TWI400761B - 少數載子擴散長度判定技術 - Google Patents
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Description
本發明一般是關於半導體，且本發明尤其是關於用於判定半導體結構內的少數載子擴散長度之方法。
擴散長度之多波長光束感應電荷(LBIC)映射是一種用於判定少數載子擴散長度之一已知的技術。然而，該技術對成品太陽電池之慢速度及限制(晶圓無法被量測)是其一些主要的限制因素。
矽晶圓內的少數載子有效壽命之影像可利用載子密度成像(CDI)或紅外線壽命映射(ILM)之技術獲得。利用此等方法獲得的少數載子有效壽命之影像轉換成擴散長度之影像需要矽晶圓之額外知識，例如，空間相依載子移動性及空間相依表面重組速度。此等技術之一重要限制是此等技術不可不應用於具有完全後金屬化(full rear metallization)的成品太陽電池，因為該等技術是基於紅外線自由載子發射或紅外線自由載子吸收，分別相對於一冷背景或加熱背景量測。因此，此等技術不用於工業網印太陽電池。除此之外，CDI及ILM受到空間電荷區域內的過多載子產生的人工因素及少數載子陷阱產生的人工因素影響。
太陽電池之電致冷光影像已被Takashi Fuyuki之小組用以獲得擴散長度影像：Fuyuki,T.、H.Kondo、T.
Yamazaki、Y.Takahashi及Y.Uraoka的“Photographic surveying of minority carrier diffusion length in polycrystalline silicon solar cells by electroluminescence”(Applied Physics Letters，2005年，86(26)，P.262108)。此技術限於成品電池。每個像素所量測的光子數被假設在擴散長度內是線性的。需要個別的校準以獲得將每個像素之計數轉換為擴散長度之線性因子。而且，光子再吸收及由於橫向電流產生的電阻損失之影響在此簡化分析中被忽略，其等影響可能導致重大的實驗性人工產物。
因此，明顯存在一種產生用於判定半導體結構內的少數載子之擴散長度之改良式方法及系統的需求。
依據本發明之一層面，已提供一種用於判定一半導體結構內的少數載子擴散長度之方法。在該半導體結構中激發冷光。短波長冷光及長波長冷光之強度被量測。該短波長及長波長之測量在不同頻譜間隔內執行，其一頻譜質心在一測量中具有比另一測量中更短的波長；該長波長大於該短波長。利用一預定理論關係，基於該短波長及長波長冷光之被量測的強度，產生該半導體結構之擴散長度。
該等冷光之強度可被量測，且該等擴散長度利用一個單一偵測器以一空間平均量產生，或者根據一逐像素基準或藉由方塊化(binning)產生。該測量步驟可包含獲取該半導體結構發射出的冷光之影像的步驟。該等影像可利用
一聚焦平面陣列(FPA)、一CCD陣列或一映射工具被獲取。
該測量步驟可包含：利用一光偵測器獲取一頻譜間隔上的冷光強度。該光偵測器可包含一光二極體。
該方法可進一步包含在短截止波長及長截止波長對該半導體結構中激發的該冷光進行濾波的步驟；該長截止波長大於該短截止波長。濾波可在獲取步驟之前被應用。可選擇的方式是濾波可在獲取該等影像之後被應用，且可利用電腦軟體實現。
該濾波可利用具有不同截止波長的不同濾波器(filter)實現，或者可選擇的是利用至少兩個短通濾波器實現，一濾波器具有比另一濾波器更長的一截止波長。
該濾波可利用一短通濾波器實現，或者利用一長通濾波器實現，其中被長通濾波積聚的冷光強度自冷光之總頻譜中減去。
該產生步驟可包含自被獲取的冷光強度計算強度比的子步驟。
該產生步驟包含利用一預定理論關係將該等強度比轉換為擴散長度的子步驟，該預定理論關係取決於至少一濾波器之特性、一感測器之頻譜感光度及該半導體結構之表面重組速度。該方法可進一步包含計算該等強度比與該等擴散長度之間的該理論關係之步驟。該理論關係可被定義為如下：
其中Scapture
是該冷光獲取裝置之感光度，Tfilter
是各個濾波器之透射，dj γ,em
(ħ
ω)是在能量間隔dħ
ω內透過一表面發射的光子電流，數量dj γ,em
(ħ
ω)取決於一擴散長度之特定值及一表面重組速度之特定值。
該產生步驟可包含根據一逐像素基準除該等被量測的強度之子步驟。
該方法可進一步包含產生一影像之步驟，該影像顯示該半導體結構上的擴散長度之變化。
該半導體結構可以是一裸晶圓，或者一部分或完全製造的太陽電池。
該冷光可以是光致冷光、電致冷光或者其二者。
依據本發明之另一層面，已提供一種用於判定一半導體結構內的少數載子擴散長度之裝置。該裝置包含：一用於在該半導體結構中激發冷光的機制；一用於測量短波長及長波長冷光之強度的機制，該等短波長及長波長之測量在不同頻譜間隔內執行，其一頻譜質心在一測量中具有比另一測量中更短的波長，該長波長大於該短波長；以及一用於利用一預定理論關係，基於該短波長及長波長冷光之該等被量測的強度產生該半導體結構之擴散長度的機制。
該等冷光之強度可被量測，且該等擴散長度可利用一個單一偵測器以一空間平均量產生，或者根據一逐像素基準或藉由方塊化產生。
該測量機制包含一用於獲取該半導體結構發射出的冷光之影像的機制。該影像獲取機制可包含一聚焦平面陣列
(FPA)、一CCD陣列或一映射工具。
該測量機制可包含一光偵測器，用於獲取一頻譜間隔上的冷光強度。該光偵測器可包含一光二極體。
該裝置進一步包含用於在短截止波長及長截止波長對該半導體結構中被激發的該冷光進行濾波的機制，該長截止波長大於該短截止波長。該濾波可獲取該冷光之前被應用，或者在獲取該等影像之後。若在獲取之後，該濾波利用電腦軟體實現。
該濾波可用具有不同截止波長的不同濾波器實現。
該裝置可包含至少兩個短通濾波器，一濾波器具有比另一濾波器更長的一截止波長以實現該濾波。
該濾波可利用一短通濾波器實現。
該裝置可進一步包含一長通濾波器以實現該濾波，其中被長通濾波積聚的冷光強度自冷光之總頻譜減去。
該產生機制可包含一自被獲取的冷光強度計算強度比的機制。
該產生機制可包含一用於利用一預定理論關係將該等強度比轉換為擴散長度的機制，該預定理論關係取決於至少一濾波器之特性、一感測器之頻譜感光度及該半導體結構之表面重組速度。該裝置可進一步包含一用於計算該等強度比與該等擴散長度之間的該理論關係之機制。該理論關係可被定義為如下：
其中SCapture
是照相機之感光度，Tfilter
是各個濾波器之透射，dj γ,em
(ħ
ω)是在能量間隔dħ
ω內透過一表面發射的光子電流，數量dj γ,em
(ħ
ω)取決於一擴散長度之特定值及一表面重組速度之特指定值。
該產生機制可包含一用於根據一逐像素基準除該等被量測的強度之機制。
該半導體結構可以是一裸晶圓，或者一部分或完全製造的太陽電池。
該裝置可進一步包含一用於產生一影像之機制，該影像顯示了該半導體結構上的擴散長度之變化。
該冷光可以是光致冷光、電致冷光或者其二者。
依據本發明之另一層面，已提供一種用於判定一半導體結構內的少數載子擴散長度之方法。該方法包含以下步驟：激發該半導體結構從該半導體結構中冷光，該冷光包含光致冷光、電致冷光，或者以上二者；在短波長及長波長對該半導體結構中被激發的該冷光進行濾波，每個波長具有在一不同的頻譜波長上的一頻譜質心；自該半導體結構獲取冷光強度，每個冷光強度在一不同的頻譜間隔內；以及基於在來自該半導體結構之對應部分的不同間隔內的短波長強度及長波長強度，自被獲取的冷光強度計算強度比，且利用一理論關係將該等強度比轉換為擴散長度，該理論關係取決於該濾波、一感測器之頻譜感光度及該半導體結構之表面重組速度。
依據本發明之又一層面，已提供一種用於判定一半導
體結構內的少數載子擴散長度之系統。該系統包含：一激發源，用於激發該半導體結構從該半導體結構中冷光，該冷光包含光致冷光、電致冷光，或者以上二者；至少一濾波器，用於在短波長及長波長對在該半導體結構中被激發的該冷光進行濾波，每個波長具有在一不同的頻譜波長上的一頻譜質心；以及一冷光獲取裝置，用於獲取自該半導體結構發射出的冷光強度，每個冷光強度在一不同的頻譜間隔內；以及一計算裝置，用於基於在來自該半導體結構之對應部分的不同間隔內的短波長強度及長波長強度，自被獲取的冷光強度計算強度比，且用於利用一理論關係將該等強度比轉換為擴散長度，該理論關係取決於該至少一濾波器之特性、一感測器之頻譜感光度及該半導體結構之表面重組速度。
本發明之以上及進一步的層面在之後被描述。
本發明之實施例之後參照圖式被描述，其中：第1圖是描述在一太陽電池內激發不同波長之冷光的方塊圖；第2圖是一流程圖，描述了一種依據本發明之一實施例決定一半導體結構內的少數載子擴散長度之方法；第3圖是一詳細的流程圖，描述利用冷光判定一半導體結構內的少數載子擴散長度的方法；以及第4圖是冷光強度之比的一圖表，每個冷光強度利用一對不同的短通濾波器量測。
用於判定一半導體結構內的少數載子擴散長度之方法、裝置及系統被描述。在以下描述中，許多特定的細節(包括半導體、冷光獲取裝置、半導體結構、特定濾波器截止(cutoff)波長及類似者)被闡述。然而，從此揭露中對於該項技術領域內具有通常知識者顯而易見的是，在不脫離本發明之範圍及精神下，可作出修改及/或替換。在其他情況下，指定細節可被忽略而不模糊本發明。
在該等附圖中的一者或多者內給出步驟及/或特徵之參考(具有相同或類似的參考符號)，出於本描述之目的，此等步驟及/或特徵具有相同的功能或操作，除非出現相反的意思。
在此說明書之上下文中，詞語“包含”具有一開放式、非唯一性的意思：“原則上包括，但並不必要是唯一的”，但既不是“實質上由以下組成”，也不是“只由以下組成”。詞語“包含(comprising)”之變化(例如，“comprise”及“comprises”)具有對應的意思。
在之後的描述中，詞語短波長測量及長波長測量被使用。當給出短波長及長波長之測量的參照時，此等詞語具有以下意思：在不同頻譜間隔內進行兩次測量，該等頻譜間隔具有一頻譜質心(spectral centre of mass)，其在一測量(被稱為短波長)中具有比另一測量(被稱為長波長)中更短的波長。此等詞語應用於整篇文件，除非明確地闡述相反
面。例如，若一測量不經濾波被執行，從而獲取在整個頻譜上積聚的強度，且第二測量利用一短通濾波器(short pass filter)被執行，則該第一測量被稱為長波長測量，且第二測量被描述為短波長測量。
本發明之實施例包含半導體結構(包括太陽電池)內的少數載子之擴散長度的判定。這對於太陽電池之品質是一項重要的參數。依據本發明之實施例的方法利用一太陽電池或半導體樣本內部發射的光，藉由電子-電洞對之自發輻射性重組(recombination)。一特定體積元件內的自發發射率與該體積元件內的電子及電洞之載子密度直接相關。自發發射出的光(依據載子分佈在該太陽電池或樣本之整個體積被發射)可在相同的光達到該太陽電池之表面之前被再吸收。
大部分太陽電池材料(在特定半導體中)之吸收係數在頻譜範圍上隨著光之波長減少而增加，其中電致冷光及光致冷光發生。因此，具有一較短的波長之光比具有一較長的波長之光在該表面上更容易被再吸收。因此，經由該半導體樣本之表面發射出的光(即，電致冷光或光致冷光，或者以上二者)在長波長包含來自半導體樣本之整個體積的貢獻，但是在較短波長僅包含來自接近表面之貢獻。本發明之實施例包含不同頻譜間隔內的冷光強度(即，電致冷光或光致冷光，或者以上二者)之比較。在至少兩個不同頻譜間隔內的冷光強度被個別的量測。
第1圖描述了一包含至少一激發源110的系統100，該激發源110用於激發從一半導體結構130發射的光。特別地，在第1圖之系統100中，該激發源110是發射入射到該半導體結構130之至少一表面上的光120之一或多個光源。然而，如之後所描述的，其他類型的激發源可被實施，包括電氣源(例如，一電壓源或電流源)，或者光源與電氣源之一組合。該半導體結構可以是一裸晶圓(例如，一未處理的矽樣本、一部分處理或製造的半導體裝置，或者一完全被處理或製造的半導體裝置)。較特別地，該半導體裝置可以是一裸晶圓、一部分製造的太陽電池，或者一完全製造的太陽電池。
在本發明之實施例中，該光源110產生適用於感應矽內的冷光之光(即，光致冷光，或者與利用被一電氣源激發的電致冷光同時被激發的光致冷光)，且被用以照亮矽樣本。例如，單色或實質上的單色光(例如，來自一雷射)或從一寬頻譜光源(例如，一閃光燈)部分濾出的光可被用以照亮矽樣本。可被實施的光源110包含一或多個雷射、與適合的濾波結合以提供被部分濾波的光之寬頻譜光源，以及一冷光二極體(LED)陣列。在不脫離本發明之範圍及精神下，其他光源可被實踐。
該太陽電池130自其不同波長λ
1，λ
2(其中λ1<λ2)的表面發射光140。最短波長λ1發射的冷光在光120入射的表面附近產生，而較長波長λ
2之冷光可在該太陽電池內比該表面更深處產生。
也如第1圖所示，該系統100包含一冷光獲取裝置150、至少一濾波器160以及一計算裝置170，本發明之實施例可以其等被實踐。濾波被應用於產生的冷光以大大地減少在指定波長之上或之下或以上二者的冷光之頻譜含量(例如，分別藉由使用一短通濾波器、一長通濾波器或一帶通濾波器)。該濾波器160被描述為第1圖中的離散硬體元件。該至少一濾波器160可被個別實現或實現為該冷光獲取裝置150之部分。雖然在第1圖中描述了兩個組合的濾波器元件160，但是如該項技術領域內具有通常知識者所瞭解的，該濾波可利用一或多個濾波器元件實現。該濾波在獲取冷光強度期間被應用。在包含頻譜映射的本發明之另一實施例中，該至少一濾波器可以該計算裝置170執行的軟體實現。
該濾波器160對該半導體結構內被激發的冷光進行濾波。長截止波長大於短截止波長。濾波可利用具有不同截止波長的不同濾波器實現。在第1圖之實施例中，濾波較佳地利用至少兩個短通濾波器在至少兩個個別的測量中實現，一濾波器具有比另一濾波器更長的截止波長。可選擇的方式是，濾波可利用一長通濾波器實現，其中被長通濾波的能量自冷光之總頻譜中減去。在不脫離本發明之範圍及精神下，可作出該濾波器160之修改及/或替換，取決於以下要求：冷光強度在至少兩個不同的頻譜間隔內被個別地量測。
在矽結構內感應的光利用一冷光獲取裝置150被獲取。關於此方面，本發明之實施例可應用於任意大小的影
像部分。廣泛而言，擴散長度之判定是基於在不同頻譜間隔上積聚的冷光強度之比較。該方法可被執行：a)空間解析；以及b)非空間解析。對於空間解析情況而言，一成像或映射技術可被應用。在一成像技術中，該冷光獲取裝置150是一成像裝置，包含具有多於一個別的感測器之陣列，例如一CCD照相機或任何其他像素偵測器。每個像素收集來自該晶圓上的一有限區域上的冷光，從而產生整個晶圓之一影像。在之後的一些情況中，可僅作出對該“感測器”之參考。
該成像裝置可包含一聚焦元件及一感光電子元件之聚焦平面陣列。該聚焦平面陣列可由矽組成且可被冷卻。冷卻改良了此一聚焦平面陣列之信噪比。感光電子元件之聚焦平面陣列可包含一電荷耦合裝置(CCD)陣列。然而，如之後所描述的，在不脫離本發明之範圍及精神下，除了一CCD陣列之外的其他裝置可被實踐。該成像裝置可與光學成像及/或濾波裝置一起被使用。例如，該冷光獲取裝置150可以是一具有一矽CCD陣列的數位照相機，且可提供用於發送被記錄的影像之數位介面(例如，USB或火線)或儲存媒體(例如，一DV磁帶或記憶棒)。可選擇的方式是，感光電子元件之聚焦平面陣列可由InGaAs組成。在本發明之另一實施例中，不是產生個別的像素，而是一影像之一些像素可一起被“方塊化(binned)”以產生一較小的取樣組以進一步處理為冷光之被獲取影像的一部分。
除了上述之外，額外的聚焦平面陣列(FPA)成像技術可
被實施，包括下列：a)互補金屬氧化半導體(CMOS)，其中該半導體是矽；b)混合CCD-CMOS讀取積體電路(ROIC)；c)混合矽PIN-CMOS ROIC；以及d)混合碲鎘汞(HgCdTe或MCT)-CMOS ROIC。
對於成像裝置之目的，上述FPA成像技術a)至d)可在本發明之進一步的實施例中被實施。在此情況下，以上技術a)至d)(以及InGaAs FPA)具有可能高得多的像素讀取速率及可能高的彈性子像素讀取之優點。這四個技術中的每個之細節在之後被闡述。
在一標準的CCD FPA中，光被轉換為每個像素中的電荷載子。該電荷從所有像素中連續地轉移到該陣列之角落上的一個單一放大器。這藉由首先將每一列像素內的電荷從一列遷移到下方列而執行。在成像陣列之最下列的情況下，“下方列”是一水平偏移暫存器。在每個垂直偏移操作之後，包含在水平偏移暫存器內的電荷被移到右邊或左邊(一次一個像素)。在此暫存器之末端，被偏移離開暫存器的電荷被放大(轉換為一電壓)。此電壓出現在CCD FPA之邊緣的一連接器上。額外的電子電路緩衝且/或放大該電壓且對該電壓進行數位化。在水平偏移暫存器之所有元素已被移出且被數位化之後，另一垂直偏移被執行，將另一列資料載入該水平偏移暫存器內。此過程重複，直到所有像素已被數位化。
一些大格式CCD(典型的是數百萬像素)在每個角落具
有一放大器，且每個象限之垂直/水平讀取過程個別地發生。這允許比一個單一放大器快四倍地讀取。也存在其他小變化。該CCD架構之連續讀取過程固有地是慢的--例如若水平偏移暫存器之時鐘為1MHz，則一個百萬像素CCD需要1秒讀取。在電荷轉移過程中具有限制最大時鐘速度之固有的限制，且除此之外，典型被使用的高時鐘速度表示輸出放大器之頻寬必須是高的，因此放大器雜訊高。以一完全或部分平行的方式放大且數位化來自每個像素之電荷的任何機制允許快得多的圖框率及/或低得多的雜訊位準。
CMOS感測器(a)類似感光記憶體晶片。與一CCD類似，CMOS感測器具有一感光像素之矩陣。與一CCD不同的是，來自每個像素的電荷被一設於每個像素內的放大器轉換為一電壓。每個像素內的“類比”電壓信號可隨機地被定址，就像在一記憶體晶片內一樣。一CMOS感測器典型地具有幾個並行運作的數位化電路，實體上設於該成像陣列附近，在相同的矽IC上。此等電路定址矩陣之不同的子陣列，從而讀取該子陣列內的每個像素之電壓。因為不同的子陣列被並行地數位化，整體圖框率可比一CCD內的圖框率高得多。可選擇的方式是，(至少原則上)一較慢的圖框率可被使用，具有較低雜訊，由於低頻寬可被用於每個數位化電路。雖然CMOS FPA技術快速地演進，但是目前除了圖框率之外都比CCD差。
有一些與純CMOS技術及純CCD技術有關的固有問題，該等問題藉由以下一技術解決：將偵測器及讀取電子
裝置分離到個別的晶片，利用銦焊塊連接在一起，在每個像素點上(完全並行地放大)，或者以一部分並行的方式。在該偵測器是矽之情況下，其等被稱為“混合”FPA以將其等與CCD區別。混合性(使用CMOS ROIC的混合)允許一特性優於純CCD及純CMOS之基於矽的FPA，因為該偵測器及讀取可個別地被最佳化。這可產生優良的感光度、雜訊及速度性能。在InGaAs或HgCdTe偵測器之情況下，需明白的是此等偵測器必須以相同的方式(銦焊塊)連接到每個像素的一CMOS ROIC，因此詞語“混合”通常不被使用。
在混合CCD-CMOS ROIC[部分並行放大]架構(b)中，電荷更在一CCD偵測器內以垂直行被偏移。然而，不是該電荷被偏移到底部的一水平偏移暫存器，而是每一行透過一銦焊塊接合連接到設於該CMOS晶片上的一個別的放大器及類比信號處理鏈(典型的是相關雙取樣信號處理)。對於一1024×1024像素陣列，類比信號處理鏈之數目是一CCD內的類比信號處理鏈之數目的1024倍。其等可以很低的頻寬(~kHz)運作，從而產生與一CCD類似的圖框率(具有非常低的雜訊)，或其等以高速(~1至10MHz)運作，從而產生很高的圖框率。對於全圖框讀取，kHz之圖框率是可能的。對於部分圖框讀取(在此情況下，只有影像之較下方的部分被讀取)，10至100kHz之圖框率是可能的。在低雜訊情況下，類比至數位轉換器(ADC)(1024個類比信號處理鏈在其間被多工)之數目是不重要的。對於高圖框率，大數目的ADC必須存在該CMOS晶片上。CMOS ROIC晶片與32個ADC一起存在。
低雜訊可與快速讀取結合，以犧牲解析度為代價。在此模式中，因為每一行被垂直地記錄，所以在電荷被放大之前，電荷在該行之底部的一“求和像素”內累積。此“行方塊化(column binning)”可以高時鐘速率(MHz)被執行。此模式給出1024個分別被方塊化的行之“行掃描”。例如，具有全行方塊化的一1024×1024陣列具有以下特徵：垂直時鐘速度=5MHz，對每一行方塊化的時間=200微秒，且最大圖框率因此為1/(0.0002)=5kHz。與此技術有關的進一步資訊可在此URL<http：//architect.wwwcomm.com/Uploads/Princeton/Doc uments/Library/Hybrid_Sensor_Technology.pdf
>中得到。在以上注明的URL之描述中，兩行共用一放大器及類比信號處理鏈，因此對於一1340行CCD可有670個這樣的鏈。
在混合矽PIN-CMOS ROIC[完全並行放大]架構(c)中，每個偵測器像素是在一個單一矽晶片上製造的一“個別的”矽PIN(p型/本徵/n型)。每個像素之分離藉由具有個別的表面電極及摻雜結構而完成。該矽是連續的，即，沒有任何東西分離矽晶片內部的每個像素。在每個像素，該偵測器晶片利用銦焊塊接合方法與一CMOS ROIC晶片匹配。該CMOS ROIC提供一個別的放大器及類比信號處理鏈給每個像素，從而在可被隨機定址的每個像素產生一輸出電壓(類似一記憶體晶片)。該CMOS ROIC上的許多ADC可個別地對總陣列之子陣列進行數位化，從而產生很大的圖框率。減少需被讀取的感興趣區域可進一步增加圖框率。此可能尤其有利於自相一致(self-consistent)方法。對於與此技
術有關的更多資訊參看以下URL：<http：//idtl.stsci.edu/products/publications/spie03/SPIE2003%20San%20Diego-%20HyViSI.pdf
>。
混合碲鎘汞(HgCdTe或MCT)-CMOS ROIC技術(d)類似以上的(c)，除了偵測器不是矽之外。優於矽之優點是，整個矽冷光頻譜之偵測效率是高的。
在一映射技術中，自晶圓之一有限區域收集冷光的一個單一偵測器被使用。利用一所謂的XY階(stage)，樣本及偵測系統相對於彼此移動以獲得冷光強度之一映射圖。該冷光獲取裝置可包含一映射工具。自晶圓之一指定區域收集冷光的一個單一偵測器可被使用。在本發明之另一(非空間解析技術)實施例中，一個大面積偵測器可被用以獲得不同波長的空間平均強度，以判定一平均擴散長度(在該晶圓之整體或部分上平均)。例如，此一大面積偵測器可包含一矽光二極體、一鍺光二極體、一InGaAs光二極體或一HgCdTe光二極體。
在光致冷光及電致冷光成像中，與不同頻譜間隔的強度有關的資訊藉由比較具有不同濾波的兩個測量而獲得，這包括以下變化：只有一個測量進行濾波，且該測量之強度與不經濾波而量測的總強度相比。在此情況下的濾波在資料獲取期間被執行。利用一個單一偵測器(即，利用非空間解析測量或利用一映射系統)，該空間解析冷光強度可(例如)藉由將冷光通過一單色器且頻譜掃描每個像素之頻譜而被量測。利用一單色器之測量實際上也可被描述為濾波
之形式，且此濾波必須在資料獲取期間被執行。然而，若該頻譜資訊可得到，來自不同頻譜間隔積聚的強度之比較在資料獲取之後可利用電腦演算法被執行。
對於光致冷光及電致冷光及其等組合(即具有外部偏壓控制的光致冷光)，本發明之實施例包括下列：1)利用不同濾波的非空間解析測量；2)非空間解析、頻譜解析測量(例如，使用一單色器與一個單一偵測器結合)，隨後的資料分析具有積聚在指定頻譜間隔上的強度；3)利用不同濾波的每個像素之空間解析、映射測量；4)空間解析、頻譜解析映射測量(例如，使用一個單色器與一個單一偵測器結合)，隨後的資料分析具有積聚在每個像素之指定頻譜間隔之強度；以及5)空間解析、非頻譜解析成像測量，在至少兩個個別的測量中進行不同的濾波。相同的濾波應用於一個單一測量中的所有像素；6)空間解析、頻譜解析成像測量，對每個像素進行個別地濾波。此變化可在一CCD上的個別像素之前利用不同的濾波器實現(如彩色視訊照相機中一樣)。擴散長度可從一個單一測量判定。
雖然一通用電腦在第1圖中被描述為計算裝置170，但是能夠處理數位資料的任何計算裝置可被使用。因此，例如該系統可能利用一專用微處理器及相關的電路或者如一PDA此類的手持計算裝置實現。用於數位資料處理之電子
電路也可設於與冷光獲取裝置相同的微晶片上。而且，該計算裝置可耦接到該冷光獲取裝置150以自該冷光獲取裝置直接接收資料且/或控制該冷光獲取裝置。可選擇的方式是，來自該冷光獲取裝置的影像資料可脫機地(offline)被提供給該計算裝置170。
除了自該冷光獲取裝置150接收被獲取的影像之外，該電腦170可控制該冷光獲取裝置150、該至少一濾波器160及該激發源110(至該電腦170之連接在第1圖中未顯示)之操作。該電腦實施態樣之進一步的細節之後被描述。
在本發明之實施例中，電子-電洞對藉由以下方式在表面附近產生：以光致冷光模式強烈吸收入射光，或者藉由在電致冷光模式中施加一電壓從表面之接觸點注入，或者藉由其等一組合，即，利用照亮且透過該等接觸點電性注入或取出載子。在任一情況下，該等少數載子藉由從表面擴散到電池之內部向後地分佈本身。若擴散長度大，則少數載子幾乎均勻地填滿整個半導體樣本體積，然而若該擴散長度小，則該等少數載子較靠近該表面。載子分佈之差異影響了在不同波長上發射不同的光。因為短波長光探測接近表面的載子強度，所以在小擴散長度或大擴散長度之區域之間在短波長上的發射強度有很小的差異。對於長波長光，在小擴散長度或大擴散長度之區域之間的發射強度的較大差異被觀察到。若擴散長度大，則此光起源於整個電池，但是若擴散長度小，則此光只起源於表面附近且較不強烈。
以在長波長量測的頻譜上積聚的強度除以以在短波長量測的頻譜上積聚的強度。對於一大擴散長度而言，此除法產生一大的數值。對於一較小的擴散長度而言，此除法產生一小的數值。因此，數值是擴散長度之一測量。利用此除法，在光致冷光模式之入射光或電致冷光模式之注入電流的空間非同類激發條件無影響，因為此等條件對以短波長及長波長發射的光之影響因素相同。這對於只單獨使用電致冷光影像作為一擴散長度映射圖是一改良。在後者中，影像上的冷光強度之空間變化被用作擴散長度之直接的測量。空間非同類激發條件(可能由於光致冷光的非同類照亮或電致冷光的非同類載子注入而產生)產生資料之錯誤解讀。除此之外，串聯電阻效應可能導致一個單一電致冷光影像的人為對比，與擴散長度的變化不相關。此人為對比導致一個單一電致冷光影像之錯誤解讀，但是對利用相同的電流注入進行的兩次測量之比無影響。
與現存的技術相比，本發明之實施例不需要此等技術需要的一些額外知識(例如，與一般的載子移動性以及特定的載子移動性之空間變化、橫向載子產生變化、橫向串聯電阻效應有關的資訊)，且在一些層面中對此額外知識較不敏感。有利地，本發明之實施例可應用於光致冷光、電致冷光或其二者的組合(即，來自裸晶圓、部分處理的太陽電池及成品太陽電池)。與現存技術不同，光子再吸收以及由於橫向電流產生的電阻損失之影響在本發明之實施例中沒有被忽略。測量顯示此等影響可能導致信號之巨大的錯
誤解讀。
與現存技術相比，本發明之實施例不需要一個別的校準、可應用於裸晶圓以及部分及完全製造的半導體裝置(例如，太陽電池)、固有地不受到橫向串聯電阻效應影響，且在分析時考慮光子再吸收。與現存的電致冷光擴散長度成像技術相比，本發明之實施例是自含的且更精確。
第2圖描述了用於判定一半導體結構(圖未示)內的少數載子擴散長度的方法200。較佳地，該半導體結構是一裸晶圓，或者一部分或完全製造的太陽電池。流程在步驟210中開始。在步驟212中，冷光在該半導體結構中被激發。該冷光可以是光致冷光或電致冷光，或者其二者的一組合。
在步驟214中，短波長及長波長冷光之強度被量測。短波長及長波長之測量在不同頻譜間隔內進行，其一頻譜質心在一測量中具有比另一測量中更短的波長。該長波長大於短波長。即，兩個不同頻譜間隔上積聚的冷光強度被量測。這可利用一個單一偵測器執行，根據逐像素基準或藉由方塊化。為了獲得一個指定頻譜間隔上積聚的冷光強度，冷光之濾波可被執行。該濾波可利用具有不同截止波長的不同濾波器實現。較佳地，該濾波可利用至少兩個短通濾波器實現，一個濾波器具有比另一個更長的截止波長。可選擇的方式是，該濾波可利用一長通濾波器實現，其中被長通濾波的能量自冷光之總頻譜中減去。
在步驟216中，該半導體結構之擴散長度利用一預先定
義的理論關係，根據該短波長及長波長冷光之量測的強度而產生。該預先定義理論關係之後在標題4(強度比與擴散長度之間的關係)下較詳細地被描述。對於利用一個單一偵測器進行的測量，該等擴散長度可根據一逐像素基準產生，或者(例如)藉由方塊化。
之前描述的方法可應用於裸晶圓或者部分或完全製造的太陽電池之光致冷光或電致冷光影像，或者光致冷光及電致冷光二者被組合時的影像。該等影像可利用一冷光獲取裝置(例如一FPA、一CCD陣列或一映射工具)獲得。此一影像可以是被發射出的光之強度的一逐像素測量。可選擇的方式是，像素之方塊化可被執行。短波長測量及長波長測量可利用至少一濾波器執行。較佳地，該濾波利用至少兩個短通濾波器實現，一濾波器具有比另一濾波器更長的截止波長。可選擇的方式是，該濾波可利用一長通濾波器實現，其中被長通濾波的強度從在冷光之總頻譜上積聚的強度減去。所量測的強度之除法(結合只執行一次之分析)產生一影像，該影像顯示了裸晶圓或者部分或完全製造的太陽電池之擴散長度的變化。再次地，該除法可逐像素或藉由方塊化執行。
第3圖依據本發明之一實施例較詳細地描述了用於判定一半導體結構內的少數載子擴散長度的方法300。流程在步驟310內開始。在步驟312中，自半導體樣本中發射出積聚的冷光強度(例如，一光致冷光PL或電致冷光EL影像或其
等組合)被量測，其中該冷光積聚在一第一頻譜間隔上(例如，使用一短通濾波器)。量測的強度可被保存或儲存。該資料可被一冷光獲取裝置獲取，且被傳送給(例如)一電腦之一儲存裝置。在步驟312中，若一短通濾波器被使用，則該濾波器可具有一短截止波長或一長截止波長。只出於討論之目的，該濾波器可具有一短截止波長。在步驟314中，冷光強度(例如，一光致冷光PL或電致冷光EL影像，或者其等組合)在一第二頻譜間隔上被量測(例如，使用一短通濾波器)。量測的強度可被保存或儲存。再次地，例如，該資料可被一冷光獲取裝置獲取且被傳送給一電腦之一儲存裝置。在一實施例中，該等冷光強度之影像在步驟312及314中被獲取。
在步驟314中，自該樣本積聚的冷光強度在該相同的實驗條件下在一第二頻譜間隔上被量測。步驟314在與步驟312相同的實驗條件下被執行，即利用該半導體結構或樣本之相同的位置、該冷光獲取裝置或照相機之相同的位置、施加相同的電壓或電流(對於電致冷光)或相同的光照條件(對於光致冷光)，或者在電致冷光及光致冷光都被使用時的相同電壓或電流及相同的光照條件。步驟312及314之順序可顛倒。在步驟314中，一短通濾波器可被使用，其具有一長截止波長或一短截止波長(取決於步驟312中的濾波器之類型)。只處於討論之目的，步驟314之濾波器具有一長截止波長。在步驟316中，強度比從該樣本之每個部分的測量計算出，該取樣之每個部分可以是(例如)一像素或一像素族
群。此等測量是在步驟312及314中得到的測量。
步驟318以虛線描述。這表示此步驟在第3圖之流程中不需要以任何特定的順序被執行。例如，其可脫機被執行，或者其可在步驟312或314之前被執行，或者(例如)與步驟312-316並行執行。在步驟318中，特定頻譜間隔及指定參數之強度比與擴散長度之間的理論關係被計算出，該等指定參數例如為至少一濾波器之特性、一感測器之頻譜感光度，以及該半導體結構或樣本之該(等)表面重新重組速度。理論關係在之後被較詳細地描述。在步驟320中，該取樣之每個部分獲得的強度比利用理論關係被轉換為一擴散長度。例如，該理論關係之值的一查找表(look up table)可被使用，或者擴散長度與比之間的理論關係可被參數化，例如，使用一多項式適配(polynomial fit)。在後一情況下，該比可被分析性地直接轉換為一擴散長度。流程在步驟322內終止。
依據本發明之另一實施例，一種用於判定一半導體結構(例如，一裸晶圓，或者一部分或完全製造的太陽電池)內的少數載子擴散長度之系統被提供。如第1圖的一激發源被用以激發該半導體結構從該半導體結構中發射出光。再次地，該冷光可以是光致冷光、電致冷光或其二者的一組合。一冷光獲取裝置獲取在該半導體結構中被激發的冷光強度之兩個或多個影像。一或多個短通濾波器被用於以短截止波長及長截止波長對該半導體結構內被激發的冷光進行濾波，其中長截止波長大於短截止波長。該等短通濾波
器設於半導體結構與冷光獲取裝置之間。如之前所描述的，其他濾波器配置可被實施。一計算裝置根據該等被獲取的影像之對應部分的短波長及長波長強度，從冷光強度之被獲取影像計算強度比，且利用一理論關係將該等強度比轉換為擴散長度，該理論關係取決於該等短通濾波器之特性、一感測器之頻譜感光度，以及該半導體結構之表面重組速度。
該計算裝置之操作利用一個單一的偵測器被執行為一空間平均量，根據一逐像素基準或藉由方塊化，以計算該等強度比且將該等強度比轉換為擴散長度。該系統可進一步包含一應用於計算該等強度比與該等擴散長度之間的理論關係的計算裝置，取決於短通帶濾波器特性、一感測器之頻譜感光度，以及該半導體結構之表面重組速度。
少數載子分佈對裸晶圓或者部分或完全製造的太陽電池之冷光的頻譜之影響在之後被描述。由於在一裸晶圓或者部分或完全製造的太陽電池內發射的輻射之再吸收，一非同類載子分佈在該被發射的頻譜中不同地被反射，在不同波長範圍逃離該裝置。在本發明之實施例中，少數載子擴散長度之測量包含取得在不同波長範圍量測的冷光強度之比。在兩個不同波長間隔的測量之間，絕對擴散長度與冷光(光致冷光或電致冷光或以上二者)強度比之間存在一直接的相關性。
對於發射頻譜對少數載子之分佈的相依性之量化描述
而言，必須知道被注入一太陽電池之基極(base)或者在一矽樣本內光生的載子本身如何分佈。對於被電性注入一太陽電池的載子，此關係可分析性地如以下所描述的被描述。對於在光致冷光實驗中光生產生的載子，載子分佈必須以數字計算出，例如使用一維裝置模擬套件。在特定情況下，其中光致冷光激發是藉由短波長光，載子之產生可藉由接近被照亮的表面之一差值函數(delta function)被近似。在此情況下，以下描述的用於光致冷光的分析關係也可用於光致冷光。接著，必須找出此分佈如何影響發射頻譜。
例如，考慮電子從一pn接面注入到一太陽電池之p型基極。對於一施加電壓V appl
，該樣本各處的電子分佈(以與前表面的距離x之函數n e
(x
))由以下給出：
其中
其中r
=SL e /D e
，且
在方程式(1)-(3)中，Le
是擴散長度，De
是矽之擴散係數，S是表面重組速度，ni
是本徵載子濃度，NA
是摻雜濃度，且kT是熱能量，x是與pn接面的距離，Vappl
是施加的電壓，e
是初級電荷(elementary charge)，且d是樣本之厚度。表面重組速度被假設是恒定的(即，與載子濃度無關)且分別對於前表面及後表面是相同的。對於光致冷光實驗，載子分佈一般必須以數字計算出。然而，對於利用短波長光的激發，生成輪廓較佳地藉由接近被照亮的表面之一差值函數被近似，且可使用以上分析方法。
在能量間隔dħ
ω內具有能量ħ
ω的光子藉由電子及電洞之輻射重組以一速率g γ
(x
,ħ
ω)被發射出。在能量間隔dħ
ω內透過表面發射的光子電流dj γ,em
(ħ
ω)/dħ
ω根據以下得到：在考慮後面(R r )
及前面(R f
)的再吸收及反射之後，將來自該等光子之產生率g γ
(x
,ħ
ω)的貢獻對於太陽電池之厚度積分，其中Rr
及Rf
分別是前表面及後表面的反射率(reflectivity)。該反射率之任何頻譜相依性在以下的分析中被忽略，但是可明確地被包括。
對於非退化的電子及電洞濃度，藉由透過頻帶-頻帶轉換的輻射性重組得到的光子之方程式(4)中的產生率g γ
(x,ħ
ω)近似為：
其中ħ
及c
分別是普朗克常數(Planck’s constant)及光之真空
速度。
被太陽電池發射的光子可被一冷光獲取裝置(例如，一矽CCD照相機)偵測出，該冷光獲取裝置對矽樣本發射出的長波長輻射不是特別敏感。為了正確地對該冷光獲取裝置及至少一特定濾波器偵測出的強度建模，該冷光獲取裝置之頻譜感光度SCapture
(ħ
ω)(感測器之感光度)，包括其透鏡之透射，以及該至少一濾波器之頻譜透射Tfilter
(ħ
ω)必須被包括。設於樣本與冷光獲取裝置之間的其他光學元件(例如，在光致冷光測量中需要的一或多個額外的濾波器)之頻譜透射可被包括在該感光度SCapture
(ħ
ω)內：
方程式(1)-(3)允許計算一給定擴散長度及表面重組速度之載子分佈。在光致冷光實驗中，在生成輪廓無法近似為一差值函數之情況下，載子分佈輪廓必須以數字計算出。方程式(5)允許計算位置相依頻譜光子發射率，藉此透過表面發射出的光子通量可利用方程式(4)計算出。接著，方程式(6)允許計算該冷光獲取裝置對不同濾波器偵測出的積聚的光子通量，且為擴散長度及表面重組速度之函數。在此理論分析中的擴散長度之變化允許預測利用不同濾波器獲得擴散長度與強度比之間的理論關係。
用以判定擴散長度的方法之原則是測量在不同頻譜間隔上積聚的冷光強度、計算此等頻譜上積聚的強度之一
比，接著利用以上所描述的預定理論關係將該強度比轉換為一擴散長度。在以下一矽樣本之示範性計算中，利用兩個不同短通濾波器之測量被假設，其中濾波器之透射被假設為Tfilter
=1(對於λ<λcut-off
)且Tfilter
=0(對於較長波長λλcut-off
)。矽樣本之厚度為300μm，且一0.6V之施加電壓被用於該計算。被使用的冷光獲取裝置(在此情況下是一矽CCD照相機)之感光度從CCD照相機之資料表中得到。晶圓之前反射比(reflectance)及後反射在此例中考慮的波長範圍內被假設是恆定的。
第4圖是描述了兩個冷光強度之比的圖表，每個冷光強度利用一不同的短通濾波器量測出，如依據以上所描述的理論分析計算出的。該等濾波器之截止波長λcut-off
在該圖表中指出。每個濾波器組合之信號比關於三個不同的表面重組速度S之結果被顯示。例如，最上方的三條曲線表示兩個冷光強度之理論預測強度比為擴散長度之函數，其中一測量利用一λcut-off
=1050nm的短通濾波器執行，且第二個測量利用一λcut-off
=900nm的短通濾波器執行。在此組曲線中，上曲線、中間曲線及下曲線表示表面重組速度之不同值的理論預測比(從上到下分別為S=0cm/s、S=100cm/s，且S=10.000cm/s)。其他曲線組顯示了不同的短通帶波器組合之對應理論資料，如該圖中的曲線附近的標號所指出。
第4圖之圖表顯示若表面重組速度已知具有合理的精確度，則利用一給定對的濾波器獲得的強度比與擴散長度直接相關。第4圖之理論曲線可被用以將每個像素之強度比
轉換為擴散長度(Le
/μm)。該等計算顯示該等曲線對高擴散長度而言是相當平坦的，且對高表面重組速度計算出的曲線比對低表面重組速度計算出的曲線更平坦。在此等情況下，該方法之精確度相對較低，因為強度比的一非常小的變化或實驗誤差對應被判定的擴散長度之一大的誤差。對於非常大的表面重組速度及長少數載子有效壽命(即，長擴散長度)，強度比與擴散長度之間的平坦關係之原因是樣本內的相對載子輪廓幾乎不受大塊(bulk)擴散長度之影響。則載子傳輸受限於從前表面到後表面之擴散，且近似一線性關係，在後表面附近接近零載子密度，與大塊擴散長度無關。
實驗上期望以下情況：擴散長度之一變化導致強度比產生一大的變化。給定此先決條件，第4圖顯示一1050nm短通濾波器與一900nm短通濾波器之組合較佳於第4圖中所示的另兩個濾波器組合。
在一實施例中，各種理論曲線(例如，第4圖中所示的曲線)之值可被儲存在一儲存裝置(例如，隨機存取記憶體、一硬碟或類似者)內的一查找表(LUT)中，該儲存裝置可被該計算裝置之一處理器存取以將強度比轉換為擴散長度。可選擇的方式是，強度比與擴散長度之間的理論關係可利用一分析表達式適配，該分析表達式可被用以分析性地將量測的強度比轉換為擴散長度。
與用於判定一半導體結構內的少數載子擴散長度之方法、裝置及系統有關的本發明之一些實施例已被描述。根
據上述描述，該項領域內具有通常知識者顯而易見的是，在不脫離本發明之範圍及精神下，可作出各種修改及/或替換。
100‧‧‧系統
110‧‧‧激發源
120‧‧‧光
130‧‧‧半導體結構
140‧‧‧冷光
150‧‧‧冷光獲取裝置
160‧‧‧濾波器
170‧‧‧計算裝置
200、300‧‧‧方法
210~218、310~322‧‧‧步驟
第1圖是描述在一太陽電池內激發不同波長之冷光的方塊圖；第2圖是一流程圖，描述了一種依據本發明之一實施例決定一半導體結構內的少數載子擴散長度之方法；第3圖是一詳細的流程圖，描述利用冷光判定一半導體結構內的少數載子擴散長度的方法；以及第4圖是冷光強度之比的一圖表，每個冷光強度利用一對不同的短通濾波器量測。
100‧‧‧系統
110‧‧‧激發源
120‧‧‧光
130‧‧‧半導體結構
140‧‧‧冷光
150‧‧‧冷光獲取裝置
160‧‧‧濾波器
170‧‧‧計算裝置
Claims (18)
- 一種用於判定半導體材料中的少數載子擴散性質之方法，該方法包含以下步驟：(一)在該半導體材料中激發冷光；(二)量測來自於該半導體材料的第一與第二結果冷光信號，其中該等第一與第二結果冷光信號具有不同的波長輪廓；(三)比較在該等第一與第二結果冷光信號中之差異，以判定在該半導體材料中的該等少數載子擴散性質。
- 如申請專利範圍第1項之方法，其中該第一結果冷光信號之長度輪廓係從量測短波長冷光而得出的，且該第二結果冷光信號之長度輪廓係從量測長波長冷光而得出的，於短波長與長波長之量測係在不同的數個頻譜間距內執行，該等頻譜間距具有在一量測中係於比在另一量測中較短之波長的一頻譜質心，該長波長大於該短波長。
- 如申請專利範圍第1項之方法，其中步驟(三)更包含下列步驟：使用一預定理論關係，而生成取決於該等第一與第二結果冷光信號之量測強度的該半導體材料之擴散長度。
- 如申請專利範圍第2項之方法，其更包含下列步驟：於短截止波長及長截止波長對在該半導體材料中所 激發之該冷光進行濾波，其中該長截止波長大於該短截止波長。
- 如申請專利範圍第4項之方法，其中係利用一長通濾波器實施濾波，而經長通濾波所積聚的該冷光強度被從該總冷光頻譜中減去。
- 如申請專利範圍第3項之方法，其中的生成步驟包含下列子步驟：由所量測之該等冷光強度計算強度比。
- 如申請專利範圍第6項之方法，其中的生成步驟包含下列子步驟：使用一預定理論關係，將該等強度比轉換為擴散長度，其中該預定理論關係係取決於濾波器之特性、用來量測該等冷光強度之感測器的頻譜感光度、及該半導體材料之表面重組速度。
- 如申請專利範圍第3項之方法，其中該理論關係被如下定義：
- 一種用於判定半導體材料內的少數載子擴散性質之裝 置，該裝置包含：用以在該半導體材料中激發冷光之構件；用以量測來自於該半導體材料的第一與第二結果冷光信號之量測構件，其中該等第一與第二結果冷光信號具有不同的波長輪廓；以及用以比較該等第一與第二結果冷光信號之構件，以判定該半導體材料中的該等少數載子擴散性質。
- 如申請專利範圍第9項之裝置，其中該量測構件量測短波長與長波長冷光之強度，於短波長與長波長之量測係在不同的數個頻譜間距內執行，該等頻譜間距具有在一量測中係於比在另一量測中較短之波長的一頻譜質心，該長波長大於該短波長；且該裝置更包含：用以使用一預定理論關係而生成取決於該等短波長與長波長冷光之量測強度的該半導體材料之擴散長度之構件。
- 如申請專利範圍第10項之裝置，其中該等冷光強度被量測，且該等擴散長度係利用單一個偵測器以一空間平均量、或根據一逐像素基礎、或藉由方塊化生成。
- 如申請專利範圍第10項之裝置，其更包含：用以於短截止波長及長截止波長對在該半導體材料中所激發之該冷光進行濾波之構件，其中該長截止波長大於該短截止波長。
- 如申請專利範圍第10項之裝置，其中該產生構件包含：自所量測之該等冷光強度計算強度比之構件。
- 如申請專利範圍第13項之裝置，其中該產生構件包含：用以使用一預定理論關係而將該等強度比轉換為擴散長度之構件，其中該預定理論關係取決於濾波器之特性、用來量測該等冷光強度之感測器的頻譜感光度、及該半導體材料之表面重組速度。
- 如申請專利範圍第14項之裝置，其更包含：用以計算在該等強度比與該等擴散長度間之該理論關係之構件。
- 一種用於判定半導體材料中的少數載子擴散長度之方法，該方法包含以下步驟：激發該半導體材料以發射冷光，該冷光包含光致冷光、電致冷光、或二者兼具；於短波長及長波長對在該半導體材料中所激發的該冷光進行濾波，各波長皆具有於一不同波長的一頻譜質心；獲取來自於該半導體材料之冷光強度，各冷光強度係於不同的頻譜間距內；以及從來自於該半導體材料之對應部分的在該等不同頻譜間距內所獲取的冷光強度計算出強度比。
- 如申請專利範圍第16項之方法，其更包含下列步驟：使用一理論關係，將該等強度比轉換為擴散長度，其中該理論關係係取決於該濾波行為、用來量測該等冷光強度之感測器的頻譜感光度、及該半導體材料之表面重組速度。
- 如申請專利範圍第16項之方法，其中該半導體材料被照射以產生光致冷光。
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