硅中的点缺陷

硅中的点缺陷包括空位和自间隙原子以及杂质原子。空位或自间隙原子的凝聚是形成硅晶格中一些缺陷的起源。缺少一个硅原子的晶格位置称为空位，自间隙原子是处在晶体中晶格位置外的任何位置。目前，点缺陷对太阳能电池性能的影响尚需进一步研究。

硅中的空位和自间隙原子是晶体中所固有的，因此通常又被称为本征点缺陷。本征点缺陷是在拉晶过程中在硅的固液界面形成的。硅片的中间区域多是空位富集区，而硅片的边缘区域多为自间隙原子富集区。

热作用使硅原子在晶格格点上振动，当振动能量超过某一定值时，硅原子便脱离格点位置，到达晶格格点间隙位置，形成自间隙原子，同时晶格位置便留下一个空位，在这个过程中会产生相等数目的空位和间隙原子，这样成对产生的空位和间隙原子称为弗兰克缺陷。在具有表面的晶体中，硅自间隙原子可以通过热激发运动到硅表面，此时体内仅有空位存在；同理，空位也可以从晶体体内移动到硅表面并附着在表面上，此时体内仅有自间隙原子存在，这种点缺陷称为肖特基缺陷。在空位和自间隙原子扩散过程中，自间隙原子可能会跳入空位中，在这个过程中便产生了空位和自间隙原子的复合。空位通过扩散在晶格中会凝聚形成空位团和其他种类的缺陷，自间隙原子也会凝聚形成位错环、非本征层错等缺陷。由于原子的热运动，在绝对温度零度以外的任何温度，晶体中都会有空位和自间隙原子，因此，空位和自间隙原子又为热点缺陷。

硅中的主要点缺陷是空位还是硅自间隙原子有待进一步研究。研究表明，对于直拉（CZ）硅单晶，随着拉速和固液界面处轴向温度梯度的不同，空位和自间隙原子富集区大小会有所不同。当为高拉速或小的轴向温度梯度时，硅片中空位富集区扩大甚至使自间隙原子富集区消失，全部形成空位富集区；反之，硅片中空位富集区缩小甚至消失，全部形成自间隙原子富集区。

由于能量的原因，晶体中空位和自间隙原子在一定温度下的平衡浓度是一定的。温度越高，点缺陷的平衡浓度越高，当刚从熔炉中生长出来的硅单晶锭被提拉离开熔体并逐渐变冷时，在高温熔炉中形成的点缺陷浓度大多便超过了它们在相对较低温度下的平衡浓度，其中必有部分点缺陷通过其他途径而减少。这样，晶锭中过剩的点缺陷可以通过被位错吸收而减少，同种点缺陷可能凝聚形成扩展缺陷，空位和自间隙原子也可能湮没。

在有限大的晶体中，空位和自间隙原子可以在硅片表面独立产生和湮没，晶体表面对空位和自间隙原子的平衡和非平衡浓度起着很关键的作用。硅中的本征点缺陷的平衡浓度与温度有关。一般认为，晶体中点缺陷浓度是点缺陷的产生、扩散和点缺陷的复合三种效应共同作用的结果。

相对于本征点缺陷而言，硅中的杂质原子称为非本征点缺陷。硅中的杂质通常有两类：一类是在硅片加工和器件加工过程中不可避免地引入的杂质，如C、O和某些过渡金属等；另一类是为了控制硅的性质而人为加入的杂质，这一类杂质通常称为掺杂剂，如P、Sb等。硅的金刚石结构使得硅晶体中接受间隙位置的杂质原子相对较容易些，例如，硅中的氧和大部分的3d金属占据的是硅单晶中的间隙位置。当然，间隙位置对杂质原子的大小也具有一定的限制。像这类占据晶格间隙位置的杂质原子称为间隙杂质原子，而位于晶格位置的杂质原子则为替位杂质原子。硅晶格中引入的杂质原子的大小会引起周围晶格的膨胀或收缩，从而对硅晶体中的空位和自间隙原子的平衡浓度产生一定的影响。

此外，硅中一些更微小的缺陷近年来也引起了人们的研究兴趣。如LSTDs（Laser Scattering Tomography Defects）、FPDs（Flow Pattern Defects）、COPs（Crystal Originated Particles）。

红外散射缺陷（LSTDs）是硅中的原生缺陷，是通过激光扫描仪检测出来的一种光点形式的缺陷。拉制硅单晶时的拉速越慢，LSTDs密度越低。

流水花样缺陷（FPDs）是在secco液（0．15mol/L K2Cr2O7∶HF＝1∶2）择优腐蚀后观察到的，观察到的腐蚀痕迹是呈流线状的。大多研究者认为流水花样缺陷是硅晶体中的过饱和空位凝聚而成的空位团。

晶体原生颗粒缺陷（COPs）是硅单晶中的原生缺陷。这种缺陷是用SC－1（NH4OH∶H2O2∶H2O＝1∶1∶5）腐蚀后由激光计数器观察到的。COPs缺陷的密度与晶体的拉速有关，缺陷密度随着拉速的增加而增加，这说明COPs缺陷的形成与晶体的生长过程紧密相关。