基于微波反射光电导法的硅材料少子寿命的研究及系统构建*

何璇 陈长缨 洪岳 张浩

（1.广东省高等学校光电信息与传感技术重点实验室（暨南大学） 2.暨南大学光电工程系）

1 引言

随着世界各国对能源需求的不断增长和对环境保护要求的日益增强，清洁能源的推广应用已成必然趋势。太阳能的开发利用对改善当前的能源结构，减少污染，保护环境有重要意义[1]。在太阳能的利用中，太阳电池的应用最受关注。硅太阳电池于1958年首先在航天器上得到应用，自本世纪70年代以来，晶体硅就作为基本的电池材料占据着统治地位。单晶硅材料中光生少数载流子寿命是太阳电池设计及生产过程中的一个重要参数，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[2]。本文基于微波光电导法的测量原理，从单晶硅材料中的电导率和少数载流子浓度的关系着手，提出了一个基于激光—微波双辐射源的硅材料非平衡少数载流子寿命测量系统，并实现了对其寿命的初步测量。

2 微波光电导法测量的基本原理

微波光电导法（Microwave Photoconductivity Decay，μ-PCD）是测量少数载流子寿命的基本方法，主要包括激光注入产生电子—空穴对和微波探测信号的变化两个过程。

一般采用微波反射信号来探测样品电导率信号的变化，因为相比与微波透射或吸收信号，微波反射信号不易受样品形状和尺寸的影响。

测试系统的原理是通过测试从样品表面反射的微波功率的时间变化曲线来记录光电导的衰减[3,7]。其测试系统的基本结构如图1所示。

图1 微波反射信号测试的基本结构图

一般情况下，测试时只考虑被样品吸收和反射的微波信号，微波透射信号相对较弱，可以忽略不计。因此，微波信号反射强度为：

式中Pabs是样品的微波信号吸收强度。微波反射率的变化来自两个方面：一方面样品电导率的增加导致微波信号被样品吸收增加，反射信号减弱，为负作用，即等号右边括号里的第一项；另一方面电导率的变化导致电场强度平方项的变化，为正作用，即等号右边括号内的第二项。

一般对于低电导率的样品，只考虑第一项，即：

由式 ΔP/P(σ)=AΔσ可定义A为比例系数，此时A为正。因此随着电导率逐渐变大，比例系数 A经历从负到正的变化[4]。

一般在测试时，输出信号是电压变化量而不是微波反射率的变化量，而电压与微波反射信号的关系式为：

因此，当微波信号发生微小变化时，将导致输出电压的微小变化，两者是线性关系，即：

这样就可以通过电压变化趋势来间接反映少子变化趋势。[8]

3 基于微波光电导法的少子寿命新型测量系统

在充分分析其他少数载流子寿命测量方法后，本文提出了基于微波反射光电导测试系统的一种新的结构设计方案。该方案相对于目前的测试仪器结构更为紧凑、便携，成本也大大降低。该测试系统整体框架图见图2。

图2 基于微波反射光电导的系统设计框架图

该系统可分为四大模块：微波源模块、差频模块、发射接收天线模块和信号处理模块。从微波源发射的两个路径的微波，一个经过扰动驱动再投射到样品的固定照射区，另一个则直接透射到样品的照射区；同时驱动激光器，使得微波探测与激光照射同步同区进行。反射的两路微波进入与频移器集成的检波器，经过运算处理后，输出显示衰减图线。

该系统主要包括以下几个部分：

(1) 微波源

微波源用于产生 10GHz的微波探测信号。之所以采用10GHz的信号，是因为微波源在10GHz的情况下，通过波导系统来自有效天线的1.5cm波长的微波能和从样品反射回来的微波能发生作用而形成震荡，使得反射回来的微波在此处达到最大值。

(2) 移频器

微波源发射的两个路径的微波，通过使一个路径的微波经过移频器改变频率，实现两路径微波相对运动产生相对频率，从而产生频差，以减小单路微波路径测量受到外界环境因素的干扰。

(3) 天线

由于要求发射与检测系统的集成化，系统的发射与接收天线均选用矩形微带天线，即贴片天线。这是一种由矩形导体薄片粘贴在背面有导体接地板的介质基片上形成的天线，用作发射微波探测信号及接收微波反射信号[5]。

(4) 激光器

波长在0.9μm～1.1μm的激光二极管，作为硅片的注入光源，可在半导体材料中激发非平衡载流子。标称脉冲宽度≤200ns，上升沿和下降沿≤25ns。光源输出功率建议可调，在脉冲作用期间使样片表面产生的光子密度介于2.5×1010和2.5×1015之间。其次，对于Si材料，入射光波长1064nm接近它的吸收限，非平衡载流子可以在样品中近似均匀分布。

(5) 衰减器

必要的时候，在微波传输路径中分出一路连接到衰减器，无激光注入条件下调节衰减器，使检波器的测试信号为零。这样在有激光注入的条件下，检波器上检测到的信号为脉冲激光注入后引起的光电导衰减信号。衰减器能够消除暗光电导，加强探测信号。

4 实验步骤与数据分析处理

(1) 测定导电类型、硅片中心点厚度和中心点电阻率，并将电阻率换算成多数载流子浓度。记录这些数据和样片的标称直径及正、背面的状态（抛光、腐蚀、研磨、切割等）；

(2) 记录室温。如果样品台有温控系统，则记录样品台表面温度；

(3) 将样片置于样品台上，使脉冲光能照射到待测的区域；

(4) 打开脉冲激光光源开关；

(5) 调节光强，使注入水平η达到所需值。最好采用较高的注入比；

(6) 打开微波源电源，在显示设备上观察光电导衰减，调整时间及电压值的显示范围以便能观察到所需的衰减信号部分；

(7) 确认所选范围内的衰减信号符合指数衰减模式，通过将一条指数曲线拟合到电压V与时间t的函数曲线上，或在手动数据采集时，将一条直线拟合到In1V与t的函数曲线上，从而测定时间常数；

(8) 图3为微波反射所测量到的衰减实验图线的拟合曲线图，由图可知衰减曲线即光注入后，微波反射功率的变化曲线可算出寿命，该曲线即是光注入后反射微波功率v的变化。测量一次衰减曲线就可以得到寿命值。但如果信噪比不太高，建议进行重复测量并取平均值。下面介绍基本模式寿命（1τ）——通常可将衰减曲线上满足指数衰减部分的时间常数作为基本模式的复合寿命。如果反射功率在 =tA时为 VA，在t=tB时指数性地衰减到 VB= VA/e，则τ1= tB-tA。另外，记 t1为反射功率衰减到峰值1/e的时刻，t2为反射功率衰减到峰值 1 /e2的时刻，如果从t1到 t2的这段时间内衰减曲线与指数曲线的偏离并不大，则可以将t1-t2视为τ1；

图3 反射微波功率衰减曲线和复合寿命关系

(9) 记录测量复合寿命所选的计算方法、数值[6]。按照（8）所给出的测有效寿命的方法，可以得出：通过图4可找出所对应的τ2=τeff=3.8ms。

通过实验结果，在根据现有的微波反射光电导衰减测量方法的原理与计算方法，可以得出有效载流子寿命，这初步验证了该系统的可行性。

图4 拟合的指数衰减曲线图

5 结论

单晶硅太阳电池以其转换率高、稳定性好的特点广泛应用于各个领域，具有广阔的市场前景。本课题通过理论研究和设计相结合的方式，在深入学习研究少数载流子寿命及其测量原理的基础上采用先进的微波测量技术对单晶硅进行有效鉴定，提出了微波测量技术测试少数载流子寿命的新思路和具体的系统设计方案，分析了系统的工作原理以及各组成部分的功能，为单晶硅原料的质量监控提出一个非接触测量的新方法，并对其应用价值进行了展望。初步实验表明：设计方案具有可行性。

[1] 中商情报网,2009-2012年中国太阳能产业市场调研及发展趋势预测报告,2009.03.

[2] Solarbe.com,太阳能产业权威网站,太阳能光伏技术——晶体硅太阳能电池及材料,2007.

[3] 陈凤翔,崔容强,徐林.微波光电导中的灵敏度分析[J].太阳能学报, 2006,27(1)： 23-29.

[4] 李遥岑.太阳电池单晶硅光生少数载流子浓度的微波测量技术[D].暨南大学,2011.

[5] 波扎尔.微波工程[M].北京：电子工业出版社, 2006： 558-560.

[6] 洪岳.硅材料少数载流子寿命测定方法的研究及其系统的构建[D].暨南大学,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.