基于微波反射光電導法的硅材料少子壽命的研究及系統構建*

何璇 陳長纓 洪岳 張浩

（1.廣東省高等學校光電信息與傳感技術重點實驗室（暨南大學） 2.暨南大學光電工程系）

1 引言

隨著世界各國對能源需求的不斷增長和對環境保護要求的日益增強，清潔能源的推廣應用已成必然趨勢。太陽能的開發利用對改善當前的能源結構，減少污染，保護環境有重要意義[1]。在太陽能的利用中，太陽電池的應用最受關注。硅太陽電池于1958年首先在航天器上得到應用，自本世紀70年代以來，晶體硅就作為基本的電池材料占據著統治地位。單晶硅材料中光生少數載流子壽命是太陽電池設計及生產過程中的一個重要參數，它對半導體器件的性能、太陽能電池的效率都有重要的影響[2]。本文基于微波光電導法的測量原理，從單晶硅材料中的電導率和少數載流子濃度的關系著手，提出了一個基于激光—微波雙輻射源的硅材料非平衡少數載流子壽命測量系統，并實現了對其壽命的初步測量。

2 微波光電導法測量的基本原理

微波光電導法（Microwave Photoconductivity Decay，μ-PCD）是測量少數載流子壽命的基本方法，主要包括激光注入產生電子—空穴對和微波探測信號的變化兩個過程。

一般采用微波反射信號來探測樣品電導率信號的變化，因為相比與微波透射或吸收信號，微波反射信號不易受樣品形狀和尺寸的影響。

測試系統的原理是通過測試從樣品表面反射的微波功率的時間變化曲線來記錄光電導的衰減[3,7]。其測試系統的基本結構如圖1所示。

圖1 微波反射信號測試的基本結構圖

一般情況下，測試時只考慮被樣品吸收和反射的微波信號，微波透射信號相對較弱，可以忽略不計。因此，微波信號反射強度為：

式中Pabs是樣品的微波信號吸收強度。微波反射率的變化來自兩個方面：一方面樣品電導率的增加導致微波信號被樣品吸收增加，反射信號減弱，為負作用，即等號右邊括號里的第一項；另一方面電導率的變化導致電場強度平方項的變化，為正作用，即等號右邊括號內的第二項。

一般對于低電導率的樣品，只考慮第一項，即：

由式 ΔP/P(σ)=AΔσ可定義A為比例系數，此時A為正。因此隨著電導率逐漸變大，比例系數 A經歷從負到正的變化[4]。

一般在測試時，輸出信號是電壓變化量而不是微波反射率的變化量，而電壓與微波反射信號的關系式為：

因此，當微波信號發生微小變化時，將導致輸出電壓的微小變化，兩者是線性關系，即：

這樣就可以通過電壓變化趨勢來間接反映少子變化趨勢。[8]

3 基于微波光電導法的少子壽命新型測量系統

在充分分析其他少數載流子壽命測量方法后，本文提出了基于微波反射光電導測試系統的一種新的結構設計方案。該方案相對于目前的測試儀器結構更為緊湊、便攜，成本也大大降低。該測試系統整體框架圖見圖2。

圖2 基于微波反射光電導的系統設計框架圖

該系統可分為四大模塊：微波源模塊、差頻模塊、發射接收天線模塊和信號處理模塊。從微波源發射的兩個路徑的微波，一個經過擾動驅動再投射到樣品的固定照射區，另一個則直接透射到樣品的照射區；同時驅動激光器，使得微波探測與激光照射同步同區進行。反射的兩路微波進入與頻移器集成的檢波器，經過運算處理后，輸出顯示衰減圖線。

該系統主要包括以下幾個部分：

(1) 微波源

微波源用于產生 10GHz的微波探測信號。之所以采用10GHz的信號，是因為微波源在10GHz的情況下，通過波導系統來自有效天線的1.5cm波長的微波能和從樣品反射回來的微波能發生作用而形成震蕩，使得反射回來的微波在此處達到最大值。

(2) 移頻器

微波源發射的兩個路徑的微波，通過使一個路徑的微波經過移頻器改變頻率，實現兩路徑微波相對運動產生相對頻率，從而產生頻差，以減小單路微波路徑測量受到外界環境因素的干擾。

(3) 天線

由于要求發射與檢測系統的集成化，系統的發射與接收天線均選用矩形微帶天線，即貼片天線。這是一種由矩形導體薄片粘貼在背面有導體接地板的介質基片上形成的天線，用作發射微波探測信號及接收微波反射信號[5]。

(4) 激光器

波長在0.9μm～1.1μm的激光二極管，作為硅片的注入光源，可在半導體材料中激發非平衡載流子。標稱脈沖寬度≤200ns，上升沿和下降沿≤25ns。光源輸出功率建議可調，在脈沖作用期間使樣片表面產生的光子密度介于2.5×1010和2.5×1015之間。其次，對于Si材料，入射光波長1064nm接近它的吸收限，非平衡載流子可以在樣品中近似均勻分布。

(5) 衰減器

必要的時候，在微波傳輸路徑中分出一路連接到衰減器，無激光注入條件下調節衰減器，使檢波器的測試信號為零。這樣在有激光注入的條件下，檢波器上檢測到的信號為脈沖激光注入后引起的光電導衰減信號。衰減器能夠消除暗光電導，加強探測信號。

4 實驗步驟與數據分析處理

(1) 測定導電類型、硅片中心點厚度和中心點電阻率，并將電阻率換算成多數載流子濃度。記錄這些數據和樣片的標稱直徑及正、背面的狀態（拋光、腐蝕、研磨、切割等）；

(2) 記錄室溫。如果樣品臺有溫控系統，則記錄樣品臺表面溫度；

(3) 將樣片置于樣品臺上，使脈沖光能照射到待測的區域；

(4) 打開脈沖激光光源開關；

(5) 調節光強，使注入水平η達到所需值。最好采用較高的注入比；

(6) 打開微波源電源，在顯示設備上觀察光電導衰減，調整時間及電壓值的顯示范圍以便能觀察到所需的衰減信號部分；

(7) 確認所選范圍內的衰減信號符合指數衰減模式，通過將一條指數曲線擬合到電壓V與時間t的函數曲線上，或在手動數據采集時，將一條直線擬合到In1V與t的函數曲線上，從而測定時間常數；

(8) 圖3為微波反射所測量到的衰減實驗圖線的擬合曲線圖，由圖可知衰減曲線即光注入后，微波反射功率的變化曲線可算出壽命，該曲線即是光注入后反射微波功率v的變化。測量一次衰減曲線就可以得到壽命值。但如果信噪比不太高，建議進行重復測量并取平均值。下面介紹基本模式壽命（1τ）——通常可將衰減曲線上滿足指數衰減部分的時間常數作為基本模式的復合壽命。如果反射功率在 =tA時為 VA，在t=tB時指數性地衰減到 VB= VA/e，則τ1= tB-tA。另外，記 t1為反射功率衰減到峰值1/e的時刻，t2為反射功率衰減到峰值 1 /e2的時刻，如果從t1到 t2的這段時間內衰減曲線與指數曲線的偏離并不大，則可以將t1-t2視為τ1；

圖3 反射微波功率衰減曲線和復合壽命關系

(9) 記錄測量復合壽命所選的計算方法、數值[6]。按照（8）所給出的測有效壽命的方法，可以得出：通過圖4可找出所對應的τ2=τeff=3.8ms。

通過實驗結果，在根據現有的微波反射光電導衰減測量方法的原理與計算方法，可以得出有效載流子壽命，這初步驗證了該系統的可行性。

圖4 擬合的指數衰減曲線圖

5 結論

單晶硅太陽電池以其轉換率高、穩定性好的特點廣泛應用于各個領域，具有廣闊的市場前景。本課題通過理論研究和設計相結合的方式，在深入學習研究少數載流子壽命及其測量原理的基礎上采用先進的微波測量技術對單晶硅進行有效鑒定，提出了微波測量技術測試少數載流子壽命的新思路和具體的系統設計方案，分析了系統的工作原理以及各組成部分的功能，為單晶硅原料的質量監控提出一個非接觸測量的新方法，并對其應用價值進行了展望。初步實驗表明：設計方案具有可行性。

[1] 中商情報網,2009-2012年中國太陽能產業市場調研及發展趨勢預測報告,2009.03.

[2] Solarbe.com,太陽能產業權威網站,太陽能光伏技術——晶體硅太陽能電池及材料,2007.

[3] 陳鳳翔,崔容強,徐林.微波光電導中的靈敏度分析[J].太陽能學報, 2006,27(1)： 23-29.

[4] 李遙岑.太陽電池單晶硅光生少數載流子濃度的微波測量技術[D].暨南大學,2011.

[5] 波扎爾.微波工程[M].北京：電子工業出版社, 2006： 558-560.

[6] 洪岳.硅材料少數載流子壽命測定方法的研究及其系統的構建[D].暨南大學,2011.

[7] Ghannam M Y,mahmoud S F.Optimum sensitivity and two-dimension modeling of microwave detected photo-conductance decay carrier lifetime measurement[J]. J ApplPhys,1997,81：2665-2673.

[8] J. A. Eikelboom et al，Microwave detection of minority carriersin solar cell silicon wafers，Solar Energy Material and Solar Cells,1995.