[發明專利]光致發光測量中摻雜濃度和少數載流子壽命分離

有效

• 申請號: 201410281804.3
• 申請日: 2010-07-19
• 公開（公告）號: CN104020148B
• 公開（公告）日: 2017-04-12
• 發明（設計）人: 托斯頓·特魯普克
• 申請（專利權）人: BT成像股份有限公司
• 主分類號: G01N21/64
• 分類號: G01N21/64;H01L21/66
• 代理公司: 北京康信知識產權代理有限責任公司11240
• 代理人: 余剛,張英

本申請是申請日為2010年7月19日的題為“半導體材料光致發光測量中摻雜濃度和少數載流子壽命分離”的中國專利申請號201080033122.0的分案申請。

技術領域

本發明涉及通過光致發光測量法表征半導體材料的特性，具體為涉及一種對由摻雜濃度和少數載流子壽命分別對光致發光信號產生的影響進行分離的技術。本發明主要改進了對于塊狀(非晶片)硅樣品的特性表征，但本發明的改進并不僅僅局限于這一特定的使用領域。

背景技術

采用商用晶片的太陽電池通常由尺寸為10×10cm²至22×22cm²的硅晶片制成。多晶硅鑄塊2(也稱為硅錠)如圖1所示，常規尺寸為1×1×0.7m³，將其切割成截面為正方形(10×10cm²至22×22cm²)的條塊4(俗稱為硅塊)，然后再切割成獨立的硅晶片，每一片硅晶片的厚度通常為120-250μm。硅錠通常被切割成4×4或5×5的硅塊。太陽電池通過采用不同的多晶硅錠或單晶硅錠的生長技術由多晶硅或單晶硅制成。

對于晶片制造商來說，出于利益的考慮需要表征切片以前的硅錠或硅塊的電子及結構特性。眾所周知，多晶(mc)硅錠鑄件的在硅的外側部位中摻雜濃度增大了，所述外側部位為硅錠的底部、頂部或側面。在硅錠底部和側面上，該摻雜濃度的增大是由于坩堝壁中的雜質向硅錠擴散而形成的，而在硅錠頂部，摻雜濃度的增大是由于在硅錠結晶過程中雜質向頂部液相分凝而形成的。雜質濃度的增大導致了電子材料質量的降低，表現為有效少數載流子壽命的降低。圖2從側面描述了多晶硅錠鑄件中典型的有效少數載流子壽命分布，即有效壽命高的材料8主要分布在硅錠的中心區域，而有效壽命低的材料10則分布在硅錠的頂部、底部和邊緣。

目前，正在使用的用于表征硅塊的實驗性技術包括紅外線透視法及少數載流子壽命掃描法。在紅外線透視技術中，次能帶隙的光透射過硅塊是采用紅外線照相機從不同的方向來測量的，其中，所述相機對于次能帶隙光譜范圍(對于硅來講，波長大于1100nm)較為敏感，從而提供諸如碳化硅(SiC)和氮化硅(Si₃N₄)的雜質濃度和位置的三維信息。

目前，有效少數載流子壽命可以通過幾種實驗性技術進行測量，這些技術包括瞬態和準穩態光電導(QSSPC)法和微波光電導衰減(μ-PCD)法。這些技術手段測量出的有效少數載流子壽命，是受硅塊材料質量(如體少數載流子壽命)和表面復合影響的有效樣品的特性參數。尤其是對于非鈍化的表面，如切割的晶片，有效壽命通常很大程度上受到表面復合的影響或取決于表面復合。有效壽命橫向變化的二維信息，如在硅塊的某一表面上，可以通過采用上述方法在掃描模式下獲得，并通過手動或自動形式的點對點掃描，從而生成布局圖。在一些情況下，如采用準穩態光電導法，測出的有效壽命值可以在有限范圍內通過體壽命與有效壽命之間的預定關系轉換為體壽命值。

盡管有效少數載流子壽命值比較容易測得，但體少數載流子壽命值對于光伏應用來說是更為重要，這是因為：(a)通過去除低壽命的表面材料并將表面鈍化可以顯著降低表面復合的影響；(b)不同于非鈍化樣品的有效壽命，體壽命值決定了太陽電池成品的電壓和電流。因此，特別是對于具有高表面復合的非鈍化樣品，將測得的有效壽命值轉換為體壽命值是很重要的。

注入水平是決定少數載流子壽命的另一個重要因素。體壽命由多種復合機制決定，包括缺陷復合、輻射復合和俄歇復合。通過這些機制復合的復合率與少數載流子濃度成非線性關系，因此體少數載流子壽命本身取決于少數載流子的濃度。理想狀態下，少數載流子壽命的實驗數值為注入水平的函數，無論該壽命值是面積平均的或空間分辨的。然而，用具有兩個獨立參量(位置和注入水平)的函數表征數據較為困難，空間分辨數據如壽命圖像或壽命分布圖通常僅僅用來表示各個點的單獨注入水平。

在基于硅晶片的光伏產業中使用高純度冶金級硅可以顯著降低成本。高純度冶金級硅錠和硅塊的顯著特性在于：由于原料中摻雜了大量(高濃度)的磷和硼，本底摻雜濃度呈現出從硅錠的底部至頂部的反轉。由于這些摻雜質具有不同的分凝系數，其摻入晶體的速度也不同。因此，高純度冶金級硅錠通常在其底部形成p型，而在其頂部形成n型，實現了位于底部和頂部之間所謂“補償區域”的無摻雜或極輕度摻雜。由于來自該區域的硅晶片以及來自于上述區域的上部的n型硅晶片不能用于采用n型硅晶片常規網版印刷的太陽電池生產線中，因此需要一種可以快速獲得過渡區域位置和形狀信息的方法。