论文研究-原子层沉积生长Al2O3薄膜表面钝化机理的研究 .pdf

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原子层沉积生长Al2O3薄膜表面钝化机理的研究,孙平杨,张炳烨,本文采用原子层沉积(ALD)方法在不同导电类型的制绒单晶硅(c-Si)表面生长一层23 nm厚的Al2O3薄膜。Al2O3薄膜结构利用场发射扫描显微镜(FESEM)
山国武获论文在丝 http:/www.paper.edu.cn 光电导( QSSPC测试得出。 852结果与分析 2.1Al2O3薄膜截面微结构 图1是p型和n型Al2 O/c-Si的FSEM截面图硅片表面随机分布的佥字塔平均高4um, 底边长6um。从图1中可以看出p型和n型制绒单晶硅表面都均匀地生长一层AlO3薄膜, 其厚度为23nm。由于ALD方法逐层生长的特点,因而A2O3薄膜与c-Si界面处没有明显 90的突起或空隙。在空气中退火后,p型和n型c-Si表面的A1O3薄膜厚度均没有明显的变化。 我们通过对比发现,退火处珥对Al2O3薄膜的厚度没有很明显的影响。 23 nm 23 nm 0.5pm m (b) 23 nm 05m c 1 um (d) 图1制绒硅表面Al2O3灣膜的 FESEM图,(a)p型制绒娃表面生长Al2O3溥膜;(b)n型制绒硅表面生长Al2O3 薄膜;(c)退火后的p型Al2 O3/c-Si;(d)退火后的n型Al2 Oaic-Si 5 Fig. I FESEM images of Al2O3 films on textured c-Si,(a)Al2O3 film grown on p-typc textured c-Si:(b)Al2O3 film grown on n-type textured c-Si;(c)Al,O3 film grown on p-type textured c-Si after annealing;(d)AlO3 film grown on n-type textured c-Si after annealing 22A2O3薄膜反射谱 图2是c-Si、Al2O3/c-Si及其退火处理后的反射谱。对p型样品,c-Si、Al2O3c-Si及退 100火处理后Al2Oy-Si三者的反射率分别为11.2%、10.2%和10.8%对n型样品,c-Si、Al2O√-Si 及退火处坦后Al2Oyc-Si二者的反射率分别为92%、8.5%和10.5%。从图2中,我们发现, Al2O3薄膜及退火处理对c-Si的光吸收方面没有很明显的影响 山国武获论文在丝 http:/www.paper.edu.cn 40 (a)n-type 30 n-type si n-type Si with Al, O3 20 o n-type si with Al, o, after annealing 10 995 (b)p-type p-type si p-type Si with Al,O ptype Si with Al, o, after annealing 350 750 950 1150 Wavelength(nm) 图2原生制绒c-Si、Al2O3/c-Si、退火后AlOv-Si的反射谱,(a)n型制绒cSi;(b)P型制绒c-Si 105 Fig. 2 The reflectance spectra of bare textured c-Si, Al2O3/c-Si and AL2O3/c-Si under annealing in air, (a)n-type textured c-Si; (b)p-type textured c-Si 23少子有效寿命 为」研究Al2O3薄膜对c-Si表面钝化机理,我们对样品中少子有效寿命进行∫测量。我 们采用美国 Sinton公司的wCr-120少了圩命测试仪对样品进行 QSSPC测量,得出了少子 110有效命。 QSSPC是种基于稳态光电导的测试方法。测量结果如图3所示,给出了少 子有效寿命(r)与注入浓度△n之间关系。从图3(a)中我们可以看出,对于原生cSi,p型 和n型样品有效寿命分别为0.6μs和1.3μs,这与商业用太阳能电池级硅片(未进行表面钝 化)的少子有效寿命值相符。利用ALD生长一层23nm的A1O3薄膜后,p型 ALO3/c-Si 和n聖 AlO3/c-Si的少子有效寿命分别为9.2ps和11.1gs。我们发现,利用ALD牛长的A2O3 115蔣膜对cSi进行钝化后,p型和n型样品中少子有效寿命分别提升了15倍和8倍。为了得 到更好的钝化效果,我们又对p型和n型Al2O3e-Si进行了退火处理。相关研究指出,退火 处理将引起Al2O3簿膜结构重构,而且可以导致Al2O3中固定负电荷增多,这对少子寿命非 常有利。因此,我们利用退火炉在空气氛围中对样品进行了退火处理。通过退火处理, 我们发现p型Al2O3c-Si少了有效寿命提高到了394μs,n型Al2O3cSi少了有效寿命提高 120到了28.2μs,p型样品少了有效寿命高于n型样品少了有效寿命。P型和n型Al2O3c-Si少 子有效寿命经过退火处理得到提高,这是由于Al2O3薄膜中固定负电荷增多,以及SiAL2O3 界面缺陷态密度减少导致的。退火处理可导致Al2O3薄膜重构,部分A1原子变为四面体配 位环境中。这种结构上的变化,将导致Al2O3薄膜中负电荷增多,同时伴随Si/A12O3界面处 缺陷态减少1820。 4 山国武获论文在丝 http:/www.paper.edu.cn 3.5 3.0 p-type si 2.5 type si 2.0 15 1.0 05 0.0 1.0X102.1x104.1X106.1x108,1x10 50 40 o0o000oo 30 20 o p-type Si with Al2O3 o p-type Si with Al2O3 after annealing 10 Al2o o n-type Si with Al2O3 after annealing 1.0x10 60x10 1.2x10 1.8x10 125 Minority Carrier Density (cm-3 图3少子有效寿命与少子浓度的关系,(a)p型和n型原c-Si:(b)p型和n型Al2OySi Fig 3 Effective lifetime as function of minority carrier density of (a)p-and n-type textured c-Si and(b)p-and n-type textured c-Si with Al2O3 film 通过退火,p型Al2O3-Si少子有效寿命高于n型Al2OySi少子有效寿命,这种差别 130值得我们引起更多的关注。p型Al2Oy-Si少子有效寿命高于n型Al2Oyc-Si少子有效寿命 说明Al2O3薄膜对p型c-Si的钝化效果好于n型cSi,这得益于Al2O3中固定负电荷在p型 c-Si表面引起了较强的场效应钝化效果。多项研究表明,ALD最初的几个周期将引起S讠Al2O3 界面附近1nm左右处形成较高的O-Al比率、极薄SiO3层,这极人地増多了固定负电荷密 度,从而表现出ALD法生长的A1O3簿膜对p型cSi钝化效果好于n型cSi1416。除了Al2O3 135薄膜中固定负电荷的影响,SiAl2O3界面处缺陷态的减少对p型和n型c-Si中少子有效寿命 的提高也有献。 Dingemans等人的研究结果表明,Si在450℃温度下退火10分钟后,SiAl2O3 界面缺陷态密度将得到非常明显的减小20。因此,我们认为,n型A1O/c-Si少子有效寿命 的提高是由于SAl2O3界面缺陷态密度减小引起的,而p型Al2Oyc-Si少了有效寿命的提高 是由Al2O3薄膜中固定负电荷的增多和SiAl2O3界面缺陷态密度减小共同引起的。 140 结论 本文给出了ALD生长Al2O3薄膜对p型和n型制绒单晶CZ硅的表面钝化效果。为了 得到更好的饨化效果,我们又对样品进行了空气中退火处理。退火后,p型Al2O/Si的反 射率为10.8%,n型Al2O3c-Si的反射率为10.5%通过对样品反射率的对比研究发现,A12O3 145薄膜退火前后,对样品表面的光反射影响不人。在少子有效寿命方面,我们采用 QSSPC方 山国武获论文在丝 http:/www.paper.edu.cn 法(WCT-120)对样品进行了测试。其中,p型原生c-Si、 AlO3/c-Si、退火后AlOy-Si少了 有效寿命分别为06us,9.2μs和394μs,n型原生c-Si、A2Oc-Si、退火后Al2Oyc-Si少子 有效寿命分别为1.3μs,1.us和28.2μs。由此我们发现,利用A方法生长23m厚的 9Al2O3薄膜对p型和n型c-Si都有良好的钝化效果。少子有效寿命的增加归因于Al2O3薄膜 屮固定负电荷的增加以及S讠AlO3界面缺陷态密度的减小。同时我们发现,A2O3薄膜表现 出对p聖cSi的钝化效果好于n型cSi,这是由于Al2O3中固定负电荷对p型eSi有着更好 的钝化效果。 参考文献]( References) [ IJin,K Weber,N C Dang, WEJellett. 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