光致载流子寿命测量装置及光致载流子寿命测量方法
【专利摘要】包含：光源(20)、(22)，其对半导体衬底(S)照射用于产生光致载流子的、波长不同的光；微波产生部(10)，其产生对半导体衬底(S)照射的微波；检测部(30)，其检测穿透半导体衬底的微波的强度；以及运算部(50)，根据在照射所述至少两种光后检测出的微波强度，计算光的波长各自对应的有效载流子寿命，根据计算出的波长各自对应的有效载流子寿命计算半导体衬底(S)的体内载流子寿命和表面复合速度。
【专利说明】光致载流子寿命测量装置及光致载流子寿命测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种光致载流子寿命测量装置及光致载流子寿命测量方法。
【背景技术】
[0002] 对于测量半导体衬底上产生的光致载流子（少数载流子）的有效载流子寿命 的方法，已知有一种 μ -PO)法（例如参照 J. M. Borrego, R. J. Gutmann, N. Jensen, and O.Paz:Solid-Sate Electron. 30(1987) 195.(非专利文献1))。在该方法中，在向半导体衬 底照射微波的状态下，照射极短时间的光脉冲。通过光脉冲产生的载流子反射微波，通过测 量反射强度的时间变化来测量光致载流子的有效载流子寿命。
[0003] 再有，对于测量半导体衬底的光致载流子的有效载流子寿命的方法，已 知一种 QSSPC 方法（例如参照6.3.1(〇118丨1^，2.6.1^1^，311(1?.1(.4加 6四:]\4卩卩1· Phys. 72 (1992) 141.(非专利文献2))。在该方法中，面对半导体衬底配置电感线圈，施加 RF 频率的电磁波。之后，向半导体衬底照射极短时间的光脉冲。通过光脉冲产生的载流子反 射RF频率的电磁波，测量反射波的时间变化作为线圈中流通的电流的变化，由此来测量光 致载流子的有效载流子寿命。
[0004] 再有，对于测量半导体衬底的光致载流子的有效载流子寿命的方法，已知一 种微波光干涉吸收法（例如参照 T. SAMESHIMA，HAYASAKA，and ?\ HABA: Jpn. J. Appl. Phys. 48(2009)021204-1-6.(非专利文献3))。在该方法中，在波导管所形成的微波干涉仪 中插入半导体衬底，在照射微波的状态下照射连续光。通过连续光引起的载流子吸收微波， 测量此时微波的透光率减少情况，由此测量光致载流子的有效载流子寿命。
[0005] 进而，在非专利文献3中记载的方法中，已知一种向半导体衬底照射周期 性间歇脉冲光的方法（例如参照 Toshiyuki Sameshima. Tomokazu Nagao, Shinya Yoshidomi, Kazuya Kogure, and Masahiko Hasumi: "Minority Carrier Lifetime Measurements by Photo-Induced Carrier Microwave Absorption Method", Jpn. J. Appl. Phys. 50 (2011) 03CA02.(非专利文献4)，国际公开第11/099191号小册子（专利文献1))。 在该方法中，通过改变脉冲光的照射时间和周期，无论照射光强度如何都可求出有效载流 子寿命。
【发明内容】
[0006] 发明要解决的问题
[0007] 通过上述各种技术，可测量出半导体衬底的光致载流子的有效载流子寿命。光致 载流子的有效载流子寿命通常由半导体衬底固有的寿命（体内载流子寿命））和半导体表 面存在的缺陷所引发的表面复合速度来决定。在有效利用太阳能电池、CCD等光致载流子 的器件制造中，增加体内载流子寿命并使表面复合速度减小，而使有效载流子寿命增加是 非常重要的。之后，在效载流子寿命的测量装置（分析仪）中，优选体内载流子寿命及表面 复合速度可通过实验得到。
[0008] 但是，在现有技术中，虽然可精确求出有效载流子寿命，但没有确定体内载流子寿 命及表面复合速度的装置。即在现有技术中，通常方法是假设体内载流子寿命及表面复合 速度中的一项而求另一项。是硅等间接能带型结晶半导体的情况下，由于预想体内载流子 寿命较长，所以通常假定体内载流子寿命足够长，由测量得到的有效载流子寿命来求出表 面复合测量。但是，假定的体内载流子寿命存在不确定性，在进行精密分析上存在问题。
[0009] 鉴于以上问题，本发明的目的是提供一种可精度良好地测量半导体衬底的体内载 流子寿命及表面复合速度的光致载流子寿命测量装置及光致载流子寿命测量方法。
[0010] 解决技术问题的手段
[0011] (1)本发明是一种测量半导体衬底上产生的光致载流子的有效载流子寿命的光致 载流子寿命测量装置，其特征在于包含：
[0012] 光照射部，其对所述半导体衬底照射用于产生光致载流子的波长不同的至少两种 光；
[0013] 微波产生部，其产生对所述半导体衬底照射的微波；
[0014] 检测部，其检测穿透所述半导体衬底的微波的强度；
[0015] 运算部，其根据所述检测部中检测出的微波强度计算有效载流子寿命；
[0016] 所述运算部
[0017] 根据在照射所述至少两种光后检测出的微波强度，计算所述至少两种光的波长各 自对应的有效载流子寿命，根据计算出的所述波长各自对应的有效载流子寿命计算出所述 半导体衬底的体内载流子寿命和表面复合速度。
[0018] 再有，本发明是一种测量半导体衬底上产生的光致载流子的有效载流子寿命的光 致载流子寿命测量方法，其特征在于：
[0019] 对所述半导体衬底照射用于产生光致载流子的波长不同的至少两种光，并对所述 半导体衬底照射微波；
[0020] 检测穿透所述半导体衬底的微波的强度；
[0021] 根据在照射所述至少两种光后检测出的微波强度，计算所述至少两种光的波长各 自对应的有效载流子寿命，根据计算出的所述波长各自对应的有效载流子寿命计算出所述 半导体衬底的体内载流子寿命和表面复合速度。
[0022] 采用本发明，根据在照射波长不同的至少两种光后检测出的微波强度计算至少两 种光的波长对应的有效载流子寿命，根据计算出的所述波长对应的有效载流子寿命计算出 所述半导体衬底的体内载流子寿命和表面复合速度，由此可精度良好地测量体内载流子寿 命及表面复合速度。
[0023] (2)再有本发明涉及的光致载流子寿命测量装置及光致载流子寿命测量方法，也 可为
[0024] 对以体内载流子寿命及表面复合速度为参数求出的、所述波长各自对应的有效载 流子寿命的计算值，以及根据检测出的微波强度而计算出的、所述波长各自对应的有效载 流子寿命的测量值改变所述参数的值并加以比较，求出所述波长各自对应的有效载流子寿 命的计算值与所述波长各自对应的有效载流子寿命的测量值最匹配时所述体内载流子寿 命及表面复合速度的值。
[0025] 这样，不假定半导体衬底的体内载流子寿命及表面复合速度这两项中的一项，就 可测量这两项。
[0026] (3)再有本发明涉及的光致载流子寿命测量装置及光致载流子寿命测量方法，也 可为
[0027] 对以体内载流子寿命的深度分布及表面复合速度为参数求出的、所述波长各自对 应的有效载流子寿命的计算值，以及根据检测出的微波强度而计算出的、所述波长各自对 应的有效载流子寿命的测量值，改变所述参数的值并加以比较，求出所述波长各自对应的 有效载流子寿命的计算值与所述波长各自对应的有效载流子寿命的测量值最匹配时所述 体内载流子寿命的深度分布及表面复合速度的值。
[0028] 这样，不假定半导体衬底的体内载流子寿命的深度分布及表面复合速度这两项中 的一项，就可测量这两项。
[0029] (4)再有本发明涉及的光致载流子寿命测量装置及光致载流子寿命测量方法，对 半导体衬底表面上形成有钝化膜的基准试样照射周期性脉冲光后，根据检测出的微波强度 求出所述基准试样的有效载流子寿命，对所述基准试样照射连续光后根据检测出的微波强 度求出所述基准试样的载流子面密度，根据所述有效载流子寿命以及载流子面密度，求出 载流子产生率，根据向作为受测试样的半导体衬底照射连续光后检测出的微波强度求出的 所述受测试样的载流子面密度，以及所述载流子产生率，计算出所述有效载流子寿命的测 量值。
[0030] 这样，可精度良好地求出有效载流子寿命的测量值。
[0031] (5)再有本发明涉及的光致载流子寿命测量装置及光致载流子寿命测量方法，
[0032] 所述至少两种不同的光也可以是对所述半导体衬底吸收系数不同的两种光。
[0033] (6)再有本发明涉及的光致载流子寿命测量装置及光致载流子寿命测量方法，所 述至少两种不同的光，也可以是对所述半导体衬底吸收系数至少在两倍以上的不同的两种 光。
【专利附图】
【附图说明】
[0034] 图1是本实施方式的测量装置（光致载流子寿命测量装置）的一个例子的结构示 意图。
[0035] 图2是结晶硅的光吸收系数的波长引起的变化的图。
[0036] 图3用于说明采用本实施方式的测量装置进行测量后的半导体衬底。
[0037] 图4是采用本实施方式的测量装置的有效载流子寿命的测量结果图。
[0038] 图5A是采用本实施方式的测量装置的载流子体积浓度的测量结果图。
[0039] 图5B是采用本实施方式的测量装置的载流子体积浓度的测量结果图。
【具体实施方式】
[0040] 以下对本实施方式进行说明。以下说明的本实施方式并不对权利要求书中记载的 本
【发明内容】
进行不当限定。另外，本实施方式中说明的全部结构并不都是本发明必须的构 成要件。
[0041] 1.测量原理
[0042] 本实施方式的测量方法及测量装置中，对作为受测试样的半导体衬底照射吸收系 数不同的至少两种光。
[0043] 例如，对半导体衬底照射了具有较大吸收系数的短波长光后，光被半导体衬底的 极表面（極表面）区域吸收。由于半导体衬底的表面复合速度大时，半导体衬底的表面区 域上产生的光致载流子迅速复合并消失，所以存在于衬底内的载流子的浓度变小。从而，对 半导体衬底照射了微波后，微波的吸收度变小（透光率变大），有效载流子寿命变小。
[0044] 另一方面，对半导体衬底照射了具有较小吸收系数的长波长光后，光深度进入到 半导体衬底内部。因此，表面复合速度的影响变小，半导体衬底的体内载流子寿命足够大 时，与短波长光照射时相比载流子浓度变大，有效载流子寿命变长。
[0045] 即在有效载流子寿命受表面复合速度限制的情况下（表面复合速度大的情况 下），测量的有效载流子寿命具有波长依赖性，由照射了短波长光后检测出的微波透光率测 量得到的有效载流子寿命，以及由照射了长波长光后检测出的微波透光率测量得到的有效 载流子寿命，变为不同的值。
[0046] 另外，在半导体衬底表面进行了钝化处理，有效载流子寿命受体内载流子寿命限 制的情况下（表面复合速度足够小的情况下），由于光致载流子在半导体衬底中随处以相 同比例消失，所以测量的有效载流子寿命不具有波长依赖性。
[0047] 这样，对半导体衬底照射了波长不同的至少两种光后分别测量有效载流子寿命， 通过将测量出的至少两种有效载流子寿命加以分析，可对半导体衬底的表面复合速度及体 内载流子寿命做出评价。
[0048] 2.结构
[0049] 图1是本实施方式的测量装置（光致载流子寿命测量装置）的一个例子结构示意 图。本实施方式的测量装置1构成为一种测量受测试样半导体衬底S的有效载流子寿命， 以及对测量出的有效载流子寿命加以分析并测量半导体衬底S的体内载流子寿命和表面 复合速度的装置。
[0050] 测量装置1包含：微波产生部10,其产生入射到半导体衬底S的微波；光源20、 22 (光照射部），其照射光（诱导光），所述光用于在半导体衬底S上产生光致载流子；检测 部30,其检测从半导体衬底S透过的微波的强度；波导管40,其将微波产生部10产生的微 波传送到检测部30 ;以及运算部50。
[0051] 波导管40上设有插缝42,所述插缝42中插入半导体衬底S。再有，在相比波导管 40内部的插缝42更靠近微波产生部10侧安装有反射板24,所述反射板24用于使光源20、 22发出的光入射到半导体衬底S。光源20、22发出的光通过光纤26由反射板24扩散反射 并入射到半导体衬底S。反射板24例如由特氟龙（注册商标）板构成。另外，也可设置导 光板来替代反射板24,使光源20、22发出的光入射到半导体衬底S。
[0052] 光源20、22分别例如由激光光源构成，产生波长各不相同的光（对半导体衬底S 的吸收系数不同的光）。光源20是用于对导体衬底S照射短波长光（例如使半导体衬底S 的表面区域产生载流子的光）的光源，光源22是用于对半导体衬底S照射长波长光（例如 使半导体衬底S的内部区域产生载流子的光）的光源。
[0053] 运算部50 (计算机）根据检测部30检测出的微波的强度信息，计算半导体衬底S 的光致载流子的有效载流子寿命，根据计算出的有效载流子寿命进行运算处理来计算出半 导体衬底S的体内载流子寿命和表面复合速度。
[0054] 运算部50通过在光源20发出的短波长光照射半导体衬底S后检测出的微波的强 度信息求出微波的透光率变化，根据求出的透光率的变化，计算出光源20发出的光照射半 导体衬底S后（与光源20发出的光的波长对应）的有效载流子寿命。再有，运算部50通 过在光源22发出的长波长光照射半导体衬底S后检测出的微波的强度信息求出微波的透 光率变化，根据求出的透光率的变化，计算出光源22发出的光照射半导体衬底S后（与光 源22发出的光的波长对应）的有效载流子寿命。
[0055] 之后，运算部50分析并求出与测量出的两个有效载流子寿命τ eff (光源20发出的 光照射半导体衬底S后有效载流子寿命的测量值，以及光源22发出的光照射半导体衬底S 后有效载流子寿命的测量值）最匹配的体内载流子寿命Tb，以及表面复合速度（照射诱导 光的面（照射面）侦彳的表面复合速度s t()P及照射面的相反侧的表面复合速度U。另外， 体内载流子寿命τ b和表面复合速度St()p、的分析考虑生光载流子的穿透深度来进行。
[0056] 以下，对本实施方式的测量装置及测量方法中采用的体内载流子寿命和表面 复合速度St()p、的分析方法进行说明。
[0057] 对半导体衬底的表面照射连续光后，在距离表面（照射面）深度X处的稳定的光 致少数载流子体积浓度η(X)按照下面的微分方程，其中半导体衬底中的少数载流子的扩 散系数设为D。
[0058]【式1】
[0059]
【权利要求】
1. 一种测量半导体衬底上产生的光致载流子的有效载流子寿命的光致载流子寿命测 量装置，其特征在于，包含： 光照射部，其对所述半导体衬底照射用于产生光致载流子的、波长不同的至少两种 光； 微波产生部，其产生对所述半导体衬底照射的微波； 检测部，其检测穿透所述半导体衬底的微波的强度； 运算部，其根据所述检测部中检测出的微波强度计算有效载流子寿命， 所述运算部 根据在照射所述至少两种光后检测出的微波强度，计算所述至少两种光的波长各自对 应的有效载流子寿命，根据计算出的所述波长各自对应的有效载流子寿命计算所述半导体 衬底的体内载流子寿命和表面复合速度。
2. 根据权利要求1所述的光致载流子寿命测量装置，其特征在于： 所述运算部， 对以体内载流子寿命及表面复合速度为参数求出的、所述波长各自对应的有效载流子 寿命的计算值，以及根据检测出的微波强度而计算出的、所述波长各自对应的有效载流子 寿命的测量值，改变所述参数的值，并加以比较，求出所述波长各自对应的有效载流子寿命 的计算值与所述波长各自对应的有效载流子寿命的测量值最匹配时所述体内载流子寿命 及表面复合速度的值。
3. 根据权利要求1所述的光致载流子寿命测量装置，其特征在于： 所述运算部， 对以体内载流子寿命的深度分布及表面复合速度为参数求出的、所述波长各自对应的 有效载流子寿命的计算值，以及根据检测出的微波强度而计算出的、所述波长各自对应的 有效载流子寿命的测量值，改变所述参数的值，并加以比较，求出所述波长各自对应的有效 载流子寿命的计算值与所述波长各自对应的有效载流子寿命的测量值最匹配时所述体内 载流子寿命的深度分布及表面复合速度的值。
4. 根据权利要求2或3所述的光致载流子寿命测量装置，其特征在于： 所述运算部 对半导体衬底表面上形成有钝化膜的基准试样照射周期性脉冲光后，根据检测出的 微波强度求出所述基准试样的有效载流子寿命，对所述基准试样照射连续光后根据检测出 的微波强度求出所述基准试样的载流子面密度，根据所述有效载流子寿命以及载流子面密 度，求出载流子产生率，根据对作为受测试样的半导体衬底照射连续光后检测出的微波强 度求出的所述受测试样的载流子面密度，以及所述载流子产生率，计算所述有效载流子寿 命的测量值。
5. 根据权利要1?4中任意一项所述的光致载流子寿命测量装置，其特征在于： 所述至少两种不同的光是对所述半导体衬底吸收系数不同的两种光。
6. 根据权利要求5所述的光致载流子寿命测量装置，其特征在于： 所述至少两种不同的光，是对所述半导体衬底吸收系数至少在两倍以上的不同的两种 光。
7. -种测量半导体衬底上产生的光致载流子的有效载流子寿命的光致载流子寿命测 量方法，其特征在于： 对所述半导体衬底照射用于产生光致载流子的波长不同的至少两种光，并对所述半导 体衬底照射微波； 检测穿透所述半导体衬底的微波的强度； 根据在照射所述至少两种光后检测出的微波强度，计算所述至少两种光的波长各自对 应的有效载流子寿命，根据计算出的所述波长各自对应的有效载流子寿命计算出所述半导 体衬底的体内载流子寿命和表面复合速度。
8. 根据权利要求7所述的光致载流子寿命测量方法，其特征在于： 对以体内载流子寿命及表面复合速度为参数求出的、所述波长各自对应的有效载流子 寿命的计算值，以及根据检测出的微波强度而计算出的、所述波长各自对应的有效载流子 寿命的测量值，改变所述参数的值，并加以比较，求出所述波长各自对应的有效载流子寿命 的计算值与所述波长各自对应的有效载流子寿命的测量值最匹配时的所述体内载流子寿 命及表面复合速度的值。
9. 根据权利要求7所述的光致载流子寿命测量方法，其特征在于： 对以体内载流子寿命的深度分布及表面复合速度为参数求出的、所述波长各自对应的 有效载流子寿命的计算值，以及根据检测出的微波强度而计算出的、所述波长各自对应的 有效载流子寿命的测量值，改变所述参数的值，并加以比较，求出所述波长各自对应的有效 载流子寿命的计算值与所述波长各自对应的有效载流子寿命的测量值最匹配时的所述体 内载流子寿命的深度分布及表面复合速度的值。
10. 根据权利要求8或9所述的光致载流子寿命测量方法，其特征在于： 对半导体衬底表面上形成有钝化膜的基准试样照射周期性脉冲光后，根据检测出的 微波强度求出所述基准试样的有效载流子寿命，对所述基准试样照射连续光后根据检测出 的微波强度求出所述基准试样的载流子面密度，根据所述有效载流子寿命以及载流子面密 度，求出载流子产生率，根据对作为受测试样的半导体衬底照射连续光后检测出的微波强 度求出的所述受测试样的载流子面密度，以及所述载流子产生率，计算所述有效载流子寿 命的测量值。
11. 根据权利要求7?10中任意一项所述的光致载流子寿命测量方法，其特征在于： 所述至少两种不同的光是对所述半导体衬底吸收系数不同的两种光。
12. 根据权利要求11所述的光致载流子寿命测量方法，其特征在于： 所述至少两种不同的光，是对所述半导体衬底吸收系数至少在两倍以上的不同的两种 光。
【文档编号】G01N22/00GK104094389SQ201280062241
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2012年12月11日 优先权日:2011年12月16日
【发明者】鲛岛俊之 申请人:国立大学法人东京农工大学