p+ poly-Si综述

/() poly-Si综述/

• 关键词：B掺杂，p poly-Si，TOPCon，接触电阻，叠层

关键结论

• 典型的单面背面()poly-Si结构，实践可达成的效率上限为~26%
• 双面POLO结构（正面叠加poly finger），实践可达成的效率上限~27.5%
• () poly-Si最佳复合电流密度 1-5
• ()poly-Si最佳复合电流密度 5-15
• () poly-Si/SiOx结构现阶段主要的问题：
• B掺杂poly-Si，B原子对界面氧化层的影响（聚集、膜层畸变）会降低结构的钝化性能。应对措施：Ga掺杂替代B掺杂，H化处理（介质膜层优化），pinholes的大小和密度调配，界面隧穿层替换，界面氧化层厚度优化，复合膜层结构等。
• 绒面结构钝化：均匀性问题、金字塔棱边应力积累问题等导致的钝化不均。应对措施：H化处理，叠层膜优化，厚度优化。
• 丝印金属化：Ag-Al尖刺问题，金半接触电阻率问题。应对措施：LECO技术、浆料匹配改善，B超量掺杂激光技术等。

讨论

() poly-Si vs () poly-Si 比较

() poly-Si结构面临的主要问题：

• 相比n-poly Si，表面钝化效果略差。饱和电流密度 在 5-15 （双面抛光、双面POLO结果）
• 与现有丝网印刷烧结浆料匹配受限

II. 现状

A. 简述() poly-Si接触的形成

() poly-Si接触结构形成大致分为5个阶段：

• i，隧穿氧化层生长。主要有热硝酸氧化法，热氧化法，LPCVD、PECVD，UV辅助臭氧氧化等。
• ii，本征poly-Si或者本征a-Si的沉积。主要有LPCVD、PECVD、PVD、HWCVD等方式。
• iii，掺杂（非原位掺杂，硼扩散BCl3/BBr3，离子注入，或者掺镓Ga）、晶化或者掺杂活化过程（原位掺杂）
• iv，氢化，钝化膜层AlOx/SiNx
• v，金属化，丝印-烧结、蒸镀、电镀技术等

氢化的主要目的是提升接触界面钝化性能，饱和SiOx/c-Si界面悬挂键。

• 原子氢（H2等离子或者富氢介质膜层）相比原子氢气氛FGA，加氢效果更有效
• 过量的氢对钝化效果可能会起到反作用
• SiOx/c-Si界面聚集过量的氢对 poly-Si烧结稳定性的影响相比() poly-Si更严重；() poly-Si对H含量的耐受范围更宽，原因是p-poly Si结构中H的扩散速度更慢，导致H迁移聚集在SiOx/c-Si界面的量相对较少

丝网印刷金属化过程：

• 典型的) poly-Si金属化后接触电阻率 , 金属区域复合 ~ 30-50
• 典型的) poly-Si金属化后接触电阻率在 , 金属区域复合 ~ 160-800

B. poly-Si 吸杂

• LPCVD方式制备的p poly-Si的吸杂效果相比n poly-Si更好
• 但是PVD方式制备的p poly-Si的吸杂效果相比n poly-Si较差

III. poly-Si的挑战和应对措施

A. B引起的SiOx膜层破坏

() poly-Si相比() poly-Si钝化性能略差的原因：

• 部分归因于B和P原子在硅中的特性差异
• 分离系数差异：B在0.1~0.3；P在10左右，这就导致B在氧化层中容易聚集，界面氧化层衰减，界面态密度增大。SiOx中B含量最高可达, P含量最高含量 , 相差2个数量级
• B原子半径 ~0.087 nm，P原子半径 ~0.098 nm。B在Si中引起的形变量更大

B相关影响的解决策略

a.1 掺Ga替代掺B，

• Ga的分离系数~20，降低氧化层中掺杂元素含量，Ga在SiOx溶解度~
• (Ga) poly-Si结构可实现 iVoc ~737mV， ~1 fA/cm2
• Ga的扩散系数比B小，获得均匀掺杂的poly-Si难度加大
• Ga在Si中的固溶度相比B低1个数量级，相对获得低接触电阻率难度加大。需要通过非平衡掺杂方式成了必选项，激活超过固溶度上限的Ga来获得低接触电阻率
• 纳秒激光脉冲熔融技术，可获得B掺杂浓度 , Ga浓度 量级，Ga掺杂电阻率可低至 ，管式热退火激活方式电阻率在 2000 mΩ·cm2
• 分布掺杂法，金半接触区域采用B掺杂poly-Si，非金半接触区域采用Ga掺杂poly-Si。同时兼顾钝化效果和低接触电阻率特性。

a.2 针孔氧化pinhole oxides

载流子通过氧化层的2种方式：

• 直接隧穿（氧化层厚度<2 nm）
• 通过pinholes漂流-扩散传输，氧化层厚度2nm以上时，pinhole传输为主要方式
• pinholes主要是在高温退火过程形成，需要控制pinholes的尺寸和数量来保证钝化性能

a.3 界面膜层替代

• SiOx膜层的价带偏移量 ~4.5 eV，空穴在界面SiOx隧穿有效质量为 0.58 ，空穴隧穿效应相对受限；相对而言导带偏移量~3.2 eV，电子有效隧穿质量为0.42
• 备选界面膜层AlOx、SiNx，膜层的固定电荷密度对隧穿效应会有影响。AlOx膜层带固定负电荷，有利于空穴的隧穿，SiNx的固定正电荷可能起到相反的作用

a.4 多层膜组合

• 组合膜层，目的在于减小B分离引起的界面氧化层损伤
• poly-Si/SiOx/poly-Si/SiOx/c-Si结构，B内扩由降低至, 内扩深度由80nm→40nm， 由5→3 fA/cm2（抛光面），21→9 fA/cm2（绒面）

a.5 预退火ex situ p+ poly-Si(B)制备过程包含一个预退火步骤（温度>1000℃),在增强钝化效果方面有2个作用：

• 提升界面氧化层配位， ，iVoc有5-10mV影响
• 调控界面氧化层pinholes尺寸和数量

B. 绒面钝化表现

• 掺杂poly-Si钝化性能受硅片表面形貌影响
• 界面氧化层是获得优异化学钝化性能的关键
• SiOx在金字塔尖和边缘会出现中断的问题
• <100>晶面和<111>晶面SiOx膜层存在不均匀性的现象，在金字塔顶部和底部不均匀现象更突出。
• SiOx/c-Si界面<111>面界面态密度相比<100>界面态密度更高
• <100>面态密度~
• <111>面态密度~
• 金字塔的棱边应力累积，会增大复合活动

改善措施：

• 氢化处理 Hydrogenation
• SiNx vs AlOx/SiNx vs AlOx/SiNx/AlOx叠层
• 适当增加界面氧化层厚度 ALD方式沉积

C. 原位掺杂过程中的非晶化

• LPCVD过程沉积poly-Si 晶化率高
• 原位掺杂方式伴随非晶或者晶化率低的问题，尤其是在B掺杂poly-Si沉积过程，B原子的引入会导致晶体结构的拉伸或中断，导致非晶化或者晶化率降低。
• 降低B掺杂量可以改善非净化的问题

D. 丝印&烧结金属化

• p+ poly-Si常规丝印烧结后接触电阻率高
• Ag浆中加入适量的Al可以大幅改善接触性能，但会导致Ag-Al尖刺的产生（深入硅片表面>1um)，银铝尖刺会显著削弱表面钝化性能
• Ag-Al浆在平面上接触电阻率相比绒面上的接触电阻率要高
• 一方面绒面的比表面积相比平面大
• 另一方面金字塔会打断玻璃体的连续性，有利于金属晶体的形成，促进欧姆接触
  
  

来源：

• Current status and challenges for hole-selective poly-silicon based passivating contacts
• Appl. Phys. Rev. 11, 011311 (2024); doi: 10.1063/5.0185379