器和過濾的氙閃光燈來測(cè)量少數(shù)載流子的有效壽命，其特征在于采取以下步驟：
1）氙氣閃光燈：脈沖頻率在1~500毫秒可調(diào)，光強(qiáng)通過衰減片來調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍為0.001~1000個(gè)太陽光（sun）強(qiáng)；
2）分別通過渦流電導(dǎo)傳感器和參考電池測(cè)量樣品的薄層光電導(dǎo)率：確定薄層光電導(dǎo)率跟時(shí)間t的函數(shù)關(guān)系，以及閃光強(qiáng)度I跟時(shí)間t的函數(shù)關(guān)系；時(shí)間t的變化對(duì)應(yīng)著不同的穩(wěn)態(tài)注入量，薄層光電導(dǎo)率是由射頻線圈通過電感耦合測(cè)得，而閃光強(qiáng)度I由校準(zhǔn)過的光傳感器測(cè)量；
薄層光電導(dǎo)率可轉(zhuǎn)換成平均非平衡載流子濃度△n：
（1）式中：d為樣品厚度，q為電子基本電荷，、分別為電子和空穴的遷移率；
3）產(chǎn)生率G是通過下式得到：
（2）式中：I(t)為光照強(qiáng)度，以sun為強(qiáng)度單位；為標(biāo)準(zhǔn)太陽光譜時(shí)光量子能量大于硅帶隙的光子流， ；fabs為樣品的光學(xué)常量；
4）然后計(jì)算硅片在指定載流子濃度下的有效少子壽命；
5）再通過表面復(fù)合的公式計(jì)算得到硅片的真實(shí)體壽命，計(jì)算公式如下：
（3）式中，為有效少子壽命，為硅片的體壽命，為前表面復(fù)合，為后表面復(fù)合，W為硅片厚度。
本方案采用的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)光電導(dǎo)（QSSPC）少子壽命測(cè)量方法優(yōu)越于其他測(cè)試壽命方法的一個(gè)重要之處在于它能夠在大范圍光強(qiáng)變化區(qū)間內(nèi)對(duì)過剩載流子進(jìn)行絕對(duì)測(cè)量，同時(shí)可以結(jié)合SRH模型，得出各種復(fù)合壽命，如體內(nèi)缺陷復(fù)合中心引起的少子復(fù)合壽命、表面復(fù)合速度等隨著載流子濃度的變化關(guān)系。
準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)法再得到包含表面復(fù)合壽命和體壽命時(shí)的有效少子壽命后，通過不同厚度的數(shù)據(jù)值就可以計(jì)算得到樣品真實(shí)的體壽命。
綜上所述，這種準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)光電導(dǎo)法測(cè)少子壽命，再計(jì)算得到真實(shí)體壽命的方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：
該方法對(duì)硅片無污染，測(cè)量過后的硅片仍然可以進(jìn)行其余工序處理，因此該發(fā)明可以很好地用于指導(dǎo)優(yōu)化硅光伏晶片和電池中的材料質(zhì)量。
樣品是在一個(gè)近似穩(wěn)態(tài)的條件下被檢測(cè)的，樣品不同區(qū)域上額外的復(fù)合效應(yīng)和在恒定光照或開路下的太陽能電池片是很相似的。
測(cè)得的壽命是由測(cè)量值的絕對(duì)值導(dǎo)出的，而不是它們的導(dǎo)數(shù)，這將能有效的減小噪波的影響。
具體實(shí)施方式
具體實(shí)施方式如下：
第一步，取樣品硅錠相同部位所得的B摻雜的p型單晶Si兩片，厚度分別為300μm和500μm。
第二步，用準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)光電導(dǎo)法測(cè)量指定少數(shù)載流子濃度為4′1014cm-3時(shí)的有效少子壽命，得到清洗前的有效少子壽命，下表為使用準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)光電導(dǎo)法測(cè)量時(shí)設(shè)置的參數(shù)。
具體測(cè)量方法如下：
1）由氙氣閃光燈提供一個(gè)長波長而且緩慢衰減的脈沖光；穩(wěn)態(tài)下的脈沖光的衰減常數(shù)至少比少子壽命慢上十倍，采用QSSPC分析法時(shí)其閃光燈的衰減常數(shù)大約是2ms；因此，一般適用于壽命在200μs或以下的樣品；
2）分別通過渦流電導(dǎo)傳感器和參考電池測(cè)量樣品的薄層光電導(dǎo)率：確定薄層光電導(dǎo)率跟時(shí)間t的函數(shù)關(guān)系，以及閃光強(qiáng)度I跟時(shí)間t的函數(shù)關(guān)系；時(shí)間t的變化對(duì)應(yīng)著不同的穩(wěn)態(tài)注入量，薄層光電導(dǎo)率是由射頻線圈通過電感耦合測(cè)得，而閃光強(qiáng)度I由校準(zhǔn)過的光傳感器測(cè)量；
薄層光電導(dǎo)率可轉(zhuǎn)換成平均非平衡載流子濃度△n：
（1）式中：d為樣品厚度，q為電子基本電荷，、分別為電子和空穴的遷移率。
3）產(chǎn)生率G是通過下式得到：
（2）式中：I(t)為光照強(qiáng)度，以sun為強(qiáng)度單位；為標(biāo)準(zhǔn)太陽光譜時(shí)光量子能量大于硅帶隙的光子流， ；fabs為樣品的光學(xué)常量；
4）然后計(jì)算硅片在指定載流子濃度下的有效少子壽命；
第三步，對(duì)兩硅片進(jìn)行RCA法清洗，具體步驟如下：
a) 清洗液體積比(29%)NH4OH: (30%)H2O2:DIW=1:1:5，80℃，超聲清洗10min；b) 去離子水沖洗；c) 清洗液體積比(37%)HCl: (30%)H2O2:DIW=1:1:5，80℃，超聲清洗10min；d) 去離子水沖洗；e) 浸泡于1%HF溶液中90s；f) 去離子水沖洗；g) 氮?dú)獯蹈桑?/p>
第四步，然后再利用準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)光電導(dǎo)法測(cè)量指定少數(shù)載流子濃度為4′1014cm-3時(shí)的有效少子壽命，得到兩硅片RCA清洗后的有效少子壽命，具體測(cè)量計(jì)算步驟如第二步，此處不再贅述；
第五步，通過表面復(fù)合和有效少子壽命的公式：
（3）式中，為有效少子壽命，為硅片的體壽命，為前表面復(fù)合，為后表面復(fù)合，W為硅片厚度。
下表為300μm和500μm清洗前后的有效少子壽命值。
聯(lián)立兩硅片的少子壽命值，計(jì)算得到清洗前和清洗后的體壽命。通過計(jì)算所得，清洗前的硅片的體壽命為8.68μs，RCA清洗后硅片的體壽命為29.09μs，測(cè)量后的體壽命與光電導(dǎo)衰退法測(cè)得的體壽命值非常接近，誤差在可接受范圍內(nèi)。