CN109100631A - 硅单晶载流子寿命测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硅单晶载流子寿命测量方法，运用S‑R‑H理论模型，在中等注入水平下寿命与注入比的关系式：通过二次或多次改变注入比η_i，测量出τ_i，可得到硅单晶的少数载流子寿命τ₀和注入比趋于无穷大时的τ_∞值，进而得到完整的τ＝f(η)曲线，获得晶体在任何注入比时的寿命值。从而克服国内外现有测量设备对同一晶体给出各不相同测量结果的混乱局面，为发行寿命标准样品，统一全国及全球的载流子寿命测量提供方案。

Description

硅单晶载流子寿命测量方法

技术领域

本发明涉及硅单晶载流子技术领域，具体是一种硅单晶载流子寿命测量方法。

背景技术

载流子寿命参数，最早是研制晶体管及集成电路时受到关注的重要参数，这些器件使用的单晶电阻率较高，光电导信号也较强，因此在光强比较弱(小注入)情况下即可测得少数载流子寿命。随着太阳能电池的兴起，使用的单晶电阻率较低(绝大部分是P型硅单晶)，弱光强(小注入)已得不到足以测量的光电导信号，因此需加大光强使注入比进入中等注入比的范围。

目前广泛运用于硅单晶载流子寿命测量的方法有RF-PCD(高频或称射频光电导)、DC-PCD(直流光电导)、ePCD(涡流光电导)、μPCD(微波光电导)。由于寿命测量值与光的注入比密切相关，对同一块样品不同国家生产的测试设备给出的寿命值各不相同，同一家仪器公司生产的不同型号测试设备测出的寿命值也会有很大差异，迄今为止全球没有一个国家能够发行半导体载流子体寿命标样，使得半导体行业的寿命测量非常混乱。

发明内容

本发明的目的在于提供一种硅单晶载流子寿命测量方法，该方法可克服国内外现有测量设备对同一晶体给出各不相同测量结果的混乱局面，为发行寿命标准样品，统一全国及全球的载流子寿命测量提供方案。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：硅单晶载流子寿命测量方法，在中等注入水平时建立如下关系式：

其中，τ表示寿命值，η表示注入比，τ₀表示小注入下少数载流子寿命，τ_∞表示η趋于无穷大时的(少子加多子)复合寿命；

在不同的η下至少两次测量τ值，根据上述公式计算出τ₀和τ_∞，对于一块硅单晶来说τ₀和τ_∞理论上为定值，得到τ＝f(η)寿命分布曲线；

实际应用时，对于确定的η代入上述寿命分布曲线，即可得到唯一的寿命值。

作为一种优选，计算τ₀和τ_∞时，通过两个不同η测量τ值，η选值范围为0.1≤η≤10。

作为另一种优选，在计算τ₀和τ_∞过程中，采用下述方法：

多次改变光强，即多次改变η，获得一组(η_i,τ_i)数据，i表示改变的次数；

根据这一公式形式，对上述数据进行拟合，得到修正的τ₀和τ_∞。

更进一步的，上述拟合采用最小二乘法拟合。

优选的，所述注入比η的计算公式为：

其中，n₀表示平衡状态下电子浓度；p₀表示平衡状态下空穴浓度；n_e表示光照下产生的非平衡电子浓度；n_p表示光照下产生的非平衡空穴浓度。

具体的，在计算τ₀和τ_∞之初，采用瞬态光电导寿命测试仪实现由η测量τ值。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

本发明根据Shockley-Read-Hall(S-R-H)理论模型，构建中等注入水平下寿命与注入比的关系式，基于同一块硅单晶有确定的τ₀和τ_∞这样特征，可先通过点值计算或者拟合运算得到τ₀和τ_∞，进而构建τ＝f(η)寿命分布曲线。根据硅单晶唯一的寿命分布曲线，在注入比确定的情况下，可得到唯一的寿命测量结果，从而可统一行业内载流子寿命测量，解决当前寿命测量不唯一的缺陷。

附图说明

图1是载流子寿命与注入比的函数关系图。

图2是实施例1硅单晶载流子寿命测量方法流程图。

图3是实施例2硅单晶载流子寿命测量方法流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

本实施例以太阳能级P型单晶的寿命测量为例，目前国内外仪器在测量时所用光源产生的注入比都在10^-4-10¹之间，而不同的仪器产生的η各不相同，所以无法统一测量结果，给供销双方都产生很大的困惑。

参见图1(P型硅单晶)所示的τ～η曲线，对于该硅单晶来说其有确定的τ₀和τ_∞，根据Shockley-Read-Hall(S-R-H)理论模型，在中等注入水平下寿命与注入比的关系式如下：

其中，τ表示寿命值，η表示注入比，τ₀表示小注入下少数载流子寿命，τ_∞表示η趋于无穷大时的(少子加多子)复合寿命。

本发明中注入比采用当前大多数文献资料以及实验结果进行界定，定义低注入水平的η≤0.01(10^-2)，高注入水平的η≥100(10²)，相应的中注入水平范围：0.01≤η≤100，η＝1是中注入水平的中间点。

在本实施例中，为了提高τ₀和τ_∞的准确性，同时考虑到对光源等仪器硬件上的要求，优先考虑在0.1≤η≤10这一区间选择注入比。因为在此范围内寿命值随注入水平的改变会有更为明显的变化，有利于提高测量精度。

η的计算公式为：

其中，n₀表示平衡状态下电子浓度；p₀表示平衡状态下空穴浓度；n_e表示光照下产生的非平衡电子浓度；n_p表示光照下产生的非平衡空穴浓度。

本实施例提供一种能够快速测量硅单晶载流子寿命的方法，参见图2，步骤如下：

(1)采用瞬态光电导寿命测试仪，在不同的η下两次测量出τ值，记为(η₁，τ₁)、(η₂，τ₂)。由于η＝1处于中注入水平范围的中间位置，η₁优选0.5，η₂优选1。这两点处于随注入水平变化寿命值改变明显的区域，有利于提高测量精度。)

(2)根据上述两个点值，将其代入到方程中，得到一个二元一次方程组，解方程组，即可得到τ₀、τ_∞。

(3)由于对于同一块硅单晶τ₀、τ_∞是固定的，那么再次代入上述方程中，即可得到的寿命分布曲线。

(4)在实际用于寿命测量时，各个厂商以及同一厂商不同设备可统一注入比，进而即可得到唯一的寿命值，统一了行业的测量结果，具有重要的推广应用价值。

实施例2

本实施例是对实施例1的进一步改进，提供一种精确测量硅单晶载流子寿命的方法，参见图3，步骤如下：

(1)采用瞬态光电导寿命测试仪，在不同的η下多次连续测量出τ值，获得一组(η_i,τ_i)数据。同样的，本方法中可以优先考虑在0.1≤η≤10这一区间选择注入比。

(2)根据方程形式用最小二乘法进行拟合，得到更为准确的τ₀、τ_∞。采用这种多点拟合的方法，可以减少实施例1中通过点值求取的误差，更为贴合实际。

(3)由于对于同一块硅单晶τ₀、τ_∞是固定的，那么再次代入上述方程中，即可得到的寿命分布曲线。

(4)在实际用于寿命测量时，各个厂商以及同一厂商不同设备可统一注入比，进而即可得到唯一的寿命值。

由于在不同光强下，测量出的载流子寿命(τ)与注入比(η)相关，在不同的η下测量出的τ值无可比性。更多情况下，对于不同的器件，本领域技术人员需要知道寿命值是在多大的η情况下测量。例如电荷放大器、小功率晶体三极管、集成电路等器件是在弱信号下工作，本领域技术人员更需要知道小注入水平的少数载流子寿命值τ₀。而太阳能电池、大功率晶体管、整流器等在强光下或大电流工作下的器件，本领域技术人员更倾向于知道大注入比的寿命值。本发明通过注入水平下不少于二次改变光强的测量即可计算出τ₀、τ_∞，再通过公式即可得到相同η下唯一的寿命值，可统一行业内载流子寿命测量。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.硅单晶载流子寿命测量方法，其特征在于，在中等注入水平时建立如下关系式：

其中，τ表示寿命值，η表示注入比，τ₀表示小注入下少数载流子寿命，τ_∞表示η趋于无穷大时的复合寿命；

在不同的η下至少两次测量τ值，根据上述公式计算出τ₀和τ_∞，对于一块硅单晶来说τ₀和τ_∞理论上为定值，得到τ＝f(η)寿命分布曲线；

实际应用时，对于确定的η代入上述寿命分布曲线，即可得到唯一的寿命值。

2.根据权利要求1所述的硅单晶载流子寿命测量方法，其特征在于，计算τ₀和τ_∞时，通过两个不同η测量τ值，η选值范围为0.1≤η≤10。

3.根据权利要求1所述的硅单晶载流子寿命测量方法，其特征在于，在计算τ₀和τ_∞过程中，采用下述方法：

多次改变光强，即多次改变η，获得一组(η_i，τ_i)数据，i表示改变的次数；

根据这一公式形式，对上述数据进行拟合，得到修正的τ₀和τ_∞。

4.根据权利要求3所述的硅单晶载流子寿命测量方法，其特征在于，所述拟合采用最小二乘法拟合。

5.根据权利要求1所述的硅单晶载流子寿命测量方法，其特征在于，所述注入比η的计算公式为：

其中，n₀表示平衡状态下电子浓度；p₀表示平衡状态下空穴浓度；n_e表示光照下产生的非平衡电子浓度；n_p表示光照下产生的非平衡空穴浓度。

6.根据权利要求1所述的硅单晶载流子寿命测量方法，其特征在于，在计算τ₀和τ_∞之初，采用瞬态光电导寿命测试仪实现由η测量τ值。