硅晶圓的性能參數(shù)

硅晶圓和硅太陽(yáng)能電池分別是半導(dǎo)體材料和半導(dǎo)體器件的典型代表。半導(dǎo)體特性參數(shù)衡量和表征材料及其器件的性能。

由于載流子是半導(dǎo)體材料及器件的功能載體，載流子移動(dòng)形成電流及電場(chǎng)，同時(shí)載流子具有發(fā)光、熱輻射等特性，因此載流子參數(shù)是表征半導(dǎo)體材料及器件載流子輸運(yùn)特性的基礎(chǔ)，即載流子參數(shù)是硅晶圓和硅太陽(yáng)能電池特性參數(shù)的重要組成部分。

當(dāng)硅晶圓經(jīng)過(guò)加工、制造形成硅太陽(yáng)能電池后，由于 pn 結(jié)和費(fèi)米能級(jí)的差異，導(dǎo)致載流子分離形成電壓，進(jìn)而有飽和電流、填充因子和光電轉(zhuǎn)化效率等電性能參數(shù)直觀反映并影響太陽(yáng)能電池伏安特性。綜上分析，硅晶圓的主要特性參數(shù)包括載流子參數(shù)。 [4] 載流子分為多數(shù)載流子和少數(shù)載流子，包括電子和空穴。載流子擴(kuò)散和漂移形成電流構(gòu)成半導(dǎo)體器件傳遞信息的基礎(chǔ)。載流子輸運(yùn)參數(shù)是描述載流子運(yùn)動(dòng)和濃度的基本參數(shù)，主要包括載流子壽命、擴(kuò)散系數(shù)及前、后表面復(fù)合速率等。這些參數(shù)直接反映了半導(dǎo)體材料的物理特性和電學(xué)性能，影響載流子濃度、遷移率;摻雜濃度是決定載流子濃度另一重要參數(shù)，影響材料電阻率和載流子壽命等參數(shù)，決定器件性能。 

載流子濃度多數(shù)半導(dǎo)體器件為少數(shù)載流子器件，如硅太陽(yáng)能電池。本文后續(xù)提到的載流子參數(shù)均為少數(shù)載流子參數(shù)。半導(dǎo)體在熱平衡狀態(tài)下，空穴和電子濃度相等，此時(shí)為穩(wěn)態(tài);當(dāng)受到外部激勵(lì)(光、電、熱等能量激勵(lì))時(shí)，半導(dǎo)體處于非平衡狀態(tài)，電子和空穴均增加，形成過(guò)剩載流子。載流子壽命(lifetime)，是指過(guò)剩載流子平均存在時(shí)間，載流子濃度滿(mǎn)足指數(shù)衰減規(guī)律。 [4]

載流子壽命載流子壽命根據(jù)載流子復(fù)合類(lèi)型可分為輻射復(fù)合壽命、俄歇復(fù)合壽命以及Shockley-Read-Hal(SRH)復(fù)合壽命。載流子壽命是反映材料和器件缺陷濃度的重要參數(shù)，也是衡量器件開(kāi)關(guān)速度、電流增益、電壓等特性的重要指標(biāo)，同時(shí)對(duì)半導(dǎo)體激光器、光電探測(cè)器以及太陽(yáng)能電池等光電子器件的電光和光電轉(zhuǎn)化效率起到重要作用。 [4]

表面復(fù)合速率載流子既在材料體內(nèi)發(fā)生復(fù)合也在表面發(fā)生復(fù)合。表面復(fù)合壽命或表面復(fù)合速率(Surface recombination velocity，s)是描述載流子在表面復(fù)合快慢的物理量。表面復(fù)合壽命越大說(shuō)明表面復(fù)合速率越低，反之，表面復(fù)合速率越高。表面粗糙度、表面懸掛鍵等表面物理性質(zhì)和狀態(tài)是影響表面復(fù)合速率的關(guān)鍵。表面復(fù)合速率是表征材料的表面質(zhì)量的重要性能參數(shù)。 [4]

有效壽命載流子有效壽命是將體壽命和表面復(fù)合壽命綜合的參數(shù)，是特定樣件載流子整體壽命的表征。目前大多數(shù)檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)的載流子壽命為載流子有效壽命，無(wú)法將體壽命和表面復(fù)合速率分離，因此很難逐一分析表面處理工藝、體內(nèi)缺陷和摻雜等過(guò)程對(duì)硅晶圓和太陽(yáng)能電池性能的影響。 [4]

擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散系數(shù)(Diffusion coefficient，D)是表征在單位時(shí)間單位面積上，載流子通過(guò)界面快慢的物理量。擴(kuò)散系數(shù)和載流子壽命共同決定載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度(Diffusion length)，擴(kuò)散長(zhǎng)度是評(píng)價(jià)材料性能的典型參數(shù)，載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度越長(zhǎng)材料質(zhì)量越好;對(duì)于太陽(yáng)能電池來(lái)說(shuō)，載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度越長(zhǎng)載流子分離和收集效率越好、光電轉(zhuǎn)化效率越高。 [4]

摻雜摻雜是形成功能半導(dǎo)體的必要環(huán)節(jié)，摻雜濃度對(duì)電阻率和載流子輸運(yùn)參數(shù)有著重要影響。本征半導(dǎo)體，即不摻雜半導(dǎo)體，常溫時(shí)電阻率非常高，隨著摻雜濃度增加，電阻率降低，載流子壽命和擴(kuò)散長(zhǎng)度逐漸降低。