工作壓強(qiáng)對(duì)濺射p+-poly-Si/SiOx鈍化接觸結(jié)構(gòu)的光電特性影響的研究

＊王玉超 杜朋軒 盛之林* 黃康 范占軍

（1.北方民族大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 寧夏硅靶及硅碳負(fù)極材料工程技術(shù)研究中心 寧夏 750021 2.寧夏職業(yè)技術(shù)學(xué)院 寧夏 750021 3.寧夏高創(chuàng)特能源科技有限公司 寧夏 750021）

基于一層摻雜多晶硅和超薄界面氧化硅的鈍化接觸結(jié)構(gòu)，已被證明能夠克服當(dāng)前鋁背場(chǎng)（Al-BSF）以及鈍化發(fā)射極和背面觸點(diǎn)（PERC）工業(yè)太陽能電池技術(shù)的效率限制[1]。對(duì)于具有poly-Si/SiOx鈍化接觸的（TOPCon）太陽能電池，實(shí)驗(yàn)室效率已經(jīng)超過24%，其理論極限也已經(jīng)達(dá)28%[2]。鈍化接觸結(jié)構(gòu)如圖1所示，此結(jié)構(gòu)能夠選擇性的讓多數(shù)載流子通過而阻止少數(shù)載流子進(jìn)入，摻雜的濃度差和PN結(jié)也起到了很好的化學(xué)鈍化和場(chǎng)效應(yīng)鈍化作用。首先，在襯底上沉積一層α-Si薄膜作為前驅(qū)體，通過高溫退火工藝再結(jié)晶為poly-Si結(jié)構(gòu)，此方式稱為間接制備法。沉積α-Si薄膜的制備技術(shù)可分為兩大類，化學(xué)氣相沉積（CVD）和物理氣相沉積法（PVD）但是化學(xué)反應(yīng)過程會(huì)伴隨有毒氣體的產(chǎn)生，使用成本和復(fù)雜性高。物理氣相沉積技術(shù)即磁控濺射法（MS）與其他CVD技術(shù)相比，具有沉積簡單，低溫工藝，更高的靶材使用率和消除SiH4等有毒物質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)[3]，因此，本次提出采用MS來沉積一層α-Si。

圖1 鈍化接觸結(jié)構(gòu)的能帶圖

Oezmen OT等人[4]用四點(diǎn)探針法分析了poly-Si薄膜在襯底上B的外置擴(kuò)散。采用改良后的兩步退火樣品電阻率值降低到91mΩ·cm2，計(jì)算后載流子濃度約為2.89×1017cm-3。D.Yan,A.等人[5]提出了一種基于PVD的更安全，更簡單的制備鈍化接觸層方法，在900℃退火后，在超薄SiOx上形成原位摻雜的poly-Si膜中間層，從而同時(shí)提供選擇性傳導(dǎo)和表面鈍化，測(cè)試薄膜接觸電阻率低于50mΩ·cm2。

濺射法沉積α-Si中工作壓強(qiáng)是重要的一項(xiàng)參數(shù)，利用Si和B的共濺射，經(jīng)過真空管式爐進(jìn)行高溫退火使α-Si再結(jié)晶成poly-Si結(jié)構(gòu)。通過各種表征技術(shù)的組合來研究沉積壓力對(duì)poly-Si/SiOx的結(jié)構(gòu)、光電特性的影響，最終這些發(fā)現(xiàn)就可以用于通過濺射方法制造高質(zhì)量的鈍化接觸結(jié)構(gòu)。

1.實(shí)驗(yàn)材料和方法

(1)實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料

使用JDCK-F4000D型高真空磁控濺射系統(tǒng)在單晶硅（c-Si）襯底上濺射硅薄膜，c-Si晶面取向（100）。在Ar氣體（純度99.99%）中，氬氣分壓40sccm，靶基距11cm，濺射功率為100W。高純硅P型靶材，純度為99.999%，電阻率為0.01Ω·cm2。單晶硅襯底用激光切割成2×2cm的樣品，經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)的濕式化學(xué)清洗法（RCA）清洗步驟后，使用過氧化氫（H2O2）溶液在室溫下生長30min形成一層薄薄的SiOx。

(2)表征方法

利用臺(tái)階儀（型號(hào)Dektak 150）進(jìn)行薄膜厚度的測(cè)試沉積速率的計(jì)算格式為：υ=D/t，其中，D為臺(tái)階儀測(cè)得平均薄膜厚度；t為硅薄膜的沉積時(shí)間。通過掃描電子顯微鏡（型號(hào)為Zeiss SIGMA）觀察材料表面的形貌。XRD測(cè)試?yán)眯吞?hào)是D8 Advance衍射儀。利用霍爾測(cè)試儀進(jìn)行接觸電阻率和載流子濃度的分析。Raman測(cè)試?yán)貌ㄩL為532nm的光譜測(cè)試儀。使用飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜（型號(hào)TOF.SIMS 5-100），對(duì)樣品的B摻雜深度和含量分布進(jìn)行測(cè)試。

2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

(1)工作壓強(qiáng)對(duì)沉積速率的影響

從圖2可以看出，工作壓強(qiáng)增大會(huì)降低沉積速率，從0.2Pa時(shí)的2.06nm/min下降到1Pa的1.06nm/min。對(duì)這現(xiàn)象的一種解釋為：盡管在較高的壓力下，等離子體中Ar離子密度的增加會(huì)引起濺射產(chǎn)額的增大，但由于Si原子和Ar離子之間的質(zhì)量差很大，濺射出的Si原子更有可能通過與Ar離子碰撞而返回靶材。另一個(gè)普遍的解釋原因在于分子平均自由程λ的變化。由公式（1）得到[6]：

圖2 不同工作壓強(qiáng)下沉積速率的變化

式中，T為環(huán)境溫度；p為工作壓強(qiáng)；k為常數(shù)。隨著壓強(qiáng)p的增大，λ減小，增加了濺射粒子之間的碰撞幾率，使得粒子所攜帶的能量進(jìn)一步被損耗，引起了沉積到基板的速率降低。因此，在較低的壓力下可實(shí)現(xiàn)更高的沉積速率。

(2)表面形貌及顆粒尺寸分析

如圖3所示，工作壓強(qiáng)在0.5Pa（未退火）時(shí)的表面形貌和不同壓強(qiáng)下沉積的硅薄膜在950℃高溫退火后的表面形態(tài)。由Nano Measurer軟件計(jì)算出SEM圖片全域顆粒的尺寸，得到顆粒分布的直方圖分布數(shù)據(jù)，并擬合出顆粒尺寸的對(duì)數(shù)分布函數(shù)，進(jìn)行晶粒尺寸的估計(jì)。平均晶粒尺寸與壓強(qiáng)的變化結(jié)果如圖3（f）所示，隨著壓強(qiáng)的降低，平均晶粒尺寸也不斷的減小，最低的壓強(qiáng)（0.2Pa）平均晶粒尺寸為23.11nm。

圖3 （a）0.5Pa未退火和不同壓強(qiáng)（b）0.2Pa，（c）0.5Pa，（d）0.8Pa，（e）1Pa下退火后的SEM圖像；退火后的（f）不同壓強(qiáng)下薄膜沉積速率變化

通過對(duì)表面形貌的分析，未退火的樣品顯示了部分結(jié)晶的情況，表面晶粒密度很小，呈現(xiàn)一定的無序性。退火后硅薄膜表面在較低的壓強(qiáng)下，濺射粒子沉積速率過大，在襯底表面遷移擴(kuò)散的速度很低，表層離子遷移所需克服的激活勢(shì)能降低，隨壓強(qiáng)的升高團(tuán)簇現(xiàn)象增多，容易形成較多的團(tuán)簇狀結(jié)構(gòu)。硅薄膜表面的粗糙度會(huì)隨著工作壓強(qiáng)的增大而增大，較高的壓強(qiáng)，雜質(zhì)越容易被摻入[7]。

隨著壓強(qiáng)的增大，導(dǎo)致了濺射粒子運(yùn)動(dòng)的自由程減少，沉積速率降低，那么在成膜時(shí)顆粒的聚集程度就出現(xiàn)減少，成核晶粒生長率降低，導(dǎo)致晶粒尺寸越小。

(3)光學(xué)特性表征

利用Raman光譜測(cè)試的硅薄膜拉曼頻移TO聲子頻帶的橫坐標(biāo)位置，具體展示了Si薄膜的晶化情況，可用于測(cè)試薄膜內(nèi)部是否晶化。這里主要關(guān)注460～550cm-1之間的TO聲子頻帶進(jìn)行討論。根據(jù)公式（2）計(jì)算硅薄膜結(jié)晶率。

式中，Iα為無定形的非晶相；Ic為頻移在520cm-1處的結(jié)晶相；在非晶和結(jié)晶相之間的稱為混合相Im。計(jì)算的結(jié)晶率結(jié)果如表1所示：

表1 晶化率與工作壓強(qiáng)

圖5是不同工作壓強(qiáng)下的非晶硅薄膜在950℃退火后的Raman光譜圖，結(jié)晶峰520cm-1處越高，壓強(qiáng)越低，衍射峰半高寬減小，晶粒尺寸越大，表明晶化現(xiàn)象越明顯。隨著壓強(qiáng)的減小，晶化程度加深，1Pa下制備出的poly-Si的晶化率在48%以上。0.2Pa制備的poly-Si的晶化率最高為61%，達(dá)到了很好的晶化效果。

圖4 在不同壓強(qiáng)下沉積的poly-Si薄膜Raman光譜圖

(4)電學(xué)特性表征

使用霍爾測(cè)試儀對(duì)鈍化接觸結(jié)構(gòu)的接觸電阻率和空穴載流子濃度進(jìn)行了測(cè)量。測(cè)試結(jié)果如圖5所示，值得注意的是，在原位摻雜之中，在0.5Pa接觸電阻率（2mΩ·cm2）非常低，并隨著沉積壓力的增加而增加，此時(shí)對(duì)應(yīng)0.5Pa壓強(qiáng)下制備硅薄膜載流子濃度也達(dá)到最高為5.4×1019cm-3。另外，增加的退火溫度也會(huì)降低接觸電阻率。盡管如此，該工藝仍能為poly-Si/SiOx/c-Si結(jié)構(gòu)提供出色的界面鈍化質(zhì)量。

圖5 不同壓強(qiáng)下沉積薄膜的接觸電阻率和載流子濃度變化

使用TOF-SIMS對(duì)0.5Pa的硅薄膜進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如圖6所示，硅薄膜摻雜原子的含量逐級(jí)緩慢遞減，直到碰到界面后驟降，這是因?yàn)槌私缑婊瘜W(xué)鈍化功能外，界面SiOx層可以作為屏障來阻止摻雜劑從poly-Si層擴(kuò)散到c-Si襯底。經(jīng)過分析，80nm的poly-Si/SiOx/c-Si界面處的摻雜原子濃度大于5.236×1019cm-3，與霍爾測(cè)試的結(jié)果相近。此外圖中用SIMS測(cè)量的相應(yīng)的30Si+深度濃度剖面，用于觀察poly-Si層厚度，結(jié)果也證明了薄膜厚度在預(yù)期范圍內(nèi)。

圖6 在0.5Pa壓強(qiáng)沉積的950℃退火后SIMS圖

3.結(jié)論

綜上所述，本研究展示了一種制造空穴選擇性鈍化接觸的方法，并提出了濺射工作壓強(qiáng)對(duì)制備的poly-Si薄膜及其相應(yīng)的原位B摻雜poly-Si/SiOx的結(jié)構(gòu)和光電性能的影響。結(jié)果表明：0.5Pa壓強(qiáng)下沉積的α-Si在950℃高溫退火后重結(jié)晶為poly-Si結(jié)構(gòu)，接觸電阻率最低為2.04mΩ·cm2，最高載流子濃度是5.4×1019cm-3，硅薄膜的結(jié)晶分?jǐn)?shù)可以達(dá)到54%，并且可以獲得高達(dá)21nm的晶粒尺寸。