少子寿命测量

表面复合对少子寿命测量影响的定量分析我们测量硅单晶、铸造多晶以及单晶硅片、多晶硅片的少子寿命，都希望得到与真实体寿命b τ相接近的测量值（表观寿命），而不是一个受表面影响很大的表面复合寿命s τ。

因为在寿命测量中只有b τ才能真正反映半导体材料的内在质量，而表面复合寿命只能反映样品的表面状态，是随表面状态变化而变化的变数。

通过仪器测量出的寿命值我们一般称为表观寿命，它与样品体寿命及表面复合寿命有如下关系，公式（1）由SEMI MF28-0707给出的计算公式τ0 =SF R τ--11（τ0或b τ表示体寿命）推演出来：Sb F τττ111+= （1）即仪器测量值F τ，它实际上是少子体寿命b τ和表面复合寿命s τ的并联值。

光注入到硅片表面的光生少子向体内扩散，一方面被体内的复合中心（如铁原子）复合，另一方面扩散到非光照面，被该表面的复合中心复合。

光生少子在体内平均存在的时间由体复合中心的多少而决定，这个时间就称为体寿命。

如果表面很完美，则表面复合寿命趋于无穷大，那么表观寿命即等于体寿命。

但实际上的表面复合寿命与样品的厚度及表面复合速度有关。

由MF1535-0707中给出slD l spdiff s 222+=+=πτττ （2）可知，其中： diff τ=Dl 22π——少子从光照区扩散到表面所需的时间sp τ=2ls——少子扩散到表面后，被表面（复合中心、缺陷能级）复合所需要的时间l ——样品厚度D ——少子扩散系数，电子扩散系数Dn=33.5cm 2/s ，空穴扩散系数Dp=12.4 cm 2/sS ——表面复合速度，单位cm/s硅晶体的表面复合速度随着表面状况在很大范围内变化。

如表1所示：表1据文献记载，硅抛光面在HF 酸中剥离氧化层后复合速度可低至0.25cm/s ，仔细制备的干氧热氧化表面复合速度可低至1.5-2.5cm/s ，但是要达到这样的表面状态往往不容易，也不稳定，除非表面被钝化液或氧化膜保护。

施美乐博公司上海代表处 Semilab Rt. (China)上海浦东新区商城路738号胜康廖氏大厦1909 （邮编：200120）- 5 -2. 原理2.1 少子寿命测试原理少子寿命测量方法包括非平衡载流子的注入和检测两个基本方面。

最常用的注入方法有光注入和电注入，而检测非平衡载流子的方法有很多，如探测电导率的变化，探测微波反射或透射信号的变化等，注入和检测方法的不同组合就形成了多种少子寿命测试方法，如：直流光电导衰减法；高频光电导衰减法；表面光电压法；微波光电导衰减法等。

WT-2000PV 系统采用微波光电导衰减法实现对少子寿命的测试。

微波光电导衰退法(μ-PCD ，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这两个过程。

904nm 的激光注入（对于硅，注入深度大约为30μm ）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。

μ-PCD 测得的寿命值为少子有效寿命，它会受到样品体寿命和表面寿命两个因素的影响，其关系如下式所示：111measbulk diff surf ττττ=++ （2-1） 式中：22,diff n pd D τπ=，2surf d S τ= τmeas 为样品测得的有效寿命；τbulk 为样品体寿命；τdiff 为少子从样品体内扩散到表面的扩散寿命；τsurf 为由于样品表面复合产生的表面寿命； d 为样品厚度；D n ，D p 分别为电子和空穴的扩散系数；S 为表面复合速度。

图2-1 不同表面复合速率的样品，体寿命和测试寿命的关系由式（2-1）可知，样品表面寿命对测试寿命有很大影响，使其偏离体寿命，图2-1为不同表面复合速率的样品，体寿命和测试寿命的关系。

WT-2000（少子寿命测试）操作规程一目的测量硅片的少子寿命及电阻率二适用范围适用于similab公司的WT2000型号的椭偏仪硬件部分：1、依次接通DOS主机（上），windows主机（下）的电源。

2、打开真空泵。

3、确保测试箱内没有待测样品，关闭测试箱盖。

软件部分：1、双击桌面快捷方式，进入WT-2000软件界面，窗体左下角的状态栏显示为“WS5.10OK”。

2、在菜单栏选择“Measure-Initialize”，对仪器进行初始化。

（注意：在每次重启DOS机后都需要进行一次初始化，否则仪器无法进行测量。

初始化完成后“Initialize”变为不可选）3、在菜单栏“Measure-Mode”或主窗体的工具栏，选择测量模式为u-PCD。

4、在菜单栏选择“Measure-Load sample”，并弹出对话框要求放置样品。

此时打开测试箱盖并将待测硅片平放在测试平台上。

点击对话框的“OK”按钮，仪器将自动加载并对硅片扫描定位。

5、在自动定位完成后，选择“Measure-Autosetting”，仪器进行自校正。

选择测量精度（如右图中的Ｒaster）为４ｍｍ，随后选择“Measure-Map”，便可对硅片扫描作图。

6、选择“File-Save”，保存测量结果到指定路径。

注意事项：1、在仪器进行“初始化“、”自校正“等过程中不要进行其他操作，以免造成死机。

2、在加载硅片时，注意探头不要与硅片接触，以免损坏探头。

3、在”自校正“及作图时一定要盖上测试箱盖，以确保测量数据的准确。

4、使用完毕后，检查测试箱内卫生情况保证其干净整齐。

半导体少子寿命测量实验实验：半导体少子寿命的测量一．实验的目的与意义非平衡少数载流子（少子）寿命是半导体材料与器件的一个重要参数。

其测量方法主要有稳态法和瞬态法。

高频光电导衰退法是瞬态测量方法，它可以通过直接观测少子的复合衰减过程测得其寿命。

通过采用高频光电导衰退法测量半导体硅的少子寿命，加深学生对半导体非平衡载流子理论的理解，使学生学会用高频光电导测试仪和示波器来测量半导体少子寿命。

二．实验原理半导体在一定温度下，处于热平衡状态。

半导体内部载流子的产生和复合速度相等。

电子和空穴的浓度一定，如果对半导体施加外界作用，如光、电等，平衡态受到破坏。

这时载流子的产生超过了复合，即产生了非平衡载流子。

当外界作用停止后，载流子的复合超过产生，非平衡少数载流子因复合而逐渐消失。

半导体又恢复平衡态。

载流子的寿命就是非平衡载流子从产生到复合所经历的平均生存时间，以τ来表示。

下面我们讨论外界作用停止后载流子复合的一般规律。

当以恒定光源照射一块均匀掺杂的n 型半导体时，在半导体内部将均匀地产生非平衡载流子Δn 和Δp 。

设在t=0时刻停止光照，则非平衡载流子的减少-d Δp /dt 应等于非平衡载流子的复合率Δp （t ）/τ。

1/τ为非平衡载流子的复合几率。

即：()τt p dt p d ?=?- （1-1）在小注入条件下，τ为常量，与Δp （t ）无关，这样由初始条件：Δp （0）=（Δp ）0可解得：()τt e p t p -?=?0 （1-2）由上式可以看出：1、非平衡载流子浓度在光照停止后以指数形式衰减，Δp （∝）=0,即非平衡载流子浓度随着时间的推移而逐渐消失。

2、当t=τ时，Δp （τ）=（Δp ）0/e 。

即寿命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。

因此，可通过实验的方法测出非平衡载流子对时间的指数衰减曲线，由此测得到少子寿命值τ。

图1-1 高频光电导衰退法测量原理图高频光电导衰减法测量原理如图1-1所示。

高频光电导衰减法测量Si 中少子寿命一、概 述半导体中的非平衡少数载流子寿命是与半导体中重金属含量、晶体结构完整性直接有关的物理量。

它对半导体太阳电池的换能效率、半导体探测器的探测率和发光二极管的发光效率等都有影响。

因此，掌握半导体中少数载流子寿命的测量方法是十分必要的。

测量非平衡少数载流子寿命的方法有许多种，分别属于瞬态法和稳态法两大类。

瞬态法是利用脉冲电或闪光在半导体中激发出非平衡载流子，改变半导体的体电阻，通过测量体电阻或两端电压的变化规律直接获得半导体材料的寿命。

这类方法包括光电导衰减法和双脉冲法。

稳态法是利用稳定的光照，使半导体中非平衡少子的分布达到稳定的状态，由测量半导体样品处在稳定的非平衡状态时的某些物理量来求得载流子的寿命。

例如：扩散长度法、稳态光电导法等。

光电导衰减法有直流光电导衰减法、高频光电导衰减法和微波光电导衰减法，其差别主要在于是用直流、高频电流还是用微波来提供检测样品中非平衡载流子的衰减过程的手段。

直流法是标准方法，高频法在Si 单晶质量检验中使用十分方便，而微波法则可以用于器件工艺线上测试晶片的工艺质量。

本实验采用高频光电导衰减法测量Si 中少子寿命。

二、实验目的1．掌握用高频光电导衰减法测量Si 单晶中少数载流子寿命的原理和方法。

2. 加深对少数载流子寿命及其与样品其它物理参数关系的理解。

三、实验原理当能量大于半导体禁带宽度的光照射样品时，在样品中激发产生非平衡电子和空穴。

若样品中没有明显的陷阱效应，那么非平衡电子（∆n ）和空穴(∆p)的浓度相等，它们的寿命也就相同。

样品电导率的增加与少子浓度的关系为n q p q n p ∆+∆=∆μμσq ：电子电荷;µp 和µn 分别为空穴和电子的迁移率。

当去掉光照，少子密度将按指数衰减，即τte p -∝∆τ：少子寿命，表示光照消失后，非平衡少子在复合前平均存在的时间。

因此导致电导率τσte -∝∆也按指数规律衰减。

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，如：直流光电导衰减法；高频光电导衰减法；表面光电压法；微波光电导衰减法等。

WT-2000PV 采用微波光电导衰减法测试少子寿命。

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这两个过程。

904nm 的激光注入（对于硅，注入深度大约为30μm）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。

μ-PCD测试得到的是少子有效寿命，它会受到两个因素影响：体寿命和表面寿命。

测得的少子寿命可由下式表示：（2-1）式中：τdiff 为少子从样品体内扩散到表面所需时间；τsurf 为由于样品表面复合产生的表面寿命；τmeas 为样品的测试寿命；d 为样品厚度；Dn，Dp 分别为电子和空穴的扩散系数；S 为表面复合速度。

（图2-1）不同的表面复合速率下，体寿命和测试寿命的关系由式（2-1）可知，表面寿命对测试寿命有很大影响，使其偏离体寿命，图2-1是体寿命与测试寿命的关系。

在样品厚度一定的情况下，即扩散寿命一定，如果表面复合速率很大，则在测试高体寿命样品时，测试寿命值与体寿命值就会偏差很大；而对于低体寿命的样品，不会使少子寿命降低很多。

因此我们需对样品表面进行钝化，降低样品的表面复合速率。

从图2-1我们可以看到，对于表面复合速率S为1cm/s，或10cm/s的样品，即使在1000μs数量级的体寿命，测试寿命还是与体寿命偏差很小。

即当样品的表面复合速率为10cm/s或更小的情况下，对于1000μs数量级高体寿命的样品，测试寿命也能用来表示体寿命。

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。