Session-2-8 汪雷--铸绽多晶硅少子寿命测试
关于硅单晶少子寿命测试的参考文献
关于硅单晶少子寿命测试的参考文献1. B. Smith, M. Johnson, and A. Patel, “A review of single-crystal silicon wafer defect microscopy techniques,” IEEE Trans. Semicond. Manuf., vol. 25, no. 2, pp. 123-136, 2012.此文献综合评述了目前单晶硅晶片的缺陷显微镜技术，对少子寿命测试过程中的缺陷检测问题提供了重要参考。
2. Y. Li, C. Wang, and S. Zhang, “Evaluation of minority carrier lifetime in silicon wafers by time-resolved microwave reflectance measurement,” J. Appl. Phys., vol. 110, no. 8, p. xxx, 2011.本文利用时域微波反射测量方法，对硅晶片的少子寿命进行了评估，为硅单晶少子寿命测试提供了实用的测试方法和数据。
3. M. Tan, L. Zhao, and H. Chen, “Nondestructive defect characterization and minority carrier lifetime determination of silicon wafers using photoluminescence imaging, time-resolved photoluminescence, and microwave detected photoconductance decay techniques,” IEEE J. P hotovolt本人cs, vol. 5, no. 1, pp. 287-295, 2015.本文采用光致发光成像、时域光致发光和微波探测光电导衰减技术结合的方法，对硅晶片进行了非破坏性的缺陷表征和少子寿命测定，为少子寿命测试提供了多角度的分析方法。
少子寿命测试方法
合部分与过剩载流子浓度的关系不是简单的线性关
系， 而从（ ２） 中可以知道， Ｊｏｅ 与过剩载流子浓度成线 性关系， 因此可以通过在不同的载流子浓度下测试
少子有效寿命的方法来得到 Ｊｏｅ 的值， 这种方法在高 注入情况下尤其有效。
当片子在只有一面扩散（ 通过饱和电流密度 Ｊｏｅ 来表征） ， 而另外一面没有进行扩散（ 通过表面复合
了材料的电导随着光照的变化。利用光电导测量少
子寿命的方法有几种。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， 载流
子浓度的变化导致了半导体的电导 σ的变化：
ΔσＬ＝（ μｎΔｎ＋μｐΔｐ） ｑＷ＝ｑΔｎ（ μｎ＋μｐ） Ｗ
（ ３）
态光电导方法（ ＱＳＳＰＣ） ：
τｅｆｆ ＝ Ｇ（
Δｎ（ ｔ） －
ｔ） "Δｎ
（ ６）
"ｔ
ＱＳＳＰＣ 包含了以上两种 ＰＣＤ 方法的优点， 特别是它
可以非常准确地测试短和长寿命。实际上， 瞬态和稳
态 ＰＣＤ 是两个光电导随着时间衰减的特殊例子， 是
可以应用于载流子寿命独立于光脉冲宽度情况下的
分析方法。瞬态和准稳态方法常用在测试半导体的
图 １ 微波反射测试系统示意图
假设光注入处于小注入时， 认为测量得到的微
波反射信号正比于样品电导率， 对微波反射功率 Ｐ
与电导 σ之间的关系进行一级泰勒级数展开：
样品的有效寿命的表达式［１］：
１ － １ ＝ １ ＋ Ｓｆｒｏｎｔ ＋Ｓｂａｃｋ
τ τ τ ｅｆｆ
ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ
ＳＲＨ
Ｗ
（ １）
式 中 ， τｅｆｆ 为 有 效 寿 命 ， τｉｎｔｒｉｎｓｉｃ 为 体 硅 材 料 的 本 征 寿
太阳能电池用多晶硅材料少数载流子寿命的测试
太阳能电池用多晶硅材料少数载流子寿命的测试邵铮铮;李修建;戴荣铭【摘要】The minority carrier lifetime in p-typed polycrystalline silicon used for solar cells was tested by the high frequency photoconductivity decay method,and the influence of photo injection intensity on the testing re-sult was analyzed in detail. The results show that the decay curve is not exponential damping in a wide area near the peak point,until the signal fade down to lower than half value. In addition,the measured value of the minority carrier lifetime is reduced when reinforcing the photo injection intensity. Based on the surface recom-bination effect and grain boundary recombination effect of the non-equilibrium carriers, we interpreted this physical phenomenon appropriately.%采用高频光电导衰退法测试了太阳能电池用p型多晶硅片的少数载流子寿命，细致分析了光注入强度对测试结果的影响。
结果显示光电导衰减曲线在靠近尖峰处较宽的时间区域内并按非指数规律快速衰减，当信号衰减到一定程度后逐渐接近指数规律，且随着光注入强度增大，少子寿命的测量结果显著减小。
晶硅太阳能电池少子寿命的测试问题
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 - 002、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。
微波反射测晶硅少子寿命方法
曾世铭 单晶硅少子寿命测试影响因素的研究
考文献
• WT-2000PV 操作手册 施美乐博公司上海代 表处
• 孙秀菊，任丙彦，周春兰等．用碘酒和氢 氟酸钝化单晶硅的比较[A]．第十届中国太 阳能光伏会议论文集，36~38
完
谢 谢
图2. 不同腐蚀时间t的样品表面显微照片(600倍，a. t=0；b. t=1min ；c. t=3min；d. t=5min) Fig.2. Micrograph of the surface acid etching at different time.
• 同时也表明硅单晶棒的寿命裸测值是变化 的，如果切断用带锯的刃口粗钝，进刀速 度快，则寿命的裸测值必然很低，这并不 代表单晶的体寿命低。一般说来，裸测寿 命时，单晶棒端面是不经过酸腐蚀的，寿 命值较低，只需总结出寿命裸测值与钝化 值之间的关系，就可得出相应的单晶体寿 命值。
45 40 35
Life time(us)
A B C D E
30 25 20 15 10 5 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 AcidAcid etching time(min) erode time (min) 8
图1. 酸腐蚀时间t对少子寿命的影响
Fig.1. The influence of acid etching time on life time of samples.
Life time (us)
a b c d
20 15 10 5 0 1 2 3
samples
4
5
图4. 不同样品钝化前后少子寿命 (a、b: 钝化前；c、 d: 钝化后) Fig.4. Life time of samples before passivation compared with after passivation. (a、b: before passivation; c 、d: after passivation
1.少子寿命测试及微波光电导衰退法
钝化前和钝化后的少子寿命值，图 1.1 作出了钝化前和钝化后的趋势。
表 1.3 钝化前和钝化后的少子寿命（单位为μs）
1 钝化前 钝化后 1.60 4.67
2 1.48 4.53
3 1.53 4.72
4 1.49 4.49
5 1.47 4.57
6 1.51 4.63
钝化前和钝化后少子寿命测试结果比较
表 1.1 几种少子寿命的测试技术
少子注入方式
测试方法 直流光电导衰退 表面电压法 交流光电流的相位 微波光电导衰减法 红外吸收法 电子束激励电流（SEM）
测定量 τ L（τB） τB τ τ τB，S
测量量范围 τ﹥10 s 1<L<500μm τB﹥10-8s τ﹥10-7s τ﹥10-5s τ﹥10-9s
-7
特性 τ的标准测试方法 吸收系数α值要精确 调制广的正弦波 非接触 非接触法光的矩形波 适于低阻
光注入
电子束
微波光电导衰退法测试少子寿命，包括光注入产生电子-空穴对和微波探测信号的变化 两个过程。激光注入产生电子-空穴对，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， 这种趋势反映了少子的衰减趋势， 则可以通过观测电导率随时间变化的趋 势可以测少子的寿命。 而微波信号时探测电导率的变化， 依据微波信号的变化量与电导率的 变化量成正比的原理。 微波光电导衰减法（如 WT-1000B 少子寿命测试仪）测试的是半导体的有效寿命，实际 上包括体寿命和表面寿命。 测试少子寿命可有下式表示：
B
D=（4.63-1.56）=3.07。即，y=x+3.07，则设置后测试结果接近体寿命。 这样只是简单设置，要想得到更接近的值，需要做大量的实验和数据，统计结果，分 析后会得到更为接近体寿命的系数及数值。
多晶硅与少子寿命分布
多晶硅与少子寿命分布（河南科技大学材料科学与工程系，洛阳 471000）摘要：铸造多晶硅目前已经成功取代直拉单晶硅而成为最主要的太阳能电池材料。
铸造多晶硅材料中高密度的杂质和结晶学缺陷(如晶界，位错，微缺陷等)是影响其太阳能电池转换效率的重要因素。
本文利用傅立叶红外分光光谱仪(FTIR) ，微波光电导衰减仪，红外扫描仪(SIRM)，以及光学显微镜(OpticalMicroscopy)等测试手段，对铸造多晶硅中的原生杂质及缺陷以及少子寿命的分布特征进行了系统的研究。
主要包括以下三个方面:间隙氧在铸造多晶硅锭中的分布规律;铸造多晶硅中杂质浓度的分布与材料少子寿命的关系;铸造多晶硅中缺陷的研究及其对少子寿命的影响。
关键词：铸造多晶硅；间隙氧；铁；位错；少子寿命1.引言1.1多晶硅的生产简介：硅，1823年发现，为世界上第二最丰富的元素——占地壳四分之一，砂石中含有大量的SiO2，也是玻璃和水泥的主要原料，纯硅则用在电子元件上，譬如启动人造卫星一切仪器的太阳能电池，便用得上它。
由于它的一些良好性能和丰富的资源，自一九五三年作为整流二极管元件问世以来，随着硅纯度的不断提高，目前已发展成为电子工业及太阳能产业中应用最广泛的材料。
多晶硅的最终用途主要是用于生产集成电路、分立器件和太阳能电池片的原料。
硅的物理性质：硅有晶态和无定形两种同素异形体，晶态硅又分为单晶硅和多晶硅，它们均具有金刚石晶格，晶体硬而脆，具有金属光泽，能导电，但导电率不及金属，具有半导体性质，晶态硅的熔点1416±4℃，沸点3145℃，密度2.33 g/cm3，莫氏硬度为7。
单晶硅和多晶硅的区别是，当熔融的单质硅凝固时，硅原子以金刚石晶格排列为单一晶核，晶面取向相同的晶粒，则形成单晶硅，如果当这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则形成多晶硅，多晶硅与单晶硅的差异主要表现在物理性质方面。
一般的半导体器件要求硅的纯度六个9以上，大规模集成电路的要求更高，硅的纯度必须达到九个9。
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少子寿命 -物理意义
基本概念
少子: 非平衡载流子，少数载流子，少数非平衡载流子
如对p-Si而言，少子就是电子，对n-Si而言就是空穴 产生方式：光照或电注入
光照
左图：光照产 生非平衡载流 子的能带结构 示意图
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少子寿命： 非平衡载流子的平均生存时间， 用τ表示
适用于近表面区域缺陷的观察
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Electron beam
Schottky barrier
IEBIC
e-h pairs
GB
Ib Ig I
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应用实例 应用实例
多晶硅锭检测
0.12 0.10 0.08 0.06 0.04
N4-24 N4-25 N4-26
Y Axis Title
0.02 0.00 -0.02 -0.04 -0.06 -0.08 -0.10 -0.12 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0
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微波光电导衰减法 (μ-PCD)
仪 器 照 片 无损测试
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Top
Central
Bottom
SE
EBIC _300 K
100 µm
铸造多晶硅头，中，尾部分SEM与EBIC图像对比
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多晶硅在热处理前后缺陷的EBIC图像（E=30KeV) a 热处理前（原始状态） b 热处理后，在晶界附近有明亮的吸杂区形成。
非平衡载流子随时间指数衰减
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少子寿命与电池效率以及硅片最优厚度的关系
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少子寿命测试方法介绍 少子寿命测试方法介绍
微波光电导衰减法 (m-PCD)
表面光电压(SPV)
表面光电压(SPV)
光照
电子空穴对
重新分布
表面光电压
过剩载流子浓度的单一函数
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表面光电压(SPV)
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Байду номын сангаас
准稳态光电导方法 (QSSPC)
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不同的曲线形状对应 不同的深能级以及浅 能级的SRH寿命
SRH寿命随少子注入强度的变化
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电子束诱生电流（EBIC）
原理： 电子束在样品内激发出电子空穴对，在样 品结势场的作用下电子空穴分离，定向运 动并被收集。由于样品中各个部位复合强 度的不同，在二维EBIC图像上就表现为明 暗不同，即电流强度的不同
氮化硅膜是太阳电池行业广泛使用的表面钝化及减反射技术
蓝色SiNx膜
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多晶硅中缺陷的表征
图中颜色较深区域 是复合活性高，少 子寿命低的区域， 在多晶硅中与晶界 相对应
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铸造多晶硅 -市场占有量最高的太阳电池材料
能耗低 片型大 成本低 效率高 稳定
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存在的问题 -晶界。。。
均匀性 机械强度-破片 电池失效-漏电 杂质沾污 少子寿命测试
准稳态光电导方法 (QSSPC)
电子束诱生电流（EBIC）
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微波光电导衰减法 (μ-PCD)
1. 脉冲激光（904nm）产 生电子空穴对 2. 撤去激光时，电子空 穴对发生复合 3. 样品电导率变化
200 ns
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X Axis Title
近发射级，沿晶界走向的沉淀图像
相应能谱测定的杂质原子含量 硅 中 的 原 子 含 量 ％
Ag
雾状缺陷区：位错密度 高达107 cm-2 量级
Oxygen
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• 微晶区域内，沿晶界分布有大量的雾状位错团； • 沿晶界的位错团能吸附高浓度氧，使得晶界能被HF强 烈腐蚀，但未形成大尺寸的氧沉淀； • 多晶硅柱状生长，雾状缺陷也随晶界柱状分布，在发 射区附近，该区域含有较高浓度的Ag，是由电极工艺 中的异常扩散和偏析导致； • 雾状缺陷是少子复合中心，会导致材料体寿命下降； • 当雾状缺陷贯穿PN结时，会导致PN严重漏电，甚至完 全失效。
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表面钝化效果表征
不同的表面复合速率下，体寿命和测试寿命的关系
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表面钝化技术 表面热处理：氧化层或氮化层 化学试剂法：HF酸：有毒, 且钝化效果在20min 后
就消失了 碘酒：测试时需把样品浸泡在溶液中, 且碘酒挥发对设备有损害
电池失效分析
低寿命与漏电区对应关系
0.12 0.10 0.08 0.06 0.04
N4-14 N4-15 N4-16
Y Axis Title
0.02 0.00 -0.02 -0.04 -0.06 -0.08 -0.10 -0.12 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0
X Axis Title
转换效率低于单晶硅太阳电池 转换效率低于单晶硅太阳电池
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少子寿命 -与太阳电池转换效率密切相关
晶体硅最重要的电学参数之一，用于硅片检测 方便的测量Fe杂质沾污浓度 表面钝化效果表征 多晶硅中缺陷的表征 用于电池失效分析
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电池失效分析
在电池某些栅 电极附近少子 寿命特别低， 这些区域则可 能成为电池失 效区，但进一 步的判断还要 结合I－V等其 他表征手段 多晶硅基太阳能电池少子寿命分布
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铸锭多晶硅少子寿命测试
报告人： 汪 雷 硅材料国家重点实验室 浙江大学，杭州
报告内容：
背景 少子寿命测试方法介绍 应用实例
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背景 背景
单晶 多晶
晶体硅太阳电池是世界主流，10年内仍将占主导地位 晶体硅太阳电池是世界主流，10年内仍将占主导地位
其中Cμ-PCD＝3.4×1013μs/cm3
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表面钝化效果表征
(a)
(b)
SiON钝化效果表征 (衬底为p-Si) (a) PECVD沉积SiON; (b)沉积SiON后经FGA退火 (H2:N2=1:10 400℃/30min)
头部2cm：过渡族金属沾 污 (Fe分凝） 尾部4-5cm：氧杂质沾污 （分凝）或坩埚中金属扩 散 这两个区域都不能用于太 阳能电池，必须去除 多晶硅纵向少子寿命分布
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Fe杂质沾污浓度的测试
N Fe ⎛ 1 1 = Cμ − PCD ⎜ − ⎜τ ⎝ before τ after ⎞ ⎟ ⎟ ⎠