硅晶体生长过程中氧杂质在凝固界面处分凝的模型及机理研究

Oxygen impurity in silicon is known to detrimentally impact the electrical performance of silicon based semiconductor devices and reduce the conversion efficiency of crystalline silicon solar cells. The segregation of oxygen atoms at the solidification interface is one of the key factor that influences the concentration, distribution of oxygen in the crystal. In this project, a microscale thermodynamic model of oxygen segregation at the solidification interface is established and an efficient, broadly applicable method based on atomic simulation is proposed for calculation of segregation coefficient. We employ the machine learning algorithm to optimize the empirical parameters of Si-O interatomic potential function which is aimed to predict accurate silicon melt temperature and oxygen thermodynamic properties in the melt and at the interface. With the segregation model and optimized potential, we study the influence mechanisms of key parameters such as temperature, impurity concentration and point defects on segregation, which can provide a theoretical basis for the prediction of oxygen distribution and controlling of oxygen concentration in silicon crystal.

硅晶体中的氧杂质会严重影响硅基半导体器件的电学性能，降低晶硅太阳能电池的转换效率。氧杂质在凝固界面处的分凝是影响硅晶体中氧杂质含量及分布的关键因素之一。本项目从原子层面研究硅晶体生长中氧杂质在凝固界面处分凝的模型及影响机理。根据热力学及相平衡理论，构建杂质在凝固界面处分凝的微观热力学模型，提出高效、普遍适用的杂质分凝系数计算方法，以机器学习方法为基础，优化出能正确预测硅熔点温度的硅氧原子相互作用势函数，以准确描述氧杂质在凝固界面处的分凝等热力学性质。基于以上分凝系数计算的数值模型及优化的原子势函数，研究氧杂质分凝随温度、杂质浓度、点缺陷密度等物理量的变化规律，进而阐明这些物理量对杂质分凝的影响机理，为预测硅晶体中氧杂质分布及控制氧杂质含量奠定科学理论基础。

硅晶体是半导体器件以及太阳能光伏的基础材料。硅晶体中的氧杂质会严重影响硅基半导体器件的电学性能，降低晶硅太阳能电池的转换效率。氧杂质在凝固界面处的分凝是影响硅晶体中氧杂质含量及分布的关键因素之一。本项目从原子层面研究硅晶体生长中氧杂质在凝固界面处分凝的模型及影响机理，对于硅晶体中氧杂质分布的预测及氧含量的控制具有重要意义。.提出了适用广泛的晶体及熔体自由能计算方法，利用该方法计算含有杂质的晶体自由能无需作简谐振动假设，能包含所有熵的贡献。基于提出的自由能计算方法建立了杂质在凝固界面处分凝的原子尺度计算模型，提出了高效、普遍适用的杂质分凝系数计算方法，并推导出具有明确物理意义的杂质分凝系数理论表达式。利用分凝系数计算方法计算了氧、碳杂质的分凝系数，获得的碳杂质分凝系数为0.1，与实验值较接近，氧杂质分凝系数为0.02，远低于实验值。.进一步研究了氧、碳杂质在硅凝固界面处的分凝特性，及杂质浓度、晶体与熔体密度等因素对分凝系数的影响。发现分凝系数随杂质溶度下降而减小，在实际硅晶体生长条件下的杂质浓度范围内基本保持不变。氧杂质分凝系数受晶体及熔体密度比影响较大，当熔体密度值固定时，分凝系数值随晶体密度的增加而增加，当计算的密度比值接近实验密度比值时，预测的氧杂质分凝系数与实验测量值较为接近。.从原子层面基于多重势函数研究了硅熔体输运性质，发现势函数计算所得的硅熔体扩散（粘性）系数低于（高于）实验值。基于熔体微观结构分析，发现多重势函数模拟的硅熔体共价相互作用太强，从而揭示了势函数对硅熔体输运性质的影响机理。基于以上机理研究，进一步对势函数进行了优化研究，获得了能更准确预测硅熔体扩散及粘性系数等热力学参数的势函数。.本项目研究过程中发表SCI论文9篇，申请发明专利1项，在国际/国内会议作报告7次，辅助培养博士生2名，硕士生2名。.