少子寿命测量
少子寿命的测量
表面复合对少子寿命测量影响的定量分析我们测量硅单晶、铸造多晶以及单晶硅片、多晶硅片的少子寿命，都希望得到与真实体寿命b τ相接近的测量值（表观寿命），而不是一个受表面影响很大的表面复合寿命s τ。
因为在寿命测量中只有b τ才能真正反映半导体材料的内在质量，而表面复合寿命只能反映样品的表面状态，是随表面状态变化而变化的变数。
通过仪器测量出的寿命值我们一般称为表观寿命，它与样品体寿命及表面复合寿命有如下关系，公式（1）由SEMI MF28-0707给出的计算公式τ0 =SF R τ--11（τ0或b τ表示体寿命）推演出来：Sb F τττ111+= （1）即仪器测量值F τ，它实际上是少子体寿命b τ和表面复合寿命s τ的并联值。
光注入到硅片表面的光生少子向体内扩散，一方面被体内的复合中心（如铁原子）复合，另一方面扩散到非光照面，被该表面的复合中心复合。
光生少子在体内平均存在的时间由体复合中心的多少而决定，这个时间就称为体寿命。
如果表面很完美，则表面复合寿命趋于无穷大，那么表观寿命即等于体寿命。
但实际上的表面复合寿命与样品的厚度及表面复合速度有关。
由MF1535-0707中给出slD l spdiff s 222+=+=πτττ （2）可知，其中： diff τ=Dl 22π——少子从光照区扩散到表面所需的时间sp τ=2ls——少子扩散到表面后，被表面（复合中心、缺陷能级）复合所需要的时间l ——样品厚度D ——少子扩散系数，电子扩散系数Dn=33.5cm 2/s ，空穴扩散系数Dp=12.4 cm 2/sS ——表面复合速度，单位cm/s硅晶体的表面复合速度随着表面状况在很大范围内变化。
如表1所示：表1据文献记载，硅抛光面在HF 酸中剥离氧化层后复合速度可低至0.25cm/s ，仔细制备的干氧热氧化表面复合速度可低至1.5-2.5cm/s ，但是要达到这样的表面状态往往不容易，也不稳定，除非表面被钝化液或氧化膜保护。
少子寿命测试原理
施美乐博公司上海代表处 Semilab Rt. (China)上海浦东新区商城路738号胜康廖氏大厦1909 （邮编：200120）- 5 -2. 原理2.1 少子寿命测试原理少子寿命测量方法包括非平衡载流子的注入和检测两个基本方面。
最常用的注入方法有光注入和电注入，而检测非平衡载流子的方法有很多，如探测电导率的变化，探测微波反射或透射信号的变化等，注入和检测方法的不同组合就形成了多种少子寿命测试方法，如：直流光电导衰减法；高频光电导衰减法；表面光电压法；微波光电导衰减法等。
WT-2000PV 系统采用微波光电导衰减法实现对少子寿命的测试。
微波光电导衰退法(μ-PCD ，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这两个过程。
904nm 的激光注入（对于硅，注入深度大约为30μm ）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。
μ-PCD 测得的寿命值为少子有效寿命，它会受到样品体寿命和表面寿命两个因素的影响，其关系如下式所示：111measbulk diff surf ττττ=++ （2-1） 式中：22,diff n pd D τπ=，2surf d S τ= τmeas 为样品测得的有效寿命；τbulk 为样品体寿命；τdiff 为少子从样品体内扩散到表面的扩散寿命；τsurf 为由于样品表面复合产生的表面寿命； d 为样品厚度；D n ，D p 分别为电子和空穴的扩散系数；S 为表面复合速度。
图2-1 不同表面复合速率的样品，体寿命和测试寿命的关系由式（2-1）可知，样品表面寿命对测试寿命有很大影响，使其偏离体寿命，图2-1为不同表面复合速率的样品，体寿命和测试寿命的关系。
少子寿命测试原理
Slip lines
Oxygen striations
OSF ring
PROCESS INDUCED DEFECTS/Fe MAPPING
Fe Fe Fe Contaminated vacuum chuck Boat contamination Fe detection
•
- μ-PCD法
微波光电导衰减法(μ-PCD法)相对于其他方法，有如下特点： 无接触、无损伤、快速测试 能够测试较低寿命 能够测试低电阻率的样品（最低可以测0.1ohmcm的样品） 既可以测试硅锭、硅棒，也可以测试硅片或成品电池 样品没有经过钝化处理就可以直接测试 既可以测试P 型材料，也可以测试N 型材料 对测试样品的厚度没有严格的要求 该方法是最受市场接受的少子寿命测试方法
- 在多晶浇铸生产中：
1. 硅锭工艺质量控制 2. 根据少子寿命分布准确判断去头尾位置
- 电池生产中：
1. 进片检查 ；氮化硅钝化；金属化等
- 单晶生长及单晶硅片
APPLICATIONS
CRYSTAL GROWTH DEFECTS
15.0
14.0
13.0 0 1000 2000 3000 4000
Bias Light [mSun]
τaverage=11.8μs
τaverage=17.1μs
少子寿命测试仪的介绍
WT-2000 WT-1000 单点 硅片
多功能扫描系统，可选配： u-PCD / carrier lifetime （少子寿命） SPV / diffusion length （扩散长度） LBIC / photovoltaic response （光诱导电流） bias light for all aboves （各种偏置光） reflectance / efficiency loss （反射率测试） eddy current resistivity （电阻率测试） thickness and thickness variation （厚度测试） Non-contact sheet resistance （方块电阻测试)
少子寿命测试仪操作规程
WT-2000（少子寿命测试）操作规程一目的测量硅片的少子寿命及电阻率二适用范围适用于similab公司的WT2000型号的椭偏仪硬件部分：1、依次接通DOS主机（上），windows主机（下）的电源。
2、打开真空泵。
3、确保测试箱内没有待测样品，关闭测试箱盖。
软件部分：1、双击桌面快捷方式，进入WT-2000软件界面，窗体左下角的状态栏显示为“WS5.10OK”。
2、在菜单栏选择“Measure-Initialize”，对仪器进行初始化。
（注意：在每次重启DOS机后都需要进行一次初始化，否则仪器无法进行测量。
初始化完成后“Initialize”变为不可选）3、在菜单栏“Measure-Mode”或主窗体的工具栏，选择测量模式为u-PCD。
4、在菜单栏选择“Measure-Load sample”，并弹出对话框要求放置样品。
此时打开测试箱盖并将待测硅片平放在测试平台上。
点击对话框的“OK”按钮，仪器将自动加载并对硅片扫描定位。
5、在自动定位完成后，选择“Measure-Autosetting”，仪器进行自校正。
选择测量精度（如右图中的Ｒaster）为４ｍｍ，随后选择“Measure-Map”，便可对硅片扫描作图。
6、选择“File-Save”，保存测量结果到指定路径。
注意事项：1、在仪器进行“初始化“、”自校正“等过程中不要进行其他操作，以免造成死机。
2、在加载硅片时，注意探头不要与硅片接触，以免损坏探头。
3、在”自校正“及作图时一定要盖上测试箱盖，以确保测量数据的准确。
4、使用完毕后，检查测试箱内卫生情况保证其干净整齐。
半导体少子寿命测量实验
半导体少子寿命测量实验实验：半导体少子寿命的测量一．实验的目的与意义非平衡少数载流子（少子）寿命是半导体材料与器件的一个重要参数。
其测量方法主要有稳态法和瞬态法。
高频光电导衰退法是瞬态测量方法，它可以通过直接观测少子的复合衰减过程测得其寿命。
通过采用高频光电导衰退法测量半导体硅的少子寿命，加深学生对半导体非平衡载流子理论的理解，使学生学会用高频光电导测试仪和示波器来测量半导体少子寿命。
二．实验原理半导体在一定温度下，处于热平衡状态。
半导体内部载流子的产生和复合速度相等。
电子和空穴的浓度一定，如果对半导体施加外界作用，如光、电等，平衡态受到破坏。
这时载流子的产生超过了复合，即产生了非平衡载流子。
当外界作用停止后，载流子的复合超过产生，非平衡少数载流子因复合而逐渐消失。
半导体又恢复平衡态。
载流子的寿命就是非平衡载流子从产生到复合所经历的平均生存时间，以τ来表示。
下面我们讨论外界作用停止后载流子复合的一般规律。
当以恒定光源照射一块均匀掺杂的n 型半导体时，在半导体内部将均匀地产生非平衡载流子Δn 和Δp 。
设在t=0时刻停止光照，则非平衡载流子的减少-d Δp /dt 应等于非平衡载流子的复合率Δp （t ）/τ。
1/τ为非平衡载流子的复合几率。
即：()τt p dt p d ?=?- （1-1）在小注入条件下，τ为常量，与Δp （t ）无关，这样由初始条件：Δp （0）=（Δp ）0可解得：()τt e p t p -?=?0 （1-2）由上式可以看出：1、非平衡载流子浓度在光照停止后以指数形式衰减，Δp （∝）=0,即非平衡载流子浓度随着时间的推移而逐渐消失。
2、当t=τ时，Δp （τ）=（Δp ）0/e 。
即寿命τ是非平衡载流子浓度减少到初始值的1/e 倍所经过的时间。
因此，可通过实验的方法测出非平衡载流子对时间的指数衰减曲线，由此测得到少子寿命值τ。
图1-1 高频光电导衰退法测量原理图高频光电导衰减法测量原理如图1-1所示。
高频光电导衰减法测量Si中少子寿命
高频光电导衰减法测量Si 中少子寿命一、概 述半导体中的非平衡少数载流子寿命是与半导体中重金属含量、晶体结构完整性直接有关的物理量。
它对半导体太阳电池的换能效率、半导体探测器的探测率和发光二极管的发光效率等都有影响。
因此，掌握半导体中少数载流子寿命的测量方法是十分必要的。
测量非平衡少数载流子寿命的方法有许多种，分别属于瞬态法和稳态法两大类。
瞬态法是利用脉冲电或闪光在半导体中激发出非平衡载流子，改变半导体的体电阻，通过测量体电阻或两端电压的变化规律直接获得半导体材料的寿命。
这类方法包括光电导衰减法和双脉冲法。
稳态法是利用稳定的光照，使半导体中非平衡少子的分布达到稳定的状态，由测量半导体样品处在稳定的非平衡状态时的某些物理量来求得载流子的寿命。
例如：扩散长度法、稳态光电导法等。
光电导衰减法有直流光电导衰减法、高频光电导衰减法和微波光电导衰减法，其差别主要在于是用直流、高频电流还是用微波来提供检测样品中非平衡载流子的衰减过程的手段。
直流法是标准方法，高频法在Si 单晶质量检验中使用十分方便，而微波法则可以用于器件工艺线上测试晶片的工艺质量。
本实验采用高频光电导衰减法测量Si 中少子寿命。
二、实验目的1．掌握用高频光电导衰减法测量Si 单晶中少数载流子寿命的原理和方法。
2. 加深对少数载流子寿命及其与样品其它物理参数关系的理解。
三、实验原理当能量大于半导体禁带宽度的光照射样品时，在样品中激发产生非平衡电子和空穴。
若样品中没有明显的陷阱效应，那么非平衡电子（∆n ）和空穴(∆p)的浓度相等，它们的寿命也就相同。
样品电导率的增加与少子浓度的关系为n q p q n p ∆+∆=∆μμσq ：电子电荷;µp 和µn 分别为空穴和电子的迁移率。
当去掉光照，少子密度将按指数衰减，即τte p -∝∆τ：少子寿命，表示光照消失后，非平衡少子在复合前平均存在的时间。
因此导致电导率τσte -∝∆也按指数规律衰减。
少子寿命实验报告
一、实验目的1. 了解光电导法测试少数载流子寿命的原理。
2. 熟练掌握LTX2高频光电导少数载流子寿命测试仪的使用方法。
3. 测量非平衡载流子的寿命。
二、实验原理少子寿命是指半导体材料中少数载流子的平均生存时间。
在半导体器件中，少数载流子的寿命对器件的性能具有重要影响。
光电导衰减法是测量少数载流子寿命的一种常用方法。
其原理是在样品上施加一定频率的高频电场，使样品中的载流子产生振荡，从而产生光电导现象。
通过测量光电导衰减曲线，可以计算出少数载流子的寿命。
三、实验仪器与材料1. 仪器：LTX2高频光电导少数载流子寿命测试仪、样品测试夹具、示波器、信号发生器、频率计、稳压电源等。
2. 材料：样品（如硅单晶、锗单晶等）、光注入源、腐蚀液、钝化液等。
四、实验步骤1. 准备样品：将样品进行清洗、切割、抛光等处理，使其表面光滑、平整。
2. 设置实验参数：根据样品类型和测试要求，设置合适的测试频率、测试时间等参数。
3. 连接仪器：将样品夹具、信号发生器、示波器、频率计、稳压电源等仪器连接好，确保连接正确、牢固。
4. 光注入：使用光注入源对样品进行光注入，产生非平衡载流子。
5. 测量光电导衰减曲线：打开测试仪，记录光电导衰减曲线。
6. 数据处理：对光电导衰减曲线进行拟合，计算少数载流子的寿命。
五、实验结果与分析1. 光电导衰减曲线：实验测得的光电导衰减曲线如图1所示。
图1 光电导衰减曲线2. 少子寿命计算：根据光电导衰减曲线，拟合得到少数载流子的寿命为5.6×10^-6 s。
3. 影响因素分析：（1）样品材料：不同材料的样品，其少子寿命不同。
例如，硅单晶的少子寿命一般比锗单晶长。
（2）样品制备：样品的制备过程对少子寿命有较大影响。
如样品表面粗糙度、杂质浓度等都会影响少子寿命。
（3）光注入强度：光注入强度越大，产生的非平衡载流子越多，从而影响少子寿命。
（4）测试参数：测试频率、测试时间等参数对少子寿命的测量结果有一定影响。
少子寿命测试
表面寿命对测试寿命有很大影响，使其偏离体寿命，下图是体寿命与测试寿命的 关系。在样品厚度一定的情况下，即扩散寿命一定，如果表面复合速率很大，则 在测试高体寿命样品时，测试寿命值与体寿命值就会偏差很大；而对于低体寿命 的样品，不会使少子寿命降低很多。因此我们需对样品表面进行钝化，降低样品 的表面复合速率。从图中我们可以看到，对于表面复合速率S 为1cm/s，或 10cm/s 的样品，即使在1000μs 数量级的体寿命，测试寿命还是与体寿命偏差很 小。即当样品的表面复合速率为10cm/s 或更小的情况下，对于1000μs 数量级高 体寿命的样品，测试寿命也能用来表示体寿命。
总结： （1）为了使测试的有效寿命趋向于体寿命，我们要尽量减少表面寿命的影 响，为此我们推荐使用表面钝化的方法，通常的钝化方法有热处理，化学钝化及 硅片表面电荷沉积等方法。 （2）对于太阳能领域，因材料表面不做抛光处理，所以我们推荐使用化学 钝化的方法。 （3）在体寿命较高，而表面寿命较低的情况下，化学钝化后测试寿命有较 大提高，测试寿命更加趋向于体寿命。 （4）在体寿命较低的情况下，比如<3μs，化学钝化前后寿命值不会明显变 化，可以认为此时测试寿命 即为体寿命。
研发中心
要破坏半导体的平衡状态，可以对其进行光注入(光照)或电注入(如p-n结正向工 作时，或金属探针与半导体接触时)。 非平衡载流子的复合：当产生非平衡载流子的外部作用撤销后，由于半导体的内 部作用，使它由非平衡状态恢复到平衡状态，此时非平衡载流子逐渐消失，此过 程称为非平衡载流子的复合。 半导体处于平衡状态时，电导率 σ=nqμn+pqμp 光注入时必然导致半导体电导率的增大，电导率 σ=(n+⊿n)qμn+(p+⊿p)qμp ⊿n=⊿p 引起的附加电导率为：⊿σ=⊿nqμn+⊿pqμp= ⊿pq(μp+μn) 光注入撤销后，由于非平衡载流子的复合，电导率会降低，所以光注入时半导体 材料电导率的变化可以反映出其非平衡载流子浓度的变化。 少子寿命：非平衡载流子的平均生存时间称为非平衡载流子的寿命。由于相对于 非平衡多子，非平衡少子的影响处于主导的、决定的地位，所以非平衡载流子的 寿命常称为少数载流子寿命。
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1，简述少子寿命概念
答，少子寿命指少子的平均生存时间，寿命标志少子浓度减少到原值的1/e所经历的时间。
2，当样品含有重金属且存在缺陷时，它们对寿命有影响吗？
答，当样品含有重金属且存在缺陷时，会产生杂质能级，成为少子的复合中心，从而寿命降低。
3，什么是小注入的条件？
答：小注入就是注入的非平衡少数载流子浓度远小于原来的平衡多数载流子浓度（～掺杂浓度）的状态。
对第二组数据，取（4.44E-5s，0.622V），（7.44E-5s，0.222V）。得 。
对第三组数据，取（5.02E-5s，0.738V），（7.44E-5s，0.294V）。得 。
平均寿命为 。
二，∆V~t曲线：
（一）
（二）
（三）
少子寿命：
三组数据分别得寿命为354.5 ，377.6 ，380.0 。平均寿命为370.7 。
二，如何测量少子寿命？
测量非平衡少数载流子寿命的方法有许多种，分别属于瞬态法和稳态法两大类。本实验采用高频光电导衰减法测量Si中少子寿命。
三，实验原理：
当能量大于半导体禁带宽度的光照射样品时，在样品中激发产生非平衡电子和空穴。若样品中没有明显的陷阱效应，那么非平衡电子（∆n）和空穴(∆p)的浓度相等，它们的寿命也就相同。样品电导率的增加与少子浓度的关系为 当去掉光照，少子密度将按指数衰减，即 ，因此导致电导率为 。
高频光电导衰减法测量Si中少子寿命
预习报告：
一，什么是少子寿命？
少子，即少数载流子。少子寿命指少子的平均生存时间，寿命标志少子浓度减少到原值的1/e所经历的时间。少数载流子ห้องสมุดไป่ตู้命是与半导体中重金属含量、晶体结构完整性直接有关的物理量。它对半导体太阳电池的换能效率、半导体探测器的探测率和发光二极管的发光效率等都有影响。
4，是否可选择可见光做光源？
答：当用可见光照射样品时，单晶体内无法产生非平衡光生载流子使样品产生附加光电导。因此不可以。
图2指数衰减曲线
一，Si.
∆V~t曲线:
（一）
（二）
（三）
计算少子寿命：
电压满足 ，在测量数据中，由于时间原点的不同选择，t的绝对值不同，但是相对值相同。任选两个点（ ）,（ ），有 ， ，两式相除，得 。
对第一组数据，取（4.26E-5s，0.298V），（8.06E-5s,0.094V）。利用上述公式得 。
高频源提供的高频电流流经被测样品，当红外光源的脉冲光照射样品时，单晶体内产生的非平衡光生载流子使样品产生附加光电导，从而导致样品电阻减小。由于高频源为恒压输出，因此流经样品的高频电流幅值增加I，光照消失后，I逐渐衰减，其衰减速度取决于光生载流子在晶体内存在的平均时间，即寿命。在小注入条件下，当光照区复合为主要因素时，I将按指数规律衰减，此时取样器上产生的电压变化V也按同样的规律变化，即