发布时间 : 星期一 文章表面钝化 - 图文更新完毕开始阅读
⑺缺陷之间没有相互作用（也即：电子不能在缺陷能级间跃迁）
[33]
在这些假设的基础上，对位于能态Nt的单能级缺陷，SRH理论预期的复合速率Ut如下：
Ut??thNt(np?ni2)n?nl?p[34]
?np?ni2 (4-10) ?p?pl?p0(n?nl)??n0(p?pl)?n其中：nl?niexp(?p0Et?EiE?Et), pl?piexp(i), nlpl?ni2,并且 kTkT11， ?n0? ??n?thNt?p?thNt?n和?p是电子和空穴的俘获截面，?th是载流子的热运动速率（温度300K时，硅中～
10cm/s），Nt和Et分别为缺陷密度和缺陷能级。?p0和?n0叫做空穴和电子的俘获时间 常数。硅晶
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体中典型的俘获截面数值为10～10cm范围。复合速率与热运动速率和缺陷密度成正比例。是
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np?ni2项促使复合过程进行，它描述了载流子浓度对热平衡值的偏离。
对于多能级陷阱，复合过程的粗略定性特点类似于单能级情形。但是复合过程的细节却有不同，在高注入水平下（?n??p?多数载流子浓度）尤其如此，此时渐进寿命是与全部带正电的、带负电的和中性陷阱能级相联系的寿命平均值[35]。
??n?SRH的定义，与注入水平相关的SRH寿命可以用（4-7）式计算：
n?n??np?pl??n （4-11） ?SRH??p00l??n00n0?p0??nn0?p0??n（4-11）式计算的SRH寿命依赖于?n的关系相对复杂。为了使得基本依赖照射光强，我们首先考
应用?n??p和U虑两个极限情况：低注入和高注入条件。下面将会看到，对于非常小和非常大的载流子浓度偏离热平衡值的情形，载流子寿命与注入水平?n无关。
4.2.3.1低注入
在低注入极限情形,过剩载流子浓度?n与硅片掺杂浓度相比非常小。因此，对于两种掺杂类型，过剩载流子浓度?n在方程（4-8）右边的两个分母上可以忽略。p型硅中情形下，方程（4-8）简化为：
p0?NA＞＞（n0，?n）的
?SRHlow??p0??1?K??????n0?1?p?n??(1?) （4-12） l??n0?l?NNA?n0A???K是一个正的常数，其值取决于缺陷能级和
[28]
?p0?n0的比值（或等价于复活截面的比值
?n?p）
。从（4-12）式可以看出， 为了讨论
?n0为p型硅中低注入SRH寿命的基本下限。
n0?SRHlow与缺陷能级的依赖关系，我们假设电子和空穴的时间常数相等（???p0，也即
K?nl?pl）。在?SRHlow??n0的情况下，对于“深能级”杂质，当?SRHlow??plNA??n0时，缺陷
能级位于价带边沿，当?SRHlow??nlNA??n0时，缺陷能级位于导带边沿。图4-3表示了缺陷能级与三
种掺杂水平的关系。可以看到，浅能级缺陷的寿命要比深能级缺陷的大很多。因此，靠近带隙中央的缺陷是最有效的复合中心。另外，?SRHlow与缺陷能级的关系以本征Fermi能级为对称轴，原因是我们假设?n0??p0和基本关系nlpl?常数。第三个重要特性是，实际上随着体掺杂水平的升高，深能级缺
陷的能量范围也增加(即，大部分的带隙被深能级缺陷占据)。电子和空穴的时间常数不相等的讨论与此类似。然而，这种情形下?SRHlow关于缺陷能量的对称性就不存在了。在带隙的上半部分，大（小）的
?p0?n0比值使低注入SRH寿命增加（减少）。 类似的关系适用于n型硅。
图4-3 低注入条件下，p型硅中归一化的SRH寿命
?SRHlow/?n0与缺陷能级和掺杂浓度NA的函数关系
图4-3揭示了对于覆盖整个带隙的缺陷能量分布，低注入SRH寿命随着掺杂水平的升高而下降。例如空间太阳电池在工作期间，由于高能光子和粒子（主要是质子）引起大量的饿缺陷能级，这是非常重要。为了减轻器件综合效率的退化，空间应用的硅太阳电池通常用轻掺杂材料（≥10Ω）制造。另一方面，如果硅中仅有深能级缺陷（300K时，Et在Ei±150meV范围），则低注入SRH寿命依赖于掺杂水平。原因是在低注入的掺杂半导体中，存在着大量过剩的多数载流子，所以对于深能级缺陷，少数载流子俘获是速率限制过程。要强调的是，在这种特殊情况下（即，低注入，深能级缺陷，和足够大的基片掺杂水平），SRH载流子寿命等于缺陷的少数载流子俘获时间常数。
图4-4 p型硅片中低注入寿命与掺杂浓度的函数关系
图4-4所示为p型硅片中低注入寿命与掺杂浓度的函数关系。假设了SRH寿命的?n0为1ms，它代表着硅技术的现状。可以看到，对于掺杂浓度在1016cm-3以下时，SRH复合是寿命限制过程，掺杂浓度高于~5×1016cm-3以上时，俄歇复合站支配地位。如前面所述，辐射复合在晶体硅中不显著。另外，图
（4-3）揭示了对于浅能级缺陷，低注入SRH寿命随着体掺杂水平的下降而上升。这是事关重大的技术问题， 因为在轻掺杂的硅中，晶体中掺杂（即“浅能级杂质|”）的引入会强烈地减低可以达到的载流子寿命。
4.2.3.2高注入
在载流子浓度极度偏离热平衡值的极限情况下（n,p??n0,p0,nl,pl），对于n 料，SRH理论给出下列载流子寿命常数（与注入水平无关）。
?SRHhigh??p0??n0?常数 （4-13）
这一寿命值与缺陷能级或半导体掺杂浓度无关。因此，对于深能级缺陷，高注入时的SRH寿命总是比低注入时的要大。但是，对于浅缺陷则常常相反，可以从前面的讨论得出结论。关于（4-13）式有一个清晰的评论：根据U??n?，恒定的寿命意味着随着注入水平的增加，复合速率U与?n成比例地增长。这是其本身的特性，并不意味着其他，因为有限的缺陷数量在单位时间内产生的复合过程也是有限的。因此，在一定的注入水平以上，标准的SRH理论丧失了其有效性。原因是在复合过程忽略了弛豫时间（假设⑷）。Dhariwal 等人[28]通过计入这样一种弛豫时间拓展了标准的SRH理论。在无穷大注入水平下，他们修正的理论预言了合理的结果?SRH和。
型及p型材
??。在该篇著作中，这种现象称为陷阱饱
4.3表面复合*
4.3.1基本原理
半导体表面表现了晶格对称性可能失衡的极端状况。由于非饱和（悬挂）能带，带隙中高密度的缺陷（表面态）存在于晶体表面上。另外，还有其他与工艺相关的表面态，由化学残余物、表面金属沉积和可移动电荷等因素引起。如前面所讨论，复合与缺陷的关系由SRH理论来描述。基于方程（4-10）, 复合速率Us与固定于能量Et的单能级表面态的关系由下式给出：
nsps?ni2 （4-14） Us??ns?nlps?plns?nlps?pl???p?nSp0Sn0?thNst(nsps?ni2)Sn0??n?thNst，SP0??p?thNst
Sn0和Sp0是电子和空穴的表面符合参数，ns 和ps是电子和空穴在表面处的浓度，?n和?p是电子
和空穴的俘获截面，Nst是单位面积的表面态数目。其余参数与方程（4-10）中的意义相同。要强调的
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是Nst 的单位是cm，对应于体复合情形的态密度单位cm。因此，表面复合速率Us 是以cms的单位来度量的，??thNst具有速度的尺度而不是时间常数。（与方程（4-10）相比较）。
类似于方程（4-4），半导体表面的表面复合速率可以定义为：
Us ≡S·Δns （4-15） Δns是表面处的过剩载流子浓度。作为SRH理论给出的关于表面复合速率与表面态性质的重要结果，有两种 根本不同的技术来减少半导体表面的复合速率。 *
Armin G. Aberle, Crystalline silicon solar cell—Advanced surface passivation and analysis,Centre for Photovoltaic Engineering, University of New South Wales, Sydney NSWS2052 Australia 1999, p.23—43.
优化表面态特性
如4.2.3 节所指出，SRH复合速率正比于缺陷密度。从技术上讲，可以通过沉积或生长一层合适的钝化薄膜来猛烈地降低表面态密度 Nst。晶体硅表面钝化最成功的侯选要算二氧化硅和氮化硅。一种替代的途径是将硅片浸没在极性液体中：在某些酸液中（例如HF，H2SO4）已经测到了极低的S值,(＜
[36]
1cm/s )。另一方面，技术上不可能用固体薄膜获得小到可以忽略的Nst值，看起来有望于通过适当地修改薄膜制作工艺（表面态工程）来优化剩余的表面态。
降低电子和空穴的表面浓度
SRH复合过程涉及到一个电子和一个空穴，在表面电子和空穴浓度近似相等的情形下，已经得到到最大的表面复合速率。相反地，如果其中一种成分的浓度急大幅度地降低，那么，复合速率也大幅度降低。当电子和空穴运载电荷时，一种电荷（电子或空穴）载流子表面浓度的减少可以通过在半导体表面下形成一个内建电场最容易地实现。技术上讲，有两种独立的技术可以形成这样的内建电场。
在硅表面下制造一个掺杂分布
通过在顶部绝缘层中引入固定电荷的方法进行场效应钝化。
在硅片表面下制造掺杂分布是微电子和光伏工业的标准工艺步骤。这里，杂质原子在晶体晶格里的空间非均匀浓度分布产生内建电场。如果掺杂杂质与硅片原有杂质极性相同，那么这种掺杂产生一个高低结（pp或nn）。在硅太阳电池中，pp结被广泛地用来减少背表面的复合损失。在光伏界，背表
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面的这种高低结被叫做背面场（BSF）。同样，如果高低结在受光照的前表面，那么就叫做前面场（FSF）。相反地，如果掺杂杂质与硅片原有杂质的极性相反，那么这种掺杂将形成通常的pn结。值得一提的是，如果背面高低结深度延伸到硅片内部，那么对应的电场将不但减少背表面的复合损失，体
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内复合损失也将减少（漂移场太阳电池）。
就技术上而言，场效应钝化方法可以在硅上使用各种不同的绝缘薄膜。关于在热氧化SiO2和等离子沉积氮化硅中引入固定正电荷的场效应钝化的详细研究，可以查看有关的参考文献。另外，在所谓栅增
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强太阳电池中，栅极电压可以使表面能带弯曲。
在实际器件上，上述钝化技术通常综合考虑以获得最小的表面复合速率。例如，使用热氧化SiO2薄膜的表面钝化，极大地降低了表面态密度Nst，并且进一步在氧化层中引入固定正电荷后，可以产生场效应钝化作用。
为了揭示表面态最重要的性质对复合速率的基本的影响，我们首先考虑半导体表面没有电场的特殊情形（即：平带条件）。随后，再讨论具有表面电场情况下修正的复合速率。
+++4.3.2表面平带条件
在表面平带条件和忽略载流子陷阱的情形下，过剩电子和空穴的浓度相等：?ns（4.14）和 （4.15）可以联合写成：
??ps。于是方程
S??ns??n0?p0??ns （4-16）
n0?nl??nsp0?pl??ns?SP0Sn0 这表明表面复合速度S不仅与表面态的性质[即：它们的能级（nl和pl），密度及电子和空穴的俘
获截面（Sn0和Sp0）]有关，而且与硅片表面的注入水平Δns和表面掺杂浓度水平（n0和p0）有关。尽管
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这是SRH理论的直接结果，但是过去的文献中对这一特性的叙述相当混乱。(例如：参考文献)。
可以看出，与SRH体寿命一致，对于非常小和非常大的注入水平SRV变得与Δn无关： 低注入：p型材料中低注入条件下的SRV给出如下
Slow????1??Sn0 （4-17） ?Sn0???1K????1?p?SSn1???1n0p0lNANA??