本征氫化非晶氧化硅（i-a-SiO?:H）是 a-Si:H/c-Si 異質(zhì)結(jié)太陽電池的重要鈍化材料，兼具PECVD低溫沉積、帶隙寬等優(yōu)勢，但 i-a-SiO?:H鈍化性能與制備工藝、儀器密切相關(guān)；目前室溫（25℃）下在n型直拉單晶硅（n-Cz-Si）表面沉積 i-a-SiO?:H 時，硅片少子壽命極低，鈍化效果差，且襯底溫度對其鈍化性能的影響尚不明確；Flexfilm全光譜橢偏儀可以非接觸對薄膜的厚度與折射率的高精度表征，廣泛應(yīng)用于薄膜材料、半導(dǎo)體和表面科學(xué)等領(lǐng)域。

本研究采用等離子體增強化學(xué)氣相沉積法(PECVD)制備i-a-SiO?:H薄膜，通過微波光電導(dǎo)（MW-PCD）、射頻光電導(dǎo)（RF-PCD）測少子壽命，光譜型橢偏儀驗晶型，探究不同襯底溫度的影響，結(jié)果顯示薄膜均為非晶相，200℃~220℃時少子壽命最高、鈍化效果最優(yōu)。

1

實驗材料與設(shè)備

flexfilm

襯底材料：選用n型直拉單晶硅片（n-Cz-Si），晶向為（100），厚度約 180μm，尺寸為 40mm×40mm；硅片經(jīng)激光切割后，采用RCA清洗法去除表面雜質(zhì)與氧化層，確保襯底潔凈。

實驗工藝參數(shù)：實驗中，僅將襯底溫度作為變量，其余工藝參數(shù)保持固定：沉積功率 12W、沉積氣壓 22Pa、反應(yīng)氣體流量比（SiH?CO?）為 30.6 mL/min、沉積時間 10min。襯底溫度共設(shè)置 6 個梯度：25℃（室溫）、100℃、180℃、200℃、220℃、250℃，以系統(tǒng)分析溫度對鈍化性能的影響規(guī)律。

2

室溫沉積 i-a-SiO?:H 的性能表征

flexfilm

(a) 少子壽命隨注入濃度變化，(b) 注入濃度1×101?cm?3硅片少子壽命

少子壽命：鈍化效果不理想。結(jié)果顯示室溫下該薄膜對 n-Cz-Si 的鈍化效果較差。從少子壽命與注入濃度的關(guān)系曲線可見，少子壽命隨注入濃度增加顯著下降，說明沉積后硅片表面仍存在較多空位與缺陷；當(dāng)注入濃度為 1×101?cm?3 時，少子壽命僅為 1~2 μs。這一現(xiàn)象與室溫沉積 i-a-Si:H 的鈍化性能不佳原因相似—低溫?zé)o法有效鈍化硅片表面的懸掛鍵。

(a) 實部，(b) 虛部

橢偏儀檢測：確認(rèn)為非晶相。采用橢偏儀測試室溫沉積薄膜的介電常數(shù)（包括實部 ε?與虛部 ε?），結(jié)果顯示：該薄膜的介電常數(shù)特征峰與非晶硅的特征峰高度吻合，證明室溫下沉積的 i-a-SiO?:H 薄膜為非晶相，完全符合實驗對鈍化層晶型的預(yù)期要求。

3

不同襯底溫度對薄膜鈍化性能的影響

少子壽命：先增后減，200℃~220℃最優(yōu)

(a) 不同注入濃度硅片少子壽命，(b) 注入濃度為1×101?cm?3時少子壽命

不同襯底溫度i-a-SiOx:H 膜鈍化后硅片少子壽命

以 1 號位置硅片為研究對象，測試不同溫度下的少子壽命發(fā)現(xiàn)：i-a-SiO?:H 的鈍化性能與襯底溫度高度相關(guān)。

當(dāng)溫度低于 100℃時，硅片少子壽命不足 10μs，鈍化效果差。原因是低溫不利于 SiH?熱分解—而 SiH?分解產(chǎn)生的硅原子、氫原子（及 H?中的氫原子），是補償硅片懸掛鍵、實現(xiàn)鈍化的關(guān)鍵，低溫會導(dǎo)致這一過程難以充分進行。

隨溫度升高，少子壽命呈“先增后減”趨勢：220℃時，注入濃度 1×101?cm?3 條件下，少子壽命達到最大值 747μs。

為驗證結(jié)果可靠性，對 3 個硅片（均取注入濃度 1×101?cm?3）重復(fù)測試，發(fā)現(xiàn) 3 個樣品的少子壽命隨溫度變化趨勢完全一致，最優(yōu)鈍化溫度集中在200℃~220℃（不同位置略有差異）。結(jié)合本實驗的設(shè)備與工藝參數(shù)，建議 PECVD 法沉積 i-a-SiO?:H 時，襯底溫度可設(shè)為 210℃，該結(jié)論與相關(guān)文獻研究結(jié)果基本一致。

鈍化均勻性：溫度越高，均勻性越差

i-a-SiOx:H 膜鈍化后硅片少子壽命

通過 MW-PCD 對 1 號位置硅片進行少子壽命掃描（掃描圖中，深黑色代表少子壽命高，紅色代表少子壽命低），結(jié)果顯示：整塊硅片的少子壽命存在不均勻性，且溫度越高，不均勻性越明顯。這是因為硅片表面各處氣流存在差異，導(dǎo)致輝光放電狀態(tài)不同，進而使薄膜厚度與成分在不同區(qū)域出現(xiàn)差異。

兩種 PCD 測試方法對比：原理不同，RF-PCD 更可靠

MW-PCD 法測試硅片少子壽命主要特征值（單位：μs）

兩種方法均驗證了“少子壽命隨溫度先增后減、220℃達最大”的規(guī)律，證明溫度對鈍化性能的影響具有可靠性。

但兩種方法的測試數(shù)據(jù)存在差異，核心原因是測試原理不同：MW-PCD 為瞬態(tài)方法，通過 200ns 波長 904nm 的脈沖激光注入產(chǎn)生非平衡載流子，記錄硅片反射微波功率的時間變化；RF-PCD 為非接觸式方法，可選擇瞬態(tài)或準(zhǔn)瞬態(tài)測試模式。

由于薄膜均勻性較差，少子壽命分布不均，綜合來看，RF-PCD 的測試結(jié)果更具可靠性。

橢偏儀表征：所有溫度下均為非晶相

不同襯底溫度沉積i-a-SiOx:H 膜硅片介電常數(shù)譜：（a）實部，（b）虛部

對不同溫度下沉積的 i-a-SiO?:H 薄膜進行橢偏儀測試，結(jié)果顯示：無論襯底溫度如何變化，薄膜的介電常數(shù)實部與虛部均符合非晶硅的特征峰，證明所有溫度條件下沉積的 i-a-SiO?:H 薄膜均為非晶相，完全滿足實驗設(shè)計要求。

本研究明確了襯底溫度對i-a-SiO?:H薄膜鈍化性能的重要影響，確定了200-220℃為PECVD工藝的最佳溫度窗口。該研究結(jié)果為優(yōu)化a-Si:H/c-Si異質(zhì)結(jié)太陽電池的界面鈍化工藝提供了重要實驗依據(jù)，對提升太陽電池轉(zhuǎn)換效率具有實際指導(dǎo)意義。

Flexfilm全光譜橢偏儀

flexfilm

全光譜橢偏儀擁有高靈敏度探測單元和光譜橢偏儀分析軟件，專門用于測量和分析光伏領(lǐng)域中單層或多層納米薄膜的層構(gòu)參數(shù)（如厚度）和物理參數(shù)（如折射率n、消光系數(shù)k）

• 先進的旋轉(zhuǎn)補償器測量技術(shù)：無測量死角問題。
• 粗糙絨面納米薄膜的高靈敏測量：先進的光能量增強技術(shù)，高信噪比的探測技術(shù)。
• 秒級的全光譜測量速度：全光譜測量典型5-10秒。
• 原子層量級的檢測靈敏度：測量精度可達0.05nm。

Flexfilm全光譜橢偏儀能非破壞、非接觸地原位精確測量超薄圖案化薄膜的厚度、折射率,結(jié)合費曼儀器全流程薄膜測量技術(shù)，助力半導(dǎo)體薄膜材料領(lǐng)域的高質(zhì)量發(fā)展。

原文參考：《襯底溫度對氫化非晶氧化硅（i-a-SiOx:H）鈍化性能的影響研究》

*特別聲明：本公眾號所發(fā)布的原創(chuàng)及轉(zhuǎn)載文章，僅用于學(xué)術(shù)分享和傳遞行業(yè)相關(guān)信息。未經(jīng)授權(quán)，不得抄襲、篡改、引用、轉(zhuǎn)載等侵犯本公眾號相關(guān)權(quán)益的行為。內(nèi)容僅供參考，如涉及版權(quán)問題，敬請聯(lián)系，我們將在第一時間核實并處理。