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引言
在目前的工作中，氧化鋁凝膠被開發(fā)用于鈍化硅片。以仲丁醇鋁為前驅(qū)體，采用溶膠-凝膠法制備了氧化鋁凝膠。涂覆后，進(jìn)行快速熱處理以激活鈍化效果。用x光電子能譜和碳-釩曲線評(píng)價(jià)薄膜性能。的頂峰
74.35 eV證實(shí)了Al2O3的形成。同時(shí)，隨著退火溫度的升高，低結(jié)合能處的小峰減少，這歸因于氫的逸出，導(dǎo)致700℃后有效壽命的下降。在700℃退火溫度下，獲得了1.16 E12 cm-2的最高固定電荷(Qf)和1.98 E12 cm-2eV-1的優(yōu)異界面缺陷密度，有助于292 s的最高有效少數(shù)載流子壽命。本工作將有助于為Al2O3鈍化提供更具成本效益的技術(shù)。
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介紹
為了抑制晶片表面的復(fù)合，已經(jīng)出現(xiàn)了許多鈍化膜，包括二氧化鈦、二氧化硅、氮化硅和氧化鋁.其中，Al2O3因其優(yōu)越的表面化學(xué)鈍化和固定負(fù)密度引起的場(chǎng)效應(yīng)鈍化而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)鈍化發(fā)射極和后電池的背面鈍化.
Al2O3薄膜目前主要通過原子層沉積(ALD)和等離子體增強(qiáng)化學(xué)沉積(PECVD)來沉積。然而，對(duì)ALD來說，設(shè)備調(diào)查是非常重要的系統(tǒng)或PEVD系統(tǒng)。因此，開發(fā)一種低投入的Al2O3制備和沉積技術(shù)是很有前途的。
一些研究者已經(jīng)將溶膠-凝膠合成技術(shù)應(yīng)用于制備Al2O3薄膜。文獻(xiàn)中一般描述了兩種制備溶膠-凝膠的方法，即聚合溶膠-凝膠法和膠體法溶膠-凝膠路線。前者是利用有機(jī)溶劑中金屬-有機(jī)前體的化學(xué)性質(zhì)，而后者是應(yīng)用于水介質(zhì)中的膠體化學(xué)性質(zhì)。請(qǐng)注意，聚合物溶膠-凝膠路線更適合多組分膜.本文還采用溶膠-凝膠法制備氧化鋁凝膠，但用進(jìn)口水代替了對(duì)環(huán)境有害的有機(jī)溶劑。考慮到氧化鋁前體，異丙醇鋁是常見的選擇;然而，異丙醇鋁的相對(duì)低的水溶性會(huì)導(dǎo)致氧化鋁凝膠的不可控制的透明度和粒度。仲丁醇鋁由于其優(yōu)異的水溶性而成為一種令人感興趣的替代品。
這里使用仲丁醇鋁作為制備氧化鋁凝膠的前驅(qū)體。通過XPS測(cè)量研究了退火Al2O3薄膜中的典型元素狀態(tài)。此外，系統(tǒng)地研究了熱處理對(duì)鈍化性能的影響，固定負(fù)電荷Qf進(jìn)一步證明了這一點(diǎn)和中間間隙Dit處的界面缺陷密度提取于C–V曲線。這一結(jié)果有助于加深對(duì)氧化鋁凝膠鈍化機(jī)理的理解。
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實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)
Al2O3薄膜制備
所有試劑均按原樣使用，無需任何進(jìn)一步純化或修飾。以三仲丁醇鋁(上海阿拉丁生物化學(xué)技術(shù)有限公司)為反應(yīng)前驅(qū)體，三仲丁醇鋁與水的比例為1:50。在90℃水浴中進(jìn)行20分鐘磁力攪拌。然后，加入硝酸作為膠凝劑，并將溶液的酸堿度調(diào)節(jié)至3-4。加入1-甲氧基-2-丙醇增大粘度，有助于改善硅表面與凝膠的潤(rùn)濕性。最終，當(dāng)溶液完全透明時(shí)，形成了納米AlOOH溶膠。
電阻率為1–7ωcm的2英寸單晶n型直拉法(Cz)硅片被用作測(cè)量少數(shù)載流子壽命的襯底。在拋光和RCA清洗后，納米AlOOH溶膠以8000轉(zhuǎn)/分的速度在晶片表面上旋轉(zhuǎn)15 s。進(jìn)行200℃下5分鐘的烘焙步驟，隨后在室溫下在空氣中進(jìn)行5分鐘的退火處理(峰值溫度為600℃、650℃、700℃、750℃和800℃)。
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表征和測(cè)試
用掃描電子顯微鏡(掃描電子顯微鏡，S-4800，日立公司)測(cè)量退火后的晶片橫截面。為了評(píng)價(jià)表面鈍化質(zhì)量，用準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)光電導(dǎo)(QSSPC)衰減的廣義模式方法測(cè)量了有效的少數(shù)載流子壽命.1×1015 cm3結(jié)級(jí)的被視為參考值。眾所周知，高質(zhì)量的表面鈍化需要良好的場(chǎng)效應(yīng)鈍化和化學(xué)鈍化。這兩個(gè)鈍化方面分別用界面態(tài)和界面固定電荷密度(Qf)定量表示。我們?yōu)殡娙?電壓測(cè)量準(zhǔn)備了金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)結(jié)構(gòu)，以評(píng)估界面狀態(tài)和固定電荷的數(shù)量。硅襯底的一側(cè)被氧化鋁鈍化膜覆蓋，兩側(cè)的鋁電極通過真空蒸發(fā)制備。
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結(jié)果和討論
掃描電鏡測(cè)量
經(jīng)過旋轉(zhuǎn)、烘烤和退火，在晶片表面形成Al2O3層。數(shù)字1 顯示了氧化鋁薄膜在700℃退火后的顯微結(jié)構(gòu)。在界面上濺射納米金顆粒以提高樣品的導(dǎo)電性。在8000轉(zhuǎn)/分和15秒的紡絲參數(shù)下退火后，薄膜的厚度約為161納米。實(shí)際上，通過對(duì)紡絲參數(shù)的優(yōu)化，可以獲得不同厚度的薄膜，這將在進(jìn)一步的研究中進(jìn)行。
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XPS測(cè)量
用x光電子能譜分析了薄膜成分的退火溫度依賴性。桌子1 顯示了硅片有效壽命的退火溫度相關(guān)性的預(yù)測(cè)試結(jié)果。在550℃之前，沒有明顯的鈍化效果，因此XPS測(cè)量在600℃之后進(jìn)行2 分別顯示了Al 2p、O 1s、C 1s光電子能譜。數(shù)字2結(jié)果表明，在650℃、700℃和750℃退火后，薄膜主要由Al2O3組成鋁氧鍵峰的寬度意味著鋁在薄膜中有多個(gè)狀態(tài)。有大量氧化鋁、羥基氧化物、鋁硅酸鹽和氫氧化物晶體結(jié)構(gòu)。羥基氧化物類一水硬鋁石(α-AlOOH)、勃姆石(γ-AlOOH)、α-Al2O3和γ-Al2O3以及氫氧化物是最常見的組分.總之，在目前的情況下，73.4電子伏的一個(gè)小峰對(duì)應(yīng)于鋁羥基的結(jié)合能。隨著溫度的升高，Al 2p峰在半峰(FWHM)的全寬上增加。人們認(rèn)為這與薄膜中存在羥基自由基有關(guān)。根據(jù)亞歷山大的觀察的結(jié)果表明，熱處理去除AlOOH中的OH后，Al 2p和O 1s峰的FWHM增加，O 1s峰輕微移動(dòng)，結(jié)合能降低。Al2O3轉(zhuǎn)化為Al2O3結(jié)構(gòu)，化學(xué)鈍化效果下降。
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圖1 退火后晶片橫截面的掃描電鏡圖像
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圖2 樣品在650℃、700℃和750℃退火時(shí)的Al 2p、光電子光譜
壽命測(cè)量
? ? ? AlOOH-sol涂層后室溫下無鈍化作用；這就是為什么在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中引入了激活過程。研究了硅片有效壽命的退火溫度依賴性。有效壽命和退火溫度之間的關(guān)系如圖2所示4?？梢钥闯觯?00℃下，顯著增加。然后，隨著退火溫度的增加而增加。我們懷疑鈍化效果的提高是懸空鍵和固定負(fù)電荷的共同作用。最大有效壽命出現(xiàn)在700℃。當(dāng)退火溫度進(jìn)一步升高時(shí)，鈍化性能下降，這可能是因?yàn)闅湓訌墓?氧化鋁界面解吸。請(qǐng)注意，變化與XPS測(cè)量一致。以往的研究表明，ALD沉積氧化鋁層的最佳退火溫度約為470℃21]而700℃對(duì)于氧化鋁凝膠的通過更為優(yōu)選。一種假設(shè)是因?yàn)樵贏LD過程中，每一步都在250度左右運(yùn)行碳，硅氧鋁化學(xué)鍵形成。對(duì)比之下，
? ? ? 旋涂工藝制備的薄膜在室溫下工作，與硅表面的薄膜只是物理接觸，因此需要更多的能量來建立化學(xué)鍵。
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圖3 a樣品在650℃、700℃和750℃退火時(shí)的光電子能譜；樣品在650℃、700℃和750℃退火時(shí)的B2C 1s光電子光譜。
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圖4 不同注入水平下有效壽命的退火溫度依賴性
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結(jié)論
? ? ? 研究了溶膠-凝膠法制備的氧化鋁薄膜及其在硅片鈍化中的性能。使用仲丁醇鋁作為氧化鋁源，在硅片上制備氧化鋁鈍化膜。通過有效壽命和負(fù)固定電荷密度研究了表面鈍化質(zhì)量與退火溫度的關(guān)系。在這種情況下，低溫似乎不能提供足夠的能量來激活鈍化，而鈍化隨著受益于場(chǎng)效應(yīng)增強(qiáng)的溫度升高而顯著改善。在700℃退火后，薄膜顯示出足夠大量的固定電荷密度。