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1、单晶硅非平衡少数载流子寿命测试文集浙江金贝太阳能科技有限公司编译2014 年 6 月 16 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
2、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:F391-96Standard Test Methods for Minority Carrier Diffusion Length in Extrinsic Semiconductor
3、s 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
4、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。浙江金贝太阳能科技有限公司目 录1.太阳能级单晶硅少子寿命测量的探讨12.SEMI MF 28-02 光电
5、导衰退测量锗和硅体少数载流子寿命的测量方法33.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314.SPV 法检测硅材料性能的新进展 350太阳能级单晶硅少子寿命测量的探讨我国半导体单晶硅、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
6、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 13cm 的硅单晶少子寿命，因此未进入电阻率范围在 0.56cm 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 0.1cm，甚至达到 0.01cm。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
7、称为“PCD”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（PCD）方法及设备的对照表（以浙江金贝太阳能科技有限公司的 LT-1 型与匈牙利 SemiLab Rt.WT-1000 为例）方法（设备）参数HFPCD（LT-1） PCD（WT-1000）光源波长 1.07m 0.904m（904nm）光在硅单晶中的贯穿深度 220m 30m寿命可测范围 5s6000s 0.25s1ms工作频率 30MHz 10GHz电阻率下限 0.01cm 0
8、.1cm读数方式 用示波器读数 通过数据处理软件由电脑读数校核方法 配 0.7、1mm 校核片偏差20% 精度尚未确定注：贯穿深度是根据光吸收公式：I=I 0e-x 计算，其中 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：300K 时，1.07m 波长的光在硅单晶中的吸收係数 1.07.610cm -1；0.904 波长光吸收係数为： 0.95.610 2cm-1。例如：=0.904 波长的光，进入硅单晶后，当时，X=17.9m，当 时，约为 30m。从上表可以看出，两种设备所用的光源波长均在 SEM1 M
9、F1535-1104 标准规定的范围内：0.91.1m，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0.904 波长的光较适合测薄片，1.07 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40s 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 13cm） ，寿命值均为 200s，而用 WT-1000 测OIe10OI1量只有 15s，我们认为这是由于 0
10、.904 波长的光注入深度只有 30m，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，
11、表面复合速度高达 107cm/秒，即使其体寿命很高（如 1ms）测出的表观寿命值也只有20s，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： O=（ -Rs） -1 O体寿命 F表观寿命 R S表面复合速率1F-上式可以改写成： oFRs当薄片厚度为 ，半径为 r 时， D少子扩散係数l 2219()6p=+Slr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 时，R S= ，此时 ，在表面 复 合 速 度 很 高 ， 也 就 是 RS很大时，?rl2Dl21Fol，因此， oF2
12、Fl2FlD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 200m 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。2SEMI MF 28-
13、02光电导衰退测量锗和硅体少数载流子寿命的测量方法本标准最初由 ASTM 国际发布为 ASTM F28-63T。它由 ASTM 投票程式正式批准，并遵守 ASTM 专利要求。虽然本标准的所有权已移交到 SEMI，但它未经 SEMI 投票程式正式批准，它既不遵从 SEMI 关于专利的规则，也不遵从 SEMI 的编辑准则。2003 年 10 月它在 www.semi.org 网站上发表，并在 2003 年 11 月出版。最末一个版本由 ASTM 国际发布为 ASTM F28-02。1. 范围1.1 本方法包含非本征锗或硅单晶块体样品与载流子复合过程相关的少数载流子寿命的测量。1.2 本方法基于测量
14、光脉冲产生载流子之后的样品电导率的衰退。包括下列两种测量方法：1.2.1 测量方法 A脉冲法。适于锗和硅。 11.2.2 测量方法 B斩波法。专用于电阻率1cm 的硅样品。 21.3 从样品可反复进行测量的意义上说，两种方法都是非破坏性的，但方法要求特殊尺寸的棒条样品（见表 1）及表面条件（研磨） ，一般说它们不适于再作它用。 1.4 最低可测寿命值取决于光源关断特性，而最高寿命值主要取决于测量样品的尺寸（见表2） 。注 1少数载流子寿命也可以从按测量方法 F391 表面光电压（SPV）方法测出的扩散长度推导得到。少数载流子寿命为扩散长度的平方除以少数载流子扩散系数，后者可从漂移迁移率算出。S
15、PV 测量主要对少数载流子敏感，多数载流子的影响由于表面耗尽区的作用而受到抑制，结果使 SPV 测出的寿命总是比光电导衰退（PCD）法测出的寿命短，因为光电导除包含少数载流子外还包含多数载流子的贡献。当陷阱不存在时，假定SPV 测量中吸收系数数值正确，PCD 测量中表面复合的贡献被正确计入，SPV 方法和 PCD 方法应得到相同的寿命值（1） 。 31.5 本标准不打算述及在其应用中可能会遇到的所有的安全问题。在使用前制订适宜的安全及健康操作方法并确定规章限制的适用性，是本标准使用者的责任。特定的危害陈述见第 9节。2. 参考文档2.1 ASTM 标准：D5127 用于电子和半导体工业的超纯水指南 4F42 非本征半导体材料导电类型的测量方法 5F43 半导体材料电阻率的测量方法 5F391 稳态表面光电压测量非本征半导体少数载流子扩散长度的测量方法 52.2 其它标准：DIN 50440/1 光电导衰退法测量硅单晶载流子寿命：棒状测量样品的测量 3IEEE 标准 225 光电导衰退法测量锗和硅少数载流子寿命 23. 术语33.1 定义：3.1.1 （均质半导体）少
