[发明专利]一种太阳能级单晶硅中载流子浓度的测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体材料特征参数的检测，特别涉及一种太阳能级单晶硅中载流子浓度的测量方法。

背景技术

半导体材料中能导电的电子、空穴被称为载流子，载流子浓度是光电材料的基本参数，对电学性能有极为重要的影响。半导体材料中常通过控制掺入杂质的类型和浓度来控制材料中载流子浓度，最终达到控制材料电学性能的目的。太阳能级半导体材料对于材料的纯度、载流子迁移率、光吸收系数等均有较高要求。对于半导体中载流子浓度及其分布的监测和控制是太阳能级半导体材料制造技术中的关键点。

测量载流子浓度的方法一般有霍尔系数法、电容-电压法、二次离子质谱法、四探针法、扩展电阻探针法等。霍尔系数法通过霍尔效应测定霍尔系数来计算载流子浓度，但其测量过程繁琐，耗时较长。电容-电压法是通过利用金属与半导体接触时形成肖特基势垒，其势垒电容随所加电压变化，通过电容-电压关系找到载流子浓度的剖面分布，因此当半导体材料浓度较高时势垒很难做好，击穿电压低，耗尽层薄，难于达到测量浓度分布的要求。二次离子质谱法利用一定能量的粒子轰击待测材料，将材料中各种离子轰击出来，通过收集分析这些被轰击出来的二次离子，得出待测材料的载流子浓度分布。该方法灵敏度高较高，但成本高昂、分析时间长，难以大批量地测试。四探针法与扩展电阻探针法类似，测得材料的电阻率后，根据电阻率与载流子浓度的关系推算出载流子浓度。

电阻率公式表示为ρ＝1/qpμ(其中ρ为电阻率，q为单位电荷量，p为p型硅中的空穴浓度或者n型硅中的电子浓度，μ为多数载流子迁移率)。在非补偿硅中，该式中μ和p的关系已经通过以往大量实验得到了明确，可以通过测试电阻率直接换算成硅晶体中载流子浓度。但是在存在补偿效应的硅晶体中，施主和受主的杂质总浓度、补偿度都将造成迁移率偏离原有的μ-p关系，并且这种偏离难以预先测量。因此，在存在补偿效应的情况下，理论上无法通过测量电阻率这种简便的方法得到硅晶体中的载流子浓度。

一些通过低成本的制造方法生产出的太阳能级硅晶体，其基体内常会存在施主与受主的补偿效应。如物理冶金法提纯的硅原料中同时含有较高浓度的硼和磷等杂质，使用这种原料生长的晶体硅中存在着硼磷补偿效应，该效应首先表现在高浓度的硼和磷杂质会导致载流子迁移率的下降。因此寻找一种简便快捷、精确度高、测试成本低的针对补偿硅晶体中载流子浓度的测量方法非常有必要，这对于降低太阳能级硅晶体的生产成本，推动补偿硅晶体在光伏产业的应用具有重要意义。

发明内容

本发明针对现有测量方法的不足，提供一种简便快捷、精确度高、测试成本低的太阳能级单晶硅中载流子浓度的测量方法，尤其适用于基体内存在补偿效应的太阳能级单晶硅。

本发明使用测量电阻率和红外吸收系数这两种常规方法来测量太阳能级单晶硅中的载流子浓度。

红外光对硅中自由载流子的吸收系数可以表示为：

其中：α_λ为波长λ(单位为cm)下自由载流子对红外光的吸收系数(单位为cm^-1)，q为单位电荷量，p为载流子浓度(p型硅中为空穴浓度，n型硅中为电子浓度，单位为cm^-3)，μ为硅晶体中多数载流子迁移率(p型硅中为空穴迁移率μ_p，n型硅中为电子迁移率μ_n)。

红外吸收光谱测量得到的透射系数T_λ转换为吸收系数α_λ(入射光垂直照射)的等式为：

其中：d为单晶硅样品的厚度(单位为mm)。

电阻率ρ(单位为Ω·cm)公式表示为：

将式(3)带入式(1)可得：

其中：κ为比例系数。

从式(4)中可得出，红外吸收系数正比于波长的平方、正比于电阻率、正比于载流子浓度的平方。因此可通过测量电阻率和红外吸收系数的方法来测量太阳能级单晶硅中的载流子浓度。

本发明一种太阳能级单晶硅中载流子浓度的测量方法，包括以下步骤：

(1)分别选取一系列p型和n型的电子级单晶硅作为标准样品，室温下并分别测量其电阻率和红外吸收系数，并根据其电阻率换算成对应的载流子浓度；

(2)根据步骤(1)的测量结果，分别建立p型和n型单晶硅的α_λ/λ²与ρp²的标准曲线，其中：α_λ为波长为λ下所述标准样品的红外吸收系数，p与ρ分别为对应的载流子浓度和电阻率；