基於數據分析的鈍化層鈍化效果分析

發表於：2018-07-26 15:05:08     作者：李鵬 王珺

來源：太陽能雜誌

太陽電池的鈍化層直接影響太陽電池的性能，鈍化層界面上固定電荷密度和缺陷密度是分析其鈍化效果的關鍵參數。本文通過建立MOS模型來模擬鈍化層的電容-電壓(C-V)特性曲線，並使用函數表達模擬曲線，建立基於函數的資料庫，將實驗獲取的C-V 曲線與資料庫進行比對找出實驗數據對應函數，提取出鈍化參數Nf和Dit，並以此分析鈍化層的鈍化效果。

一

MOS模型建立

為了更好地研究晶體矽鈍化層的鈍化性能，本文建立了一個金屬氧化物模型來提取出氧化物和矽界面處的固定電荷密度Nf 和缺陷密度Dit，而這兩個因素則通過C-V 特性測試圖體現出來。先是輸入原始界面態的Nf 和Dit 數值、C-V 測試結果、氧化物與矽的參數，設定門極電壓VG 的原始值， 計算出此時的界面電勢ψS ;接著計算矽表面電容CS 和總電容C，由此來比較模型和實驗的C-V 特性圖的相關性，若相關性不好就改變門極電壓VG、Nf 和Dit，直至相關性符合要求;然後輸出此時的Nf 和Dit;具體流程如圖1 所示[3-5]。

界面電勢ψS 的計算公式為：QG(ψS)+Qf +Qit(ψS)+QSi(acc)(ψS)=0 (1)式中， QG 為門極電荷; Qf 為氧化層固定電荷; Qit 為氧化物和矽界面處固定電荷; QSi(acc) 為標準條件下的矽層固定電荷。

根據文獻[6]和[7]，能夠得到使用Si/SiO2 界面態鈍化的原始實驗數據， 在這裡得到界面上的缺陷密度分布; 通過圖1 的算法流程可以得出Dit 的算法公式，如式(2)所示，這個公式能夠將缺陷密度離散分布數據進行擬合形成一個曲線。

式中， K 為平衡常數，一般取1; E 為電池能級; Ev、Ec 分別為電池能級上下能級界限; Eg為電池能級帶寬， Eg =Ec -Ev;Eit 為晶體矽能級;Dit,m 為能級劃分處的缺陷密度; D0v、D0c 分別為Ev、Ec 能級下的缺陷密度。

關於建立模型模擬電池的C-V 特性曲線，則需要進一步計算其他變量，最終整合成關於Nf 和Dit 的函數。首先，電池MOS 結構的總電容C 可以通過式(3)來計算[8]：

式中， COX 為電介質上單位面積電容量。COX 可用式(4)求出：

式中， dOX 為電介質的厚度; tOX 為Al2O3 氧化層厚度;A 為MOS 層的面積; Cacc 為標準條件下的測試電容; εOX 為電介質單位面積上的介質常數。另外，CS 在高頻C-V 特性圖上獲取，其計算公式為：

式中， QS(majority,dopant) 為半導體矽表面摻雜物和多數載流子的電荷密度; εSi 和ε0 分別為矽和電介質的電容率; k 為玻爾茲曼常數; T 為熱力學溫度; q 為單位電荷的電量; ND 為摻雜劑電離子濃度; n1 為摻雜後晶體矽內自由電子密度。MOS 結構的電荷分布情況如圖2 所示。

在文獻[7]和[9]內可以找到求取ψS 的公式，通過式(6)~式(14)來算出。

式中， ns 和ps 代表n 型和p 型結構下矽表面自由電荷的載流子密度;σn 為表面處缺陷態對電子的俘獲界面;σp 為表面處缺陷態對空穴的俘獲界面; p1 為摻雜後晶體矽內空穴密度;ni 為半導體本徵載流子濃度;Esi 為矽層電場強度; df 為氧化層厚度; fa(E)、fd(E)分別為受主型、施主型界面複合概率;Dit,a 和Dit,d 分別為受主型和施主型界面缺陷密度;Ei、Et 分別為能級中點和目標能級; QSi 為半導體矽表面電荷密度。

QSi 的正負由門極電壓VG 和平帶電壓VFB 決定，當VG ≥VFB 時， QSi 為負;若VG ≤VFB ， QSi為正。平帶電壓VFB 可由式(15)計算：

式中， ΦMS 為MOS 結構中的金屬有效功函數，不同於金屬電子親和性和半導體費米能級;dox 為電介質厚度;dit 為電介質與矽接觸面電荷厚度。

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