Lapisan Pasivasi Al₂O₃ 1,2-nm Optimal untuk Juntin p-n Silikon: Analisis Struktural dan Listrik Terkorelasi

Abstrak

Juntin p-n silikon bergantung pada pasivasi permukaan dan kontak yang efektif untuk meminimalkan kehilangan rekombinasi. Aluminium oksida (Al₂O₃) yang ditetapkan dengan pelapisan lapis atom (ALD) banyak digunakan untuk tujuan ini karena kontrol ketebalan yang sangat baik dan pasivasi efek medan. Dalam studi ini, kami secara sistematis mengubah ketebalan Al₂O₃ yang ditumbuhi ALD dari 0,24 hingga 1,9 nm pada juntin Si n⁺-p yang diimplantasi dan mengkorelasikan pengukuran mikroskopi transmisi elektron resolusi tinggi (HRTEM) dan sinar X dispersif energi (EDX) dengan metrik kinerja listrik yang diperoleh di bawah iluminasi AM 1.5 G dan analisis Suns-Voc Sinton. Hasil kami mengidentifikasi 1,2 nm sebagai ketebalan optimum yang menyeimbangkan resistensi seri minimal dengan pasivasi yang unggul, menghasilkan efisiensi kuantum eksternal (EQE) puncak dan efisiensi konversi daya (PCE) yang dikoreksi sekitar 11 %.

Pendahuluan

Mengurangi rekombinasi permukaan dalam juntin p-n silikon sangat penting untuk memaksimalkan generasi arus foto dalam perangkat fotovoltaik. Pasivasi sisi depan melindungi wilayah yang diilumini dan tidak logam, sementara pasivasi sisi belakang mengurangi rekombinasi di antarmuka kontak. Kontak logam-silikon konvensional menunjukkan rekombinasi tinggi, yang mendorong penggunaan kontak area kecil dengan doping lokal rendah atau lapisan dielektrik tunneling tipis untuk pasivasi lokal. Baru-baru ini, lapisan pasivasi selektif pembawa telah menunjukkan janji, yang memungkinkan satu jenis pembawa untuk menunnel sambil memblokir yang lain.

Al₂O₃ yang ditetapkan oleh ALD adalah standar industri untuk pasivasi permukaan karena memberikan kontrol ketebalan sub-nanometer dan memperkenalkan muatan tetap negatif yang memberikan pasivasi efek medan yang kuat. Ketebalan Al₂O₃ optimum, tuttavia, masih dipersoalkan, dengan nilai yang dilaporkan berkisar dari 0,24 nm hingga 30 nm. Banyak studi berfokus pada kecepatan rekombinasi permukaan (Sₑ) daripada metrik tingkat perangkat, yang menggarisbawahi kebutuhan akan korelasi langsung antara struktur antarmuka dan kinerja listrik.

Dalam karya ini, kami menetapkan lapisan Al₂O₃ 0,24–1,9 nm pada juntin Si n⁺-p yang diimplantasi, menggunakan HRTEM/EDX untuk mengonfirmasi ketebalan skala atom, dan mengukur resistensi seri, faktor idealitas, umur pembawa, EQE, dan PCE. Data mengungkapkan bahwa Al₂O₃ 1,2 nm memberikan pasivasi optimal sambil menjaga resistensi tunneling rendah.

Metode

Pembuatan Perangkat

Juntin Si n⁺-p yang diimplantasi difabriksikan pada wafer boron-dop tipe p (100) 4 inci (5–10 Ω·cm). Ion fosfor (10¹⁴ at cm⁻², 180 keV) diimplantasi, diikuti dengan anealing 900 °C selama 5 menit untuk mengaktifkan dopan. Lapisan tunneling Al₂O₃ (0,24–1,9 nm) ditetapkan oleh ALD termal (TMA/H₂O, 290 °C) dalam sistem PICOSUN R200; setiap siklus menghasilkan ~0,12 nm. Lapisan SiO₂ asli 1,5 nm terbentuk secara alami pada permukaan Si. Lapisan pelapis SiNₓ:H 80 nm ditetapkan oleh PECVD (340 °C, 1 Torr, 10 W) dan dianeli pada 650 °C selama 10 menit untuk mendorong H ke dalam Si. Elektrode jari Ti/Au (20/800 nm) ditambang pada sisi depan, dan kontak belakang Ti/Au 400 nm dipanaskan. Anealing akhir pada 400 °C selama 10 menit memastikan kontak ohmik.

Karakterisasi

Sampel TEM persil dipersiapkan oleh FIB pada FEI Helios dual-beam Nanolab 600i. HRTEM, STEM-HAADF, dan STEM-EDX dilakukan pada mikroskop JEOL ARM200F (200 kV). Gambar diperoleh sepanjang arah Si[011] untuk menyelaraskan sinar elektron dengan antarmuka Al₂O₃/Si. Pengukuran listrik dilakukan di bawah iluminasi AM 1.5 G menggunakan simulator Oriel Sol3ATM. Untuk mengisolasi efek resistensi seri, metode Suns-Voc Sinton digunakan, memberikan sweeping tegangan open-circuit dengan lampu xenos dan filter densitas netral.

Hasil dan Pembahasan

Pemetaan HRTEM mengonfirmasi kehadiran lapisan Al₂O₃ amorf di atas SiO₂ asli, dengan ketebalan 0,9, 1,2, dan 1,9 nm untuk siklus ALD 0,24, 1,0, dan 1,9 nm, masing-masing. STEM-HAADF gabungan dengan peta EDX memverifikasi distribusi elemen: kontras cerah sesuai dengan Al₂O₃ kaya Al, sementara sinyal Si tidak ada di dalam oksida. Profil intensitas di seluruh antarmuka menghasilkan ketebalan yang akurat yang konsisten dengan model deponisi ALD.

Resistensi seri (Rₛ) tetap konstan (~1,1 Ω) untuk ketebalan Al₂O₃ hingga 1,2 nm, lalu lonjak menjadi ~3,1 Ω pada 1,9 nm, yang mengindikasikan awal resistensi tunneling yang signifikan. Pemodelan dengan persamaan probabilitas tunneling menunjukkan bahwa tinggi rintangan (ϕ_B) 2,08–3,5 eV (SiO₂/Al₂O₃) mereproduksi tren Rₛ yang diamati, mengonfirmasi bahwa lapisan tipis (<1,2 nm) mempertahankan R_thu yang bisa diabaikan sambil menyediakan pasivasi efek medan yang efektif.

Faktor idealitas (n) menurun dari >2 (tidak dipasivi) menjadi ~1,5 seiring peningkatan ketebalan Al₂O₃, mencapai puncak pada 1,2 nm. Pada 1,9 nm, n lonjak tajam menjadi 4, yang mencerminkan dampak merugikan dari peningkatan Rₛ. Umur pembawa, yang diturunkan dari penurunan tegangan open-circuit, mencerminkan perilaku ini: umur membaik dengan ketebalan hingga 1,2 nm dan menurun pada 1,9 nm, kemungkinan karena penurunan difusi H dari lapisan SiNₓ selama anealing.

Pengukuran EQE menunjukkan respons tertinggi pada rentang 600–900 nm untuk sampel Al₂O₃ 1,2 nm, dengan penurunan yang mencolok pada panjang gelombang lebih panjang karena rekombinasi sisi belakang. PCE yang diukur mencapai puncak 5 % untuk 1,2 nm di bawah iluminasi standar, tetapi PCE yang dikoreksi (Rₛ = 0) tetap sekitar 11 % di seluruh ketebalan, yang menggarisbawahi kualitas pasivasi intrinsik.

Kesimpulan

Lapisan Al₂O₃ yang ditumbuhi ALD menyediakan pasivasi tunneling yang efektif untuk juntin n⁺-p silikon. Melalui analisis struktural HRTEM/EDX yang digabungkan dan pengujian listrik yang komprehensif, kami mengidentifikasi 1,2 nm sebagai ketebalan optimal yang menyediakan pasivasi efek medan yang kuat sambil menghindari resistensi seri berlebihan. Meskipun efisiensi perangkat belum sepenuhnya dioptimalkan, strategi pasivasi 1,2 nm yang ditampilkan menawarkan jalur yang jelas untuk meningkatkan sel surya silikon efisiensi tinggi.