优化n+多晶硅层掺杂与等离子体处理以提升n型晶体硅片电学及厚度均匀性

本研究针对n型晶体硅(c-Si)上n+多晶硅(poly-Si)层在导电性和膜层均匀性方面的挑战，系统探讨了PH3/SiH4气体比例(1.2–4.0)、高温退火及NH3等离子体处理对载流子浓度(n)、迁移率(μ)、电阻率(ρ)及片电阻(Rs)的影响。结果表明，提高掺杂比例可显著提升n并降低ρ和Rs，但μ略有下降；退火改善了结晶度与电学均匀性，而NH3等离子体处理需进一步优化参数。该研究为高性能TOPCon太阳能电池的电子选择性接触层优化提供了重要指导。

　　

在追求高效光伏和半导体器件的道路上，材料界面工程和关键层电学性能的优化扮演着核心角色。其中，多晶硅(polycrystalline silicon, poly-Si)因其优异的载流子选择性、热稳定性以及与工业化制造技术的兼容性，已成为晶体硅(crystalline silicon, c-Si)晶片上一种重要的钝化接触材料。在诸如隧穿氧化层钝化接触（Tunnel Oxide Passivated Contact, TOPCon）太阳能电池等先进光伏应用中，poly-Si层对于实现高开路电压和低复合损失至关重要。然而，在大面积等离子体增强化学气相沉积（Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD）过程中，生产具有高导电性和结构均匀性的poly-Si薄膜仍然是一个重大挑战。气体流动、等离子体密度和热梯度的空间不均匀性会导致薄膜厚度、掺杂剂掺入和缺陷分布的差异，进而引起晶圆上电学性能的不一致，影响整体器件的可靠性。此外，实现高载流子浓度(n)和高迁移率(μ)之间的最佳平衡也颇为困难，因为更高的掺杂水平通常会引入杂质散射和结晶度(crystallinity, X_c)下降，从而限制性能。

为了解决这些问题，由Hasnain Yousuf、Muhammad Quddamah Khokhar、Alamgeer、Mengmeng Chu、Rafi ur Rahman、Maha Nur Aida、Donghyun Oh、Youngkuk Kim和Junsin Yi组成的研究团队，来自韩国成均馆大学（Sungkyunkwan University）光伏系统工程跨学科项目，开展了一项深入研究。他们的研究成果发表在《Results in Chemistry》上，系统地评估了掺杂浓度和沉积后处理对在n型c-Si晶片上形成的n+ poly-Si层的影响。

本研究首先通过PECVD在n型c-Si晶片上沉积非晶硅(amorphous silicon, a-Si:H)薄膜，然后通过高温退火将其晶化为n+ poly-Si。为了评估空间变化，样品从沉积腔室的三个关键区域（Zone 1, Zone 4, Zone 8）提取。研究通过改变硅烷(SiH₄)和磷烷(PH₃)的流量比（1.2至4.0）来调整掺杂浓度。沉积后，样品经历了高温退火（900 °C，30分钟，N₂氛围）和选择性NH₃等离子体暴露等后处理步骤。此外，还采用了稀释的氢氟酸（dilute HF, DHF）浸渍来去除表面原生氧化物。

为开展研究，作者团队运用了几个关键的技术方法：1) 使用8区PECVD系统进行a-Si:H薄膜沉积，并通过改变PH₃/SiH₄气体比例精确控制掺杂浓度；2) 利用高温退火（900 °C）工艺将a-Si:H结晶转化为n+ poly-Si，并改善其结晶度和电学性能；3) 采用NH₃等离子体处理进行表面钝化；4) 综合使用霍尔效应测量（采用玻璃替代品结构以避免衬底导电）、四探针法（测量片电阻R_s）、拉曼光谱（分析结晶度X_c）和椭圆偏振术（测量厚度和折射率）等多种表征技术来全面评估薄膜的电学、结构和光学性能。

3.1. 掺杂变化对电学性能的影响

通过系统改变PH₃/SiH₄比例，研究人员发现载流子浓度(n)从1.4×10²⁰ cm^?3显著增加至3.16×10²⁰ cm^?3。然而，迁移率(μ)则从38 cm2/V·s略微下降至32 cm2/V·s，这是由于杂质散射增加所致。相应地，电阻率(ρ)从9.5×10^?4 Ω·cm降低至5.2×10^?4 Ω·cm，片电阻(R_s)也从119 Ω/□下降至65 Ω/□。拉曼分析表明结晶度(X_c)随掺杂增加从92%略微下降至82%，表明更高的掺杂浓度会引入更多的结构无序或缺陷。

3.2. 拉曼光谱结晶度分析

拉曼光谱显示，所有掺杂比例下的poly-Si薄膜在520 cm^?1附近均存在一个明显的峰值，证实了其晶体结构。然而，在较高掺杂比例（如4.0）下，峰值出现轻微展宽和强度降低，表明由于掺杂剂掺入增加，引入了轻微的结构缺陷或晶格畸变。

3.3. PECVD区域的空间电学变化

研究揭示了8区PECVD反应器内明显的空间不均匀性。Zone 4通常表现出最优异的横向传输性能，具有最低的R_s（约83 Ω/□）和ρ（约5.8×10^?4 Ω·cm），以及具有竞争力的μ。相反，Zone 8则表现出较弱的传输特性，具有最高的R_s（约91 Ω/□）和ρ（约6.8×10^?4 Ω·cm），以及最低的μ（约16 cm2/V·s），尽管其载流子浓度(n)最高（约5.0×10²⁰ cm^?3）。Zone 1的电学参数介于两者之间。这些差异源于沉积、结晶化和等离子体暴露过程中的耦合不均匀性。

3.4. 退火和等离子体对电导率的影响

研究发现，单独退火处理后，R_s在各区域间相对均匀（Zone 1: 80-86 Ω/□, Zone 4: 76-80 Ω/□, Zone 8: 72-83 Ω/□），且过程重现性好。然而，在退火后进行NH₃等离子体处理会导致所有区域的R_s均出现小幅增加（例如Zone 4增加约20 Ω/□），这表明等离子体处理修改了表面状态，可能引入了额外的散射中心，并且其均匀性需要优化。

3.5. 结晶化前a-Si:H在超薄SiO_x上的折射率和厚度变化

对沉积在超薄SiO_x（约1-2 nm）上的a-Si:H薄膜的分析显示，各区域间的折射率相对均匀，但厚度分布存在更明显的空间不均匀性。Zone 8的薄膜持续更厚（94-97 nm），这表明反应室内存在气体流动或等离子体密度不对称的情况。

3.6. 解析R_s图谱与PC1D模拟效率敏感性

通过分析计算和PC1D器件模拟，研究建立了poly-Si层材料控制变量（n, μ, 厚度t）与其R_s之间的关系，并模拟了不同R_s水平对电池效率的影响。模拟预测，在约60至90 nm的厚度范围内存在一个广泛的效率平台，较高的R_s会 uniformly 降低效率曲线。

3.7. a-Si:H与poly-Si的光学行为比较

椭圆偏振术测量表明，poly-Si在整个可见光范围内的折射率均高于a-Si:H（在400 nm处约为5.5 vs 4.5），这意味着更强的光吸收。因此，对于前侧应用，厚度最小化比对于光学损失较小的后侧TOPCon更为关键。

3.8. 薄膜厚度与HF氧化物剥离（DHF）的影响

统计分析表明，从a-Si:H到poly-Si的结晶化过程是导致厚度显著减少的主要因素（中值从72.9 nm降至66.9 nm）。随后的HF氧化物剥离处理（DHF） primarily 扩大了厚度分布（范围59.3-72.4 nm），而中值厚度变化不大，这反映了基于微观结构特征的局部蚀刻变化。

4. 结论与意义

本研究得出结论，通过优化PH₃/SiH₄掺杂比例和后退火处理，可以显著提高n+ poly-Si层的电导率（通过增加n和降低ρ、R_s），但需权衡迁移率(μ)的轻微下降和结晶度(X_c)的略微降低。研究揭示了PECVD系统内存在的显著空间不均匀性（Zone 4性能最优，Zone 8最差），强调了对沉积和后退火工艺进行区域级优化的必要性。NH₃等离子体处理作为一层级处理时，需仔细优化参数以避免对电学均匀性产生负面影响。

该研究的重要意义在于为开发高性能、均匀的n+ poly-Si层提供了系统的工艺优化指南，这些层是n型TOPCon太阳能电池 rear-side 电子选择性接触的关键组成部分。所获得的见解对于推进高效太阳能电池和其他半导体器件至关重要，因为这些器件的性能在很大程度上依赖于 uniform 的电学和材料特性。研究工作聚焦于层级优化，为后续集成到完整的poly-Si/SiO_x钝化接触堆栈中，共同优化表面钝化质量和接触电阻率(ρ_c)奠定了坚实的基础。未来工作将朝这个方向继续深入。