少子寿命介绍

少子寿命原理及应用
黎晓丰

1. 2. 3. 4. 5.
半导体简介 非平衡载流子及少子寿命 少子寿命影响因素 少子寿命的测试方法简介 WT-2000的运用
1. 半导体 (Semiconductor)

硅(Si)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)等
导电性介于导体和绝缘体之间(10-4 ~ 1010 Ω·cm)
2. 电阻率的影响 随着电阻率的增大，少子寿命也不断增大。
3. 温度变化强烈影响少子寿命。但是影响 规律十分复杂。一般为随温度上升少子 寿命先降后升。
表面复合


前面几种只是涉及体复合，但是由于硅 表面存在悬挂键形成表面复合中心。在 表面也产生复合，从而使测试体少子寿 命时产生偏差。 有用的是体少子寿命。


P型硅的载流子绝大部分为空穴。空穴为多 数载流子(majority carrier)，简称多子；电 子为少数载流子(minority carrier)，简称少 子。
N型硅的载流子绝大部分为电子。电子为多 子，空穴为少子。

3. 非平衡载流子

平衡状态下，电子空穴对的产生和复合 率相等。电子和空穴浓度n、p不变。


体少子寿命越大，表面复合速率越大， 偏差越大。 厚度越薄，偏差越大


当体少子寿命小于1μs，无论S多大，偏 差小于10%。 当表面状态一定时，体少子寿命降低， 有效少子寿命也降低。
4. 少子寿命测试方法



1. μ-PCD (Microwave Photoconductivity Decay)√ 微波光电导衰减 WT-2000 2. QSSPC 3. SPV
空穴带正电
EV
空穴
掺杂

为得到一定的载流子浓度而掺入电活性 的杂质。
通常P型掺杂掺B； N型掺杂掺P。

EC
ED
EC
EV
N型
EV
EA
P型

P型掺杂(III族)：B、Al、Ga、In N型掺杂(V族)：P、As、Sb 均为浅能级杂质
常温下，非重掺，P型硅的空穴浓度等于 P型掺杂剂浓度；N型硅的电子浓度等于 N型掺杂剂浓度。
体复合机制

1. 本征复合(直接复合) 辐射复合：电子和空穴直接复合，辐 射出光子。
Auger复合：电子和空穴直接复合， 激发另一电子和空穴。

在硅中低注入水平下并非主要复合过程

2. 间接复合： 通过复合中心复合。 复合中心为深能级杂质。 为硅中的主要复合形式。
1. 电子的发射 2. 电子的俘获 3. 空穴的俘获 4. 空穴的发射

当光激发撤销时，一开始产生率小于复 合速率，导致Δn、Δp不断衰减，最后当 恢复到平衡状态时Δn = Δp = 0；G = R。
在这过程中，净的复合率U = R – G 此过程即称为非平衡载流子的复合 (recombination)过程。


若定义非平衡载流子单位时间的复合概 n 率为1/τ，则 U

前面一段数据由于高注入偏离指数衰减 规律。

从Time cursor算起拟合指数拟合信号得 到少子寿命τ
V (V )0 e

t

WT-2000例子

坩埚的污染

UMG的少子寿命分布

SRH(Shockley-Read-Hall)模型
பைடு நூலகம்
SRH少子寿命公式
τn0和τp0分别是电子和空穴的俘获时间常数。 n1和p1分别为费米能级处于复合中心能级Et 时电子和空穴的浓度。
SRH复合的讨论
1. 复合中心能级Et越深少子寿命越小，所 以深能级杂质对少子寿命影响极大，即 使少量深能级杂质也能大大降低少子寿 命。过渡金属杂质往往是深能级杂质， 如Fe、Cr、Mo等杂质。
影响有效少子寿命的因素


低注入水平下，中等掺杂，辐射寿命和 Auger寿命远高于间接复合寿命。因此只 有间接复合影响体少子寿命。 考虑到体复合和表面复合的共同作用， 有如下关系


有效少子寿命与体少子寿命由于有表面 复合产生偏差。 W为硅片厚度Dn为电子的扩散系数。因 此硅片厚度和表面复合速率是影响有效 寿命的重要因素。

dn n U dt
n (n)0 e

t

n (n)0 e

t

非平衡载流子呈指数衰减 为载流子的复合寿命

的物理意义：非平衡载流子的平均生存时间。 越大，载流子复合能力愈弱。衰减得越慢； 越小，衰减得越快。
因为非平衡载流子对少子浓度影响极大，所以 称为少子寿命 少子寿命一般指少子复合寿命。 影响少子寿命因素很多，影响机制极复杂。


电导率和导电型号对杂质和外界因素高 度敏感
硅(Silicon)
金刚石结构，每个硅原子与四个 硅原子相邻，形成正四面体结构
相邻原子之间共用电子对形成共价键
能带(energy band)

导带、价带、禁带宽度 载流子：电子(自由电子、electron)、空穴 (hole)
电子
EC
电子带负电
1.12 eV



信号呈指数衰减，即呈现出非平衡载流 子衰减的规律。 通过拟合指数衰减信号得到少子寿命的 值。 对样品表面连续点扫描可以得到少子寿 命分布图。

选择合适的测试参数范围可以减少误差， 一般Autosetting可自动选择测试参数
拟合点数 一般1024
信号范围
时间范围
时间起点
测试平均次数
时间起点的信号值 微波频率 激光功率
EC
产生 复合
EV

受外界因素(光照、载流子注入等)影响比 平衡状态下多出来的载流子。
EC
hν
非平衡载流子浓 度为Δn、Δp。
Δn = Δp
EV


在光激发下，一开始载流子产生率G大于 复合率R，导致载流子增加。到稳态时G = R，此时载流子浓度趋于稳定。 电子和空穴浓度： n = n0 + Δn；p = p0 + Δp n0 、p0分别为平衡时电子和空穴的浓度。


表面复合率Us等于表面复合速率S乘以非 平衡载流子浓度。 US=S ·Δn S的单位为速度单位。S的大小取决于表 面状态，对于裸片S约为50000 cm/s。对 于各种钝化方法S可小于10cm/s。
有效寿命

在多种独立的复合机制下的实际的寿命为有效 少子寿命。即为测试得到的少子寿命值。
有效少子寿命总是低于任何复合机制的 寿命。

红外脉冲激光源(905nm) 微波源和信号接收(10 ± 0.5 GHz)
原理

脉冲激光激发非平衡载流子 微波探测器探测发射和反射的微波谱

低注入水平下，一定的频率下，发射和 反射微波型号差正比于非平衡载流子浓 度Δn。

选取不同的频率，信号差有时正有时负。 无论如何都和非平衡载流子浓度Δn成正比



少子寿命的作用

太阳能电池光电流是光激发产生非平衡 载流子，并在pn结作用下流动产生的。



载流子的复合会使光电流减少。少子寿 命越小光电流越小。 同时少子寿命减小，增加漏电流从如使 开路电压减小。 总之，少子寿命越小，电池效率越低。
4. 少子寿命影响因素



影响少子寿命的因素很多： 杂质、电阻率、温度、表面状态、硅片 厚度等。 实际测量得到的是体复合和表面复合共 同作用的少子寿命 有用的是体复合得到的体少子寿命。