用于制备高性能GaSb热电电池的深度Zn扩散和背面刻蚀方法

《Infrared Physics & Technology》：Deep Zn diffusion and back-etching method for fabrication of high-performance GaSb thermophotovoltaic cells

　　

摘要

本文提出了一种纯锌扩散与精确背面刻蚀工艺，用于制造高性能GaSb光热光伏电池。与JX Crystals传统的双锌扩散制备工艺不同，纯锌扩散的活性区域刻蚀工艺更为简便、成本低廉且性能优越。由于需要将不同扩散深度和浓度进行比较以确定最佳刻蚀时间，因此必须计算最大量子效率点来指导实验。基于计算结果，我们为硅片设计了多步刻蚀监测实验。该工艺还确保了电极下方仍保留高浓度扩散区域，从而降低接触电阻。结果表明，与刻蚀前电池相比，该工艺可降低电池的表面复合速率，使最大输出功率密度提高38.7%，填充因子（FF）提高13.9%，且为双锌扩散电池的1.181倍。

引言

GaSb电池是光热光伏（TPV）发电的理想能量转换器件[1]、[2]，在深空及深海探测、激光功率传输、单兵作战装备等应用领域已开展了初步研究[3]、[4]、[5]。因此，高性能、低成本GaSb电池的制备是推动光热光伏发电系统从科学研究走向实际应用的关键技术突破问题[6]。目前国际上制备GaSb电池的方法包括锌扩散法[8]、[9]、金属有机气相外延法（MOVPE）、金属有机化学气相沉积法等。其中，锌扩散法应用最为广泛[10]，最具灵活性和突破性，适用于串联TPV电池的大规模生产[11]。

JX Crystals最初采用了单步扩散法[15]。他们使用Zn-Sb合金作为扩散源，在扩散过程中，高浓度表面区域形成了折角型扩散分布，而低浓度深扩散区域则形成了尾部型扩散分布[16]。先前的研究表明，在高掺杂区域有利于与正极形成欧姆接触以降低薄膜电阻[7]。然而，实际上结区之前高掺杂p型扩散区域的深度远小于锌扩散分布中所见的深度，这将缩短光生载流子的寿命，不利于光生载流子的收集。因此，他们打算使用一些特殊刻蚀液来降低GaSb电池表面锌扩散的深度和浓度。

然而，在他们的实验中，电池的电极和栅线无法抵抗刻蚀液的侵蚀，这导致电池性能和稳定性急剧下降。Zn-Ga合金是制备GaSb电池优良的扩散源。JX Crystals提出了一种双锌扩散方法。在制造过程中，硅片需要经历两次光刻-Si₃N₄沉积-扩散工艺，从而在电池表面形成两种不同的扩散分布。在活性区域，盒型分布的锌浓度低至10¹⁹ cm^?3，可有效降低表面复合速率并提高电池的短路电流。

上述方法不仅繁琐，而且非常昂贵。在单步扩散法的基础上，我们采用纯锌作为扩散源[12]、[13]、[14]。通过磁控溅射制备的电极更为坚固，经过理论计算，我们获得了刻蚀后电池性能的预期结果。因此，GaSb电池的精确刻蚀可用于提高量子效率及TPV能量输出性能。

章节摘要

器件模拟与分析

根据实验经验，GaSb电池扩散区域的刻蚀极为复杂。硅片需要经过多步刻蚀、清洗和测试，短路电流逐渐增大以达到最佳性能状态。一旦超过这一临界点，电池的开路电压将迅速下降，导致GaSb电池性能降低[14]、[17]。由于p型扩散区域的体掺杂不均匀性质

器件制造工艺

整个器件制造工艺流程如图5a所示，具体细节如下。实验采用中国半导体研究所生产的〈100〉晶向、碲掺杂（n=2–4×10¹⁷cm³）GaSb衬底[21]、[22]。通常，在制备过程中会产生氧化物层，表面残留抛光后的有机油污，以及空气中吸附的粉尘颗粒。这些杂质将严重影响表面的

实验结果与分析

通过初步模拟计算，获得以纯锌源扩散的GaSb电池p型扩散区的纵向截面形貌和扩散浓度分布，如图1a所示。随着刻蚀过程的进行，电池表面附近的高浓度富锌层被选择性去除，纵向截面形貌开始向左移动，在刻蚀深度为处折角点消失

结论

在我们的研究中，我们提出了一种将伪闭合盒型纯锌扩散与n型扩散区刻蚀相结合的方法，用于制造GaSb TPV电池。该方法包括比较不同扩散源的刻蚀曲线，改变GaSb电池表面的扩散深度和浓度以确定最佳刻蚀时间，从而降低表面复合速率并提高电池量子效率。该工艺的技术优势不仅体现在

CRediT作者贡献声明

李智昊：撰写—初稿、方法学、形式分析、数据整理、概念构思。彭建兵：验证、方法学、形式分析。葛江文：可视化、调查研究。赵英：资金获取。王世诚：软件、项目管理。刘永辉：软件、概念构思。袁媛：项目管理、方法学。张淑旺：可视化、调查研究。黄兴业：验证、调查研究。张勇：项目管理，

利益冲突声明

作者声明，不存在已知的可能影响本文所述工作的竞争财务利益或个人关系。

致谢

本研究部分由中国核工业集团兰州大学核燃料循环与核技术国家研究院资助，项目编号CNNC-LCKY-2024-087，部分由中央高校基本科研业务费资助，项目编号lzujbky-2023-stlt01，部分由甘肃省自然科学基金资助，项目编号23JRRA1047，部分由中国能源投资集团资助，项目编号GJNY-24-89（S930024033）。

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