工作壓強對濺射p+-poly-Si/SiOx鈍化接觸結構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 材料科學與工程學院 寧夏硅靶及硅碳負極材料工程技術研究中心 寧夏 750021 2.寧夏職業技術學院 寧夏 750021 3.寧夏高創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構，已被證明能夠克服當前鋁背場（Al-BSF）以及鈍化發射極和背面觸點（PERC）工業太陽能電池技術的效率限制[1]。對于具有poly-Si/SiOx鈍化接觸的（TOPCon）太陽能電池，實驗室效率已經超過24%，其理論極限也已經達28%[2]。鈍化接觸結構如圖1所示，此結構能夠選擇性的讓多數載流子通過而阻止少數載流子進入，摻雜的濃度差和PN結也起到了很好的化學鈍化和場效應鈍化作用。首先，在襯底上沉積一層α-Si薄膜作為前驅體，通過高溫退火工藝再結晶為poly-Si結構，此方式稱為間接制備法。沉積α-Si薄膜的制備技術可分為兩大類，化學氣相沉積（CVD）和物理氣相沉積法（PVD）但是化學反應過程會伴隨有毒氣體的產生，使用成本和復雜性高。物理氣相沉積技術即磁控濺射法（MS）與其他CVD技術相比，具有沉積簡單，低溫工藝，更高的靶材使用率和消除SiH4等有毒物質的優點[3]，因此，本次提出采用MS來沉積一層α-Si。

圖1 鈍化接觸結構的能帶圖

Oezmen OT等人[4]用四點探針法分析了poly-Si薄膜在襯底上B的外置擴散。采用改良后的兩步退火樣品電阻率值降低到91mΩ·cm2，計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，從而同時提供選擇性傳導和表面鈍化，測試薄膜接觸電阻率低于50mΩ·cm2。

濺射法沉積α-Si中工作壓強是重要的一項參數，利用Si和B的共濺射，經過真空管式爐進行高溫退火使α-Si再結晶成poly-Si結構。通過各種表征技術的組合來研究沉積壓力對poly-Si/SiOx的結構、光電特性的影響，最終這些發現就可以用于通過濺射方法制造高質量的鈍化接觸結構。

1.實驗材料和方法

(1)實驗設備及材料

使用JDCK-F4000D型高真空磁控濺射系統在單晶硅（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，經過標準的濕式化學清洗法（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

利用臺階儀（型號Dektak 150）進行薄膜厚度的測試沉積速率的計算格式為：υ=D/t，其中，D為臺階儀測得平均薄膜厚度；t為硅薄膜的沉積時間。通過掃描電子顯微鏡（型號為Zeiss SIGMA）觀察材料表面的形貌。XRD測試利用型號是D8 Advance衍射儀。利用霍爾測試儀進行接觸電阻率和載流子濃度的分析。Raman測試利用波長為532nm的光譜測試儀。使用飛行時間二次離子質譜（型號TOF.SIMS 5-100），對樣品的B摻雜深度和含量分布進行測試。

2.實驗結果與討論

(1)工作壓強對沉積速率的影響

從圖2可以看出，工作壓強增大會降低沉積速率，從0.2Pa時的2.06nm/min下降到1Pa的1.06nm/min。對這現象的一種解釋為：盡管在較高的壓力下，等離子體中Ar離子密度的增加會引起濺射產額的增大，但由于Si原子和Ar離子之間的質量差很大，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 不同工作壓強下沉積速率的變化

式中，T為環境溫度；p為工作壓強；k為常數。隨著壓強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現更高的沉積速率。

(2)表面形貌及顆粒尺寸分析

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

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

通過對表面形貌的分析，未退火的樣品顯示了部分結晶的情況，表面晶粒密度很小，呈現一定的無序性。退火后硅薄膜表面在較低的壓強下，濺射粒子沉積速率過大，在襯底表面遷移擴散的速度很低，表層離子遷移所需克服的激活勢能降低，隨壓強的升高團簇現象增多，容易形成較多的團簇狀結構。硅薄膜表面的粗糙度會隨著工作壓強的增大而增大，較高的壓強，雜質越容易被摻入[7]。

隨著壓強的增大，導致了濺射粒子運動的自由程減少，沉積速率降低，那么在成膜時顆粒的聚集程度就出現減少，成核晶粒生長率降低，導致晶粒尺寸越小。

(3)光學特性表征

利用Raman光譜測試的硅薄膜拉曼頻移TO聲子頻帶的橫坐標位置，具體展示了Si薄膜的晶化情況，可用于測試薄膜內部是否晶化。這里主要關注460～550cm-1之間的TO聲子頻帶進行討論。根據公式（2）計算硅薄膜結晶率。

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

表1 晶化率與工作壓強

圖5是不同工作壓強下的非晶硅薄膜在950℃退火后的Raman光譜圖，結晶峰520cm-1處越高，壓強越低，衍射峰半高寬減小，晶粒尺寸越大，表明晶化現象越明顯。隨著壓強的減小，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%，達到了很好的晶化效果。

圖4 在不同壓強下沉積的poly-Si薄膜Raman光譜圖

(4)電學特性表征

使用霍爾測試儀對鈍化接觸結構的接觸電阻率和空穴載流子濃度進行了測量。測試結果如圖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，此時對應0.5Pa壓強下制備硅薄膜載流子濃度也達到最高為5.4×1019cm-3。另外，增加的退火溫度也會降低接觸電阻率。盡管如此，該工藝仍能為poly-Si/SiOx/c-Si結構提供出色的界面鈍化質量。

圖5 不同壓強下沉積薄膜的接觸電阻率和載流子濃度變化

使用TOF-SIMS對0.5Pa的硅薄膜進行了測試，結果如圖6所示，硅薄膜摻雜原子的含量逐級緩慢遞減，直到碰到界面后驟降，這是因為除了界面化學鈍化功能外，界面SiOx層可以作為屏障來阻止摻雜劑從poly-Si層擴散到c-Si襯底。經過分析，80nm的poly-Si/SiOx/c-Si界面處的摻雜原子濃度大于5.236×1019cm-3，與霍爾測試的結果相近。此外圖中用SIMS測量的相應的30Si+深度濃度剖面，用于觀察poly-Si層厚度，結果也證明了薄膜厚度在預期范圍內。

圖6 在0.5Pa壓強沉積的950℃退火后SIMS圖

3.結論

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對制備的poly-Si薄膜及其相應的原位B摻雜poly-Si/SiOx的結構和光電性能的影響。結果表明：0.5Pa壓強下沉積的α-Si在950℃高溫退火后重結晶為poly-Si結構，接觸電阻率最低為2.04mΩ·cm2，最高載流子濃度是5.4×1019cm-3，硅薄膜的結晶分數可以達到54%，并且可以獲得高達21nm的晶粒尺寸。