利用校准的拉曼光谱技术研究激光剥离过程中GaN基微LEDs残余应力反转的演变

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Evolution of residual stress reversal in GaN-based Micro-LEDs during laser lift-off via calibrated Raman spectroscopy

硅基氧化物薄膜制备工艺创新及太阳能电池性能优化研究，提出采用分前驱体脉冲-等离子体化学气相沉积（SPP-PECVD）技术，在标准工业PECVD设备上实现1.7-1.8nm超薄SiO_x层原子级厚度控制（0.22nm/循环），较传统工艺厚度均匀性提升至0.037nm（整舟）和0.12nm（M2硅片）。经磷掺杂聚硅层复合处理，获得739mV开路电压和0.7fA/cm2表面复合电流密度，为TOPCon/IBC电池高效化提供新解决方案。

　　

叶夫根尼娅·拉里奥诺娃（Yevgeniya Larionova）| 越轩·阮（Viet Xuan Nguyen）| 托马斯·佩尔瑙（Thomas Pernau）| 丹妮拉·赛弗特（Daniela Seiffert）| 罗尔夫·布伦德尔（Rolf Brendel）| 托尔斯滕·杜尔韦伯（Thorsten Dullweber）

德国哈梅林太阳能研究所（ISFH），地址：Am Ohrberg 1，31860，埃默塔尔（Emmerthal）

摘要

当今的工业硅太阳能电池架构，如TOPCon和IBC，采用了氧化硅/多晶硅层堆叠结构，这种结构能够选择性地从硅晶圆中提取载流子，这种结构通常被称为钝化接触层。电接触质量要求在工业大规模生产（直至G12尺寸的硅晶圆）过程中，厚度仅为1.5纳米的界面氧化硅具有出色的均匀性。在这项研究中，我们提出了一种创新的独立前驱体脉冲（SPP）工艺来沉积氧化硅，该工艺能够在保持与现有工业PECVD制造工具完全兼容的同时实现原子级厚度控制。SPP工艺利用SiH₄/Ar和O₂/Ar在工业管式PECVD设备中的顺序等离子体暴露，仅使用常规工艺气体。实验结果显示，氧化硅的沉积速率为每周期0.22纳米，晶圆间的均匀性为0.037纳米，M2尺寸硅晶圆上的点对点均匀性为0.12纳米。在经过氢化处理后，钝化质量得到了评估，结果表明钝化效果非常好，开路电压可达739毫伏，表面复合电流密度低至0.7 fA/cm²，这是迄今为止报道的最佳工业n型多晶硅结钝化性能之一。

引言

光伏行业正从传统的钝化发射极和背面电池（PERC）技术向下一代太阳能电池架构转型，例如隧穿氧化层钝化接触（TOPCon）[1,2]和交错背接触（IBC）[3,4]，这些技术采用氧化层上的钝化多晶硅（poly-Si）接触[5]。由于TOPCon太阳能电池的转换效率可达到26.5%[2]，并且其与现有的PERC制造基础设施相似[1]，因此已成为主导技术，在2024年占据了超过56%的市场份额[5]。采用多晶硅接触的IBC太阳能电池的转换效率也达到了27.8%[6]。

硅晶圆与掺杂多晶硅层之间的超薄界面氧化硅（SiO_x）层是高效太阳能电池概念中的关键组成部分。这种通常厚度为1.2-2纳米的SiO_x层必须达到精确的平衡：厚度不足会增加少数载流子的复合，而过厚的SiO_x则会通过隧穿效应或针孔减少多数载流子在SiO_x层中的传输，从而增加接触电阻[[8], [9], [10], [11]]。

工业化的SiO_x生长技术包括在高温氧化炉中用O₂气体进行热氧化，以及在n型多晶硅PECVD沉积前，利用原位N₂O气体等离子体进行等离子体增强化学气相沉积（PECVD）来生成SiO_xN_y。这两种技术都实现了优异的表面复合电流密度，热氧化技术的J_0s低至0.6 fA/cm²，PECVD SiO_xN_y技术的J_0s低至1.5 fA/cm² [13]。PECVD SiO_xN_y/n-多晶硅工艺已由centrotherm公司商业化，用于工业太阳能电池制造[14]。

随着工业规模制造中晶圆尺寸增加到G12级别，大面积晶圆上的厚度均匀性和精确厚度控制变得更为重要。最近，等离子体增强原子层沉积（PEALD）SiO_x技术被证明是一种用于钝化接触的界面氧化层方法，旨在实现原子级别的厚度控制[15]。廖宝华（B. Liao）等人[15]开发了一种管式PEALD SiO_x工艺，通过首先沉积一层硅单层（使用未公开的硅前驱体），然后进行O₂等离子体氧化，当与原位掺磷的多晶硅层结合使用时，实现了2.8 fA/cm^2_0s。

在这项研究中，我们提出了一种新型的独立前驱体脉冲（SPP）-PECVD SiO_x工艺，并研究了其在钝化质量、与原位n型多晶硅层的结合以及改进的厚度控制方面的效果，其原理类似于PEALD方法，但使用了常规工艺气体。李俊杰（J. Lee）等人已经报道了在标准SiH₄/NH₃基PECVD SiN_z薄膜中通过SPP注入工艺气体来提高工艺控制的效果[16]。在这里，我们将SPP方法应用于界面SiO_x的沉积，通过每周期先沉积一层硅（使用SiH₄/Ar），然后进行O₂/Ar等离子体氧化，从而实现与PEALD技术类似的原子级精度界面氧化层的制备，同时保持成本效益，并与现有的工业PECVD制造工具完全兼容。 我们研究了SPP-PECVD SiO_x作为界面氧化层在钝化接触中的应用，以及其与原位掺磷多晶硅层的结合效果，并对其沉积均匀性和钝化性能进行了评估。此外，还展示了使用PECVD SiO_xN_y（通过N₂O等离子体）[14]和PECVD SiO_x（通过O₂等离子体）[17]制备的n型多晶硅结与SPP-PECVD SiO_x的对比。

样本制备

样品制备

为了研究我们新型SPP-PECVD SiO_x的性能，我们使用了两种类型的测试晶圆。第一组晶圆用于评估SPP-PECVD SiO_x的厚度和均匀性。这些M2尺寸的p型Czochralski硅晶圆经过氢氧化钾（KOH）中的锯切损伤刻蚀（SDE）处理，然后在工业在线设备中进行单面湿法抛光。经过HCl/O₃的高质量清洗后，我们使用HF溶液进行处理以去除

抛光测试晶圆上的SiO_x厚度测量

我们按照2.1节所述的方法，对制备好的抛光晶圆上沉积的薄SPP-PECVD SiO_x的厚度和均匀性进行了评估。SPP-PECVD SiO_x通过3、6、31和61个周期进行沉积，以获得不同的SiO_x厚度，并确定其沉积速率。图2显示了SiO_x厚度随沉积周期数的变化情况。SiO_x厚度随沉积周期数的增加而线性增加，最多可达到15纳米。

结论

SPP工艺在PECVD SiO_x中的应用实现了每周期0.22纳米的线性沉积速率， 使得通过3个沉积周期即可形成1.7–1.8纳米的超薄界面氧化层。这种原子级别的沉积控制与PEALD技术类似，同时使用了标准的PECVD设备和气体。

与传统基于N₂O等离子体的PECVD SiO_xN_y相比，SiO_x层厚度的均匀性得到了显著改善。

CRediT作者贡献声明

叶夫根尼娅·拉里奥诺娃（Yevgeniya Larionova）：撰写原始草稿、进行研究、进行数据分析。 越轩·阮（Viet Xuan Nguyen）：数据管理、概念构思。 托马斯·佩尔瑙（Thomas Pernau）：撰写、审稿与编辑、软件开发。 丹妮拉·赛弗特（Daniela Seiffert）：监督指导。 罗尔夫·布伦德尔（Rolf Brendel）：监督指导。 托尔斯滕·杜尔韦伯（Thorsten Dullweber）：撰写、审稿与编辑、监督指导。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本项工作得到了德国联邦经济部（BMWE）在Olivia研究项目（项目编号03 EE1184C）以及下萨克森州政府的财政支持。