曾世铭 单晶硅少子寿命测试影响因素的研究

单晶硅非平衡少数载流子寿命测试文集1来源：gzkdkj 发布时间：2008-9-3广州市昆德科技有限公司编译2008年6月1日前言硅载流子复合寿命的测量一直是国内外半导体行业十分重视的课题，我们列出ASTM、SEMI标准中三个涉及寿命测量的方法：1、SEM1 MF28-02（2003年11月出版）Test Methods for Minority-Carrier Lifetime in Bulk Germanium and Silicon by Measurement of Photoconductivity Decay光电导衰退测量锗和硅体少数载流子寿命的测量方法。

2、SEMI MI535-1104（2004年11月出版）Standand Test Method for Carrier Recombination Lifetime in Silicon wafers by Noncontact Measurement of Photoconductivity Decay by Microwave Reflectance微波反射无接光电导衰退测量硅片载流子复合寿命测试方法。

3、ASTM Designation:F391-96Standard Test Methods for Minority Carrier Diffusion Length in Extrinsic Semiconductors by Measurement of Steady-state Surface Photovoltage用稳态表面光电压测量半导体中少数载流子扩散长度的标准方法。

第1个标准（MF28）是美国材料试验协会最早发佈的寿命测试标准，它针对体形规则表面经研磨的单晶计算出最大可测体寿命，这个标准阐述了测量锗、硅单晶体寿命的经典方法，并在近年来又做了一些重要补充和修订，但我国现有版本的译文是1987年根据ASTM 1981年重新审批的28-75文本翻译的，距今已有二十多年了。

单晶硅片质量对太阳能电池性能的影响研究谢义【摘要】The quality of solar cell silicon wafer is a key factor to affect the conversion efficiency of the battery and the power efficiency of the battery module.The existence of wafer defect can greatly reduce the power generation ef-ficiency, shorten the service life of the battery components, and even affect the stability of photovoltaic power gen-eration system.Based on the detection of single crystal silicon wafer, this paper also analyzed the effect of little sub life, early light induced attenuation and dislocation on solar cell and proposed solutions.%太阳能电池硅片的质量是影响电池片转换效率以及电池组件发电效率的一个关键因素。

硅片缺陷的存在会极大地降低电池片的发电效率，减少电池组件的使用寿命，甚至影响光伏发电系统的稳定性。

通过对单晶硅片质量进行检测，分析少子寿命、早期光致衰减以及位错对太阳能电池性能的影响及解决方案。

【期刊名称】《重庆科技学院学报（自然科学版）》【年(卷),期】2016(000)001【总页数】3页(P107-109)【关键词】单晶硅;太阳能电池;转换效率;光致衰减;位错【作者】谢义【作者单位】安徽电子信息职业技术学院，安徽蚌埠 233030【正文语种】中文【中图分类】TM914近年来随着光伏发电行业下游应用市场的不断扩大，硅片市场的需求也在不断提高。

物理冶金法单晶硅片电阻率对成品电池片效率的影响研究摘要：太阳电池工艺过程中少子寿命值的变化，揭示了少子寿命值在太阳电池生产过程中的应用，然而原始硅片电阻率的值对扩散后少子寿命具有决定性作用，本文通过实验得出物理冶金法硅片的电阻率与扩散后硅片的少子寿命之间的关系，比较不同电阻率段的物理冶金法硅片扩散后少子寿命及成品电池片效率，从而达到简化生产流程，优化生产工艺目的。

关键词：少子寿命；电阻率；物理冶金法硅片.硅单晶主要技术参数有导电类型、电阻率与均匀度、非平衡载流子寿命、晶向与晶向偏离度、晶体缺陷等。

在单晶电池片的生产过程中，原始硅片电阻率值的高低直接体现原材料的纯度即杂质的含量[1]，最终影响电池片的转换效率。

在单晶的拉制过程中是通过掺入一定量的活性杂质，以获得所要求的导电类型和电阻率。

然而重金属铜、金、铁等和非金属碳、氧都是极有害的杂质，它们的存在都会使PN结性能变坏。

P型单晶硅多掺硼，N型单晶硅多掺磷，在硼、磷的掺杂及单晶硅的生产过程中不可避免带入其它元素，如碳、氧等元素。

硅中碳含量较高，低于1ppm者可认为是低碳单晶。

碳含量超过3ppm时其有害作用已较显著。

氧的存在有益也有害。

直拉硅单晶氧含量在5～40ppm范围内；区熔硅单晶氧含量可低于1ppm。

由于杂质分布不匀，电阻率也不均匀。

电阻率均匀性包括纵向电阻率均匀度、断面电阻率均匀度和微区电阻率均匀度。

在硅太阳能电池片的生产过程中，其原始硅片的电阻率主要影响电池片的Uoc和Isc，最终反应为电池片的转换效率。

因此单晶硅的电阻率一直是光伏行业研究的热点。

1 实验说明1.1 太阳能电池片制造工艺流程及主要的实验测试器材（1）工艺流程：（2）实验所需生产设备及检测设备该实验依托于宁夏银星能源股份有限公司光伏电池制造分公司的太阳能电池生产线，主要测试设备如下：①电阻率测试仪（广州昆德四探针KDY-1）②少子寿命测试仪（semilab WT-2000）③测试分选机（berger）。

实验2 高频光电导衰退法测量硅单晶少子寿命1． 实验目的掌握一种测量硅单晶少子寿命的方法。

2． 实验内容用高频光电导衰退法测量硅单晶棒或单晶片的少子寿命。

3． 实验原理3.1 直流光电导衰退法直流光电导衰退法是根据恒定电流作用下半导体样品的光电导随时间衰减的特性来测量少子寿命的。

其测试简图见图1 。

图中，R 是被测半导体样品的体电阻，E 是直流电源，R C 是测试回路的限流电阻，且选择R R C >>，故可近似认为流过样品的电流I 恒定不变。

这样，用示波器记录光照停止后R两端电压随时间的变化就等同于记录R 随时间的变化，实际上也就是记录半导体中非平衡载流子浓度随时间的衰减的曲线，由此衰减曲线就可以得到单晶材料的少子寿命。

以N 型半导体为例，设样品暗电导率为0σ，光照下的电导率为σ，那么()100nq n μσ= ()20σσσ∆+=式（2）中，σ∆为附加光电导率。

假设光注入下非平衡载流子浓度为p n ∆∆,，若无明显的陷阱效应，近似有p n ∆=∆，所以附加光电导（σ∆）与非平衡少数载流子浓度（p ∆）之间有如下关系()()3p n pq μμσ+∆=∆ 在小注入条件下，近似有0σσ≈，故光照条件下电阻率的改变量为()411200σσσρ∆-≈-=∆相应电阻的改变量近似为()520σσρs l s l R ∆-=∆=∆式中s l ,分别为样品的长度和截面积。

将式（1）、（3）代入式（5），得到()600R n p R n p n ⋅+⋅∆-=∆μμμ式中，n q n R μ00=，它是无光照条件下半导体样品的体电阻。

于是，样品体电阻（R ）两端电压的改变量为()()7000V n p IR n p R I V n p n n p n μμμμμμ+∆-=+∆-=∆=∆把式（7）换一种写法，可以得到光照前后样品两端电压的相对变化与样品中少数载流子浓度之间的关系()80np n n p V V μμμ+∆-=∆式中V 为无光照时直流电流I 在样品上产生的电压降。

多次提纯对单晶少子寿命的影响张殿朝，闫萍，陈立强中国电子科技集团第四十六研究所，天津（300220）摘 要：本文分析了经过由多次真空区熔提纯后的多晶硅生长出的区熔硅单晶少子寿命较低的各种因素，并通过试验提出了相应的解决措施。

关键词：提纯，硅单晶，少子寿命1 引言高电阻率（数千至数万欧姆•厘米）、高少数载流子寿命(τ≥1500µs)区熔硅单晶作为一种新型的基础材料，本身纯度很高，补偿度低，是制备各种高灵敏度探测器件的首选。

欲制备此种区熔硅单晶，首先需要较好的多晶硅原料，一般为国产一级或进口一级区熔用多晶硅，然后需要对多晶硅原料进行多次真空区熔提纯(6-7次)，最后生长成单晶。

基于硅中磷及其他各种杂质在区熔提纯过程中的蒸发效应和分凝效应「1」，经过多次提纯后生长的单晶具有较高的纯度外，其少子寿命应较未经过提纯直接生长的单晶少子寿命高。

经实际测试，经多次提纯后的单晶的少子寿命不但整体较未提纯生长出的单晶低，且在硅单晶头部和尾部的少子寿命较低，可见，在整个提纯的过程中，必然存在某些因素造成了对原料的沾污。

本文分析了带来沾污的几种因素，并经过分析、试验，提出几种相应的解决措施。

2 多次提纯导致单晶少子寿命降低的几种因素我们首先对不同多晶生长出的硅单晶少子寿命进行了对比，结果如图所示：图1 不同原料生长出的硅单晶少子寿命对比图由上图可看出，A 多晶生长出的单晶具有很高的少子寿命；B 多晶在未经多次提纯的情况下，生长出的单晶依然可具有较高的少子寿命，但头、尾部的少子寿命呈现下降趋势；C 与D 经过多次提纯后生长出的单晶少子寿命全部低于A 和B ，且头部和尾部的少子寿命更是下降的比较多。

下面我们对导致单晶少子寿命下降的因素进行分析。

2.1 环境因素的影响1000200030004000头部(约20mm)中段2/5处中段3/5处尾部(约30mm)单晶测试部位少子寿命μs提纯理装炉将原始多晶硅棒多次区熔的工序流程如下图所示：图2 多晶提纯工艺循环示意图此过程中，多晶硅棒难免于外界空气中暴露，虽然可尽量减少硅棒暴露在空气中的时间，但空气含有的各种杂质分子、颗粒仍然会对硅棒造成微量的沾污，这无疑是造成硅棒整体少子寿命降低的因素，虽然区熔的杂质去除效应可以提高材料的纯度，但经多次提纯后，杂质去除效应已不明显，而环境带来的沾污依然存在，故经多次提纯后生长出的单晶少子寿命整体低于未经提纯直接生长的单晶的少子寿命。

曾世铭（1 9 3 3 －）曾世铭，〞半导体硅材料技术专家，中国半导体硅单晶制备技术的主要开拓者之一。

1956－1957年从事半导体锗的原料制备和单晶生长技术工作。

1958年起至今一直从事于半导体级直拉硅单晶，区熔硅单晶和太阳电池级硅单晶的科研开发及生产工作，历时五十余年。

由于成绩突出，多次获得国家级和部级科技进步奖及北京有色金属研究总院的立功奖。

1991年荣获国务院政府特殊津贴。

曾世铭，1933年7月19日出生于江苏省徐州市。

年幼时随家庭迁徙在西北读完了小学、初中。

1948年回昆明以优异成绩获得奖学金于天南中学读高中。

1951年考取云南大学矿冶系，1953年院校合并转至昆明工学院有色冶金系学习。

1955年7月毕业，服从国家统一分配至有色金属研究院工作，任技术员，1981年晋升为高级工程师，1987年晋升为教授级高工。

1.拉制出中国第一根硅单晶和研发成功细硅芯拉制工艺技术拉制出中国第一根硅单晶：1956－1957年从事半导体锗的原料制备和单晶拉制工作。

1958年起转为半导体硅的科研和开发，担任课题组长并参与单晶炉的设计工作。

当时由于我国受到欧美等国的技术封锁，既无硅多晶原料，也没有籽晶，更没有单晶炉。

北京有色研究院为了攻克国家发展急需的这种高科技材料，承担了攻关任务。

1957年开展了硅多晶的研制工作，1958年“十一”献礼，研制出了100公斤的四氯化硅锌还原的针状硅，并设计和制造了单晶炉，使用从苏联带回来的籽晶，仅用了一个多月的时间，于1958年11月和同事们昼夜奋战，拉制出了我国的第一颗硅单晶，解决了有无问题。

之后在单晶的掺杂技术和增大直径方面经过努力也大有进展。

研发成功细硅芯拉制工艺技术：1963年使用有色金属研究院开发的高频基座拉晶炉研究成功细硅芯拉制工艺，成功地解决了批量生产高纯硅多晶工业中，氢还原工序必需的细硅芯材料问题。

以往都是用机床来切割成细硅芯的，速度慢，损耗大，长度短不利于工业化。

少子寿命在单晶硅太阳能电池生产中的变化研究刘金虎，刘邦武，夏洋，沈泽南，张祥，何静，宁婕妤（中国科学院微电子器件与集成技术重点实验室，北京100029）摘要：非平衡少数载流子的平均生存时间称为非平衡少数载流子的寿命，简称少子寿命。

作为评价硅片质量和太阳能电池生产工艺优劣的一个重要手段，少子寿命的地位越来越重要。

所以本文主要研究少子寿命在单晶硅太阳能电池生产中的变化和相应变化所产生的原因。

影响和改善少子寿命的主要因素包括：硅片质量，制绒去损，磷铝吸杂，PECVD钝化，热退火等。

关键字：少子寿命，制绒去损，磷铝吸杂，PECVD钝化，热退火The study of changes of the Minority carrier lifetime in the production ofmonocrystalline silicon solar cellLiujinhu;Liubangwu;Xiayang;Shenzenan;Zhangxiang;Hejing;Ningjieyu(Key Laboratory of Microelectronics Devices and Integrated Technology,Institute of Microelectronics,Chinese Academy of Sciences,Beijing100029,China)Abstract:Non-equilibrium minority carriers average survival time is called non-equilibrium minority carriers lifetime,for short minority carriers lifetime.As one of the important means,minority carriers lifetime is taking important part in the production of the crystalline silicon.Minority carriers life can detect the quality of the wafer and the production process.This paper mainly studies the significance and variation of minority carriers lifetime, the paper also analyse the reason for variation of minority carriers lifetime.Through the analysis of experimental results,summarized the main factors that affect and improve minority carriers lifetime.The main factors is the quality of the wafer,the effect of texturing,aluminium and phosphorus gettering,the passivation of PECVD and the thermal annealing.Key words:the minority carriers lifetime;texturing;aluminium and phosphorus gettering;the passivation of PECVD;thermal annealing0.前言：光生电子和空穴从一开始在半导体中产生直到消失的时间称为寿命。

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：SbFτττ111+=（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sl Dlsp diff s 222+=+=πτττ （2）可知，其中：diff τ=Dl22π——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。

电阻率、光学穿透深度、掺杂浓度、少子寿命的关系秦立云【摘要】采用电动力学等方法,研究了太阳能多晶硅及多晶硅片的一些重要参数,并围绕着这些参数之间的紧密联系性作了详细计算,为进一步用量子理论方法研究指出了方向.【期刊名称】《太阳能》【年(卷),期】2013(000)007【总页数】3页(P30-31,35)【关键词】电阻率;光学穿透深度;掺杂浓度;少子寿命【作者】秦立云【作者单位】【正文语种】中文一引言晶体硅的少数载流子寿命(简称少子寿命)是晶体硅材料的一项重要参数，也是太阳电池转换效率的重要参数之一。

少子寿命高，太阳电池的转换效率相对就高。

但晶体硅的少子寿命受掺杂浓度的影响；生产的硅片多为p型，特殊客户的要求有：n 型、p型或n型都要求在掺杂环节给出的掺杂浓度内，而掺杂浓度会影响晶体硅的电阻率ρ(客户要求ρ在一定范围内)；晶体硅的ρ又对其光学穿透深度δ(硅片厚度)产生影响。

目前国内采用多线切割技术切割的硅片厚度在110～120µm，太厚会增加成本；太薄，一是技术上达不到或不成熟，二是硅并不能吸收全波段的光，当晶体硅的光吸收跃迁几率降低，吸收的能量就减少，生产的太阳电池的光电转换效率就会降低。

在理论计算并考虑客户要求的情况下，硅片还有切薄的空间。

二位移电流在电介质中，位移电流取决于电场强度的改变，表达式为：假设电场强，则而传导电流对于晶体硅：σ=1.25×102(s/m)，ε=εrε0=11.8ε0，σ<<εω时，于导体：ρ对于半导体：ρ因此在硅片中，主要产生的是位移电流，无法用数字万用表测量其电阻率，应采用范德堡(Van der paw)电阻率公式计算，可用四探针电阻率测试仪或涡流法无接触电阻率测试仪测量其电阻率。

三反射系数R电磁波在电介质中的入射波和反射波平均能流密度分别表示为表达式为：反射系数R可表示为：其中：如果在制备的太阳电池表面存在一层SiO2减反膜，SiO2 的介电常数ε=εrε0=3.9ε0，可计算出光波在光电池中的反射系数为10.7%。