YS/T 679-2008 非本征半导体中少数载流子扩散长度的稳态表面光电压测试方法

ICS29.045

H80YS

中华人民共和国有色金属行业标准

YS/T679—2008

流子扩散长度的

试方法

restmethodsforminoritycarrierdiffusionlengthinextrinsic

semiconductorsbymeasurementofsteady-statesurfacephotovoltage

W養:-v?

■r

2008-03-12发布2008-09-01实施

国家发展和改革委员会发布

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YS/T679—2008

-AX-—1—

刖目

本标准修改采用SEMIMF391-1106《非本征半导体中少数载流子扩散长度的稳态表面光电压测

试方法》。

本标准与SEMIMF391-1106相比主要有如下变化：

——标准格式按GB/T1.1要求编排；

——将SEMIMF391^1106中的部分注转换为正文；

——将SEMIMF391-1106中部分内容进行了编排。

本标准由全国有色金属标准化技术委员会提出并归口。

本标准由有研半导体材料股份有限公司负责起草。

本标准主要起草人:孙燕、卢立延、杜娟、李俊峰、翟富义。

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非本征半导体中少数载流子扩散长度的

稳态表面光电压测试方法

1范围

1.1本标准适用于非本征单晶半导体材料样品或相同导电类型重掺衬底上沉积已知电阻率的同质外

延层中的少数载流子扩散长度的测量。要求样品或外延层厚度大于4倍的扩散长度。

1.2本标准是为单晶硅样品的应用而开发的，可用于测量其他半导体，如砷化镓（同时调整相应的光照

波长（能量）范围和样品的制备工艺）上的有效扩散长度和评价晶粒间界垂直于表面的多晶硅样品上有

效扩散长度。本标准也可用于硅片的洁净区的宽度测定。

1.3本标准对样品的电阻率和寿命的应用极限尚未确定，但已经成功的对电阻率(0.1〜50)(1•cm、载

流子寿命短至2ns的p和n型硅样品进行了测量。本标准测量的扩散长度仅在室温22'C±O.5°C下进

行，寿命和扩散长度是温度的函数。

注：本标准不涉及安全问题，即使有也与标准的使用相联系。标准使用前，建立合适的安全和保障措施以及制定管

理界限的应用范围是标准使用者的责任。

2规范性引用文件

下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有

的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究

是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。

GB/T1552硅、锗单晶电阻率测定直排四探针法

GB/T1553硅和锗体内少数载流子寿命测定光电导衰减法

GB/T6616半导体硅片电阻率及硅薄膜薄层电阻测定非接触涡流法

GB/T6618硅片厚度和总厚度变化测试方法

GB/T11446.1电子级水

GB/T14264半导体材料术语

GB/T14847重掺衬底上轻掺杂硅外延层厚度的红外反射测量方法

3方法概述

本标准建立在作为入射光能量（波长）函数的表面光电压测量的基础上。

本标准描述了两种测试方法，两种方法都是非破坏性的。

测试方法1——稳态表面光电压（CMSPV)法。

测试方法2——线性光电压稳态光子通量（LPVCPF)法。

3.1方法1——用能量稍大于半导体样品禁带宽度的斩波单色光照射样品表面。产生电子空穴对并

扩散到样品的表面，电子空穴对由耗尽区电场将其分离，产生表面光电压（SPV)。耗尽区可以由表面

态、表面势垒、P_n结或液态结形成。SPV信号被电容耦合或直接连接到一锁相放大器中进行放大与测

量。对所有光照能量范围调节光强度得到相同的SPV值。对每一选择能量，由光强对能量吸收系数的

倒数作图。将所得直线外推到零光强处，其负的截距值就是有效扩散长度。利用探测器的信号反馈到

光源，和一个为单色仪配备的步进马达能够实现自动化测量。

3.2方法2——首先在两个不同的光子通量下测量由白色光斩波器产生的表面光电压，以保证在光子

通量内SPV是线性的，然后，由一组窄带滤波器在线性SPV范围内且恒定的光子通量下产生一单色

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光，对一系列选定的能量大于半导体样品禁带宽度的光子产生的表面光电压SPV进行测量。随光子能

量单调增加的SPV值的倒数对所选择的相应样品的吸收系数的倒数作图。拟合的直线被外推到零光

强处，负的截距值就是有效扩散长度。为消除表面复合作用的干扰，单调变化区域以外的值由分析决定

舍弃。采用在探针下移动样品的方法能够以小面积的接触测量SPV，做出扩散长度的区域图。为滤光

盘和样品台安装步进马达可以实现自动化测量。不必将信号反馈到光源。

4意义和用途

4.1在外延层和薄的单晶片中，表面复合对GB/T1553方法所描述的光电导衰减法（PCD)测量的

误差非常大。CMSPV方法（测试方法1)围绕表面复合的影响，通过在寿命测量中维持正表面的表

面条件不变，而LPVCDF方法（测量方法2)利用最适宜的条件和不被表面复合和其他非线性作用影

响数据点。

4.2少数载流子寿命是用扩散长度的平方除以常采用的或能够由漂移迁移率的测量来确定的少数载

流子扩散常数。SPV测量对少数载流子是灵敏的；利用表面耗尽层使得多数载流子的贡献被最小化。

用SPV方法测得的寿命值通常比由光电导（PCD)方法测得的寿命值要短，这是因为光电压对从多数载

流子获得的贡献是与少数载流子获得的贡献相同的。当多数和少数载流子寿命相同时，倘若SPV方法

测量使用的吸收系数的值是正确的，并且在PCD方法中表面复合考虑正确的话，用SPV和PCD方法

得到的寿命值也相同。

4.3本标准适宜于研究工作及工艺控制、原料验收。

4.4由于扩散长度与器件性能密切相关，本标准对应用光电池和其他光学器件的材料的测试特别

有用。

4.5因为金属杂质沾污直接影响载流子寿命，本标准能够用于分析确定这种沾污的存在，但是这种分

析属于本标准的范围。

4.6在一个很短寿命的体积区域，例如一个重掺杂衬底上的外延层或拥有氧沉淀获得的内吸除片上，

如果很薄的表面层如外延层或一个洁净区有长的寿命，截距不能被认为是扩散长度（见5.2)。在某些

情况下，截距被认为与层厚相关，它为层的厚度的测定提供了非破坏性的方法。’

5干扰因素

5.1测量的可信程度依赖于已知吸收系数与光子能（波长）关系的精度。

5.1.1表面应力强烈影响吸收特性。本测试方法提供的吸收系数数据适于如外延层和释放了应力的

化学或化学机械抛光的表面。

5.1.2在重掺硅片中，自由载流子吸收可影响长波长下的SPV测量。

5.1.3吸收系数依赖于温度，本标准给出的数据仅适于室温22°C±O.5°C。

5.2为了更准确的测量，被测区域的厚度必须大于4倍的扩散长度。当扩散长度超过厚度两倍时，可

能要对扩散长度进行评估。测量后应分析厚度条件。

5.2.1对在表面层（外延层或洁浄区）上的测量，如果层厚度小于截距的一半，截距值可以被认为是衬

底的扩散长度。

5.2.2如果层厚度在截距的一半到四倍之间，提供已知的层的厚度就可以估计出表面层的扩散长度。

反之，如果在表面层和衬底区域中扩散长度的比例能被确定，层的厚度可以被推断。

5.3除非样品总厚度大于光照最长波长（最小的能量）吸收系数倒数的三倍，SPV曲线将是非线性的。

在测量前能估算波长的上限。

5.4长寿命时间表面状&的变化可以引起SPV信号幅度随时间缓慢的漂移。这个干扰可以由在测量

条件下允许足够长的时间使表面趋于平衡。然后尽快进行测量以使其达到最小。

5.5由于背表面的非欧姆接触或在样品中存在一个结，可能因光照产生光电压形成SPV信号的虚假

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信号。这种类型的虚假的光电压由于其大的幅度、光照能量从大到小改变时极性的反转或信号振幅在

长波长（较小的能量）下随光强的增加而减弱被识别。结的电压可以通过把一个参考电势接到正表面无

照明区的方法来消除。

5.6光照的光谱纯度不够对测量产生有害的影响。虽然光谱纯度的要求没有最终确定，一个5run的

光谱宽度（如果使用单色光栅）和一个小于0.1%的较高次光谱构成的强度应能提供满意的结果。

5.7在某些材料中，假设空穴-电子对的浓度比多数载流子密度小很多时.寿命和扩散长度依赖于光照

的强度。它的主要影响是给出的扩散长度比暗场值大。采用在线性SPV范围内使SPV信号直接比例

于光照强度的方式，其影响能够被减到最小。

5.8对测试方法1，在到达样品和到达检测器的光路中，作为能量（波长）函数的任何损失的差异都必

须进行修正。例如，依赖吸收或反射引或覆盖层。

5.9操作测试样品时使用引入金属沾污，使寿命变短并且导致扩散长度确定

错误。为了消除该影响

6设备X

6.1光源和单色器或rf光盘

覆盖波有的装置（直流或交

流输入吋变、可调孔抒或中性密度滤光片〉。钨灯和石英卤素灯均可以作为w足要求的灯源。

6.1.1如#使f个滤光盘(对测试方法2)，推荐在1.24eV〜1.55eV之间至>6~致均匀间隔的

能GL对测试方法2,输出光通量应该相当于每一能量挡的63%以内。另外对澜试方法2,必须提供

2个中性嫌度+器以得到在2个光子通该值丸比么为已知的1%的比傳下的白；；;

6.1.2光栅单色器，则要有锐竭止滤吮器•将波长短于如光至+减在这种

情况下4干涉过滤器以核寒单色海的波长刻度。

6.2観斩波器

一个频率足够低以保证载流子稳态分布it壞作氏端频率足以与探测^的卩^时间相适应，

高端频率足Y允YsPV信号通过电容有效地耦合到放大器。大约10Hz的频推/用于方法1。由

于测试方法^要^^^探测器，则这种情况不用于测试方法2,并且高频也能使<

6.3通道J遷

连接照射光品探测器，可使用一套反射镜系统（或石英透有）或光缆系统。如

果使用反射镜或透狭缝的像聚焦在斩波器的刀刃、上（见图1)。这种情况

下，使用一个无波长纟?照明光直接射到号也能从斩波器刀刃的背

面反射获得。2

6.4光学计数器或探测器

带有已知相对的光谱灵敏度（仅对方法1)，不需要绝对定标，在斩波器频率下运行的温差电堆是令

人满意的。也能使用硅光电二极管或焦热电的探测器。如果到探测器的光通道包括样品架前面完全相

同的接触结构，那么到探测器和样品的光通道是相似的（见5.8)，则探测器的校准可简单化。

6.5样品架

用于支撑样品并提供一个透明的电容耦合正面接触（最好使用带有一薄氧化覆盖层和50厚云

母层的玻璃板），或把一参考电压接到背表面上或正背面的非光照区。对表面挡板（光栅）P_n连接或液

体连接，直接电接触到样品的被照明的表面都能作为正面耦合的区域。如果正面接触覆盖的仅仅是正

表面一个很小的区域，并且如果希望得到来自另一可信赖区域的扩散长度的信息，则样品架可以提供样

品横向和转动的动作。

6.6两个锁相放大器

测量SPV的振幅和探测器信号（见图1)。要求具有满刻度1yV的灵敏度和小于0.1MV的输出

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噪声电平。需要10Mfl或更高的与样品连接的输入阻抗以与电源阻抗相匹配。如能防止两个信号间

的干扰，单个的双重输人的锁相放大器能取代两个放大器。这个结构的选择对方法2(见图2)特别合

适，因为在SPV测量期间，光通量是不需要测量的。

6.7普通实验室

如果需要，应具有清洗，抛光、腐蚀样品的设备。

I反馈回路

光源

图1测试方法1的SPV设备方框图和样品架示意图

6.8温度计或其他测温仪器

要求环境温度测定至±0.3°C。

6.9计算机控制系统（可选择）

带有步进马达以执行计算和控制波长选择、载物台动作以及（对方法1)从探测器到光源的反馈。

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