。该过程可以结合图2所示反射镜35和36来使用，以形成具有激光振荡器的光学谐振器。反射镜35、36彼此平行安装，并且与激光棒33的轴垂直，使得如果自发发射的光子偶然沿着激光棒33的轴传播，则被相应的反射镜35或36反射回到激光晶体中，提供受激发射以及产生波长、相位和方向全部相同的多个光子的机会。如果增益大于单位1，则这提供了放大的可能性，带来光学腔11内光子数目的增加。然后这些光子被另一反射镜36或35沿着激光棒的轴17再次反射回，并反射回到激光晶体中。只要增益保持高于单位1，这些激光振荡就继续增加光子通量，其中增益由电子激发状态(反转状态)下电子的数目、受激发射过程以及激光棒体积来确定。
[0080]稳态连续波激光器操作
[0081]在稳态中，增益为单位1，激光晶体发射新光子的速率正好平衡来自光学腔的总光学损耗。来自该腔的主要光学损耗经由反射镜35在激光器的输出端处，该输出端设计为部分地透射，以允许激光束射出(escape)。这种激光器操作模式被称作连续波，因为从光学谐振器中连续传递激光束。
[0082]对于给定的激光棒33、光学腔32和栗浦灯功率，激光器的这种稳态操作对应于电子激发态中电子的“阈值”粒子数反转密度(populat1n invers1n density)Ntho对于N> Nth，增益会超过单位1，引起激光振荡和光子通量的增加，这继而引起受激发射的增加，并且引起电子激发状态下电子数目N的相应减少。类似地，如果N<Nth，则增益低于单位1，出现小于受激发射的稳态值，导致由于栗浦灯引起的被激发电子的产生速率超过受激发射所确定的复合速率，从而N增大。
[0083]Q开关激光器操作
[0084]Q开关(Q-switching)是广泛用于产生高功率脉冲的激光器操作的模式，使得更容易在激光掺杂工艺期间熔化硅。在激光晶体中，能量在一段时间内被高效累加并存储，然后用于形成在极短时间段中从激光器发射的极高能量激光脉冲，因此提供极高功率密度。在激光晶体中，通过有意地在光学腔中产生光学损耗，以延迟受激发射并因此防止激光发射动作，来累积和存储能量。这允许被激发电子的产生速率远超过复合速率，因此允许N远超过Nth。激光晶体的这种状态被称作“粒子数反转”。对来自光学腔的光学损耗的后续消除允许受激发射再次发生，并且光学腔中的光子通量以指数方式增加，直到N被减少到足以延迟显著的进一步福射复合(radiative recombinat1n)。这引起从激光器发射极高能量脉冲，之后少数电子保持在它们的激发状态下，N降至远低于Nth，并且增益也降至远低于单位1。
[0085]将光学损耗引入到光学谐振器中通常被称作降低品质因子Q，其中Q被定义为光学腔中存储的能量与每循环能量损耗的比值。图3示出了 Nd:YAG系列lOOQuantronix?激光器41的光学腔的照片，示出了淹没式(flooded)光学栗浦腔42，封闭了 Nd:YAG晶体组件43和氪弧栗浦灯组件44。光束经由安装在轨道49上的束射管和波纹管(bellow) 48从晶体组件传递到一个反射镜组件46。反射镜调整51提供光束轴与反射镜46的对准。在光学路径的输出端处，提供Q开关布拉格角调整52、模式选择器53和腔间安全快门54。在这种情况下，Q开关55是激光束通过的棱镜。安装在棱镜上的电极允许将高功率RF信号施加于棱镜，引起激光束偏离并因此产生光学损耗。图4示出了如何使用品质因子的控制来产生高能量脉冲以及整个过程中N如何改变。当考虑激光掺杂时，得到对Q开关激光器的严格限制在于以下事实:在产生每个高能量脉冲之后，由于来自光学腔中极高光子通量的受激发射，N下降低值(即，远低于Nth)，使得最小激光发射动作是可行的，直到N返回到远超过Nth。从激光掺杂的角度来看，这花费太长时间，这是因为在该时间段期间熔化的掺杂硅重新固化。
[0086]激光掺杂工艺
[0087]针对硅晶片的激光掺杂工艺包括在存在η型或ρ型掺杂剂的情况下熔化晶片的局部化表面区域，使得将掺杂剂包括到熔化区域中。参照图1，这便于形成选择性发射极结构，该选择性发射极结构具有与覆盖金属接触23、24、25自对准的重度掺杂区域22。掺杂剂可以被包括在表面介电层17内，并且被涂覆为介电层(可能地，还有抗反射涂层16)上面或下面的涂层，掺杂剂可以未激活状态存在于硅中，从而通过熔化或再凝结过程被吸收到硅结构中(或者被激活)，或者可以在硅被熔化的同时将掺杂剂以气体或液体形式施加至区域(以下参照图12和13进行描述)。参照图1示例，如Wenham和Green的美国专利US6429037所教导的，为了与后续在重度掺杂激光熔化区域22上形成自对准金属接触23、24、25相结合地使用激光掺杂，将硅表面涂覆介电层17，介电层17保护未熔化区域不受后续金属接触形成过程的影响。激光掺杂工艺自动破坏了激光掺杂区域中的覆盖介电层，因此暴露硅表面，以用于可以自对准工艺(例如，经由金属电镀)进行的后续金属接触形成。介电层或多个介电层可以包括抗反射涂层16、表面钝化层14、掺杂剂源17、针对表面和/或晶粒边界和/或缺陷钝化的氢源(未示出)、针对硅表面和/或电镀掩模的保护层(也未示出)、或者可能相结合或单独地执行这些功能中的一个或多个的一个或多个层。
[0088]也可以将掺杂剂源合并到硅本身内，而并非是分离层或涂层。换言之，激光器可以用于局部地熔化已经载有掺杂剂的硅，使得熔化或再凝结工艺使自由掺杂剂(通常被称作填隙原子，填隙原子是未在硅晶格中正常键合的电不活跃掺杂剂，)被吸收到晶体硅结构(晶格)中，并且从原始位置重新分布。例如，当在发射极形成步骤中将η型掺杂剂热扩散到硅的表面中时，更多其他η型掺杂剂原子可以扩散到硅中，而不是实际上变得电活跃。激光熔化可以用于允许这些额外掺杂剂原子重新分布它们自己，并且在硅中变得活跃，以形成更重度掺杂的接触区域。
[0089]在硅内存在(例如，在扩散η型发射极内存在)的不活跃掺杂剂的数目由进行扩散的方式来确定。通常当将掺杂剂扩散到表面中时，可以以如下方式来进行:针对执行处理的具体温度，尝试将掺杂剂(磷(Ρ))的表面浓度保持低于硅中掺杂剂的固溶度，以免包括过多的不活跃掺杂剂。例如，避免硅中过度掺杂剂原子的一个方式是通过在二氧化硅层中的扩散(最普通的方法)，尽管另一非常普通的方法是简单地降低掺杂剂源的浓度。
[0090]通过有意允许表面掺杂剂浓度(例如，磷)超过硅中掺杂剂的固溶度，从而将大量不活跃掺杂剂合并到表面中，这些不活跃掺杂剂变成针对激光掺杂工艺的掺杂剂源。典型地，可以形成薄片电阻率为每平方80-200欧姆的发射极。通过合并大量不活跃掺杂剂，与未经过激光处理的区相比，经激光处理的区域中的薄片电阻率可以降低至少一半。例如，如果形成优选发射极薄片电阻率为每平方100欧姆的发射极，则可以使激光熔化区中的薄片电阻率降低至大约每平方30-40欧姆。这种级别的薄片电阻率足以提供良好性能，但是对工艺进行优化可以提供更好的结果。
[0091]传统Q开关或连续波激光器的问题
[0092]由于稳态下传统Q开关或连续波(cw)激光器所施加的限制，出现对上述工艺的特定挑战。在稳态下的连续波激光器中，很难熔化硅，并使硅在足够持续时间内保持熔化，以确保掺杂剂的混合，然后在烧蚀到一些硅之前停止来自激光器的能量流。这通常是因为，如果在光束中存在足够能量以在合理时间段内(在近似1400摄氏度下)熔化硅，则在后续2-10微秒期间，硅需要保持熔化以用于掺杂剂混合，在该时间段期间从cw光束到熔化区域的激光器能量的恒定传递可能将硅加热到超过其汽化温度(如图6所示的Tv)。在图6中，用虚曲线示出了不可接受的情况，其中，当将稳态下具有能量Ess的cw激光器施加于特定位置时，硅被加热到远超过汽化温度Tv。为了避免不可接受的硅烧蚀，必须充分的减小能量Ess，使得硅达到的最高温度Tu仍低于烧蚀温度T v，或者如图6实曲线所示，在t2时刻必须停止对该位置施加激光束，使得在硅被允许冷却之前仅加热到温度T2。很难利用稳态下的cw激光器来以这种方式保持施加并然后停止激光束的施加，这是因为例如激光器输出和激光器操作中的瞬变效应等问题。即使能够以这种方式应用和停止CW激光器，能级Ess和时序也必须是，使得t (硅熔化时刻)与〖2 (激光束停止时刻)之间的时间段需要至少为2微秒，否则硅无法在足够长时间内保持熔化以适当地混合掺杂剂。典型地在远超过10MHz脉冲频率下工作的伪连续波激光器存在相同的问题，其中能量脉冲如此紧密地在一起，使得从硅的角度来看，其行为类似于cw激光器，因为硅在脉冲之间没有足够时间来显著改变温度。
[0093]传统Q开关激光器也引起激光掺杂工艺的问题。这是因为脉冲太短且离得太远。脉冲持续时间通常远低于1微秒，典型地，导致硅保持熔化不超过1微秒，这对于充分的掺杂剂混合而言是不足的。为了补偿上述，因此在每个位置处典型地需要许多交叠脉冲，以熔化硅足够多次，使得累积效应提供熔化状态的足够时间，以用于充分的掺杂剂混合。然而，这引入与热循环有关的其他问题。这些Q开关激光器中脉冲之间的持续时间足够长(通常至少为几个微秒)，以至于硅在脉冲之间重新固化。该循环在硅上产生显著应力，导致缺陷产生，特别是导致紧邻熔化区的区域中的缺陷产生，硅与抗反射涂层(通常是氮化硅)之间的热膨胀系数失配恶化了这种缺陷产生。每个位置处的每个附加脉冲将紧接熔化区域的固态硅重新加热到接近硅的熔化温度的温度。在这些温度下，氮化硅的较高热膨胀系数(或者热膨胀系数超过硅的热膨胀系数的任何其他层)导致其将硅表面置于张力下。在这些条件下，硅特别弱并且易受缺陷产生的影响。硅保持的这些循环越多，缺陷产生明显越恶劣。因此对于这种类型的激光器，存在基本的弱点和折衷，从而每个位置处不足的脉冲导致不正确的掺杂剂混合，但是不会导致太多的缺陷，而附加脉冲促进更好的掺杂剂混合，但增加了缺陷产生。
[0094]近年来在多个机构和/或公司中已经进行相当多的研究，以解决这种与激光掺杂有关的问题。不幸地，所发现的解决方案对于激光掺杂太阳能电池的商业产生是不实际的。一种解决方案已经用二氧化硅层代替了氮化硅ARC，其中二氧化硅层具有比硅低的热膨胀系数。当这样的层被加热到硅的熔化温度附近时，使用这样的层将硅表面置于压缩下，因此避免缺陷产生。利用该方法制造的器件已经实现了良好的电性能，实现了超过80%的填充因子，这指示由于缺陷而引起的结复合已经降低至不显著的级别。然而，该方法对于商业器件是不实际的，首先因为较低质量的商业级衬底很大程度上依赖于来自氮化硅层以钝化缺陷和晶粒边界的氢化作用，其次因为二氧化硅层的折射率太低以至于不能像抗反射涂层一样有效，第三，针对这种氧化层的热生长工艺对于商业器件是不实际的。
[0095]使用夹在硅表面与氮化硅ARC之间的薄界面氧化层的修改方法已经解决了上述限制中的一些，同时有利于避免缺陷产生，并且因此实现了高填充因子。ARC组合的光学性能仅略微低于平直氮化硅ARC的光学性能，而工业上生长薄氧化层(150-200埃)的可实用性极大地优于必须生成ARC厚度(1100埃)的氧化层。然而，除了增加成本和必须生长薄氧化层的复杂性以外，主要缺陷还在于如法通过这样的氧化层来氢化(钝化)缺陷和晶粒边界。