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从半导体器件寿命的测量分析发射极饱和电流密度 摘要： 发射极饱和电流密度的测量通常用非接触光电导测量方法。我们回顾的物理现象并且将常用的近似方法和使用二维器件模拟的方法作对比。在不同实验条件下（比如：不同照明条件、表面性质）我们量化在这种近似下的误差。从发射极到体电极的黑空穴模拟接近于由后掺杂的光电导测量值决定的模拟。只有当样本在接近。。。的情况下，前发射极的模拟才和后发射极的等价。在光照条件下（比如:可见光）前发射极的小于后发射极的。来自后发射极的和来自发射极黑空穴的在大范围基区参杂浓度变化时几乎为常数。来自光电导测量值的近似使得和多余少数载流子无关。寿命测量值表明，即使在高质量硅中，应该当分析方法作为测量多余少数载流子浓度（包括肖特基-李德-霍尔复合）时被得出。关键字：硅、光电测量、少子寿命、发射极复合电流、太阳能电池1.介绍： 在太阳能电池中，扩散的区域，比如发射区和表面区是无所不在的。对于高效率太阳能电池，两个分别在手指之间和在接触之下的发射区是有选择性的扩散。首先，低掺杂的发射极用于促进开路电压和短路电流。第二，重掺杂区用于降低接触电阻。在标准的工业太阳能电池中，后部镀金的淬火用于扩散铝到硅中形成后表面区域的承载。在后结点和后接触太阳能电池中，相反地，前表面区域是在前表面重掺杂引起的。所有这些区域有一个共同点就是它们是主要的复合源，限制开路电压因而获得效率。由于高表面掺杂浓度使得重掺杂发射极和前表面区域提供了一个相对较好的表面钝化，这样可以抑制一种电荷载流子并因此降低表面复合。相反的是，在前手指之间的低掺杂发射极中，这种作用被削减使得被一层薄电介质层覆盖的表面绝缘很重要。 描述扩散区的复合是一件很复杂的事，因为分清它的两个主要部分通常是不可能的：体复合和在重掺杂表面的复合。对于太阳能电池的模拟来说，表面复合是最重要的参数。对于器件的优化，表面的反应或复合和扩散层的体复合是更为重要的信息。发射极饱和电流密度是将发射层的体复合和重掺杂表面的复合结合在一起的参数。这个参数的测量因此是描述扩散层复合的很好方法。在1985年，凯恩和斯旺森引进了一项强大的技术，可以从有效寿命的测量方法中得到发射极饱和电流密度【1】。这项技术的主要优点是简单的测量装置和直接的分析。这种方法不需要欧姆接触并且可以被应用到没有钝化层的样品或是退火的样品中。用电感耦合原理测量那里的有效寿命，as在准稳态光电导【2】或是在微波光电导衰减中【3】。事实上，的引入，通过寿命测量出的对于发射极和场效应特性来说是标准的。这对磷和硼掺杂的发射【4】}的扩散过程来说是最好的优化方法。这种方法被普遍地应用于铝后表面区域【5】和前表面区域【6】的表征。也有时被应用于介电表面钝化，as在介电硅表面的高表面电荷导致耗尽区【7】。 在太阳能电池模拟中，表面复合速度的知识作为表面掺杂剂密度的函数对模拟发射区来说很重要。自从发射区饱和电流密度包含所有的复合损失，理论模型被应用从而将表面损失和发生在发射集体的复合区分开来。这一概念被广泛应用于磷和硼掺杂的发射极【4,8-16】，所用的仿真工具为PC1D【17】或sentaurus TCAD【18】。 的标准公式表示如下： （1）在这个表达式中，是被测量的寿命，，和分别是俄歇复合，辐射复合和肖特基-李德-霍尔复合的寿命值。代表硅片的基区掺杂浓度，代表多余载流子浓度，代表电荷电量，代表晶片厚度，代表有效本征载流子浓度。和代表发射区前和后饱和电流密度，“前”指的是冲击光进入器件的区域。这个表达式是基于基本近似并且包含发射极饱和电流的定义，来自于连续性方程，以此来计算寿命【1】。计算细节将在之后的理论部分详述。 虽然不同的复合机制在有效寿命的结果上不同，但可以通过各自对于多余载流子浓度的dependence将它们区分。俄歇复合，和的立方成正比，可以通过理论模型被任何给定的载流子密度减掉。辐射复合同样是载流子密度的函数。通过检测发射区复合决定的余下复合所涉及的注入水平范围，可以得出。尤其在高注入regime的中间，在这里，复合的影响是最小的。凯恩和斯文森的分析通过对载流子密度按等式（1）进行绘图，并且根据斜线计算（见图1）。发射极饱和电流密度在低注入情况下可以精确得出，如果为了获得更高质量，实验中使用高掺杂（区熔）材料。在此例中，用高纯FZ硅【19】或是低注入【20】的俄歇复合的简单表达式可以估算复合，可以直接用等式（1）计算。即使凯恩和斯文森用瞬态实验验证他们的理论，他们的方法同样适用于准稳态测量方法【21】。 图1：从inverse llifetime（）的斜线用施恩的方法计算。Open dots是作为函数的被测inverse llifetime，并且黑线和斜线的误差大约为 高注入方法的基本形式已经被应用自从它被凯恩和斯文森提出并且此方法