太阳级硅材料少子寿命测试技术与仪器

在硅的各种加工过程中，硅表面上通常都有离子吸附，它们引起半导体内的表面势垒产生耗尽层或反型层。

光照在半导体表面时，能量稍大于半导体禁带宽度的光子，将会把价带中的电子激发到导带，从而形成电子空穴对，并向低密度区扩散。

由于表面上存在着耗尽区，其电场将电子-空穴分离，产生表面光电压（SPV ）。

理论计算α-=++1Φ1()(1)effP A S V L L （1） 其中对于耗尽层 A =qn 0/KT exp(qV /KT )对于反型层 A =qu i 2/KTn O在小注入条件下寿命值τ与扩散长度L 的关系，即：L = 2L Dτ=，扩散系数D 为已知常数，因此通过扩散长度测量可以立即计算出寿命值。

用SPV 测量扩散长度的方法：（1）恒定表面光电压法，其特点是测量过程中单色光的波长度变化时，表面光电压恒定不变，可对电阻率为0.1~6Ω·cm 、少子寿命短到20ns 的硅单晶进行测量。

一般认为表面光电压(ΔV)是非平衡载流子浓度的函数。

根据光照强度Φ与表面光电压△V 的函数关系： )11()(LM V F α+∆=Φ /(1)S D L M B R +=- （2） 其中，对于给定的样品，M 是一个常数，对于F （△V ）在测量过程中，即在改变 光源波长时（吸收系数α随之而和），调节光强Φ，使表面光电压△V 保持不变，于是F （△V ）在测量过程中也保持为常数，在数次改变波长（即改变α-1）后，得到相应的Φ值，即有一组：α-11，Φ1；α-12，Φ2；……α-1n ，Φn 数据，以Φ为纵标，α-1为横座标，联成一直线，并将直线延长到Φ=0得：1)LαΦ=0=(1+ （3） 该直线的截距即为要测的扩散长度（样品（或处延层）的厚度必须大于4倍扩散长度，如果小于扩散长度的一半，则测得的不是在外延层中的扩散长度，而是衬底中的扩散长度），如图所示：（2）恒定光通量法 即Φeff 是恒定的。

根据（1）式)11)((1-++=∆ΦαL L D S A V eff扩散长度L 可以Φeff/△V 对α-1的直线图确定(3）测试样品制备：样品一般要求进行化学抛光，化学腐蚀或机械抛光，以除去表面的机械损伤层。

太阳能电池用多晶硅材料少数载流子寿命的测试邵铮铮;李修建;戴荣铭【摘要】The minority carrier lifetime in p-typed polycrystalline silicon used for solar cells was tested by the high frequency photoconductivity decay method,and the influence of photo injection intensity on the testing re-sult was analyzed in detail. The results show that the decay curve is not exponential damping in a wide area near the peak point,until the signal fade down to lower than half value. In addition,the measured value of the minority carrier lifetime is reduced when reinforcing the photo injection intensity. Based on the surface recom-bination effect and grain boundary recombination effect of the non-equilibrium carriers, we interpreted this physical phenomenon appropriately.%采用高频光电导衰退法测试了太阳能电池用p型多晶硅片的少数载流子寿命，细致分析了光注入强度对测试结果的影响。

结果显示光电导衰减曲线在靠近尖峰处较宽的时间区域内并按非指数规律快速衰减，当信号衰减到一定程度后逐渐接近指数规律，且随着光注入强度增大，少子寿命的测量结果显著减小。

少子寿命的测试问题鉴于目前 Semilab 少子寿命测试已在中国拥有众多的用户，并得到广大用户的一致认可。

现就少子寿命测试中，用户反映的一些问题做出如下说明，供您在工作中参考：1、Semilabμ-PCD 微波光电导少子寿命的原理微波光电导衰退法(Microwave photoconductivity decay)测试少子寿命，主要包括激光注入产生电子-空穴对和微波探测信号的变化这两个过程。

904nm 的激光注入（对于硅，注入深度大约为30um）产生电子-空穴对，导致样品电导率的增加，当撤去外界光注入时，电导率随时间指数衰减，这一趋势间接反映少数载流子的衰减趋势，从而通过微波探测电导率随时间变化的趋势就可以得到少数载流子的寿命。

少子寿命主要反映的是材料重金属沾污及缺陷的情况。

Semilab μ-PCD 符合ASTM 国际标准F 1535 - 002、少子寿命测试的几种方法通常少数载流子寿命是用实验方法测量的，各种测量方法都包括非平衡载流子的注入和检测两个基本方面。

最常用的注入方法是光注入和电注入，而检测非平衡载流子的方法很多，如探测电导率的变化，探测微波反射或透射信号的变化等，这样组合就形成了许多寿命测试方法。

近30 年来发展了数十种测量寿命的方法，主要有：直流光电导衰退法；高频光电导衰退法；表面光电压法；少子脉冲漂移法；微波光电导衰减法等。

对于不同的测试方法，测试结果可能会有出入，因为不同的注入方法，表面状况的不同，探测和算法等也各不相同。

因此，少子寿命测试没有绝对的精度概念，也没有国际认定的标准样片的标准，只有重复性，分辨率的概念。

对于同一样品，不同测试方法之间需要作比对试验。

但对于同是Semilab 的设备，不论是WT-2000 还是WT-1000，测试结果是一致的。

μ-PCD 法相对于其他方法，有如下特点：（1）无接触、无损伤、快速测试（2）能够测试较低寿命（3）能够测试低电阻率的样品（最低可以测0.01ohmcm 的样品）（4）既可以测试硅锭、硅棒，也可以测试硅片，电池（5）样品没有经过钝化处理就可以直接测试（6）既可以测试P 型材料，也可以测试N 型材料（7）对测试样品的厚度没有严格的要求（8）该方法是最受市场接受的少子寿命测试方法3、表面处理和钝化的原因μ-PCD 测试的是少子有效寿命，它受两个因素影响：体寿命和表面寿命。

一、实验目的1. 了解光电导法测试少数载流子寿命的原理。

2. 熟练掌握LTX2高频光电导少数载流子寿命测试仪的使用方法。

3. 测量非平衡载流子的寿命。

二、实验原理少子寿命是指半导体材料中少数载流子的平均生存时间。

在半导体器件中，少数载流子的寿命对器件的性能具有重要影响。

光电导衰减法是测量少数载流子寿命的一种常用方法。

其原理是在样品上施加一定频率的高频电场，使样品中的载流子产生振荡，从而产生光电导现象。

通过测量光电导衰减曲线，可以计算出少数载流子的寿命。

三、实验仪器与材料1. 仪器：LTX2高频光电导少数载流子寿命测试仪、样品测试夹具、示波器、信号发生器、频率计、稳压电源等。

2. 材料：样品（如硅单晶、锗单晶等）、光注入源、腐蚀液、钝化液等。

四、实验步骤1. 准备样品：将样品进行清洗、切割、抛光等处理，使其表面光滑、平整。

2. 设置实验参数：根据样品类型和测试要求，设置合适的测试频率、测试时间等参数。

3. 连接仪器：将样品夹具、信号发生器、示波器、频率计、稳压电源等仪器连接好，确保连接正确、牢固。

4. 光注入：使用光注入源对样品进行光注入，产生非平衡载流子。

5. 测量光电导衰减曲线：打开测试仪，记录光电导衰减曲线。

6. 数据处理：对光电导衰减曲线进行拟合，计算少数载流子的寿命。

五、实验结果与分析1. 光电导衰减曲线：实验测得的光电导衰减曲线如图1所示。

图1 光电导衰减曲线2. 少子寿命计算：根据光电导衰减曲线，拟合得到少数载流子的寿命为5.6×10^-6 s。

3. 影响因素分析：（1）样品材料：不同材料的样品，其少子寿命不同。

例如，硅单晶的少子寿命一般比锗单晶长。

（2）样品制备：样品的制备过程对少子寿命有较大影响。

如样品表面粗糙度、杂质浓度等都会影响少子寿命。

（3）光注入强度：光注入强度越大，产生的非平衡载流子越多，从而影响少子寿命。

（4）测试参数：测试频率、测试时间等参数对少子寿命的测量结果有一定影响。

少子寿命测试实验报告一、实验目的和任务1、了解光电导法测试少数载流子寿命的原理，熟练掌握LTX2高频光电导少数载流子寿命测试仪的使用方法；2、测非平衡载流子的寿命。

二、实验原理处于热平衡状态的半导体，在一定温度下，载流子浓度是一定的。

这种处于热平衡状态下的载流子浓度，称为平衡载流子浓度。

半导体的热平衡状态是相对的，有条件的。

如果对半导体施加外界作用，破坏了热平衡的条件，这就迫使它处于与热平衡状态相偏离的状态，称为非平衡状态。

处于非平衡状态的半导体，其载流子浓度不再是X和X，可以比它们多出一部分。

比平衡状态多出来的这部分载流子称为非平衡载流子，有时也称过剩载流子。

寿命的全称是非平衡少数载流子寿命，它的含意是单晶在受到如光照或点触发的情况下会在表面及体内产生新的（非平衡）载流子，当外界作用撤消后，它们会通过单晶体内由重金属杂质和缺陷形成的复合中心逐渐消失，杂质、缺陷愈多非平衡载流子消失得愈快，在复合过程中少数载流子起主导和决定的作用。

这些非平衡少数载流子在单晶体内平均存在的时间就简称少子寿命。

通常寿命是用实验方法测量的。

各种测量方法都包括非平衡载流子的注入和检测两个基本方面。

最常用的注入方法是光注入和电注入，而检测非平衡载流子的方法很多。

不同的注入和检测方法的组合就形成了许多寿命测量方法。

三、实验设备本实验采用LTX2高频光电导少数载流子寿命测试仪。

该仪器灵敏度高，配备有红外光源，可测量包括集成电路级硅单晶在内的各种类型硅单晶及常用的晶体管级锗单晶。

该仪器根据国际通用方法—高频光电导衰退法的原理设计，由稳压电源、高频源、检波放大器、脉冲光源及样品电极共五部分组成，采用印刷电路和高频接插件连接。

整机结构紧凑，测量数据准确、可靠。

四、实验结论实验通过测电压间接的少子寿命指少子的平均生存时间，寿命标志少子浓度减少到原值的1/e所经历的时间，实验中便通过测量最高点电压减少到原值的1/e所经历的时间，与最高点多少无关；当样品含有重金属且存在缺陷时，会产生杂质能级，成为少子的复合中心，从而寿命降低。

少子寿命检测设备结构原理及维护要点少子寿命设备的应用对于太阳能工业而言，少子寿命是一个非常重要的指标，它表征了硅料内部缺陷的多少，当然也就直接指出了太阳能电池品质的好坏。

由于电池制造过程又是不可逆的，那么在电池工艺之前就了解其品质是极其重要的，少子寿命测量就为此提供了非常直观可靠的依据。

其应用也很广泛，多晶铸锭去头尾、单晶硅棒截头尾、硅片少子寿命测量等，无论是半导体还是太阳能领域，它都是必备的检测设备。

少子寿命设备构成既然是微波+脉冲激光，那必然就有微波模块、激光模块，对应的微波控制器和激光控制器，然后还有数据采集卡和接口电路。

而针对扫描式设备而言，就必然有电机、电机驱动电路和控制电路（电机卡）、导轨滑块、皮带齿轮、限位开关等等，整体构成了运动系统以支持设备带着测量头进行扫描操作。

少子寿命原理硅材料少数载流子的寿命检测，是一个综合过程，包含激发载流子、微波信号反馈、数据采集及处理、电机系统管理、软件操作等。

其基本原理是通过一定波长并具有一定功率的脉冲激光，照射到硅材料表面，由于光生伏特效应，硅料内部会产生大量少数载流子，这些载流子在激光撤掉后趋于消失，而这个过程需要一定的时间，我们将这段时间叫做少数载流子寿命，也叫做弛豫时间常数（见《半导体工艺》一书）。

那么如何测量少子寿命呢？那就用到了微波，一定波长的微波具有穿透绝缘体而被导体反射的特性，因此在激光照射硅材料及撤掉激光的这个过程中，硅材料从近似绝缘体变成了近似导体，再由近似导体变成了近似绝缘体，而照在其上的微波也由于硅料的这种变化，呈现出震荡，如图：由上图可见，受激光激发后载流子数量激增，因而反射回来的微波能量也响应增大，随着激光脉冲关闭，反射微波能量也随着降低，载流子数量趋于平衡态。

将这个振荡信号采集到电脑中，通过数据处理从而得到清晰、平滑的曲线，就是我们看到的少子寿命曲线了。

而扫描式少子寿命测试仪的每个扫描点，都是这样的一个曲线组成的，然后取平均值后，再用相应色标进行画点操作，形成如下图的图像：其中不同的颜色代表不同的数值，也就是不同的微波功率。

太阳能电池硅片少子寿命的测试
首先，测量载流子寿命是一种常见的方法，通过暗态下的载流子寿命测量来评估材料的质量。

这种方法可以使用不同的技术，如微波探测、激光探测和电学探测等，来确定材料中电子和空穴的寿命。

其次，表面重复率是另一种常用的测试方法，它通过测量材料表面上的载流子寿命来评估材料的质量。

这种方法可以帮助确定材料表面的质量和制备工艺的稳定性。

最后，微波电容是一种用来测量材料中载流子寿命的方法，通过测量材料对微波的响应来评估载流子的寿命。

这种方法对于大面积的样品测试非常有效，并且可以提供关于材料质量和性能稳定性的重要信息。

总之，测试太阳能电池硅片少子寿命是评估太阳能电池材料质量和性能稳定性的关键步骤，可以通过测量载流子寿命、表面重复率和微波电容等方法来全面评估材料的质量和性能。

这些测试方法可以帮助太阳能电池制造商和研究人员确定材料的质量，并改进制备工艺，从而提高太阳能电池的效率和稳定性。

半导体少子寿命测量
实验内容与目的
1.
采用高频光电导衰退法测量单晶硅片的少子寿命。

并观察光源经滤光片滤光后测试曲线的变化。

2. 加深学生对半导体非平衡载流子理论的理解；学会使用高频光电导测试仪和示波器来测量半导体少子寿命。

实验仪器与原理
1． 采用自制的HM-HLT 型高频光电导少子寿命测试仪和示波器进行测试。

2． 对硅片上施加光注入，光照停止后，非平衡载流子衰减：()τt e p t p -∆=∆0,
寿命τ是非平衡载流子浓度减少到初始值的1/e 倍所经过的时间。

实验步骤
1． 将测试仪与示波器连接，待测Si 片放入样品仓，打开示波器电源，示波器的“输入”旋钮放在交流，“扫描方式”旋钮放在自动，调节“位移”旋钮，使光标成为一条直线，与显示屏上的标准曲线的横轴相重合。

2． 打开少子寿命仪电源，调节“频率调节”、“光强调节”旋钮，频率约在1-2H Z ，光强旋钮约为230V 。

在测量时，如果图形曲线发生截波失真现象
则应将光强幅度减小。

3． 调节示波器，先将“扫描方式”旋钮放在常态，对示波器显示系统进行粗调，主要调节“电压/格”，“时间/格”旋钮，并用“电平”旋钮调整，将荧光曲线调节到与标准曲线吻合。

4． 最后用“电压/格” 旋钮的微调使荧光曲线与标准曲线完全重合，如遇图形曲线有杂波，可以通过继续微调“电平”旋钮来改善图形的质量。

记录示波器的“电压/格”，“时间/格”值。

5．
观查在硅片上叠放滤光片与不叠放滤光片时，示波器显示曲线的变化。

晶科硅棒少子寿命
晶科硅棒少子寿命是指晶体硅棒中电子和空穴的平均寿命。

硅棒是光伏产业中常用的材料，用于制造太阳能电池。

少子寿命是评估光伏电池效能的重要参数之一。

在晶科硅棒中，光子通过光吸收产生电子和空穴对，这对载流子在材料中的寿命决定了电流的传输速度和效率。

如果少子寿命较长，则载流子能够在材料内部长时间存在，从而增加光伏电池的效率。

相反，如果少子寿命较短，则载流子会迅速复合，减少电流的传输效率。

晶科通过采用一系列的工艺和技术手段，来提高硅棒的少子寿命。

首先，在硅棒的生产过程中，严格控制杂质的含量和分布，以减少复合中心的形成。

其次，通过改变晶体硅的结构和晶格缺陷，提高载流子的寿命。

此外，晶科还利用表面反射和抗反射技术，减少光子的损失，提高光伏电池的光吸收效率。

晶科的硅棒少子寿命技术已经取得了显著的进展。

经过不断的研发和改进，晶科硅棒的少子寿命已经超过了行业的平均水平。

这使得晶科的光伏电池在光吸收和电流传输方面具有明显的优势，提高了光伏电池的转换效率和稳定性。

除了技术的突破，晶科还注重研究少子寿命与光伏电池性能之间的关系。

通过对硅棒的少子寿命进行详细的测试和分析，晶科能够更
好地了解光伏电池的工作机制，并优化电池的设计和制造工艺。

少子寿命作为光伏电池性能的重要指标，对于提高光伏发电的效率和可靠性起着关键作用。

晶科将继续致力于研发和创新，不断提高硅棒的少子寿命技术，为光伏产业的发展做出贡献。

通过不断提升少子寿命，晶科将推动光伏电池的性能和可靠性不断提高，为推动可持续能源的发展贡献力量。