欧姆接触的形成原理及应用于太阳能电池中的研究

欧姆接触定义为相对于半导体器件总电阻而言，其接触电阻可以忽略的金属半导体接触^[3]。欧姆接触不会在金属和半导体接触点产生明显的附加阻抗，也不会使半导体材料内部的平衡载流子浓度发生显著的变化。也就是说，这种接触使得接触点的电压降远小于样品或器件本身的压降。所以，欧姆接触所形成的电流是电压的线性函数。一般而言，金属电极与半导体器件只有形成欧姆接触，才能使金属电极更好地输入或输出电流。对太阳电池亦不例外，当半导体太阳电池材料确定时，只需选择具有合适功函数的金属材料即可形成欧姆接触。图7.1所示为欧姆接触的I-V曲线。

图7.1 欧姆接触的I-V曲线

对于理想的半导体材料，假设Φ_m是金属的功函数，Φ_n是n型半导体的功函数，Φ_p是p型半导体的功函数。不考虑表面态的影响，n型半导体与具有更小功函数的金属（即功函数满足Φ_m＜Φ_n），或p型半导体与具有更大功函数的金属（即功函数满足Φ_m＞Φ_p），可以形成欧姆接触。其物理图像为：当功函数不同的两种材料相互接触时，电子会从低功函（高费米能级）一边流向高功函（低费米能级）另一边，直到费米能级相统一^[4]。从而，低功函的材料将带有少量正电荷，而高功函材料则会带有少量负电荷，在其界面形成由低功函的材料指向高功函材料的内建电场。

图7.2 金属与n型半导体接触前与接触后形成欧姆接触的示意图

a）接触前 b）接触后

以n型半导体材料与金属接触为例，当Φ_m＜Φ_n时，电子会从金属流向半导体，从而使半导体表面带有少量负电荷，导带底能级向下弯曲；而金属表面带有少量正电荷，形成由金属指向半导体的内建电场，该电场有利于n型半导体内电子的输出。直到费米能级统一，才达到热平衡状态^[5]。因此，n型半导体与具有更小功函数Φ_m＜Φ_n的金属易形成欧姆接触，有利于导出半导体的电流。图7.2绘出了金属与n型半导体接触形成欧姆接触前后的示意图。

同样地，当p型半导体与具有更大功函数Φ_m＞Φ_p的金属接触时，电子从半导体流向金属，从而使半导体表面带有少量正电荷，导带底部向上弯曲；而金属表面带有少量负电荷，形成由半导体指向金属的内建电场，该电场有利于半导体内多子空穴的输出。直到费米能级统一，才达到热平衡状态。因此，p型半导体与具有更大功函数Φ_m＞Φ_p的金属，可以形成欧姆接触，有利于导出半导体的电流。图7.3绘出了金属与p型半导体接触形成欧姆接触前后的示意图。

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图7.3 金属与p型半导体接触前与接触后形成欧姆接触的示意图

a）接触前 b）接触后

在外加正向电压V＞0或者外加反向电压的情况下，欧姆接触的伏安特性是线性的，不具备整流特性，也不具备光伏效应。

然而对于实际材料而言，如Si、Ge和GaAs这些重要的太阳电池材料，一般都具有很高的表面态，无论n型还是p型材料与金属都很难形成理想的欧姆基础，都存在接触电势。在实际生产中，常常利用高掺杂在半导体上制备欧姆接触。也就是说，当金属与半导体接触时，接触层半导体掺杂浓度很高，则接触势垒区变得很薄，电子可以通过隧道效应产生很大的隧道电流，从而形成接近理想的欧姆接触。这就是GaAs材料常常存在高掺杂的帽子层来与金属电极形成欧姆接触的原因。

对于一些常见的太阳电池材料而言，已经研究出制作欧姆接触的各种工艺。表7.1所示为常见太阳电池材料接触材料的汇总。

表7.1 常见太阳电池材料接触材料的汇总

（续）