CN104641224B - 用于分析多晶半导体材料的晶体结构的方法 - Google Patents

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Abstract

本文描述了一种用于分析多晶半导体材料的晶体结构的方法。根据一个实施例，所述方法包括：对材料进行激励，以使材料发出发光信号；在材料的一预设空间区域中一网格的每个点处，在宽度大于或等于材料的带隙宽度的频带中，以一可变偏振角来检测发光信号；在材料的预设空间区域中所述网格的每个点处，从对网格的所述点检测的信号中，估算出随偏振角而变的、由正弦波之和建模的发光信号的差变的特征数据；并且表示出预设空间区域中网格的所有点上的特征数据。

Description

用于分析多晶半导体材料的晶体结构的方法
技术领域
本发明涉及用于分析多晶半导体材料的晶体结构的技术，更具体地涉及用于表征光伏电池中使用的多晶吸收材料的结构的技术。
背景技术
作为化石燃料的替代，光伏能源的吸引力促进了诸如采用大量光伏电池的太阳能板等产品的开发。
光伏产品市场的发展已经激活了这一领域的研究和开发，一部分研究和开发集中在用于表征所用材料的方法的开发上，以改善现有产品，且为新产品的创造铺平道路。而且，市场的繁荣使得有必要定义质量和与预期性能(特别是转化效率方面的性能)一致性的测试，以及开发用于测试和分析性能的工艺，而且该工艺必须适用于大规模生产。
基于多晶半导体材料的光伏电池显然就是这种情况，已经为其开发出用于检测晶体结构或微结构缺陷的技术。例如，在M.Peloso,B.Hoex和A-G.Aberle 所著论文“Polarization analysis of luminescence for the characterization of siliconwafer solar cells”(Applied Physics Letters 98,171914(2011))中，描述了一种通过分析由被分析电池发出的电致发光信号的偏振，来分析光伏电池缺陷的方法。
除缺陷检测外，还开发了用于表征多晶材料的结构或微结构的技术。多晶材料的结构或微结构通常是使用工作于EBSD(电子背向散射衍射)模式的扫描电子显微镜或者使用TEM(透射电子显微镜)来表征的。由于需要制备待分析样品(这已被证明是困难的)，导致这些材料表征工具使用麻烦，因而使得它们不符合大规模生产环境下质量和兼容性测试的要求。具体地，为了估算粗糙度，使用这些技术必需通过抛光样品表面来制备待分析样品。例如，由于与材料抛光步骤产生的加工硬化有关的问题，使得这一制备过程很难实现，有时会导致不可能对样品进行。
为了表征多晶材料的结构或微结构，还可考虑偏振拉曼光谱绘制技术，但实际上，由于该技术必须采用高光谱质量的激光和非常高分辨率的光谱仪，使其费用非常高昂。
发明内容
本发明的一个目的是解决上文概述的用于表征多晶材料的技术的缺陷。
为此，本发明提供了一种用于分析多晶半导体材料的晶体结构的方法，包括：对材料进行激励，以使所述材料发出发光信号；在所述材料的一预设空间区域中一网格的每个点处，在宽度大于或等于所述材料的带隙宽度的频带中，以一可变偏振角来检测所述发光信号；在所述材料的所述预设空间区域中所述网格的每个点处，从对所述网格的所述点检测的信号中，估算出随所述偏振角而变的、由正弦波之和建模的所述发光信号的差变的特征数据；以及在所述预设空间区域中所述网格的所有点上生成所述特征数据的表示。
与前文提到的技术相比，所提出的方法具有能够简单、快速和廉价地表征多晶材料结构属性的优点。特别地，所提出的方法是非破坏性的(它不会使样品退化)，并且不需要样品制备过程。因此，在制造过程中，在样品被分析后，可重新使用该样品来进行样品分析(例如对于光伏电池，在衬底上通过沉积进行材料生长的工艺中，是为了验证生长过程是否产生了先前令人满意的结果)。所提出的方法因此特别适合大规模生产的需要，因为它可在所有的制造阶段对产品进行现场分析和测试。
所提出的方法可有利地用形式为的差变发光信号模型实现，其中，Ilum表示所述发光信号的强度，Ak是所述发光信号的幅值参数，θ代表所述发光信号的偏振分析角，是所述发光信号相对于一相位基准的相移参数，A0代表所述发光信号的强度的最小值的参数，nk是严格的正整数，k是范围从1到K的自然整数求和标引(index)，其中，估算的特征数据对应于幅值、相移、频率和/或最小值参数，或者对应于它们的组合之一。
此外，可考虑用照相机来检测所述发光信号，而所述预设空间区域中的网格则被选择成与所述照相机的传感器上的点对应。
在所述方法的第一实施例中，使用了光激励，以通过光致发光产生由所述材料发出的发光信号。
在所述方法的第二实施例中，使用了电激励，以通过电致发光产生由所述材料发出的发光信号。
在所述方法的第三实施例中，采用了对所述材料进行热源加热，以通过热致发光产生由所述材料发出的发光信号。
根据另一方面，提供了一种用于分析多晶半导体材料的晶体结构的分析系统，包括：用于激励所述材料的装置，其设置成对所述材料进行激励，以使所述材料发出发光信号；用于检测的装置，其在所述材料的一预设空间区域中一网格的每个点处，在宽度大于或等于所述材料的带隙宽度的频带中，以一可变偏振角来检测所述发光信号；数据处理单元，其包括：计算机处理器，其可操作地耦连到存储装置以及耦连到输入/输出接口模块，所述存储装置配置成存储为所述网格的每一点检测的信号所对应的数据；分析器，其由所述计算机处理器执行，且配置成：在所述材料的所述预设空间区域中所述网格的每个点处，从对所述网格的所述点检测的信号中，估算出随所述偏振角而变的、由正弦波之和建模的所述发光信号的差变的特征数据；以及在所述预设空间区域中所述网格的所有点上生成所述特征数据的表示。
在一个实施例中，所述分析系统的分析器还被配置成根据形式为的差变发光信号的模型估算特征数据，其中，Ilum代表所述发光信号的强度，Ak是所述发光信号的幅值参数，θ代表所述发光信号的偏振分析角，是所述发光信号相对于一相位基准的相移参数，A0代表所述发光信号的强度的最小值的参数，nk是严格的正整数，k是范围从1到K的整数求和标引，其中，估算的特征数据对应于幅值、相移、频率和/或最小值参数，或者对应于它们的组合之一。
根据一个实施例，所述分析系统的检测装置包括照相机，所述材料上预设空间区域中的网格则被有利地选择成与所述照相机的传感器上的点对应。
此外，用于激励所述材料的装置可包括光源，其被设置成发出光激励信号，以使所述材料发出光致发光信号；或者用于激励所述材料的装置可包括电源，其被设置成在设置于所述材料上的多个电极上发出电信号，以使所述材料发出电致发光信号；或者用于激励所述材料的装置可包括热源，其被设置成加热所述材料，以使所述材料发出热致发光信号。
根据另一方面，提供了一种计算机程序，其能够加载到与处理器关联的存储器中，且包括：代码部分，所述代码部分用于在所述处理器执行所述计算机程序时实现所提出方法的至少部分步骤；而且提供了一种数据集，其例如通过压缩或编码来表示所述计算机程序。
另一方面，还涉及一种非瞬时介质，其用于存储计算机可执行的程序，且包括表示一个或多个程序的数据集，所述一个或多个程序包括用于分析多晶半导体材料的晶体结构的指令，在所述一个或多个程序由一计算机执行时，导致所述计算机根据所提出的方法执行估算并生成一表示，其中所述计算机包括可操作地耦连到存储装置以及耦连到输入/输出接口模块的处理单元。
附图说明
本发明的其他细节和优点将出现在下文参照附图对非限制性的示例性实施例的描述中，附图中：
图1是图解说明根据第一实施例所提出的方法的实现方式的示意图；
图2是图解说明根据第一实施例所提出的方法的另一种实现方式的示意图；
图3是图解说明根据第二实施例所提出的方法的实现方式的示意图；
图4是图解说明根据第三实施例所提出的方法的实现方式的示意图；
图5示出了用于实现所提出的方法的计算机系统；
图6a示出了相移参数测绘图的一个示例，该相移参数是根据所提出的方法针对一基于多晶CIGSe材料的样品获得的；
图6b示出了相移参数测绘图的一个示例，该相移参数是根据所提出的方法针对一基于单晶CIGSe材料的样品获得的。
具体实施方式
为更加全面地理解本发明，在下文对本发明实施例的详细描述中将给出许多具体细节。然而，本领域技术人员可认识到，没有这些具体细节也可实现一些实施例。在其他情况下，本文并未对公知特征进行详细描述，以避免无益地使描述复杂化。此外，具有相同功能的某些组件、设备、装置和部件在许多图中可能以相同的附图标记标示，而且在某些情况下，可省略或简化对这些组件、设备、装置和部件的重复性描述。
所提出的方法可有利地用于多种类型的多晶半导体材料，举例而言，例如来自III-IV族的多晶半导体材料(例如砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)或锑化镓(GaSb))，II-VI族的多晶半导体材料(诸如碲化镉(CdTe)或者其合金或衍生物之一，其中镉可部分地用锌或汞代替，碲可部分地用硒代替)，具有黄铜矿结构的多晶合金，诸如CIGS，又或者如多晶硅。这里CIGS按通常方式理解为CuInSe2族或其派生合金之一，其中，铜可用银来代替，铟可部分地用铝或镓代替(Cu(In,Ga)Se2)，硒可部分地用硫或碲代替。
此外，所提出的方法可有利地用于分析包括一种或多种多晶半导体材料以及其他材料的样品。样品中含有的各种多晶半导体材料可能呈现出不同的特征，特别是在其晶体结构方面。本领域技术人员会认识到，所提出的方法可适用于被分析样品所含材料中的仅仅一种材料，或者可顺序地应用于被分析样品所含这些材料中的多种材料，根据所提出方法的各种分析参数则依据目标多晶半导体材料来适配每种晶体结构分析，特别是通过选择被分析材料的激励波长和发光信号的检测波长。
图1图解说明了根据第一实施例所提出的方法的实现方式。
图1示出了待分析的多晶半导体材料的样品1以及布置成朝样品1的方向发出光激励信号的光源2。此光激励信号被调节成使得样品1发出发光信号(luminescent signal)。光源2因此被选择成具有与被分析材料的吸收区域对应的光谱范围。光源2例如可以是激光光源、或者是非相干光源。
由光源产生的激励信号是局部性的，在这个意义上而言，它只激励待分析样品的一部分。为了获得这种局部激励，可使用用于聚焦由激光光源产生的激励光束的装置，例如设置在激光光源2和待分析样品1之间的聚焦透镜3。聚焦透镜的焦距可在实践中根据期望的分析分辨率和所使用的光源选择。例如，对于多晶CIGS材料的样品而言，可使用焦距为4mm、数值孔径为0.8的显微透镜，以便获得比晶体尺寸(例如1微米)小的表面的局部激励。激励激光光束被样品1吸收，光激励信号的部分能量会以由被激励材料自发发出的光致发光信号的形式耗散。
在这一实施例中，激励激光光束的聚焦使得在样品1的局部激励中能够达到厘米至亚微米级的空间分辨率，因此可用相应的分辨率来针对数据获取阶段的要求定义网格(mesh)。所提出的方法因此可达到高空间分辨率(通常从0.5到10微米)，例如以满足研究微晶太阳能电池的要求。
由于样品1由半导体材料组成，因而其具有第一能级(对应的能带称作“导带”)和第二能级(对应的能带称作“价带”)。电子的能量跃迁主要在导带状态与价带状态之间进行。价带和导带由能隙Egap分开，与能隙Egap关联的能带被称为“带隙”。该能隙也被称作带隙能量。当光源发出的光子所具有的能量小于能隙Egap时，跃迁到价带的电子的能量并不足以促使它们到达导带，因而它们并不会离开价带。因此，用小于能隙Egap的能量激励的材料是透明的。另一方面，当光源发出的光子所具有的能量大于能隙Egap时，它们通过产生电子-空穴对(“空穴”意指价带中缺失了已运动到导带中的电子)，用足够的能量激励材料的一些电子，促使这些电子从价带升迁到导带。根据光致发光现象，产生的电子空穴对则会重新组合并发出光子。发出的光子的能量接近带隙能量。
带隙能量是样品1材料的一种特征(对于硅而言，其值为1.1eV；对于材料CIGSCuInSe2而言，其值为1.12eV；对于材料CIGS CuGaSe2，其值为1.65eV)。因此，光源2被适配成发出大于价带和导带之间能隙Egap的能量信号，该能隙对于样品1的材料而言是特定的。例如，对于含有CuInSe2(CIGS)类型的、能隙为1.12eV的多晶半导体材料的样品而言，选择2.33ev(532nm)的单模激光作为激励源2。
在数据获取阶段，由光致发光发出的光信号被检测和存储，以获得方向和偏振的各种值。
发光信号的检测是在宽度大于或等于被分析材料带隙宽度的频带下执行的。将发光信号的检测频带调节到待分析材料特有的带隙宽度可收集关于被分析材料的晶体结构的信息。藉此，可对表征被分析材料结晶基体的波长进行检测。
光致发光信号的检测例如可利用两个检测透镜执行(如图1所示，利用的是检测透镜5和6)，样品基本上被设置于在第一透镜的物体焦平面内。该方案的优点之一是可在两个检测透镜5和6之间放置偏振器4。光致发光信号在检测光学器件5和6的输出之后则被检测器7检测，检测器7例如可以从光电倍增管类型的检测器中选择，以便获得期望等级的精度和灵敏度。例如，在上文提到的CIGS类样品的情况下，可选择在近红外区(1000nm>λ>1200nm)中具有最佳光谱响应的InGaAs类型的光电倍增管作为检测器。作为一种变型，可用光谱仪作为检测器7来实现所提出的方法，光谱仪除了能够获取表示发光信号强度的数据外，还能够获取表示发光信号强度的频率分布(波长)的数据。
于是，上述数据获取可通过在材料预设空间区域中一网格的每个点检测发光信号偏振方向的各种值来执行，从而能够分析发光信号偏振方向的各种值。以下段落将描述发光信号的偏振分析方法的两个示例。
根据第一种方法，对发光信号进行测量，以得到调节到样品发光区域的线性偏振器的方向的多个值，线性偏振器设置在待分析样品和可被转动的检测光学器件之间。
根据第二种方法，通过转动设置于偏振器前方的波片(λ/2型波片)对发光信号执行测量，以得到偏振方向的多个值。
因此，可在网格的每个点继续对发光信号进行检测和记录，通过以每步5°的量级从-90°到+90°改变方向角θ，得到偏振器或波片的方向θ的多个值。根据待分析材料的特性和所需分析精度的不同，方向角θ的变化区间当然可有不同的选择，方向角θ的变化步长也可以有不同的选择，所有这些改变均不脱离所提出方法的范围。
由此可见，待分析样品的空间区域中各点形成的网格是事先定义的。网格的每个点由光源2进行局部激励，以自发地发出发光信号。在网格的每个点上对该发光信号进行检测，以得到发光信号的偏振方向θ的各个值。
为了在网格的每个点局部地激励和分析发光信号，使用移动桌台在聚焦透镜5的焦平面内移动样品1。例如，在CIGS样品的前述情况下，可使用被称作“xy台(xy table)”的压电式桌台来移动待分析样品。
对于网格的每个点，通过以根据期望分辨率选择的步长(例如5°的步长)来调节偏振器的角度θ，对发光信号进行检测，从而得到偏振方向的各个值。因此，对于偏振器角度的离散值的集合(θi)i＝Nmin...Nmax，θi+1＝θi+Δθ，可检测和记录发光信号的强度值Ilum(θ)，对于网格的每个点均如此执行。
检测器7配备有用于记录检测数据的存储器，或者作为一种变型，检测器7配备有用于连接存储器的接口或用于连接带有存储器9的数据处理单元8的接口，以便进行数据存储。
发光信号的数据获取阶段之后是数据处理阶段，数据处理例如由数据处理单元8执行。数据处理包括从检测器7获得的数据中测量(或称测算)出随偏振器的角度θ而变的发光信号强度Ilum的变化(variation)的正弦波模型的一个或多个参数。在所提出方法的一个优选实施例中，所述正弦波模型的类型如下：
其中，Ilum表示发光信号的强度，Ak是发光信号的幅值参数，θ代表发光信号的偏振分析角，是发光信号相对于一基准相位的相移参数，nk是严格的正整数，A0(偏移)是代表发光信号强度最小值的参数，k是范围从1到K的整数求和标引。测量值Ilum表示在由偏振器过滤后的发光信号的强度，以用于分析各角度处的偏振。在本实施例中，偏振分析例如通过角度可变的偏振器执行，变量θ对应于偏振器的角度。在偏振分析例如通过设置于偏振器前方且旋转角度可变的波片来执行的情况下，变量θ对应于波片的旋转角度。在这两种情况下，变量θ都对应于发光信号偏振方向的角度。通过将正弦模型与为网格的每个点所获取的各个测量值进行比较，可估算(或称计算)参数Ak、nk和/或A0(偏移)。通过将为网格的每个点所获取的数据对应到所述正弦模型，提取出使得该模型与获取的数据最佳对应的参数的估算值。因此，该数据处理阶段的结果在于获得正弦模型的一个或多个参数的估算值，其用于网格的每个点。
可将获得的估算值进行组合，以获得这些参数的一个组合的估算值，这仍然落入所提出方法的范围内。
K是大于或等于1的自然整数，其可根据出于分析晶体结构的目的所需的建模准确性，选择为例如等于1或2，或者大于2。
还可迭代地进行，以便定义出允许所获模型与实验数据满意拟合(或称符合要求的拟合)的最小K值。这一选择K最佳值的、以ΔK为增量的迭代过程可一直进行到值K+ΔK导致理论模型在与采集的实验数据的拟合上不如之前的K值符合要求时为止。
所选理论模型(在所描述的示例中，类型为的正弦模型)与实验获得的数据进行的拟合(有时也使用术语“数值模拟”)是根据相关法(correlation methods)进行的，例如最小二乘法或迈尔(Mayer)拟合法，以便提取具有期望准确度所需(一个或多个)参数的估算值。对于所选模型的(一个或多个)参数的估算，每点处数据获取的分辨率的细度(具体地，是为偏振器的角度θ的变化增量Δθ选择的值)会影响拟合的速度和准确度。
在材料1的空间区域中预设网格的每个点上执行所选理论模型与实验获取的数据的拟合以及所选模型(一个或多个)参数的估算，然后可生成为给定参数所估算的值的对于所有网格点的某种表示，从而生成每个参数或参数组合的空间变化的测绘图。
在所考虑的类型为的正弦模型的示例中，数据的处理能够实现幅值参数Ak的值、相移参数的值、频率参数nk的值和/或最小值参数Ao(偏移)的值或这些参数中多个参数的组合的估算，对网格的每个点都如此，这使得可以得到幅值参数Ak、相移参数频率参数nk和/或最小值参数Ao(偏移)或这些参数中多个参数的组合的测绘图。
更具体地，利用出于示例目的提出的模型可观察到对于多晶CIGS材料，参数Ak和晶体结构的局部方向属性之间存在相关性。
对于每个参数，将发光信号的变化的空间分布表示为偏振器角度的函数，可根据被表示的参数将被分析材料的多种结构属性分离开。例如，幅值Ak和相移可与被分析材料的晶轴方向相关。这些参数还可以与被研究材料中存在的晶体缺陷关联。
此外，为了获得材料晶轴的绝对方向，可对实验装置进行校准。为此，可以使用晶体方向已通过诸如X射线衍射等的分析法事先确定的单晶样品。分析参数然后可与校准材料的所述晶体方向关联。
在微晶CIGS样品的情况下，在与结晶方向无明显相关性的光致发光强度中观察到空间差异。然而，在参数的测绘图中的表现揭示了，例如与被分析材料的粒度大小为几平方微米的空间区域对应的镶嵌现象。而且，在单晶CIGS样品上，没有观察到拟合参数的空间变化。这可让人更好地认识到，本文所提出的方法可揭示材料的多晶特征，可识别晶体以及具有其他作用。
图6a示出了相移参数测绘图的一个示例，该相移参数是根据所提出的方法对基于多晶材料CuIn1-xGaxSe2(CIGSe)的样品获得的，在该样品上可看到与样品晶体结构对应的空间区域。图6b示出了根据所提出的方法对基于单晶CIGSe材料的样品获得的相移参数测绘图的一个示例，图6a与图6b所示测绘图存在明显区别。图6b中被分析样品的单晶结构由该相移参数测绘图的均匀性揭示，这种均匀性在图6a的测绘图中是观察不到的。
这种采用局部激励的光致发光进行的分析方法可获得非常精细的空间分辨率，典型地小于1μm，而且并不妨碍以较大分辨率工作，例如毫米级的分辨率，或者典型地对应于材料上100μm2量级的分析表面。薄膜光伏市场目前极度繁荣，由于多晶CIGS的粒度大小例如通常为μm量级，上述可实现的分辨率为分析诸如CIGS等微晶材料提供了新的可能。此外，其可适合分析光伏产品中使用的厚度通常小于3μm薄膜材料(无论是出于材料表征的目的还是出于为所设想的应用进行缺陷检测的目的)，其中这些光伏产品的表面上可以呈现微米尺寸的晶体结构(并不一定总是这种情况)。因此，可在薄膜生长过程中用极高精度来表征光伏电池的薄膜，以确保例如生长的薄膜在晶体结构方向上具有期望的属性。
数据处理单元8可以是计算机、计算机网络或包含处理器、存储器、数据存储单元9以及其他关联硬件单元的另一设备，其他关联硬件单元诸如可为网络接口和用于读写移动存储介质的介质读取器(在附图中未示出)。移动存储介质例如可以是光盘(CD)、数字视频/多用途盘(DVD)、闪存盘等。移动存储介质包含这样的指令：这些指令在由数据处理单元8执行时使得数据处理单元8执行本文描述的所提出方法的实现方式示例的数据获取和/或处理阶段。移动存储介质可以包括用于实现和用于执行被配置成执行数据处理阶段的分析引擎(或分析器)的指令。分析引擎的某些部分可以存储作为移动存储介质、移动装置或本地数据存储器9的给定实例上的指令，以便加载到存储器中以由处理器执行。具体地，用于执行实施例的、计算机可读的软件指令或程序代码可暂时性地或永久性地全部或部分存储在非瞬时计算机可读介质上，诸如光盘(CD)、本地或远程存储装置、本地或远程存储器、软盘或任何其他计算机可读存储装置。
尽管以驻留于存储器中的程序的形式描述了分析引擎，然而，分析引擎可以诸如专用集成电路(ASIC)的硬件形式或者以硬件和软件元素组合的方式实现。
图2示出了根据第一实施例所提出方法的一种变型实现方式，其中使用了分色镜。
待分析的多晶半导体材料样品1被光源20(例如横向单模激光器)发出的激励信号激励，并通过聚焦透镜30聚焦在分析点上。该光激励信号被调节成使得样品1发出发光信号。光激励信号还进一步被调节成穿过设置在发光信号和聚焦透镜30之间的分色镜50。光源20例如可以是激光光源，或者非相干光源。
借助用于检测光学器件30、50和60的装置，使得光致发光信号被定向到检测器7。具体地，分色镜50被调节和定位成使得光致发光信号与激励信号分开。偏振器40设置在分色镜50和第二检测透镜60之间，以便能够分析偏振器各个方向值θ对应的光致发光信号。
所提出方法的使用分色镜的这一变型实施例还可使用与上文所述方法不同的、在网格的每个点处局部激励和分析发光信号的方法。特别地，作为使用移动桌台的替代方式，可使用设置于检测/激励光学器件与聚焦透镜30之间的可定向镜(例如压电型可定向镜)来移动激光激励光束。
图3图解说明了根据第二实施例所提出方法的实现方式。
图3示出了待分析多晶半导体材料样品100和设置成朝样品100的方向发出光激励信号的光源200。该光激励信号被调节成使得样品100发出发光信号。光源200因此被选择成具有与被分析材料的吸收区域对应的光谱范围。光源200例如可以是激光光源或者是非相干光源。
该光源产生的激励信号是全局性的，在这个意义上而言，它将激励待分析区域几乎所有的表面。因此，在所提出方法的这一实施例中没有使用任何聚焦激励信号的装置来局部地仅激励待分析材料表面的给定区域。与上文所述实施例相同，光源200被适配成使得发出的信号的能量大于价带与导带间的能隙Egap，该能隙对该样品材料100而言是特定的。
因此，在这一实施例中，样品以全局方式被激励，所发光线的图像由照相机700(优选是数字照相机)记录。
光致发光信号的检测例如可根据图3所示方式通过设置分色镜500来执行，其中该分色镜被调节和定位成适于反射光致发光信号。偏振器400(其方向可变)设置在照相机700的前方，以便照相机700检测由偏振器400过滤的光致发光信号，这将针对偏振器400的不同方向进行。光致发光信号然后被照相机700检测，照相机700例如可以选择为CCD类型的照相机。也可使用其他类型的照相机来实现所提出方法的这一实施例，举例而言，例如使用InGaAs技术的红外(IR)检测照相机，或者CMOS检测照相机。
照相机700被选择成使其能够以及被配置成在大于或等于被分析材料带隙宽度的频带宽度中执行发光信号的检测。在这一实施例中，是通过照相机来检测表征被分析材料结晶基体的波长。
采用与前文所述实施例相同的方式，数据获取是通过在材料的预设空间区域中网格的每个点处对偏振方向的各个值来检测发光信号而执行的，唯一的区别在于，在这一示例性实施例中，网格可被有利地选择成对应于照相机700的传感器上的点。
藉此，通过以增量为5°的量级从-90°到+90°改变偏振器400的方向角θ，使得对于多个方向角θ，由照相机700感测的图像(在网格的每个点处)被检测和记录，其中所述图像是通过检测发光信号生成的。在不脱离所提出方法范围的情况下，与方向角θ的变化增量一样，根据被分析材料的特征和期望的分析准确度不同，偏振器的方向角θ的变化间隔当然也可以有不同的选择。
注意，上文描述的发光信号偏振分析方法的各个示例(线性偏振器的方向变化或设置于偏振器前方的波片的方向变化)适用于所提出方法的本实施例。
对于网格的每个点，例如通过以根据期望分辨率选择的增量(例如5°)来调节偏振器的角度θ，可对偏振方向的各个值执行发光信号的检测。因此，对于偏振器角度的N个离散值的集合(θi)i＝Nmin...Nmax，θi+1＝θi+Δθ，可检测和记录与发光信号对应的图像集合。
在根据第二实施例所提出方法的实现方式的一个示例中，在照相机700的前方设置有超光谱成像器，以便获得除代表发光信号强度的数据外、代表发光信号强度的频率分布的数据。
所获取的数据采用N个图像的集合的形式(Imi)i＝1...N，其中每个图像对应于被分析材料在材料的预设分析区域上对于偏振方向值θi发出的光致发光信号。
照相机700配置有用于记录所检测图像的存储器，并通过数据交换接口连接到数据处理单元800，数据处理单元800也配置有用于数据存储的存储器900。
发光信号数据的获取阶段之后是数据处理阶段，数据处理阶段例如由数据处理单元800执行，数据处理阶段包括在获取的数据上测量出随偏振方向θ而变的发光信号强度Ilum的变化的正弦模型的一个或多个参数。由数据处理单元800执行的数据处理对应于上文在实现根据第一实施例所提出的方法的上下文中所描述的数据处理。
这种通过用全局激励进行光致发光的分析方法，在执行速度、实现的简单性和分析细度之间构成有利的折衷。尽管全局激励不可能达到与局部激励一样精细的分辨率，但它提供了速度和实现的简单性，使其特别适于在大规模生产过程中实现。而且，与前文描述的方法相同，这种通过用全局激励进行光致发光的分析方法可在制造过程中实施，例如在光伏产品的薄膜生长阶段实施，从而允许在制造过程的高级阶段检测到某些可校正或不可校正的缺陷，由此避免大量的制造成本。
图4图解说明了根据第三实施例所提出的方法的实现方式。
图4示出了光伏电池101的样品，光伏电池101包括待分析的多晶半导体材料以及电流发生器201，电流发生器201的输出201a，201b电连接到电池101的电极101a，101b。由发生器201传送的电信号被调节成使得光伏电池101发出电致发光信号。
电激励信号被调节成使得电池101的多晶半导体材料被激励，同时在被激励材料的全部表面上发出电致发光信号。具体地，电源201被调节以生成能量大于价带与导带间能隙Egap的电激励信号，该能隙对于待分析电池101的多晶半导体材料是特定的。
上文描述的针对光信号激励的情况所提出的方法(以及其变型)的以下步骤适用于本实施例，本实施例中将会生成电致发光信号。
例如，如图4所示，可通过照相机701(优选为数字照相机)记录材料发出的电致发光信号。还可在照相机701的前方设置偏振器401，其中偏振器401的方向可变，使得照相机701可如上文所述地检测各个偏振方向的电致发光信号。然后，电致发光信号被照相机701检测到，其中照相机701例如可选择为CCD类型的照相机。也可使用其他类型的照相机来实现所提出方法的这一实施例，举例而言，例如使用InGaAs技术的红外(IR)检测照相机，或者CMOS检测照相机。
同样，照相机701也被选择成使其能够以及被配置成在大于或等于被分析材料带隙宽度的频带宽度中执行发光信号的检测。在这一实施例中，是通过照相机来检测表征被分析材料结晶基体的波长。
电致发光信号的检测、电致发光信号数据的获取以及对所获取数据的处理可根据前文对光致发光信号所描述的实施例之一的相应步骤来执行。电致发光的这种分析方法特别适合光伏电池制造完成时的分析，特别是在用于测量制造质量和与预期性能的一致性的测试环境下。
对多晶半导体材料的晶体结构进行分析的模型实践中可至少部分地在任何类型的计算机上实现，而与所用的平台无关。例如，如图5所示，计算机系统600可对应于图1至图4中所示的数据处理单元8，800和存储器9，900，或者计算机系统600能够被可操作地耦连到这些部件，计算机系统600包括数据处理单元601，数据处理单元601包括一个或多个处理器602(诸如中央单元CPU或其他硬件处理器)、相连的存储器603(例如动态内存(RAM)、缓存、闪存等)、存储装置604(例如硬盘、诸如CD或DVD的光盘、闪存盾(flash memory key)等)和当前计算机的多种其他典型的部件和功能性(图中未示出)。
数据处理单元601还包括输入/输出接口模块605，其对数据处理单元601和计算机系统600的输入/输出装置之间的不同接口进行控制。计算机系统600实际上还可包括输入装置，诸如键盘606、鼠标607或麦克风(图中未示出)。此外，计算机600可包括输出装置，诸如监视器608(例如，液晶显示(LCD)监视器、等离子显示监视器或阴极射线管(CRT)监视器)。计算机系统600可通过网络连接接口(图中未示出)连接到网络609(例如局域网(LAN)、诸如因特网的广域网(WAN)、或任何其他类似类型的网络)。本领域技术人员可认识到，有许多不同种类的计算机系统(例如，桌面计算机、膝上型计算机或任何能够执行计算机可读指令的其他计算机系统)，上文提到的输入和输出装置可采用目前已知或以后开发的其他形式。
一般性地，计算机系统600至少包括用于处理实现所提出的分析方法的一个或多个实施例所需输入和/或输出的最小装置。例如，处理器602可被配置成执行包括用于实现分析器的部分代码的计算机程序，所述分析器被配置成根据所提出的分析方法的各个实施例估算出发光信号的差变(modulation)的一个或多个特征数据，生成特征数据的表示。所选的存储装置604优选能够存储为网格的每个点检测的信号所对应的数据。
尽管以软件包的形式对被配置成估算和生成所述表示的分析器进行了描述，不过该分析器页可以硬件形式或者硬件与软件指令组合的形式实现。
计算机系统600还有利地可操作地耦连到发光信号检测器，以在存储器中存储所获取的数据，从而便于利用计算机系统600提供的分析方法来处理数据。作为一种变型，还可想到在存储器604中存储数据，而数据由任何已知装置处理，这不一定意味着用来检测发光信号的检测器与计算机系统600之间存在直接连接。
而且，本领域技术人员可认识到，前述计算机系统600的一个或多个部件可设置在远程位置，并且可连接到网络上的其他部件。此外，一个或多个实施例可在包含多个节点的分布式系统中实施，其中，这种实施方式的每一部分(例如两个域分析工具的各个组件)可以位于分布式系统内的不同节点上。在一个或多个实施例中，节点对应于计算机系统。作为一种变型，节点可以对应于具有相联物理存储器的处理器。节点还可对应于具有分区存储器和/或分区资源的处理器。而且，用于执行一个或多个实施例的软件指令可存储在计算机可读介质上，诸如光盘(CD)、软盘、磁带或任何其他计算机可读存储装置。
根据所选择的实施例，本文所述每种方法的某些操作、动作、事件或功能可以与描述它们的顺序不同的次序执行或出现，或者根据情况，可被增加或组合，或者它们甚至可能不被执行或可能并不出现。此外，在某些实施例中，某些操作、动作或事件可被同时地而非顺序地执行或出现。
尽管已参照有限个实施例描述了多晶半导体材料的晶体结构的分析，但本领域技术人员在悉知本文内容后将认识到，不脱离本文描述的多晶半导体材料晶体结构分析的范围，可想到其他实施例。多晶半导体材料晶体结构分析的范围仅由所附权利要求限定。

Claims (13)

1.用于分析多晶半导体材料的晶体结构的方法，包括：
对材料进行激励，以使所述材料发出发光信号；
在所述材料的一预设空间区域中一网格的每个点处，在宽度大于或等于所述材料的带隙宽度的频带中，以一可变偏振角来检测所述发光信号；
在所述材料的所述预设空间区域中所述网格的每个点处，从对所述网格的所述点检测的信号中，估算出随所述偏振角而变的、由正弦波之和建模的所述发光信号的差变的特征数据；
在所述预设空间区域中所述网格的所有点上生成所述特征数据的表示；以及
根据所述特征数据的表示分离出所述材料的至少一种结构属性。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，差变发光信号的模型为以下形式：其中，Ilum表示所述发光信号的强度，Ak是所述发光信号的幅值参数，θ代表所述发光信号的偏振分析角，是所述发光信号相对于一相位基准的相移参数，A0是代表所述发光信号的强度的最小值的参数，nk是严格的正整数，k是范围从1到K的自然整数求和标引，其中，估算的特征数据对应于幅值、相移、频率和/或最小值参数，或者对应于它们的组合之一。
3.根据前述权利要求之一所述的方法，其中，所述发光信号是利用照相机检测的，所述材料上的所述预设空间区域中的网格被选择成与所述照相机的传感器上的点对应。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，对所述材料进行激励包括用光源对所述材料进行光激励，以使所述材料发出光致发光信号。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，对所述材料进行激励包括用设置在所述材料上的多个电极上的电源对所述材料进行电激励，以使所述材料发出电致发光信号。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中，对所述材料进行激励包括用热源加热所述材料，以使所述材料发出热致发光信号。
7.用于分析多晶半导体材料的晶体结构的系统，包括：
用于激励所述材料的装置，其设置成对所述材料进行激励，以使所述材料发出发光信号；
用于检测的装置，其在所述材料的一预设空间区域中一网格的每个点处，在宽度大于或等于所述材料的带隙宽度的频带中，以一可变偏振角来检测所述发光信号；
数据处理单元，包括：
计算机处理器，其可操作地耦连到存储装置以及耦连到输入/输出接口模块，所述存储装置配置成存储为所述网格的每一点检测的信号所对应的数据；
分析器，其由所述计算机处理器执行，且配置成：
在所述材料的所述预设空间区域中所述网格的每个点处，从对所述网格的所述点检测的信号中，估算出随所述偏振角而变的、由正弦波之和建模的所述发光信号的差变的特征数据；
在所述预设空间区域中所述网格的所有点上生成所述特征数据的表示；以及
根据所述特征数据的表示分离出所述材料的至少一种结构属性。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述分析器还被配置成根据形式为的差变发光信号的模型估算特征数据，其中，Ilum表示所述发光信号的强度，Ak是所述发光信号的幅值参数，θ代表所述发光信号的偏振分析角，是所述发光信号相对于一相位基准的相移参数，A0代表所述发光信号的强度的最小值的参数，nk是严格的正整数，k是范围从1到K的整数求和标引，其中，估算的特征数据对应于幅值、相移、频率和/或最小值参数，或者对应于它们的组合之一。
9.根据权利要求7或8所述的系统，其中，所述检测装置包括照相机，所述材料上预设空间区域中的网格被选择成与所述照相机的传感器上的点对应。
10.根据权利要求7或8所述的系统，其中，用于激励所述材料的装置包括光源，其被设置成发出光激励信号，以使所述材料发出光致发光信号。
11.根据权利要求7或8所述的系统，其中，用于激励所述材料的装置包括电源，其被设置成在设置于所述材料上的多个电极上发出电信号，以使所述材料发出电致发光信号。
12.根据权利要求7或8所述的系统，其中，用于激励所述材料的装置包括热源，其被设置成加热所述材料，以使所述材料发出热致发光信号。
13.用于分析多晶半导体材料的晶体结构的数据处理单元，包括：
计算机处理器，其可操作地耦连到存储装置以及耦连到输入/输出接口模块，所述存储装置配置成存储与被激励的材料所发出的发光信号对应的数据，其中，所述发光信号是在所述材料的一预设空间区域中一网格的每个点处，在宽度大于或等于所述材料的带隙宽度的频带中，以一可变偏振角来检测的；
分析器，其由所述计算机处理器执行，且配置成：
在所述材料的所述预设空间区域中所述网格的每个点处，从对所述网格的所述点检测的信号中，估算出随所述偏振角而变的、由正弦波之和建模的所述发光信号的差变的特征数据；
在所述预设空间区域中所述网格的所有点上生成所述特征数据的表示；以及
根据所述特征数据的表示分离出所述材料的至少一种结构属性。
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