高频光电导衰减法测量Si中少子寿命
高频光电导衰减法测量Si 中少子寿命
一、概 述
半导体中的非平衡少数载流子寿命是与半导体中重金属含量、晶体结构完整性直接有关的物理量。它对半导体太阳电池的换能效率、半导体探测器的探测率和发光二极管的发光效率等都有影响。因此，掌握半导体中少数载流子寿命的测量方法是十分必要的。
测量少数载流子寿命的方法有许多种，分别属于瞬态法和稳态法两大类。瞬态法是利用脉冲电或闪光在半导体中激发出非平衡载流子，改变半导体的体电阻，通过测量体电阻或两端电压的变化规律直接获得半导体材料的寿命。这类方法包括光电导衰减法和双脉冲法。稳态法是利用稳定的光照，使半导体中非平衡少子的分布达到稳定的状态，由测量半导体样品处在稳定的非平衡状态时的某些物理量来求得载流子的寿命。例如：扩散长度法、稳态光电导法等。
光电导衰减法有直流光电导衰减法、高频光电导衰减法和微波光电导衰减法，其差别主要在于是用直流、高频电流还是用微波来提供检测样品中非平衡载流子的衰减过程的手段。直流法是标准方法，高频法在Si 单晶质量检验中使用十分方便，而微波法则可以用于器件工艺线上测试晶片的工艺质量。
本实验采用高频光电导衰减法测量Si 中少子寿命。
二、实验目的
1．掌握用高频光电导衰减法测量Si 单晶中少数载流子寿命的原理和方法。 2. 加深对少数载流子寿命及其与样品其它物理参数关系的理解。
三、实验原理
当能量大于半导体禁带宽度的光照射样品时，在样品中激发产生非平衡电子和空穴。若样品中没有明显的陷阱效应，那么非平衡电子（?n ）和空穴(?p)的浓度相等，它们的寿命也就相同。样品电导率的增加与少子浓度的关系为
n q p q n p ?+?=?μμσ
q ：电子电荷;μp 和μn 分别为空穴和电子的迁移率。当去掉光照，少子密度将按指数衰减，即
τ
t
e
p -∝?
τ：少子寿命，表示光照消失后，非平衡少子在复合前平均存在的时间。
因此导致电导率
τ
σt
e
-∝?
也按指数规律衰减。单晶寿命测试仪正是根据这一原理工作的。
下图是高频光电导测量装置示意图。
图1 高频光电导测量装置图
设备主要由光学和电学两大部分组成。光学系统主要是脉冲光源系统，电学系统主要有30 MHz 的高频电源（送出等幅的30 MHz 正弦波）、宽频带前置放大器，以及显示测试信号的脉冲示波器等。测量要求高频源内阻小且恒压，放大系统灵敏空高、线性好，示波器要有一标准的时间基线。
高频源（石英谐振器，振荡频率30MHz ）提供的高频电流流经被测样品，当红外光源的脉冲光照射样品时，单晶体内产生的非平衡光生载流子使样品产生附加光电导，从而导致样品电阻减小。由于高频源为恒压输出，因此流经样品的高频电流幅值增加?I ，光照消失后，?I 逐渐衰减，其衰减速度取决于光生载流子在晶体内存在的平均时间，即寿命。在小注入条件下，当光照区复合为主要因素时，?I 将按指数规律衰减，此时取样器上产生的电压变化?V 也按同样的规律变化，即
τ
t
e
V V -?=?0
此调幅高频信号经检波器解调和高频滤波，再经宽频放大器放大后输入到脉冲示波器，在示波器上可显示下图的指数衰减曲线，由曲线就可获得寿命值。
图2指数衰减曲线
四、仪器的使用
器面板图。
1. 面板上仪表及控制部件的使用
KD：开关及指示灯
K：制脉冲发生电路电源通断
KW：外光源主电源的电压调整电位器，顺时针旋转电压调高。
（注意：光源为F71型1.09μm红外光源，闪光频率为20－30次/秒，脉宽60μs。如在7V以上电压使用，应尽量缩短工作时间）不连续工作时，注意把旋钮逆时针旋到底。
CZ：信号输出高频插座，用高频电缆将此插座输出的信号送至示波器观察。
M1：红外光源主电源电压表，指示红外发光管工作电压大小。
M2：磁环取样检波电压表，指示输出信号大小。
2. 操作程序
（1）接上电源线以及用高频连接线将CZ与示波器Y输入端接通，开启示波器。
（2）将清洁处理后的样品置于电极上面，为提高灵敏度，请在电极上涂抹一点自来水（注意：涂水不可过多，以免水流入光照孔）。
（3）开启总电源KD ，预热15分钟，按下K 接通脉冲电路电源，旋转KW ，适当调高电压。关机时，要先把开关K 按起。
（4）调整示波器电平及释抑时间，内同步，Y 轴衰减X 轴扫描速度及曲线的上下左右位置，使仪器输出的指数衰减光电导信号波形稳定下来。 3. 如果光电导信号衰减波形部分偏离指数曲线，则应作如下处理：
（1）如果波形初始部分衰减较快，则用波形较后部分测量，即去除表面复合引起的高次模部分读数（见示意图4）。
（2）如波形头部出现平顶现象，说明信号太强（见示意图4），应减弱光强，在小信号下进行测量。
图4信号衰减波形
（3）为保证测试准确性，满足小注入条件，即在可读数的前提下，示波器尽量使用大的倍率，光源电压尽量地调小。
注意：由于红外发光管价格昂贵，停止使用后，应立即切断电源，逆时针将光强调节电位器KW 调到底，再关掉开关K 。
五、实验内容
1. 获得Si 材料在光照下的?V~t 曲线。
2. 读取3组寿命值，给出Si 材料的寿命。
示波器上寿命值的读取
由于表面复合及光照不均匀等因素的影响，衰减曲线在开始的一小部分可能
不是呈现指数衰减形式，这时应按本实验第四部分（仪器使用）中的3去做，取指数衰减部分读数。
设示波器荧光屏上最大讯号为n 格（一格为1cm ），在衰减曲线上获得纵坐标为
718
.2n e n =
＝1.48格对应的x 值（横坐标2.4格）。若水平扫描时间为t ，则
寿命τ＝横坐标（格数）?t 。
图5示波器荧光屏信号
六、思考题
1. 简述少子寿命概念。
2. 当样品含有重金属且存在缺陷时，它们对寿命有影响吗？
3. 什么是小注入的条件？
4. 是否可选择可见光做光源？
少子寿命的测量
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 =S F R τ--11（τ0或b τ表示体寿命）推演出来： S b F τττ111+= （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s l D l sp diff s 222+=+=πτττ （2）可知，其中： diff τ=D l 22 π——少子从光照区扩散到表面所需的时间 sp τ= 2l s ——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/s
S ——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。一般良好的抛光面表面复合速度都会达到 104 cm/s ，最容易得到而且比较稳定的是研磨面，因为它的表面复合速度已达到饱和，就像饱和浓度的盐水那样，再加多少盐进去浓度依然不变。 现在很多光伏企业为了方便用切割片直接测量寿命，即切割后的硅片不经清洗、抛光、钝化等减少和稳定表面复合的工艺处理，直接放进寿命测试仪中测量，俗称裸测，这种测量简单、方便、易操作。 为了定量分析表面复合对测量值F τ的影响，我们以最常用厚度为180μm 的P 型硅片为例进行定量分析。因为切割面实质上也是一种研磨面，是金属丝带动浆料研磨的结果，一般切割、研磨面的表面复合速度为S=107cm/s ，但线切割的磨料较细，我们将其表面复合的影响估计的最轻，也应该是S ≥105cm/s 。因为良好的抛光面S ≈104cm/s,我们按照2007版的国际标准MF1535-0707、MF28-0707提供的公式：b τ= S F R τ--1 1 ，其中Rs 是表面复合速率，表面复合寿命S s R 1=τ， 由以上公式即可推演出常用公式：S b F τττ111+= 表面复合寿命s l D l sp diff s 222+=+=πτττ 我们以以下的计算结果来说明，当切割面的表面复合速度为S=105cm/s 时， l =180μm 厚的硅片当它的体寿命由0.1μS 上升到50μS （或更低、更高）时， 我们测出的表观寿命受表面影响的程度，以及真实体寿命b τ与实测值F τ相差多
少数载流子寿命测试
第三章：少数载流子寿命测试 少数载流子寿命是半导体材料的一个重要参数，它在半导体发展之初就已经存在了。早在20世纪50年代，Shockley 和Hall等人就已经报道过有关少数载流子的复合理论[1-4]，之后虽然陆续有人研究半导体中少数载流子的寿命，但由于当时测试设备简陋，样品制备困难，尤其对于测试结果无法进行系统地分析。因此对于少数载流子寿命的研究并没有引起广泛关注。直到商业需求的增加，少数载流子寿命的测试才重新引起人们的注意。晶体生产厂家和IC集成电路公司纷纷采用载流子寿命测试来监控生产过程，如半导体硅单晶生产者用载流子寿命来表征直拉硅单晶的质量，并用于研究可能造成质量下降的缺陷。IC集成电路公司也用载流子寿命来表征工艺过程的洁净度，并用于研究造成器件性能下降的原因。此时就要求相应的测试设备是无破坏，无接触，无污染的，而且样品的制备不能十分复杂，由此推动了测试设备的发展。 然而对载流子寿命测试起重要推动作用的，是铁硼对形成和分解的发现[5,6]，起初这只是被当作一种有趣的现象，并没有被应用到半导体测试中来。直到Zoth 和Bergholz发现，在掺B半导体中，只要分别测试铁硼对分解前后的少子寿命，就可以知道样品中铁的浓度[7]。由于在现今的晶体生长工艺中，铁作为不锈钢的组成元素，是一种重要的金属沾污，对微电子器件和太阳能电池的危害很严重。通过少数载流子寿命测试，就可以得到半导体中铁沾污的浓度，这无疑是一次重大突破，也是半导体材料参数测试与器件性能表征的完美结合。之后载流子寿命测试设备迅速发展。 目前，少数载流子寿命作为半导体材料的一个重要参数，已作为表征器件性能，太阳能电池效率的重要参考依据。然而由于不同测试设备在光注入量，测试频率，温度等参数上存在差别，测试值往往相差很大，误差范围可能在100％，甚至以上，因此在寿命值的比较中要特别注意。 概括来说，少数载流子寿命的测试及应用经历了一个漫长的发展阶段，理论上，从简单的载流子复合机制到考虑测试结果的影响因素。应用上，从单纯地用少子寿命值作为半导体材料的一个参数，到把测试结果与半导体生产工艺结合起来考虑。测试设备上，从简陋，操作复杂到精密，操作简单，而且对样品无接触，
正电子湮没谱学-笔记
目录 正电子湮没谱学简介.................................................................................- 2 - 正电子湮没寿命谱......................................................................................- 6 - 正电子湮没多普勒展宽能谱.......................................................................- 8 - 正电子湮没角关联谱................................................................................ - 10 - 慢正电子束流技术.................................................................................... - 11 - 脉冲慢正电子束 ....................................................................................... - 13 - 装置配件 .................................................................................................. - 14 - 文献分析 .................................................................................................. - 18 -
正电子在物质中德湮灭寿命
用多道时间谱仪测量正电子在物质中的湮灭寿命 一、实验目的： （1）了解多道时间谱仪的工作原理，初步掌握多道时间谱仪的使用方法； （2）了解正电子在物质中湮灭的物理过程； （3）掌握正电子寿命测量的基本方法； 二、实验仪器： 22 Na 放射源1个、60Co 放射源1个 塑料闪烁体(ST401) 2块、光电倍增管(GDB50) 2根、恒比定时甄别器(FH1053A) 2个、线性放大器(FH1002A) 2个、定时单道(FH1007A) 2个、 慢符合单元(FH1014A) 1个、延迟线单元1个、时幅变换器(FH1052B) 1个、定标器(FH1011A)1个、多道分析器(FH451) 1个、高压电源(FH1073A) 2个、UMS 微机多道系统1个、打印机1台 三、实验原理： （1） 正电子在物质中的湮灭寿命 正电子是电子的反粒子，当正电子与电子相遇时发生“湮灭”，总能量以电磁辐射能的形式发射。湮灭过程的绝大多数是发射两个能量相等（511keV ）、方向相反的γ光子，发射单个光子或三个光子的湮灭过程，但几率极小。 β+源发射的e +通常为几百keV ，由于角动量守恒的限制，动能较大的e +不会与e -发生湮灭，而是发生散射或形成电子偶素。当e +与物质的分子原子相碰撞，将很快损失它的动能，在极短时间内与物质达到热平衡，最终e +与e -形成L=0的S 波体系时，发生湮灭，放出两个0.511MeV 的γ光子，即湮灭辐射。 正电子从产生到湮灭的时间，称为正电子在物质中的湮灭寿命，由物质到物理、化学性质决定。在金属物质中，正电子寿命约为100ps 到500ps 。根据Dirac 理论，发生双光子湮灭的几率为20e R πr cn ∝，其中c 是光速，r 0为电子经典半径，n e 为物质的局域电子密度。所以正电子的湮灭寿命1 e n τ∝ ，当物质结构的发生变化（例如产生空位缺陷，辐射损伤，形变等）将导致物质局域电子密度n e 变化，正电子湮灭寿命也随之发生改变。 （2） 测量正电子寿命的实验原理 常用的β+源是22Na 源，它的衰变纲图如图1所示。22Na 首先发射e +，衰变到22Ne 的激发态，此激发态的激发能为1280keV ，寿命约为3×10-12s 。22Ne 发射1275keV 的γ射线退激到22Ne 的基态。在时间谱仪的分辨时间为10-10s 时，可以认为衰变过程的e +和γ射线是同时发射的。因此，测量正电子寿命时，1275keV 的γ射线可作为e +诞生的时标信号，而e +湮灭时放出的两个511keV 的γ光子，可作为e +湮灭的时标信号。测量正电子产生和湮灭的时标信号之间的时差，即得正电子寿命。
少子寿命概念
少子寿命是半导体材料和器件的重要参数。它直接反映了材料的质量和器件特性。能够准确的得到这个参数,对于半导体器件制造具有重要意义。 少子，即少数载流子，是半导体物理的概念。它相对于多子而言。 半导体材料中有电子和空穴两种载流子。如果在半导体材料中某种载流子占少数，导电中起到次要作用，则称它为少子。如，在 N型半导体中,空穴是少数载流子，电子是多数载流子；在P型半导体中,空穴是多数载流子,电子是少数载流子。 多子和少子的形成:五价元素的原子有五个价电子，当它顶替晶格中的四价硅原子时，每个五价元素原子中的四个价电子与周围四个硅原子以共价键形式相结合，而余下的一个就不受共价键束缚，它在室温时所获得的热能足以便它挣脱原子核的吸引而变成自由电子。出于该电子不是共价键中的价电子，因而不会同时产生空穴。而对于每个五价元素原子，尽管它释放出一个自由电子后变成带一个电子电荷量的正离子，但它束缚在晶格中，不能象载流子那样起导电作用。这样，与本征激发浓度相比，N型半导体中自由电子浓度大大增加了，而空穴因与自由电子相遇而复合的机会增大，其浓度反而更小了。 少子浓度主要由本征激发决定，所以受温度影响较大。 香港永先单晶少子寿命测试仪 >> 单晶少子寿命测试仪 编辑本段产品名称 LT-2单晶少子寿命测试仪 编辑本段产品简介 少数载流子寿命(简称少子寿命)是半导体材料的一项重要参数,它对半导体器件的性能、太阳能电池的效率都有重要的影响.我们采用微波反射光电导衰减法研制了一台半导体材料少子寿命测试仪,本文将对测试仪的实验装置、测试原理及程序计算进行了较详细的介绍,并与国外同类产品的测试进行比较,结果表明本测试仪测试结果准确、重复性高,适合少子寿命的实验室研究和工业在线测试. 技术参数： 测试单晶电阻率范围 >2Ω.cm 少子寿命测试范围 10μS～5000μS 配备光源类型 波长：1.09μm；余辉<1 μS； 闪光频率为：20～30次／秒； 闪光频率为：20～30次／秒； 高频振荡源 用石英谐振器，振荡频率：30MHz 前置放大器 放大倍数约25，频宽2 Hz-1 MHz 仪器测量重复误差 <±20％
少子寿命测量
高频光电导衰减法测量Si 中少子寿命 预习报告： 一，什么是少子寿命？ 少子，即少数载流子。少子寿命指少子的平均生存时间，寿命标志少子浓度减少到原值的1/e 所经历的时间。少数载流子寿命是与半导体中重金属含量、晶体结构完整性直接有关的物理量。它对半导体太阳电池的换能效率、半导体探测器的探测率和发光二极管的发光效率等都有影响。 二，如何测量少子寿命？ 测量非平衡少数载流子寿命的方法有许多种，分别属于瞬态法和稳态法两大类。本实验采用高频光电导衰减法测量Si 中少子寿命。 三，实验原理： 当能量大于半导体禁带宽度的光照射样品时，在样品中激发产生非平衡电子和空穴。若样品中没有明显的陷阱效应，那么非平衡电子（?n ）和空穴(?p)的浓度相等，它们的寿命也就相同。样品电导率的增加与少子浓度的关系为n q p q n p ?+?=?μμσ当去掉光照，少子密度将按指数衰减，即τ t e p -∝?，因此导致电导率为τ σt e - ∝?。 高频源提供的高频电流流经被测样品，当红外光源的脉冲光照射样品时，单晶体内产生的非平衡光生载流子使样品产生附加光电导，从而导致样品电阻减小。由于高频源为恒压输出，因此流经样品的高频电流幅值增加?I ，光照消失后，?I 逐渐衰减，其衰减速度取决于光生载流子在晶体内存在的平均时间，即寿命。在小注入条件下，当光照区复合为主要因素时，?I 将按指数规律衰减，此时取样器上产生的电压变化?V 也按同样的规律变化，即 τt e V V - ?=?0 图2指数衰减曲线 一， Si. t
?V~t 曲线: （一） （二） （三） 计算少子寿命： 电压满足τ t e V V -?=?0，在测量数据中，由于时间原点的不同选择，t 的绝对值不同， 但是相对值相同。任选两个点（t 1,?V 1）,（t 2,?V 2），有?V 1=?V 0e ? t 1+?t τ ，?V 2=?V 0e ? t 2+?t τ ，
少子寿命测试的讨论_02概要
施美乐博公司上海代表处 上海浦东新区商城路738号胜康廖氏大厦906A (邮编:200120 Rm.906A,Suncome Liauw's Plaza, No.738, Shangcheng Road, Pudong,Shanghai 200120, China Tel: +86-21-58362889 Fax: +86-21-58362887 To : Semilab 产品用户 FROM : 黄黎 / Semilab Shanghai Office Pages : 5 Pages (included this page Refer : 1、Semilab 公司上海办事处联系方法 2、关于少子寿命测试若干问题的讨论 尊敬的Semilab 产品用户: 感谢您和贵公司一直以来对我们的支持! 为了更好地服务于中国客户,Semilab 公司现已在上海成立办事处。 具体的联系方法为: 施美乐博公司上海办事处 上海浦东新区商城路738号胜康廖氏大厦906A (邮编:200120 Tel: +86-21-58362889 Fax: +86-21-58362887 联系人:黄黎先生
手机: +86-138******** (Shanghai +86-135******** (Beijing E-mail: leon.huang@https://www.wendangku.net/doc/dd12351440.html, Website: https://www.wendangku.net/doc/dd12351440.html, 现提供关于少子寿命测试若干问题的讨论,供您参考,并烦请填写客户意见反馈表,传真给我们,以便我们改进工作,谢谢!如您还有任何问题或需要,请随时与我们联系。 此致 敬礼! 施美乐博公司上海办事处 2006年4月7日 施美乐博公司上海代表处 上海浦东新区商城路738号胜康廖氏大厦906A (邮编:200120 Rm.906A,Suncome Liauw's Plaza, No.738, Shangcheng Road, Pudong,Shanghai 200120, China Tel: +86-21-58362889 Fax: +86-21-58362887 关于少子寿命测试若干问题的讨论 鉴于目前Semilab 少子寿命测试已在中国拥有众多的用户,并得到广大用户的一致认可。现就少子寿命测试中,用户反映的一些问题做出如下说明,供您在工作中参考: 1、Semilab μ-PCD 微波光电导少子寿命的原理
Scu正电子湮灭寿命谱——刘家威,黄永明,唐奥
正电子湮没寿命测量 刘家威黄永明唐奥 （四川大学物理科学与技术学院核物理专业四川成都610065） 摘要：本实验利用22Na衰变放出的1.28MeV的γ射线及其放出的正电子在样品中湮灭放出的0.511MeV的γ射线测量正电子在样品中的寿命。实验中使用快符合电路及恒比微分甄别器电路对两种γ射线的时间和能量信息进行甄别符合，采用时幅转换电路(TAC)将获得的时间信息转换为幅度信息，并输入到多道分析器中。最后，利用POSFIT软件对获得的谱线进行解谱得到正电子在样品中的湮灭寿命。 关键词：正电子湮没寿命谱符合法恒比微分甄别器能窗调节 Positron annihilation lifetime measurement Liu JiaWei Huang YongMing Tang Ao (Sichuan University,college of physical science and technology,in Chengdu,Sichuan610065) Abstract:Through utilizing theγradiation of22Na and theγradiation generated by the annihilation of positrons which is radiated by22Na,this experiment measures the annihilation lifetime of positrons in the sample material.In this experiment,the instruments of Fast Coincidence and CFD are used to analyze the timing and energy information of the two types ofγradiations.And the time information is finally changed to amplitude information by TAC and input into the Multi-channel Analyzer.The annihilation lifetime positrons can be gained through spectrum unfolding in POSFIT. Keywords:Positron annihilation Fast coincidence method Lifetime spectrum Constant ratio differential discriminator Energy window regulator 引言： 1928年，狄拉克发表论文称，电子能够具有正电荷与负电荷。1932年安德森利用威尔逊云室发现正电子。之后，随着实验技术的不断发展以及人们对正电子与物质相互作用认识的不断加深，正电子的应用得到了很大扩展。正电子湮灭技术就是其中一种。 正电子湮灭技术已经有较长时间的历史，它利用正电子在凝聚物质中的湮没辐射带出物质内部的微观结构、电子动量分布及缺陷状态等信息，从而提供一种非破坏性的研究手段。在原子物理、分子物理、固态物理、表面物理、化学及生物学、医学等领域正电子湮灭技术都得到广泛应用，并取得了独特的研究成果。此外，在材料科学的研究中，正电子对微观缺陷研究和相变研究正发挥着日益重大的作用。 本实验就是通过测量正电子在样品中的湮灭寿命，获得与样品结构相关的一些信息。 1.实验目的 1)了解正电子寿命测量的的基本原理以及正电子在物质中湮灭的物理过程 2)掌握利用符合法测量正电子寿命方法 3)了解多道时间谱仪的工作原理，初步掌握多道时间谱仪的使用方法 4)初步掌握使用计算机解谱的数学方法 5)对比不同样品中的正电子寿命谱 2. 实验仪器
少子寿命测试判断是否有外延
Abruptness of a-Si:H/c-Si interface revealed by carrier lifetime measurements Stefaan De Wolf and Michio Kondo Citation: Appl. Phys. Lett. 90, 042111 (2007); doi: 10.1063/1.2432297 View online: https://www.wendangku.net/doc/dd12351440.html,/10.1063/1.2432297 View Table of Contents: https://www.wendangku.net/doc/dd12351440.html,/resource/1/APPLAB/v90/i4 Published by the AIP Publishing LLC. Additional information on Appl. Phys. Lett. Journal Homepage: https://www.wendangku.net/doc/dd12351440.html,/ Journal Information: https://www.wendangku.net/doc/dd12351440.html,/about/about_the_journal Top downloads: https://www.wendangku.net/doc/dd12351440.html,/features/most_downloaded Information for Authors: https://www.wendangku.net/doc/dd12351440.html,/authors
Abruptness of a-Si:H/c-Si interface revealed by carrier lifetime measurements Stefaan De Wolf a?and Michio Kondo National Institute of Advanced Industrial Science and Technology(AIST),Central2,1-1-1Umezono, Tsukuba,Ibaraki305-8568,Japan ?Received27September2006;accepted15December2006;published online26January2007? Intrinsic hydrogenated amorphous silicon?lms can yield outstanding electronic surface passivation of crystalline silicon wafers.In this letter the authors con?rm that this is strongly determined by the abruptness of the interface.For completely amorphous?lms the passivation quality improves by annealing at temperatures up to260°C,most likely by?lm relaxation.This is different when an epitaxial layer has been grown at the interface during?lm deposition.Annealing is in such a case detrimental for the passivation.Consequently,the authors argue that annealing followed by carrier lifetime measurements allows determining whether the interface is abrupt.?2007American Institute of Physics.?DOI:10.1063/1.2432297? Hydrogenated amorphous silicon?a-Si:H??lms depos-ited on crystalline silicon?c-Si?surfaces have increasingly attracted attention over the past20years.Initially,it was discovered that abrupt electronic heterojunctions can be cre-ated with such structures.1Soon afterwards applications fol-lowed,including bipolar transistors,2imaging devices,3and solar cells.4For the latter it was recognized that the output parameters bene?t substantially from inserting a few nano-meter thin intrinsic a-Si:H?i??lm between the doped amor-phous emitter and c-Si substrate.For solar cells that feature a similar heterostructure back surface?eld,impressive energy conversion ef?ciencies exceeding21%have been reported.5 The role of the a-Si:H?i?buffer layer has been discussed in literature?see,e.g.,Refs.6–12?:It is known that such?lms can yield outstanding surface passivation for c-Si surfaces,13 but also that growth of an epitaxial interface during a-Si:H?i?deposition is detrimental for heterojunction device performance.12For hot wire chemical vapor deposited ?CVD?a-Si:H,where no ion bombardment takes place, abrupt interfaces have been obtained either by limiting the deposition temperature T depo?Ref.14?or by terminating the c-Si surface with a SiN x monolayer prior to a-Si:H deposition.15The abruptness of the interface,i.e.,whether instant a-Si:H deposition on c-Si occurred without initial epitaxial growth,was in these studies determined either by transmission electron microscopy?TEM??Refs.12,14,and 15?or by?in situ?spectroscopic ellipsometry?SE?,16for which mirror polished surfaces are desirable.To gain know- ledge about the electronic surface passivation properties of these interfaces,the most straightforward technique is by measuring the effective carrier lifetime?eff of the samples. Such measurements are known to be extremely sensitive, allowing for detection of bulk defect densities as low as 109–1011cm?3in a simple,contactless technique at room temperature.17 In this letter,we show that by low temperature?up to 260°C?postdeposition annealing,the surface passivation quality of direct plasma enhanced?PE?CVD a-Si:H?i??lms improves when the a-Si:H/c-Si interface is abrupt.This contrasts with the case when an epitaxial?lm has been grown at the interface,where the surface passivation quality is seen to degrade signi?cantly by a similar annealing treat-ment.Consequently,we argue that annealing followed by carrier lifetime measurements allows accurate determination of the onset of epitaxial growth in an easy-to-use way which is not restricted to polished c-Si surfaces. For the experiments,300?m thick relatively low resistivity??3.0?cm?boron-doped?oat zone?100??FZ?-Si?p?wafers have been used.Both surfaces of the sub-strates were mirror polished to eliminate the in?uence of substrate surface roughness on the passivation properties18 and to allow for SE measurements.For predeposition surface cleaning,the samples were?rst immersed in a ?H2SO4:H2O2??4:1?solution for10min to grow a chemical oxide,which was followed by a rinse in de-ionized water. The oxide was then stripped off in a dilute HF solution?5%?for30s.After this the samples were immediately transferred to the load lock of the deposition system.For?lm deposi-tion,a parallel plate direct PECVD reactor operated at radio frequency?rf??13.56MHz?power was used,in which the samples were mounted at the top electrode.The electrode distance and diameter were respectively20and230mm.An undiluted SiH4?ow of20SCCM?SCCM denotes cubic cen-timeter per minute at STP?was used and the chamber was maintained at low pressure?0.5Torr?.The value for T depo was varied from105to255°C.The rf power absorbed by the plasma was5W.This is the minimal power required to maintain a stable plasma at the given deposition conditions. To evaluate the surface passivation quality,identical?lms of about50nm thick were deposited on both wafer surfaces. After deposition,the samples were consecutively annealed in a vacuum furnace?30min,with annealing temperatures T ann ranging from120to260°C?.In between the annealing steps,the value for?eff of the samples was measured with a Sinton Consulting WCT-100quasi-steady-state photocon-ductance system,19operated in the so-called generalized mode.Since high quality FZ-Si wafers have been used throughout the experiments,the contribution of the bulk to the total recombination expressed by?eff can be neglected.In such a case,the effective surface recombination velocity S eff, which value can be regarded as a direct measure for the passivation quality of the?lms present at the surfaces,may a?Electronic mail:stefaan.dewolf@aist.go.jp APPLIED PHYSICS LETTERS90,042111?2007? 0003-6951/2007/90?4?/042111/3/$23.00?2007American Institute of Physics 90,042111-1
正电子湮灭
正电子湮灭技术 正电子湮没技术(Positron Annihilation Technique-PAT)是一门把核物理和核技术应用于固体物理与材料科学研究的新技术，近20多年来该技术得到了迅速发展。正电子湮没技术包括多种实验方法，其中最常用的主要有3种，即正电子湮没寿命谱测量、2γ湮没角关联和湮没能量的Doppler展宽。简言之，正电子湮没技术是通过入射正电子与材料中电子结合湮没来反映材料中微结构状态与缺陷信息的。与其他现代研究方法相比，正电子湮没技术具有许多独特的优点。首先，它对样品的种类几乎没有什么限制，可以是金属、半导体，或是绝缘体、化合物、高分子材料；可以是单晶、多晶、纳米晶、非晶态或液晶，只要是与材料的电子密度、电子动量密度有关的问题，原则上都可以用正电子湮没的方法进行研究。第二，它所研究的样品一般不需要特殊制备，其制样方法简便易行。另外，正电子湮没技术对材料中原子尺度的缺陷和各种相变非常灵敏。如今正电子湮没技术作为一种新型的应用核分析技术，已广泛应用于材料科学、物理、化学、生物、医学、天文等领域，本文仅就正电子湮没技术在测试领域研究中的一些基本应用(原理)作一介绍。 正电子湮没无损测试技术是一种研究物质微观结构的方法，一种先进的材料微观结构－自由体积的探测和表征技术，可用于固体物理晶体缺陷与材料相结构与相结构转变的研究，目前已成为一种研究 物质微观结构、缺陷、疲劳等的新技术与手段。检测实施过程中，放射源作用材料时会产生带有正电荷的、尺寸与电子相当的质点，这种
正电子可以被纳米大小的缺陷吸引而与电子相撞击。在正负电子撞击过程中，两种质点湮没，从而放出一种伽玛射线。伽玛射线能谱显示出一种清晰可辨的有关材料中的缺陷大小、数量以及型别的特征。显然，这些特征可以标识最早阶段的损伤，即裂纹尚未出现的损伤；同时可以在不分解产品的情况下定量地评估其剩余寿命，笔者对该技术的原理及其应用进行了介绍。 正电子湮没无损测试所采用的正电子源最初来自于放射源的β＋源，通过放射源的作用在材料中产生正电子。在含损伤材料中，位错、空位等缺陷表现为负电荷，由于库仑引力，在材料中扩散的正电子会因吸引而被捕获，停止扩散，正电子在缺陷中停留一段时间之后就会湮灭。正负电子在湮没时会放出两个1８０°背向的５１１ｋｅＶγ光子。实际上，正负电子在湮没时一般都非静止状态，因此由正负电子组成的质心系本身在实验室系统下仍具有一个随机的速度，这个速度的大小和方向都是不确定的，根据被分析物体状况的不同而具有某种确定的分布。由于该速度的存在，在实验室观察到的湮没γ光子的能量将不再是５１１ｋｅＶ，而是略大或略小，表现为多普勒展宽。与内层电子和价电子相比，处在缺陷内的电子密度和动量都较小，因此正电子在湮没之后放出５１１ｋｅＶγ光子的多普勒展宽也较小。相反，如果材料中不存在缺陷，则正电子更容易被内层电子所捕获，而内层电子的速度较大，因此多普勒展宽较大。可见，用适当的参数描述谱线形状的变化，可获取有关缺陷效应的信息，实现无损评估。
少子寿命
在硅的各种加工过程中，硅表面上通常都有离子吸附，它们引起半导体内的表面势垒产生耗尽层或反型层。光照在半导体表面时，能量稍大于半导体禁带宽度的光子，将会把价带中的电子激发到导带，从而形成电子空穴对，并向低密度区扩散。由于表面上存在着耗尽区，其电场将电子-空穴分离，产生表面光电压（SPV ）。 理论计算 α-=++1 Φ1()(1)eff P A S V L L （1） 其中对于耗尽层 A =qn 0/KT exp(qV /KT ) 对于反型层 A =qu i 2/KTn O 在小注入条件下寿命值τ与扩散长度L 的关系，即：L = 2 L D τ=，扩散系数D 为已知常数，因此通过扩散长度测量可以立即计算出寿命值。 用SPV 测量扩散长度的方法： （1）恒定表面光电压法，其特点是测量过程中单色光的波长度变化时，表面
光电压恒定不变，可对电阻率为0.1~6Ω·cm 、少子寿命短到20ns 的硅单晶进行测量。一般认为表面光电压(ΔV)是非平衡载流子浓度的函数。根据光照强度Φ与表面光电压△V 的函数关系： )11()(L M V F α+ ?=Φ /(1)S D L M B R +=- （2） 其中，对于给定的样品，M 是一个常数，对于F （△V ）在测量过程中，即在改变 光源波长时（吸收系数α随之而和），调节光强Φ，使表面光电压△V 保持不变，于是F （△V ）在测量过程中也保持为常数，在数次改变波长（即改变α-1）后， 得到相应的Φ值，即有一组：α-11，Φ1；α-12，Φ2；……α-1n ，Φn 数据，以Φ 为纵标，α-1为横座标，联成一直线，并将直线延长到Φ=0得： 1)L αΦ=0=(1+ （3） 该直线的截距即为要测的扩散长度（样品（或处延层） 的厚度必须大于4倍扩散长度，如果小于扩散长度的一半，则测得的不是在外延层中的扩散长度，而是衬底中的扩散长度）， 如图所示： （2）恒定光通量法 即Φeff 是恒定的。根据（1）式 )11)((1 -++=?ΦαL L D S A V eff 扩散长度L 可以Φeff/△V 对α-1的直线图确定 (3）
半导体少子寿命测量实验
实验：半导体少子寿命的测量 一．实验的目的与意义 非平衡少数载流子（少子）寿命是半导体材料与器件的一个重要参数。其测量方法主要有稳态法和瞬态法。高频光电导衰退法是瞬态测量方法，它可以通过直接观测少子的复合衰减过程测得其寿命。 通过采用高频光电导衰退法测量半导体硅的少子寿命，加深学生对半导体非平衡载流子理论的理解，使学生学会用高频光电导测试仪和示波器来测量半导体少子寿命。 二．实验原理 半导体在一定温度下，处于热平衡状态。半导体内部载流子的产生和复合速度相等。电子和空穴的浓度一定，如果对半导体施加外界作用，如光、电等，平衡态受到破坏。这时载流子的产生超过了复合，即产生了非平衡载流子。当外界作用停止后，载流子的复合超过产生，非平衡少数载流子因复合而逐渐消失。半导体又恢复平衡态。载流子的寿命就是非平衡载流子从产生到复合所经历的平均生存时间，以τ来表示。 下面我们讨论外界作用停止后载流子复合的一般规律。 当以恒定光源照射一块均匀掺杂的n 型半导体时，在半导体内部将均匀地产生非平衡载流子Δn 和Δp 。设在t=0时刻停止光照，则非平衡载流子的减少-d Δp /dt 应等于非平衡载流子的复合率Δp （t ）/τ。1/τ为非平衡载流子的复合几率。即： ()τ t p dt p d ?=?- （1-1） 在小注入条件下，τ为常量，与Δp （t ）无关，这样由初始条件：Δp （0）=（Δp ）0可解得： ()τt e p t p -?=?0 （1-2） 由上式可以看出： 1、 非平衡载流子浓度在光照停止后以指数形式衰减，Δp （∝）=0,即非平衡载流子浓度随着时间的推移而逐渐消失。 2、 当t=τ时，Δp （τ）=（Δp ）0/e 。即寿命τ是非平衡载流子浓度减少到初始值的1/e 倍所经过的时间。因此，可通过实验的方法测出非平衡载流子对时间的指数衰减曲线，由此测得到少子寿命值τ。 图1-1 高频光电导衰退法测量原理图
正电子湮没寿命谱测量
正电子湮没寿命谱测量 工程物理系工物22 方侨光 2002012041 【实验概述】 1928年，Dirac预言了正电子的存在；1932年，C.D.Anderson证实了正电子的存在。近20年来，正电子湮没技术得到了迅猛的发展，在固体物理、金属物理和材料科学领域得到了广泛的应用。正电子湮没技术可以分为寿命测量、角关联测量和线形测量，本实验进行的是寿命测量。 【实验原理】 1、正电子湮没寿命 从放射源发射出的高能正电子射入物质中后，首先在极短时间内（约10-12s以下）通过一系列非弹性碰撞减速，损失绝大部分能量至热能，这一过程称为注入与热化。热化后的正电子将在样品中进行无规扩散热运动，最后将在物质内部与电子发生湮没。从正电子射入物质到发生湮没所经历的时间一般称为正电子寿命。由于湮没是随机的，正电子湮没寿命只能从大量湮没事件统计得出。 在寿命测量中，最常用的正电子源是22Na放射源。当它发生β+衰变时，主要产生动能为0-540keV 的正电子并几乎同时发射能量为1.28MeV的γ光子。因此，可以将此γ光子的出现作为产生正电子的时间起点，而0.511MeV湮没γ光子的出现即是正电子湮没事件的终点。这段时间间隔便可以近似地看作正电子的寿命。利用时间谱仪对每个湮没事件都可以测得湮没过程所需的时间，对足够多的湮没事件（约需106次）进行记录，就得到了正电子湮没寿命谱。 可见，所谓测量正电子湮没寿命实际上就是测量一次湮没事件中有关联的两个不同能量的γ光子出现的时间差；将发射1.28MeV的γ光子作为时间的起始信号，而把发射0.511MeV 的γ光子作为终止信号。 2、实验仪器 正电子湮没寿命谱测量快一快符合系统