CN108120869B - 一种金属半导体界面复合电流密度的测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属半导体界面复合电流密度的测试方法，该金属半导体界面复合电流密度的测试方法包括：提供测试样品组，所述测试样品为具有第一表面和第二表面的第一态样品；检测第一态样品中第一表面的第一电流密度；在第一表面上形成第一金属层，以形成第二态样品；第一金属层包括N个相似的金属图案，不同所述金属图案对应的第一面积比不同；利用Suns‑Voc测试仪检测第二态样品中各金属图案对应的第二电流密度；基于第一电流密度、各金属图案的第一面积比以及对应的第二电流密度，得到第一金属层与半导体界面的复合电流密度。本发明提供的方案实现了简单快速地进行金属半导体界面复合电流密度测试，且测试结果真实准确的效果。
Description
技术领域
本发明实施例涉及电流密度测试技术，尤其涉及一种金属半导体界面复合电流密度的测试方法。
背景技术
金属与半导体界面之间的复合电流密度在许多领域中都具有较为重要的应用。例如，太阳能电池中载流子的复合是影响太阳电池的效率最重要的因素之一，其中金属半导体界面的复合占据重要比例。将金属半导体界面的复合电流密度准确方便的测试出来对改进电池设计，优化过程工艺有重要的作用。
现阶段通过在半导体材料上印刷分离平行线图形的金属浆料，并进行烧结以形成待测样品。在测量金属半导体界面的复合电流密度时，将烧结后的金属浆料腐蚀，并将待测样品中的金属清洗干净，再通过准稳态光电导(Quasi-Steady State Photoconductance，QSSPC)技术拟合得到金属半导体界面的复合电流密度。
由于QSSPC测试过程中不能有金属出现，现有的测试方法需要先将待测试样品中烧结的金属腐蚀掉，腐蚀过程会破坏非金属区域的表面状态。腐蚀掉的金属需要被完全清洗，QSSPC对清洗的洁净度要求很高，否则会出现测试结果不准确或测试不出数据的情况。并且，由于QSSPC测试时会将金属腐蚀，测得的金属界面复合电流密度为腐蚀金属后的界面复合电流密度，即测得的结果为等效值，并不是真实的金属界面的复合电流密度。
现有技术中金属界面的复合电流密度测试方法操作复杂，对清洗洁净度要求高，测试结果波动大且准确性不高。因此急需一种可以简单快速准确地对金属界面复合电流密度进行测试的方法。
发明内容
本发明提供一种金属半导体界面复合电流密度的测试方法，以实现简单快速准确地对金属半导体界面复合电流密度进行测试。
本发明实施例提供了一种金属半导体界面复合电流密度的测试方法，包括：
提供测试样品组，所述测试样品组包括M个测试样品，所述测试样品为具有第一表面和第二表面的第一态样品，其中，所述测试样品为半导体样品，所述第一表面是P型衬底中N区所在一侧，所述第二表面为P型衬底中P区所在一侧；或者，所述第一表面是或N型衬底中P区所在一侧，所述第二表面为P型衬底中P区所在一侧或N型衬底中N区所在一侧；
检测所述第一态样品中所述第一表面的第一电流密度；
在所述测试样品的所述第一表面上形成第一金属层，以形成第二态样品；所述第一金属层包括N个相似的金属图案，所述金属图案的面积与对应的轮廓图形的面积之比为第一面积比，不同所述金属图案对应的所述第一面积比不同；
利用Suns-Voc测试仪检测所述第二态样品中各所述金属图案对应的第二电流密度；
基于所述第一态样品中所述第一表面的第一电流密度、所述第二态样品中各所述金属图案的第一面积比以及对应的第二电流密度，得到第一金属层与半导体界面的复合电流密度；
其中，M和N均为大于或等于1的整数，且M和N不同时等于1。
可选的，所述第二态样品还包括第二金属层；所述第二金属层位于所述第二表面。
可选的，所述金属图案包括多个金属条；
同一个所述金属图案中，各所述金属条互相平行且彼此电连通；
不同所述金属图案彼此电绝缘。
可选的，所述基于所述第一态样品中所述第一表面的第一电流密度、所述第二态样品中各所述金属图案的第一面积比以及对应的第二电流密度，得到第一金属层与半导体界面的复合电流密度，包括：
建立直角坐标系；
以所述金属图案的所述第一面积比为横坐标，以所述第二态样品中所述金属图案对应的第二电流密度为纵坐标，确定各所述金属图案对应的点在所述直角坐标系中的位置；
基于各所述金属图案对应的点在所述直角坐标系中的位置，拟合形成直线；
将所述直线的斜率与所述第一态样品第一表面的第一电流密度之和作为得到所述第一金属层与半导体界面的复合电流密度。
可选的，所述第一态样品用于制作太阳能电池。
可选的，所述第一表面和第二表面包括钝化膜和/或减反射结构。
可选的，所述第二金属层形成背电场。
可选的，所述背电场为局部接触背电场。
本发明实施例提供一种金属半导体界面复合电流密度的测试方法，通过第一态样品中所述第一表面的第一电流密度、所述第二态样品中各所述金属图案的第一面积比以及对应的第二电流密度，得到第一金属层与半导体界面的复合电流密度，测得的结果为金属与半导体界面的真实复合电流密度，流程简单，不需要腐蚀金属，避免现有技术中测量金属与半导体界面复合电流密度时，需先腐蚀金属，并将腐蚀掉的金属进行彻底清洗的操作，解决了现有技术中测试金属半导体界面复合电流密度时腐蚀金属后破坏非金属区域表面状态、洁净度要求高、测试结果不准确并且结果波动大等问题，实现了简单快速地进行金属半导体界面复合电流密度测试，且测试结果真实准确的效果。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
图1是本发明实施例提供的一种金属半导体界面复合电流密度测试方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的一种金属图案的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的另一种金属图案的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
图1是本发明实施例提供的一种金属半导体界面复合电流密度测试方法的流程图。参见图1，本发明实施例提供了一种金属半导体界面复合电流密度的测试方法，包括：
S10、提供测试样品组，所述测试样品组包括M个测试样品，所述测试样品为具有第一表面和第二表面的第一态样品，其中，所述测试样品为半导体样品，所述第一表面是P型衬底中N区所在一侧，所述第二表面为P型衬底中P区所在一侧；或者，所述第一表面是N型衬底中P区所在一侧，所述第二表面为N型衬底中N区所在一侧。
其中，所述测试样品为半导体样品，包括在第二表面为发射区，第一态样品中第一表面与发射区接触的区域为耗尽层。为了排除偶然性因素造成的测试误差，确保测试结构的准确性，提供至少1个测试样品组进行测试，每组测试样品组中的测试样品膜层结构相同，在误差范围允许内，各膜层结构的厚度相同。测试样品在不同的测试阶段，可以处于不同的结构形态，示例性地，测试样品在测试开始前可以处于第一态，定义为第一态样品。
可选地，第一态样品还可以包括其他非金属层，例如，与第一表面接触的氮化硅层。
S20、检测所述第一态样品中所述第一表面的第一电流密度。
第一电流密度指第一表面与非金属区域的复合电流密度，示例性地，空气环境下，当没有其他结构与第一态样品中第一表面接触时，第一电流密度为第一表面与空气之间的复合电流密度。由于半导体与空气之间的复合电流密度较大，为了降低第一电流密度，提高测试结果的准确性，第一态样品还可以包括除PN结之外的其他非金属层，例如，与第一表面接触的氮化硅层，则第一电流密度为第一表面与氮化硅层之间的复合电流密度。
可以理解的是，检测第一表面的第一电流密度的方法有很多，示例性地，可以利用QSSPC技术测量第一态样品中第一表面的第一电流密度。具体的，第一态样品中还可以包括在第二表面接触设置的与第一表面相同的非金属层，即第一态样品呈对称结构，利用QSSPC技术测量第一态样品的电流密度，则可以认为是测得的电流密度的一半为第一表面的第一电流密度。示例性地，可以在P型衬底中P区远离N区的一侧再设置一层N区，则第一态样品为完全对称的结构，由于耗尽层对第一电流密度并不影响，因此测得的电流密度的一半即为P型衬底中N区与空气的复合电流密度。
S30、在所述测试样品的所述第一表面上形成第一金属层，以形成第二态样品；所述第一金属层包括N个相似的金属图案，所述金属图案的面积与对应的轮廓图形的面积之比为第一面积比，不同所述金属图案对应的所述第一面积比不同。
在第一态样品的第一表面上形成第一金属层，使第一金属层与第一表面接触，形成第二态样品。需要说明的是，在测试过程中，第二态样品第一电流密度维持不变，与第一态样品的第一电流密度相同。即当第一态样品中包括其他的非金属层(例如氮化硅层)时，确保第一金属层和其他的非金属层至少部分不重合，使第一金属层与其他的非金属层均同时与第一表面接触，即在第一表面形成第一金属层后得到的第二态样品中，在维持第一电流密度不变的前提下，形成金属与半导体相接触的界面。
第一金属层中包括相似的金属图案，即金属图案中金属部分形成的图形形状类似。金属部分形成图形区域的面积为金属图案的面积，金属图案的面积与金属图案最外围形成的轮廓图形的面积之比为第一面积比。图2是本发明实施例提供的一种金属图案的结构示意图。示例性地，参见图2，当金属图案是由四个有一定宽度的金属条为边长形成的正方形时，金属图案的面积为四个边长所占面积之和(阴影部分)，对应的轮廓图形的面积为金属条最外围形成的正方形的面积，第一面积比为四个边长的面积与最外围正方形面积之比。
每个金属图案为一个联通的整体图案，不可断开、分离；不同的金属图案之间间隔设定距离，相互分离。本申请中对金属图案的图案类型不做具体限制，但是相似的金属图案的第一面积比需要不同。金属图案最外围形成的轮廓图形的面积可以相同，也可以不同。示例性地，继续参见图2，第一金属层中的金属图案可以为轮廓面积相等的正方形，但是形成正方形的金属边长的面积可以各不同，以此使相似的金属图案对应的第一面积比不同。
需要说明的是，M和N均为大于或等于1的整数，且M和N不同时等于1，即对同一批次测试样品组中金属图案的位置不做限制，金属图案可以在相同的测试样品上(N大于1)；可以在不同的测试样品上(M大于1)；也可以部分在同一测试样品，部分不在同一测试样品上(M和N均大于1)，但是同一批次测试样品组中必须确保至少有两组第一面积比不同的相似金属图案，即M和N不同时等于1。可选的，为了避免不同测试样品之间的细微差别，金属图案设置在相同的测试样品上。
S40、利用Suns-Voc测试仪检测所述第二态样品中各所述金属图案对应的第二电流密度。
第二电流密度指第二态样品中所有界面的总复合电流密度，可以包括金属图案与第一表面的复合电流密度、第一表面的第一电流密度以及其他界面的复合电流密度等。需要说明的是，各金属图案之间互相分离，金属图案的第一面积比不同时，测得的第二电流密度也不相同，因此需要检测第二态样品中各金属图案各自对应的第二电流密度。
其中，Suns-Voc测试仪可以测量不同光强下测试样品的电压值和电流值，直接测试出第二态样品中的第二电流密度，可以达到简化测试工艺、缩短测试时间的效果。
S50、基于所述第一态样品中所述第一表面的第一电流密度、所述第二态样品中各所述金属图案的第一面积比以及对应的第二电流密度，得到第一金属层与半导体界面的复合电流密度。
通过测得的第一面积比、与第一面积比对应的第二电流密度以及第一电流密度，通过计算可以得到第一金属层与带有PN结的半导体界面的复合电流密度。
本发明实施例提供的金属半导体界面复合电流密度的测试方法通过第一态样品中所述第一表面的第一电流密度、所述第二态样品中各所述金属图案的第一面积比以及对应的第二电流密度，得到金属层与半导体界面的复合电流密度，测得的结果为金属与半导体界面的真实复合电流密度，不需要腐蚀金属，解决了现有技术中测量金属半导体界面复合电流密度时腐蚀金属后破坏非金属区域表面状态、对洁净度要求高、测试结果不准确并且结果波动大等问题，实现了简单快速地进行金属半导体界面复合电流密度测试，且测试结果真实准确的效果。
示例性地，第一态样品包括半导体硅片和氮化硅层，氮化硅层与第一表面接触，例如，硅片为P型衬底，对其进行掺杂形成的N区为第一表面，则氮化硅层形成在N区一侧，在第一表面上形成第一金属层，形成第二态样品，其中第一金属层的材质为银。通过烧结的方式，使第一金属层中的银金属图案与第一表面接触，即第一表面既与氮化硅层接触，又与第一金属层中的银金属图案接触。现有技术中先腐蚀掉金属，清洗干净后再通过QSSPC技术测试，测试出的银-硅界面复合电流密度范围为800fA/cm2～2500fA/cm2。通过本发明实施例提供的金属半导体界面复合电流密度的测试方法，不需要腐蚀掉金属，测试出的银-硅界面复合电流密度范围为1400fA/cm2～1500fA/cm2。即通过本发明实施例提供的测试方法测得的金属半导体界面复合电流密度波动范围更小，准确度更高。
图3是本发明实施例提供的另一种金属图案的结构示意图。本申请中对金属图案中金属部分形成的图形形状不做限制，示例性地，参见图3，在第一表面21形成的金属图案22可以包括多个金属条；同一个所述金属图案22中，各所述金属条互相平行且彼此电导通；不同所述金属图案22彼此电绝缘。
为了简化制作工艺，节约制作成本，可以设计金属图案为相互平行且彼此电导通的金属条，可以通过金属图案中金属条的宽度，改变金属图案的第一面积比。可以理解的是，位于金属图案中金属条的边缘会存在边缘效应，因使金属条边缘部分的电势分布与金属条之间非金属区域的电势分布并不相同。为了减弱边缘效应对测试结果的影响，金属图案中的金属条之间的距离L可以保持不变。当金属条彼此电导通时，金属图案中各金属条的电压值相同，边缘效应对金属图案的电压值的影响不会消失但是其影响程度会相应减弱。因此，金属条的个数越多，边缘效应对金属图案电压值的影响越小，最终测得的金属半导体界面复合电流密度越精准。为了使测试结果更加准确，在同一批次测试样品组中，每个金属图案中金属条的个数越多越好，可选的，金属图案中金属条的个数不少于5根。
为了测试过程中导电性良好，可选的，第二态样品还包括第二金属层；所述第二金属层位于第二表面背离所述第一表面的一侧。
第二金属层与第一金属层的金属图案可以与测试仪器具有良好的电接触，使测试结果更加准确。
需要说明的是，在上述方案的基础上，S50中得到金属层与半导体界面的复合电流密度的方法也有很多，示例性地，S50可以包括：
首先，建立直角坐标系。
其次，以所述金属图案的所述第一面积比为横坐标，以所述第二态样品中所述金属图案对应的第二电流密度为纵坐标，确定各所述金属图案对应的点在所述直角坐标系中的位置。
再次，基各所述金属图案对应的点在所述直角坐标系中的位置，拟合形成直线。
最后，将所述直线的斜率与所述第一态样品中第一表面的第一电流密度之和作为得到所述第一金属层与半导体界面的复合电流密度。
其中，由于不同第一面积比的金属图案得到的第二电流密度各不相同，在建立的直角坐标系中，可以得到由金属图案的第一面积比以及与其各自对应的第二电流密度确定出每个金属图案对应的点在直角坐标系中具体的位置坐标，并通过得到的数据拟合出一条直线。
需要说明的是，通过确定的各个位置坐标拟合的直线的斜率有一定的物理含义，即第二态样品中金属完全覆盖第一表面时的总复合电流密度与第一态样品的总复合电流密度的差值，由于在同一批次测试样品组中，第二态样品中除金属图案外，其他的膜层结构及膜层厚度均不变，即其他结构的界面复合电流密度相同，也就是说，拟合直线的斜率可以视为第二态样品金属图形覆盖整个第一表面时的金属与半导体界面的复合电流密度与第一态样品中第一表面的第一电流密度的差值。因此，直线的斜率与第一态样品中第一表面的第一电流密度之和为第二态样品中金属与半导体界面复合电流密度。
由于真实准确的金属半导体界面的复合电流密度在众多技术领域中具有重要作用，该方法也可以具体应用于各对应领域中。
考虑到太阳能电池包括与本申请中测试样品相同的结构，可选地，第一态样品可以用于制作太阳能电池。
具体地，太阳能电池金属化之前的电池片可以包括硅片(含PN结)、覆盖在硅片上的氮化硅减反射膜(与第一表面接触的非金属层)。即太阳能电池金属化之前的电池片与本申请测试样品的第一态样品结构相同。在太阳能电池金属化之前的电池片上印刷金属图形，通过烧结的方式使金属图案与硅片接触，形成太阳能电池金属化之后的电池片。即太阳能电池金属化之后的电池片与本申请测试样品的第二态样品结构相同。因此可以利用本申请提供的金属半导体界面复合电流密度的测试方法对太阳能电池金属半导体界面的复合电流密度进行测试。
当第一态样品用于制作太阳能电池时，可选的，第一表面和第二表面可以包括钝化膜和/或减反射结构。
由于太阳能电池中载流子的复合是影响太阳电池的效率最重要的因素之一，其中金属半导体界面的复合占据重要比例。因此，可以基于本申请提供的金属半导体界面复合电流密度的测试方法精确得到太阳能电池中金属半导体界面的复合电流密度，并基于此有针对性地对电池进行改进设计，优化过程工艺。
为了使测试结果更为准确，可选的，用作测试的样品不包括太阳能电池中的背电极。
在上述方案的基础上，测试样品可以用于制作单晶钝化发射区背面电池。
由于单晶钝化发射区背面电池中金属半导体界面的复合电流密度在测试样品中总复合电流密度中占据较大的比例，其他界面复合电流密度较小，因此，测试样品用于制作单晶钝化发射区背面电池时，测得的金属半导体界面复合电流密度更为准确。
为了测试过程中导电性良好，第二态样品还包括第二金属层；所述第二金属层位于所述PN结背离所述第一金属层的一侧。在太阳能电池中，第二金属层可以形成背电场。可选的，第二金属层形成的背电场为局部接触背电场。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (7)
1.一种金属半导体界面复合电流密度的测试方法，其特征在于，包括：
提供测试样品组，所述测试样品组包括M个测试样品，所述测试样品为具有第一表面和第二表面的第一态样品，其中，所述测试样品为半导体样品，所述第一表面是P型衬底中N区所在一侧，所述第二表面为P型衬底中P区所在一侧；或者，所述第一表面是或N型衬底中P区所在一侧，所述第二表面为P型衬底中P区所在一侧或N型衬底中N区所在一侧；
检测所述第一态样品中所述第一表面的第一电流密度；
在所述测试样品的所述第一表面上形成第一金属层，以形成第二态样品；所述第一金属层包括N个相似的金属图案，所述金属图案的面积与对应的轮廓图形的面积之比为第一面积比，不同所述金属图案对应的所述第一面积比不同；
利用Suns-Voc测试仪检测所述第二态样品中各所述金属图案对应的第二电流密度；
基于所述第一态样品中所述第一表面的第一电流密度、所述第二态样品中各所述金属图案的第一面积比以及对应的第二电流密度，得到第一金属层与半导体界面的复合电流密度；
其中，M和N均为大于或等于1的整数，且M和N不同时等于1；
所述基于所述第一态样品中所述第一表面的第一电流密度、所述第二态样品中各所述金属图案的第一面积比以及对应的第二电流密度，得到第一金属层与半导体界面的复合电流密度，包括：
建立直角坐标系；
以所述金属图案的所述第一面积比为横坐标，以所述第二态样品中所述金属图案对应的第二电流密度为纵坐标，确定各所述金属图案对应的点在所述直角坐标系中的位置；
基于各所述金属图案对应的点在所述直角坐标系中的位置，拟合形成直线；
将所述直线的斜率与所述第一态样品第一表面的第一电流密度之和作为得到所述第一金属层与半导体界面的复合电流密度。
2.根据权利要求1所述的金属半导体界面复合电流密度的测试方法，其特征在于，所述第二态样品还包括第二金属层；
所述第二金属层位于所述第二表面。
3.根据权利要求1所述的金属半导体界面复合电流密度的测试方法，其特征在于，所述金属图案包括多个金属条；
同一个所述金属图案中，各所述金属条互相平行且彼此电连通；
不同所述金属图案彼此电绝缘。
4.根据权利要求1所述的金属半导体界面复合电流密度的测试方法，其特征在于，所述第一态样品用于制作太阳能电池。
5.根据权利要求4所述的金属半导体界面复合电流密度的测试方法，其特征在于，所述第一表面和第二表面包括钝化膜和/或减反射结构。
6.根据权利要求2所述的金属半导体界面复合电流密度的测试方法，其特征在于，所述第二金属层形成背电场。
7.根据权利要求6所述的金属半导体界面复合电流密度的测试方法，其特征在于，所述背电场为局部接触背电场。
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