高频光电导衰减法测量单晶体和硅片寿命

1.原理 以直流光电导衰减法为基础，用高频电场代替直流电场，以电容耦合代替欧姆接触，以检测试样上电流的变化代替检测样品上电压的变化。不光照时，由高频源产生等幅高频正弦电流，通过试样与取样电阻R，在取样电阻两端产生高频电压。试样受光照时，产生附加光电导，流过试样到取样电阻R的高频电流幅值也相应增加。光照停止后，在小注入条件下，附加光电导按指数规律衰减，高频电流幅值增加部分也按指数规律衰减，取样电阻上形成的高频调幅信号经检波和滤波、宽频放大器放大输入示波器，屏上显示一条指数衰减曲线，其时间常数τ即为非平衡少数载流子寿命。

2.测量仪器 少数载流子寿命高频电导衰减法测量系统见图11-21。测量系统由光脉冲光源、硅滤光片、取样电阻、高频源、检波器、宽频放大器、脉冲示波器等组成，按功能分为光脉冲发生装置、光学系统、高频电源、检波器。

（1）光脉冲发生装置。光脉冲关断时间应小于所测寿命值的一半，重复频率为（1～5）次/s。

图11-21 少数载流子寿命高频电导衰减法测量系统

注意：当采用二极管作光源时，重复频率可达25次/s。

（2）光学系统。透镜和滤光片分别构成聚光和滤光系统。聚光只改变光强而不改变光照面积，保证区域内光照均匀。滤光片由电阻率大于10Ω·cm的单晶硅片制成，厚度不小于1mm，表面抛光至镜面。

（3）高频电源。其频率25～35MHz，低输出阻抗，输出功率不低于1W。

（4）检波器。宽频带放大器与脉冲示波器，保证信号不畸变，频率响应2Hz～1MHz。脉冲示波器扫描时间应连续可调。

3.样品制备

1）试样形状。采用整根单晶硅棒，也可采用圆柱状或具有平面的单晶硅锭。

2）试样处理。腐蚀去除氧化层，表面清洁，不得有沾污。

4.测量步骤

（1）测量环境。温度（23±2）℃，相对湿度不大于65%。测量房间应有电磁屏蔽，工作电源应有滤波装置。

（2）测量条件

1）应保证在小注入条件下测量，满足式（11-51）要求。

式中 M———修正因子，当忽略电路中感抗、容抗及试样电阻比取样电阻大得多时，M近似于1；

ΔV———光照时，取样电阻上电压变化值；

V———无光照时，取样电阻上电压降。

也可以通过把取样电阻上的高频电压变化值控制在一定范围内，来保证小注入条件。

2）试样的光生伏特效应应小于光电导信号的5%。

3）测量时，试样应避免环境光照的影响。

4）信噪比应小于10%，测量信号上下波动小于5%。

（3）测量。调节光强及示波器有关旋钮，在满足测量条件下，使示波器屏幕上观察到的光电信号ΔV与示波器上标准指数曲线y=y₀e^-x/L相重合，读出x轴上长度L所对应的时间值，即为表观寿命τ_F。图11-22示出ΔV-τ_F曲线。

5.计算

（1）计算体寿命时，考虑到表面复活作用，对表观寿命进行修正：

1）对长方形试样：

图11-22ΔV-τ_F曲线

2）对圆柱形试样：

式中 τ_B———体少数载流子寿命（μs）；

τ_F———表观寿命（μs）；

D———少数载流子扩散系数，电子扩散系数D_n=36cm²/s，空穴扩散系数D_p=13cm²/s；L、W、T、ϕ———试样长、宽、厚、直径（cm）。

（2）试样的最小尺寸与可测量最高寿命值（理论值）见表11-11。表11-11供制作试样时参考，若直接测得的表观寿命大于表中值一半时，则尺寸必须增大。

表11-11试样的最小尺寸与可测量最高寿命值(www.xing528.com)

6.LT-100C数字式测试仪 此测试仪采用高频光电导法测试少数载流子寿命。它参照半导体设备和材料国际组织SEMI标准（MF28—0707、MF1535—0707），以及国家标准GB/T1553—1997“单晶硅少数载流子寿命测定的高频光电导衰减法”（该标准已被GB/T1553—2009取代）设计制造。

高频光电导衰减法在我国半导体集成电路、晶体管、整流器件、核探测器行业已运用了三十多年，积累了丰富的使用经验，适合于硅块、硅棒研磨面的少子体寿命测量；也可对硅片进行测量，给出相对寿命值。

直流光电导衰减法（dcPCD）是测量块状和棒状单晶寿命的经典方法；微波反射光电导衰减法（μPCD）是后来发展的测量抛光硅片寿命的方法。这两种方法对单晶表面的要求截然相反。dcPCD法要求表面为研磨面，用粒径为5～12μm氧化铝粉研磨，表面复合速度接近无限大（≈107cm/s），这是很容易做到的；μPCD法则要求表面为完美的抛光钝化面，要准确测量寿命为10μs的P型硅片，表面复合速度至少要小于103cm/s，并需钝化稳定，这是很难做到的。

高频光电导衰减法（hfPCD）介于两者之间，它和dcPCD法一样可以测量表面为研磨状态的块状单晶体寿命，也可以测量表面为研磨或抛光的硅片寿命。要强调的是：无论用何种方法测量“表面复合速度很大而寿命又较高的”硅片（切割片、研磨片），由于表面复合的客观存在，表观寿命测量值比体寿命值偏低。生产实际中，往往直接测量切割片或直接测量未经完善抛光钝化的硅片，测量值偏低于体寿命的现象较为普遍。此时测出的寿命值只是一个相对参考值，它不是一个真实体寿命值。但在体寿命接近或小于表面复合寿命时，可以反映这片寿命高，还是那片寿命更高的相对值。对这种简易的测试方法要作一些规定，如规定清洗条件、切割条件和测量条件，经过摸索，也能使这样的快速寿命测量值具有生产验收的作用，否则测量值会是一个丝毫不能反映体寿命的表面复合寿命。实际生产中用高频光电导衰减法测量硅块、棒或锭的寿命现象较多，只要作出规定，有实践经验，这种寿命测量既准确又可以减少测试工作量。

（1）LT-100C数字式测试仪如图11-23所示。它具有以下特点：

1）可测量太阳能级多晶硅块、单晶硅棒少数载流子体寿命。表面无需抛光，直接对切割面或研磨面进行测量。同时可测量多晶硅检验棒及集成电路、整流器、晶体管级单晶硅的少数对流子寿命。

2）可测量太阳能级单晶硅及多晶硅片少数载流子的相对寿命，表面无需抛光、钝化。

3）配备专用软件的数字示波器，液晶屏上直接显示少数对流子寿命值，同时显示动态光电导衰减波形，并可联接打印机及计算机。

图11-23LT-100C数字式测试仪

4）配置两种波长的红外光源

① 红外光源的光穿透晶硅深度较深，≥500_μm，有利于准确测量晶体少数载流子寿命。

② 短波长红外脉冲激光器，光穿透晶硅深度较浅，约为30_μm，但光强较强，有利于测量低阻太阳能级晶硅。

5）测量范围宽广、测试仪可直接测量

① 研磨或切割面：电阻率≥0.3Ω·cm的单晶硅棒、定向结晶多晶硅块少子体寿命，切割片的少子相对寿命。

② 抛光面，电阻率在0.3～0.01Ω·cm范围内的单晶硅、单晶锗抛光片。

③ 寿命可测范围为0.25μs～10ms。

6）在低阻硅单晶测量时，使信噪比提高了数十倍，将单晶硅寿命测量下限从ρ＞3Ω·cm，延伸到ρ≥0.3Ω·cm。除能测量高阻单晶外亦可满足太阳电池级硅片（裸片）的测试要求。仪器既可测量硅块，也可测量硅片。

7）能直接读取寿命值，编写特殊的软件存入数字存储示波器。这些软件依照少数对流子寿命测量的基本原理编写，同时采用了国际标准（MF28及MF1535）中推荐的几种读数方法。

8）由于数字示波器具有存储功能，应用平均采样方式，平均次数可选4、16、32、64、128、256次。随着平均次数的增加，随机噪声被减小，波形更稳定、清晰。

9）数字示波器使用晶振做高稳定时钟，有很高的测时精度；采用多位A/D转换器，使电压幅度测量精度大大提高，因此提高了寿命测量精度。

10）扩大了晶体少数对流子寿命可测范围。除配置了波长为1.07μm的红外发光管外，还配备了波长为0.904～0.905μm光强更强的红外激光器，减小了光源的余辉，使晶体（研磨面）可测电阻率低至0.3Ω·cm，寿命可测下限延至0.25μs。

11）制样简单。参照MF28，晶体测试面用粒径为5～12μm氧化铝粉，或其他磨料研磨，或切割即可，无需抛光钝化。

12）LT-100C数字式测试仪配有两种光源电极台：一种波长为1.07μm，适合于测量单晶硅块或棒的体寿命；另一种波长为0.904～0.905μm，适合于测量切割或研磨太阳能硅片的相对寿命，与微波反射法测量条件相近，因此测量值也较接近。

（2）设备的组成及技术指标

1）仪器测量范围。少子寿命测量范围：0.25μs～10ms；晶体样品（研磨面）电阻率下限≥0.3Ω·cm，尚未发现电阻率测量上限。

试样型号：n型或p型单晶或铸造多晶。

2）仪器设备

① 光脉冲发生装置。重复频率﹥15次/s；脉宽≥10μs；红外光源长波长为1.06～1.08μm；脉冲电流为5～16A；红外光源短波长为0.904～0.905μm。

② 高频源。频率为30MHz；低输出阻抗；输出功率﹥1W。

③ 放大器和检波器。频率响应为2Hz～2MHz；放大倍数约30倍。

④ 示波器。装有自动测量少子寿命（光电导衰减时间）软件的专用数字示波器：模拟带宽60MHz，最大实时采样率1GSa/s，垂直灵敏度2mV～5V/div，扫描范围为2.5μs～50s/div，平均次数为4～256。可自动测量波形参数，亦可用手动光标直读寿命。

标准配置接口USB Device、USBHost、RS232，支持U盘存储和PictBridge打印（详见示波器说明书）。

⑤ 仪器所配置的光源电极台，既可测纵向放置的单晶，也可测量竖放单晶横截面的寿命。配置增加了测量低阻样片用的升降台，以及装有特殊弹形电极的光源电极台。

3）测试范围。电阻率ρ≥0.3Ω·cm，寿命0.25～10000μs。