一种半导体硅材料中少数载流子寿命的测试方法

摘要

本发明涉及半导体材料测试技术领域，具体涉及一种半导体硅材料中少数载流子寿命的测试方法，在待测试硅材料表面提供一个短波长的稳定光照,使之在硅材料中形成一个有利于阻滞在硅材料体内产生的非平衡少子向硅材料表面扩散的少数载流子分布。测试时使用一束测试光脉冲，在硅材料的体内激发非平衡少数载流子，当测试光脉冲结束后，记录硅材料附加电导率的衰减，以此反映硅材料体内非平衡少数载流子的衰减，经计算得出硅材料中的非平衡少数载流子的复合寿命值τ。该方法的优点：有利于阻止在硅材料体内产生的非平衡少子向硅材料表面的扩散，减少硅材料表面复合对测试结果的影响，待测的硅材料事先无需处理，测试速度快，并有满意的测试准确度。

说明书

技术领域

本发明涉及载流子寿命测试技术领域，具体涉及一种半导体硅材料中少数载流子寿命的测试方法。

背景技术

非平衡少子寿命测试是当今半导体工业和光伏工业获得硅晶体中缺陷、杂质信息的有效手段之一。在行业中，也常常将硅材料的非平衡少子寿命指标作为材料和器件制备过程清洁程度的监测指标。我们测量半导体硅材料的非平衡少子寿命，希望得到与硅材料真实的体内非平衡少子寿命τ_b相接近的测量值τ_F，而不是一个受材料表面非平衡少子寿命τ_s影响很大的测量值τ_F。因为只有τ_b才能真正反映半导体材料的内在质量，而表面非平衡少子寿命τ_s只能反映样品的表面状态，τ_s是随硅材料表面状态变化而变化的变数。

硅片具有较大的表面积和较小的厚度，本发明在硅片少子寿命测量中具有特殊的意义，为了叙述方便起见，以下仅以硅片为例。其结果对于其它形状的硅材料是相同的。

通过仪器测量出的非平衡少子寿命值τ_F称为表观寿命，它与样品硅片体内非平衡少子寿命τ_b及表面寿命τ_s间存在如下关系：，式中材料表面非平衡少子寿命τ_s取决于在半导体硅片体内产生的非平衡少子扩散到硅片表面平均所需要的时间τ_diff和非平衡少子在硅片表面复合所需要的时间τ_sp即，τ_s＝τ_diff+τ_sp。

在硅片测试中，上式，其中，l反映的是半导体硅片体内产生的非平衡少子扩散至硅片表面的距离，D表示非平衡少子的扩散系数，s表示非平衡少子的表面复合速度，在有些情况下，如果l较小或s较大，则在测试中会出现τ_s值与τ_b值在同一数量级，甚至τ_s值小于τ_b值时的情况，这时τ_s对于我们得到比较准确的τ_b测量结果的干扰是巨大的。

现有的晶体硅非平衡少子寿命的测试多采用光电导衰减法，与其他测试方法比较，光电导衰减法一般不需要制备特殊的测试样品和接触电极，便于做为器件和材料制备过程的质量监控手段和材料交易的质量验收标准测试方法。但是现有的测试方法，τ_F有时不能足够正确地反映τ_b，比如当测试硅片的厚度较薄(l值较小)、τ_b较大时，便会发生这种情况。

为了使测试值τ_F比较正确地反映晶体硅片体内的少子寿命τ_b，现有技术是通过对硅片表面的处理，使硅片表面复合速度处于某种已知的状态，然后根据测试结果，推算出硅片体内的少子寿命τ_b。对硅片表面的处理可以是通过喷砂打毛得到一个高复合速率的表面，或者通过硅片的表面钝化，得到一个低复合速率的表面。具体的做法可以是将硅片浸入HF、碘酒,或者在硅片表面制备一层钝化层，如薄层氧化硅等。

这种通过对硅片表面处理，得到一个表面复合速度处于某种已知的状态的技术手段，存在如下缺点和潜在的危险：(1)由于硅片表面状况的随机性，测试误差较大；(2)需要额外处理工序和制备样品，不利于现场质量监测和质量控制；(3)有些表面处理用的化学品存在安全和环保风险。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种半导体硅材料中少数载流子寿命的测试方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

提供一种半导体硅材料中少数载流子寿命的测试方法，它包括以下步骤：

步骤一、用稳定的短波长偏置光辐照硅材料表面，使之在硅材料表面或表面附近形成一个有利于阻滞在硅材料体内产生的非平衡少子向硅材料表面扩散的少数载流子(以下称偏置少子)分布；

步骤二、在所述稳定的短波长偏置光的辐照期间，采用一束较长波长的测试光脉冲照射硅材料以在硅材料的体内激发非平衡少数载流子(以下称非平衡少子)；

步骤三、所述测试光脉冲结束后，步骤二中在硅材料体内激发出来的非平衡少子会逐渐复合和衰减，导致被测硅材料的附加电导率的衰减。测试和记录由于非平衡少子的复合引起的硅材料的附加电导率与时间的函数关系曲线；

步骤四，根据步骤三测试的非平衡少子的复合引起的硅材料的附加电导率与时间的函数关系曲线，通过ΔP(t)＝(ΔP)₀e^-t/τ计算得出硅材料中的非平衡少子的复合寿命值τ。

上述技术方案中，所述步骤一中，所述短波长偏置光的波长范围为10nm～750nm。

上述技术方案中，所述步骤一中，所述短波长偏置光设置为可见光或紫外光。

上述技术方案中，所述步骤一中，所述短波长偏置光在测试周期中其辐照度和波长是稳定的。

上述技术方案中，所述步骤二中，所述测试光脉冲设置为可见光或近红外光。

上述技术方案中，所述硅材料为半导体晶体。

上述技术方案中，所述硅材料为半导体晶体硅片

上述技术方案中，所述半导体晶体硅片的表面存在有非晶态硅材料薄层、微米硅材料薄层或纳米硅材料薄层。

本发明与现有技术相比较，有益效果在于：

(1)本发明提供的一种半导体硅材料中少数载流子寿命的测试方法，为解决由于硅片表面状况的随机性带来的对硅片非平衡少子寿命测试的不确定性，以及由于需要额外的处理工序和制备样品，带来增加工时和安全、环保隐患的问题，本发明能够在硅材料表面到体内形成偏置少子的梯度分布，该偏置少子梯度的存在有利于阻滞硅材料体内产生的非平衡少子向硅材料表面的扩散运动，增加硅材料体内产生的非平衡少子扩散到硅片表面平均所需要的时间τ_diff。达到提高等效表面少子复合寿命τ_s，使得测试少子复合寿命τ_F更接近半导体硅片的体内少子寿命τ_b的目的。

(2)本发明提供的一种半导体硅材料中少数载流子寿命的测试方法，由于在测试周期内为硅材料表面提供一个稳定的短波长偏置光辐照，短波长偏置光大部分被硅材料的表层所吸收，并且在吸收的区域产生偏置少子，这些偏置少子一方面向硅材料的体内扩散并复合，一方面向复合率较高的硅材料表面扩散并复合，从而在沿硅材料的表面至内部方向形成一个动态平衡的偏置少子梯度分布，具体的分布取决于短波长偏置光的波长、硅材料的表面复合寿命τ_s和硅材料的体内复合寿命τ_b。其分布的规律呈现靠近硅材料表面处少子有一个峰值，硅材料表面和硅材料体内少子都处于一个较低水平的状态。由于在测试期间该短波长偏置光稳定存在，因此这样一个偏置少子分布处于动态平衡状态，有利于阻止在硅材料体内产生的非平衡少子向硅材料表面的扩散。由于测试脉冲光激发的非平衡少子基本局限于动态平衡的偏置少子分布“浴盆”曲线之内，进而能大大降低表面复合对测试结果的影响。

(3)本发明提供的一种半导体硅材料中少数载流子寿命的测试方法，由于测试时使用一束较长波长的测试光脉冲，使之在硅材料的体内激发非平衡少子，在测试光脉冲结束后，硅材料中的非平衡少子ΔP(t)按指数规律减少:ΔP(t)＝(ΔP)₀e^-t/τ，通过检测硅材料的附加电导率的变化，就可以计算得到硅材料的非平衡少子的复合寿命值τ。

(4)本发明提供的一种半导体硅材料中少数载流子寿命的测试方法，具有以下优点：待测的硅材料事先无需处理，测试速度快，可以在线测量。另外，由于采取了事先在硅材料内部形成一个不利于硅材料体内产生的非平衡少子向硅材料表面扩散的电场的技术措施，可以减少硅材料表面的少数载流子复合对非平衡少子浓度的影响，得到比较接近硅材料体内少子复合寿命τ_b的测试值τ_F。

(5)本发明提供的一种半导体硅材料中少数载流子寿命的测试方法，能够实现硅材料少子寿命的无损、无接触快速检验，并且得到满意的测试质量。本发明可用于光伏产业的半导体晶体硅片的交割检验和工艺过程的实时控制。能够实现硅片的在线检验，对于象光伏产业这样大量使用单晶硅、多晶硅片的企业，对生产和检验过程控制，控制原材料和产品的质量，非常有效。

附图说明

图1是一种半导体硅材料中少数载流子寿命的测试方法的原理示意图。

附图标记：

硅片1；

短波长偏置光2；

偏置少子3；

长波长测试脉冲4；

非平衡少子5；

动态平衡的偏置少子分布6。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

其中，本发明提及的少子，也称为少数载流子。

其中，本发明步骤一提及的“用稳定的短波长偏置光辐照硅材料表面，使之在硅材料表面或表面附近形成一个有利于阻滞在硅材料体内产生的非平衡少子向硅材料表面扩散的偏置少子分布”中，“表面附近”包括离硅材料表面纳米级、微米级或毫米级的内部位置。

实施例1。

一种半导体硅材料中少数载流子寿命的测试方法，它包括以下步骤：

步骤一、用稳定的短波长偏置光辐照硅材料表面，使之在硅材料表面或表面附近形成一个有利于阻滞在硅材料体内产生的非平衡少子向硅材料表面扩散的偏置少子分布；其中，偏置光的波长范围为10nm～750nm；本实施例中，偏置光设置为绿光波长范围；其中，偏置光在测试周期中其辐照度和波长是稳定的；

步骤二、在稳定的偏置光辐照期间，采用一束较长波长的测试光脉冲照射硅材料，以在硅材料的体内激发非平衡少数载流子；本实施例中，测试脉冲光设置为红光波长范围；

步骤三、测试光脉冲结束后，步骤二中在硅材料体内激发出来的非平衡少子会逐渐复合和衰减，导致被测硅材料的附加电导率的衰减，测试和记录由于非平衡少子的复合引起的硅材料的附加电导率与时间的函数关系曲线；

步骤四，根据步骤三测试得到的非平衡少子的复合引起的硅材料的附加电导率与时间的函数关系曲线，通过ΔP(t)＝(ΔP)₀e^-t/τ计算得出硅材料中的非平衡少数载流子的复合寿命值τ。

本实施例中，硅材料为半导体晶体硅片，其中，半导体晶体硅片的表面存在有非晶态硅材料薄层。

实施例2。

一种半导体硅材料中少数载流子寿命的测试方法，它包括以下步骤：

步骤一、用稳定的短波长偏置光辐照硅材料表面，使之在硅材料表面或表面附近形成一个有利于阻滞在硅材料体内产生的非平衡少子向硅材料表面扩散的偏置少子分布；其中，短波长偏置光的波长范围为10nm～750nm；本实施例中，偏置光设置为紫光波长范围；其中，偏置光在测试周期中其辐照度和波长是稳定的；

步骤二、在稳定的偏置光的辐照期间，采用一束较长波长的测试光脉冲照射硅材料，以在硅材料的体内激发非平衡少子；本实施例中，测试脉冲光设置为红光波长范围；

步骤三、测试光脉冲结束后，步骤二中在硅材料体内激发出来的非平衡少子会逐渐复合和衰减，导致被测硅材料的附加电导率的衰减，测试和记录由于非平衡少子的复合引起的硅材料的附加电导率与时间的函数关系曲线；

步骤四，根据步骤三测试得到的的非平衡少子的复合引起的硅材料的附加电导率与时间的函数关系曲线，通过ΔP(t)＝(ΔP)₀e^-t/τ计算得出硅材料中的非平衡少子的复合寿命值τ。

本实施例中，硅材料为半导体晶体硅片，其中，半导体晶体硅片的表面存在有微米硅材料薄层或纳米硅材料薄层。

实施例3。

一种半导体硅材料中少数载流子寿命的测试方法，它包括以下步骤：

步骤一、用稳定的短波长偏置光辐照硅材料表面，使之在硅材料表面或表面附近形成一个有利于阻滞在硅材料体内产生的非平衡少子向硅材料表面扩散的偏置少子分布；其中，偏置光的波长范围为10nm～750nm；本实施例中，偏置光设置为紫光；其中，偏置光在测试周期中其辐照度和波长是稳定的；

步骤二、在稳定的偏置光的辐照期间，采用一束较长波长的测试光脉冲照射硅材料，以在硅材料的体内激发非平衡少数载流子；本实施例中，测试脉冲光设置为黄光波长范围；

步骤三、测试光脉冲结束后，步骤二中在硅材料体内激发出来的非平衡少子会逐渐复合和衰减，导致被测硅材料的附加电导率的衰减，测试和记录由于非平衡少子的复合引起的硅材料的附加电导率与时间的函数关系曲线；

步骤四，根据步骤三得到的非平衡少子的复合引起的硅材料的附加电导率与时间的函数关系曲线，通过计算得出硅材料中的非平衡少子的复合寿命值τ。

本实施例中，硅材料晶体硅片。

实施例4。

一种半导体硅材料中少数载流子寿命的测试方法，它包括以下步骤：

步骤一、用稳定的短波长偏置光辐照硅材料表面，使之在硅材料表面或表面附近形成一个有利于阻滞在硅材料体内产生的非平衡少子向硅材料表面扩散的偏置少子分布；其中，偏置光的波长范围为10nm～750nm；本实施例中，偏置光设置为红光波长范围；其中，偏置光在测试周期中其辐照度和波长是稳定的；

步骤二、在稳定的偏置光的辐照期间，采用一束较长波长的测试光脉冲照射硅材料以在硅材料的体内激发非平衡少子；本实施例中，测试脉冲光设置为近红外光；

步骤三、测试光脉冲结束后，步骤二中在硅材料体内激发出来的非平衡少子会逐渐复合和衰减，导致被测硅材料的附加电导率的衰减，测试和记录由于非平衡少子的复合引起的硅材料的附加电导率随时间变化的函数关系曲线；

步骤四，根据步骤三测试的非平衡少子的复合引起的硅材料的附加电导率与时间的函数关系曲线，通过计算得出硅材料中的非平衡少子的复合寿命值τ。

本实施例中，硅材料为晶体硅块料。

另外，结合附图1的一种半导体硅材料中少数载流子寿命的测试方法的原理示意图，进一步说明本发明的具体测试方法：采用短波长偏置光2作为偏置光辐照硅片1的各表面，偏置光2在硅片1的表面被硅片1吸收，并产生偏置少子3，稳态的偏置少子3从产生的峰值区域向硅片1外表面和体内扩散，在硅片1表面附近形成动态平衡的偏置少子分布6，用波长长于偏置光的测试脉冲4照射硅片1，长波测试脉冲4在硅片1中激发出非平衡少子5，测试脉冲4结束后，测试和记录非平衡少子5随时间的衰减曲线，经计算得到硅片的少数载流子复合寿命。

由于测试脉冲激发的非平衡少数载流子基本局限于处于动态平衡的偏置少子所形成的“浴盆”分布曲线中复合消失，大大降低了表面复合对测试结果的影响，因此由关系式当表面复合寿命τ_s很大时，可以认为测试寿命值τ_F接近硅片的体内寿命τ_b。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。