1、少子寿命原理及应用,黎晓丰,1. 半导体简介 2. 非平衡载流子及少子寿命 3. 少子寿命影响因素 4. 少子寿命的测试方法简介 5. WT-2000的运用,1. 半导体 (Semiconductor),硅(Si)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)等导电性介于导体和绝缘体之间(10-4 1010 cm)电导率和导电型号对杂质和外界因素高度敏感,硅(Silicon),金刚石结构，每个硅原子与四个硅原子相邻，形成正四面体结构,相邻原子之间共用电子对形成共价键,能带(energy band),导带、价带、禁带宽度 载流子：电子(自由电子、electron)、空穴(hole),电子带负电 空穴带正电,掺
2、杂,为得到一定的载流子浓度而掺入电活性的杂质。通常P型掺杂掺B； N型掺杂掺P。,N型,P型,P型掺杂(III族)：B、Al、Ga、In N型掺杂(V族)：P、As、Sb 均为浅能级杂质常温下，非重掺，P型硅的空穴浓度等于P型掺杂剂浓度；N型硅的电子浓度等于N型掺杂剂浓度。,P型硅的载流子绝大部分为空穴。空穴为多数载流子(majority carrier)，简称多子；电子为少数载流子(minority carrier)，简称少子。N型硅的载流子绝大部分为电子。电子为多子，空穴为少子。,3. 非平衡载流子,平衡状态下，电子空穴对的产生和复合率相等。电子和空穴浓度n、p不变。,EC,EV,产生,复
3、合,受外界因素(光照、载流子注入等)影响比平衡状态下多出来的载流子。,非平衡载流子浓度为n、p。 n = p,在光激发下，一开始载流子产生率G大于复合率R，导致载流子增加。到稳态时G = R，此时载流子浓度趋于稳定。 电子和空穴浓度：n = n0 + n；p = p0 + pn0 、p0分别为平衡时电子和空穴的浓度。,当光激发撤销时，一开始产生率小于复合速率，导致n、p不断衰减，最后当恢复到平衡状态时n = p = 0；G = R。在这过程中，净的复合率U = R G此过程即称为非平衡载流子的复合(recombination)过程。,若定义非平衡载流子单位时间的复合概率为1/，则,非平衡载流子
4、呈指数衰减 为载流子的复合寿命,的物理意义：非平衡载流子的平均生存时间。 越大，载流子复合能力愈弱。衰减得越慢； 越小，衰减得越快。 因为非平衡载流子对少子浓度影响极大，所以称为少子寿命 少子寿命一般指少子复合寿命。 影响少子寿命因素很多，影响机制极复杂。,少子寿命的作用,太阳能电池光电流是光激发产生非平衡载流子，并在pn结作用下流动产生的。,载流子的复合会使光电流减少。少子寿命越小光电流越小。 同时少子寿命减小，增加漏电流从如使开路电压减小。 总之，少子寿命越小，电池效率越低。,4. 少子寿命影响因素,影响少子寿命的因素很多：杂质、电阻率、温度、表面状态、硅片厚度等。 实际测量得到的是体复合
5、和表面复合共同作用的少子寿命 有用的是体复合得到的体少子寿命。,体复合机制,1. 本征复合(直接复合)辐射复合：电子和空穴直接复合，辐射出光子。Auger复合：电子和空穴直接复合，激发另一电子和空穴。,在硅中低注入水平下并非主要复合过程,2. 间接复合：通过复合中心复合。复合中心为深能级杂质。为硅中的主要复合形式。,SRH(Shockley-Read-Hall)模型,1. 电子的发射 2. 电子的俘获 3. 空穴的俘获 4. 空穴的发射,SRH少子寿命公式,n0和p0分别是电子和空穴的俘获时间常数。n1和p1分别为费米能级处于复合中心能级Et时电子和空穴的浓度。,SRH复合的讨论,1. 复合中
6、心能级Et越深少子寿命越小，所以深能级杂质对少子寿命影响极大，即使少量深能级杂质也能大大降低少子寿命。过渡金属杂质往往是深能级杂质，如Fe、Cr、Mo等杂质。,2. 电阻率的影响随着电阻率的增大，少子寿命也不断增大。3. 温度变化强烈影响少子寿命。但是影响规律十分复杂。一般为随温度上升少子寿命先降后升。,表面复合,前面几种只是涉及体复合，但是由于硅表面存在悬挂键形成表面复合中心。在表面也产生复合，从而使测试体少子寿命时产生偏差。 有用的是体少子寿命。,表面复合率Us等于表面复合速率S乘以非平衡载流子浓度。 US=S n S的单位为速度单位。S的大小取决于表面状态，对于裸片S约为50000 cm
7、/s。对于各种钝化方法S可小于10cm/s。,有效寿命,在多种独立的复合机制下的实际的寿命为有效少子寿命。即为测试得到的少子寿命值。,有效少子寿命总是低于任何复合机制的寿命。,影响有效少子寿命的因素,低注入水平下，中等掺杂，辐射寿命和Auger寿命远高于间接复合寿命。因此只有间接复合影响体少子寿命。 考虑到体复合和表面复合的共同作用，有如下关系,有效少子寿命与体少子寿命由于有表面复合产生偏差。 W为硅片厚度Dn为电子的扩散系数。因此硅片厚度和表面复合速率是影响有效寿命的重要因素。,体少子寿命越大，表面复合速率越大，偏差越大。 厚度越薄，偏差越大,当体少子寿命小于1s，无论S多大，偏差小于10%
8、。 当表面状态一定时，体少子寿命降低，有效少子寿命也降低。,4. 少子寿命测试方法,1. -PCD (Microwave Photoconductivity Decay)微波光电导衰减WT-2000 2. QSSPC 3. SPV,红外脉冲激光源(905nm) 微波源和信号接收(10 0.5 GHz),原理,脉冲激光激发非平衡载流子 微波探测器探测发射和反射的微波谱,低注入水平下，一定的频率下，发射和反射微波型号差正比于非平衡载流子浓度n。,选取不同的频率，信号差有时正有时负。无论如何都和非平衡载流子浓度n成正比,信号呈指数衰减，即呈现出非平衡载流子衰减的规律。 通过拟合指数衰减信号得到少子寿命的值。 对样品表面连续点扫描可以得到少子寿命分布图。,选择合适的测试参数范围可以减少误差，一般Autosetting可自动选择测试参数,前面一段数据由于高注入偏离指数衰减规律。,从Time cursor算起拟合指数拟合信号得到少子寿命,WT-2000例子,坩埚的污染,UMG的少子寿命分布,
