掃碼添加微信，獲取更多半導(dǎo)體相關(guān)資料
引言
? ? ? 晶體硅的彈性體表面鈍化在生產(chǎn)效率為25%的太陽能電池和準(zhǔn)確測量高質(zhì)量基質(zhì)中載流子擴(kuò)散長度方面是必不可少的。硅表面的鈍化在歷史上一直是通過高溫氧化來實(shí)現(xiàn)的。高效光伏器件的開發(fā)和大塊材料的表征中，將界面處的載流子復(fù)合降至最低是極其重要的。在這里，我們研究了一種基于臨時(shí)室溫超強(qiáng)酸的鈍化方案，它提供了低于1厘米/秒的表面復(fù)合速度，從而使我們的鈍化膜成為最先進(jìn)的電介質(zhì)膜。這項(xiàng)工作中開發(fā)的鈍化策略將有助于診斷太陽能電池加工條件下的體壽命退化，也有助于量化新鈍化方案的電子質(zhì)量。
?
實(shí)驗(yàn)?
? ? ? 所有使用的硅晶片的晶體取向均為（100），晶片直徑為100mm。所研究的樣品是四分之一的晶圓。
鈍化液的制備：
? ? ? 為了盡量減少溶液制備過程中的水分污染，我們測量了化學(xué)物質(zhì)，并混合在一個(gè)用氮?dú)鈨艋氖痔紫渲小榱酥苽淙芤海?/span>測量出100毫克雙(三氟甲烷)磺酰亞胺，然后溶解在50ml無水1,2-二氯乙烷中。溶液被儲(chǔ)存在一個(gè)帶有密封蓋的玻璃容器中。我們發(fā)現(xiàn)該溶液可以使用多次，但當(dāng)溶液變得渾濁時(shí)，必須準(zhǔn)備一種新的溶液。
濕化學(xué)預(yù)處理：
對硅表面進(jìn)行化學(xué)優(yōu)化處理是鈍化過程的重要組成部分。使用的水必須是純度非常高的去離子水。在我們的實(shí)驗(yàn)中，去離子水的測量電阻率為18mω，有機(jī)雜質(zhì)含量< 50 ppb。
表面鈍化程序：
表面預(yù)處理后，立即將硅樣品放入塑料培養(yǎng)皿中，并轉(zhuǎn)移到手套箱中。用N2吹掃手套箱，直到達(dá)到相對濕度< 25%。將制備好的水楊酸溶液倒入玻璃燒杯中，然后將硅樣品浸入溶液中60秒。然后將樣品從溶液中取出，然后在N2環(huán)境下在手套箱中干燥。在此期間，溶劑很快從表面蒸發(fā)，并在30秒內(nèi)變干。此時(shí)，鈍化的樣品可以從手套箱中取出并測量。
測量程序：
少數(shù)載流子壽命測量是使用計(jì)算機(jī)壽命測試儀在瞬態(tài)個(gè)人計(jì)算機(jī)模式下進(jìn)行的。而校準(zhǔn)壽命圖是通過成像系統(tǒng)獲得的。
?
結(jié)果和討論
濕化學(xué)預(yù)處理：
圖1繪出了鏡面拋光的FZ 2ωcm n型硅在試驗(yàn)性濕化學(xué)預(yù)處理和隨后的SA鈍化處理之后的注入相關(guān)有效壽命。
?
圖1 鏡面拋光的FZ 2ω·cm n型硅的有效壽命與過剩載流子密度的關(guān)系，該硅經(jīng)歷了不同的濕化學(xué)表面+ HF處理，然后進(jìn)行了SA處理。預(yù)處理為SC 1浸漬+ SA(橙色方塊)、原樣+ HF浸漬+ SA(綠色三角形)、SC 2 + HF浸漬+ SA(藍(lán)色圓圈)、Si-蝕刻(HF:HNO3) + SC 2 + HF浸漬+ SA(紅色菱形)、TMAH-蝕刻+ SC 2 + HF浸漬+ SA(黑色星形)和TMAHetch + SC 2 + HF浸漬不含SA處理(紫色五角星)
該圖表明，如果從制造商的盒子中取出“新”硅片，并簡單地浸入2%的氫氟酸溶液中，然后進(jìn)行表面鈍化處理，就可以實(shí)現(xiàn)適用于多種目的的表面鈍化。然而，在這種情況下，鈍化質(zhì)量將取決于從制造商處獲得的硅片的初始表面條件。此外，收到的晶片上的清潔度水平可能是可變的，因此導(dǎo)致不一致的結(jié)果和較低的鈍化水平。兩種蝕刻溶液都為a處理的硅提供了最佳表面條件，實(shí)現(xiàn)了幾乎相同的8ms壽命(δp < 1015cm-3)。然而，如果沒有最終的水楊酸處理，測量值會(huì)下降(< 100 μs)
?
用于超長壽命測量的超強(qiáng)酸處理硅：
從圖2可以看出，通過sa處理的高電阻率FZ-Si和Cz-Si晶片獲得了非常高水平的表面鈍化。在低Δp下測量了～75ms（橙色三角形）和～65ms（藍(lán)色鉆石）的最大各自壽命，這對應(yīng)于分別為0.2cm/s和0.6cm/s。測量的壽命超過100ms(130msmax)，數(shù)據(jù)也繪制在圖中。 為了測量如此高的壽命，我們使用基于600nm厚熱氧化層電暈的鈍化方案，與SA處理相比，該方案更難生產(chǎn)，并且將晶片暴露在高熱預(yù)算下。
?
圖2 高質(zhì)量硅材料的注入相關(guān)壽命曲線
超強(qiáng)酸處理硅表面復(fù)合的量化：
為了評估SA處理實(shí)現(xiàn)的表面重組速度，硅晶片區(qū)進(jìn)行了蝕刻回溯和再鈍化實(shí)驗(yàn)，在這些實(shí)驗(yàn)中，使用平面化學(xué)蝕刻來減薄相同的硅晶片。在此程序中，有效壽命(τeff)將與硅片的厚度W成比例地減小。
n型硅:如圖3(a)和(b)表明，兩種方案顯示出相似的鈍化水平；然而，當(dāng)考慮每種鈍化方案的注入依賴性時(shí)，Al2O3鈍化相對于SA處理的輕微益處被削弱了。此外，注入依賴性的缺乏表明鈍化膜不包含顯著水平的負(fù)電荷，這與初始SA報(bào)告一致。因此，在中等注入水平下，SA處理的n型硅的壽命稍低(與Al2O3鈍化相比)，可能是由于表面電荷密度低。
?
圖3 (a)和(b)分別顯示了用超強(qiáng)酸(藍(lán)色圓圈)和Al2O3(紫色方塊)鈍化的1ω和10ωcm n型FZ硅的注入相關(guān)壽命，紅星代表使用SA處理從回蝕實(shí)驗(yàn)中推斷的體壽命，黑色虛線對應(yīng)于固有極限，(c)和(d)示出了退火處理的FZ的有效壽命與晶片厚度的倒數(shù)
圖3(c)和(d)應(yīng)用線性回歸擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，確定了τ體積和S，具有合理的不確定度，并證明了SA處理的非凡一致性，這允許τ本體和s的精確提取。
?
超強(qiáng)酸處理硅的應(yīng)用：
我們注意到這些薄膜在暴露于環(huán)境空氣條件下時(shí)確實(shí)會(huì)發(fā)生降解。隨著高質(zhì)量室溫鈍化方案(如SA處理的硅)的發(fā)展，可以開發(fā)低溫吸雜和氫化技術(shù)，否則很難測量。在這點(diǎn)上，SA處理可以提供關(guān)于電介質(zhì)膜的鈍化質(zhì)量及其對主體材料的影響的有價(jià)值的信息。最后，最近已經(jīng)證明，在交叉背接觸太陽能電池的開發(fā)中，基于水楊酸的鈍化可以用于體壽命退化的診斷，其中它允許在結(jié)去除之后通過減少熱效應(yīng)或氫化效應(yīng)的影響來測量真實(shí)的體壽命。
?
總結(jié)
我們通過控制環(huán)境環(huán)境（手套箱）和在將硅浸入含超酸溶液之前開發(fā)表面調(diào)節(jié)程序，證明了非常高水平的表面鈍化。我們證明了SA處理對硅表面粗糙度不敏感，而是取決于SA處理之前的濕化學(xué)過程，其中SC2和2%的HF下降得到最佳的表面條件。
鈍化方案的即時(shí)應(yīng)用擴(kuò)展到測量體載流子壽命，從而減少硅器件中的物質(zhì)相關(guān)損失。由于優(yōu)良的鈍化質(zhì)量和低溫(<100°C)沉積/加工條件，該鈍化方案有望有助于闡明與低溫獲取和加化技術(shù)相關(guān)的機(jī)制。雖然基于sa的鈍化方案在環(huán)境條件下確實(shí)表現(xiàn)出降解，但未來的應(yīng)用可能會(huì)在高效串聯(lián)器件中發(fā)現(xiàn)這種薄膜，如果穩(wěn)定性問題可以得到解決，這是有機(jī)薄膜電子材料的共同特性。sa基薄膜提供的異常高水平的表面鈍化有望有助于延長PV應(yīng)用的表面和體積壽命的極限。