[发明专利]半导体材料光致发光测量中掺杂浓度和少数载流子寿命分离

说明书

技术领域

本发明涉及通过光致发光测量法表征半导体材料的特性，具体为涉及一种对由掺杂浓度和少数载流子寿命分别对光致发光信号产生的影响进行分离的技术。本发明主要改进了对于块状(非晶片)硅样品的特性表征，但本发明的改进并不仅仅局限于这一特定的使用领域。

背景技术

采用商用晶片的太阳电池通常由尺寸为10×10cm²至22×22cm²的硅晶片制成。多晶硅铸块2(也称为硅锭)如图1所示，常规尺寸为1×1×0.7m³，将其切割成截面为正方形(10×10cm²至22×22cm²)的条块4(俗称为硅块)，然后再切割成独立的硅晶片，每一片硅晶片的厚度通常为120-250μm。硅锭通常被切割成4×4或5×5的硅块。太阳电池通过采用不同的多晶硅锭或单晶硅锭的生长技术由多晶硅或单晶硅制成。

对于晶片制造商来说，出于利益的考虑需要表征切片以前的硅锭或硅块的电子及结构特性。众所周知，多晶(mc)硅锭铸件的在硅的外侧部位中掺杂浓度增大了，所述外侧部位为硅锭的底部、顶部或侧面。在硅锭底部和侧面上，该掺杂浓度的增大是由于坩埚壁中的杂质向硅锭扩散而形成的，而在硅锭顶部，掺杂浓度的增大是由于在硅锭结晶过程中杂质向顶部液相分凝而形成的。杂质浓度的增大导致了电子材料质量的降低，表现为有效少数载流子寿命的降低。图2从侧面描述了多晶硅锭铸件中典型的有效少数载流子寿命分布，即有效寿命高的材料8主要分布在硅锭的中心区域，而有效寿命低的材料10则分布在硅锭的顶部、底部和边缘。

目前，正在使用的用于表征硅块的实验性技术包括红外线透视法及少数载流子寿命扫描法。在红外线透视技术中，次能带隙的光透射过硅块是采用红外线照相机从不同的方向来测量的，其中，所述相机对于次能带隙光谱范围(对于硅来讲，波长大于1100nm)较为敏感，从而提供诸如碳化硅(SiC)和氮化硅(Si₃N₄)的杂质浓度和位置的三维信息。

目前，有效少数载流子寿命可以通过几种实验性技术进行测量，这些技术包括瞬态和准稳态光电导(QSSPC)法和微波光电导衰减(μ-PCD)法。这些技术手段测量出的有效少数载流子寿命，是受硅块材料质量(如体少数载流子寿命)和表面复合影响的有效样品的特性参数。尤其是对于非钝化的表面，如切割的晶片，有效寿命通常很大程度上受到表面复合的影响或取决于表面复合。有效寿命横向变化的二维信息，如在硅块的某一表面上，可以通过采用上述方法在扫描模式下获得，并通过手动或自动形式的点对点扫描，从而生成布局图。在一些情况下，如采用准稳态光电导法，测出的有效寿命值可以在有限范围内通过体寿命与有效寿命之间的预定关系转换为体寿命值。

尽管有效少数载流子寿命值比较容易测得，但体少数载流子寿命值对于光伏应用来说是更为重要，这是因为：(a)通过去除低寿命的表面材料并将表面钝化可以显著降低表面复合的影响；(b)不同于非钝化样品的有效寿命，体寿命值决定了太阳电池成品的电压和电流。因此，特别是对于具有高表面复合的非钝化样品，将测得的有效寿命值转换为体寿命值是很重要的。

注入水平是决定少数载流子寿命的另一个重要因素。体寿命由多种复合机制决定，包括缺陷复合、辐射复合和俄歇复合。通过这些机制复合的复合率与少数载流子浓度成非线性关系，因此体少数载流子寿命本身取决于少数载流子的浓度。理想状态下，少数载流子寿命的实验数值为注入水平的函数，无论该寿命值是面积平均的或空间分辨的。然而，用具有两个独立参量(位置和注入水平)的函数表征数据较为困难，空间分辨数据如寿命图像或寿命分布图通常仅仅用来表示各个点的单独注入水平。

在基于硅晶片的光伏产业中使用高纯度冶金级硅可以显著降低成本。高纯度冶金级硅锭和硅块的显著特性在于：由于原料中掺杂了大量(高浓度)的磷和硼，本底掺杂浓度呈现出从硅锭的底部至顶部的反转。由于这些掺杂质具有不同的分凝系数，其掺入晶体的速度也不同。因此，高纯度冶金级硅锭通常在其底部形成p型，而在其顶部形成n型，实现了位于底部和顶部之间所谓“补偿区域”的无掺杂或极轻度掺杂。由于来自该区域的硅晶片以及来自于上述区域的上部的n型硅晶片不能用于采用n型硅晶片常规网版印刷的太阳电池生产线中，因此需要一种可以快速获得过渡区域位置和形状信息的方法。