Couche de passivation Al₂O₃ optimale de 1,2 nm pour jonctions p-n en silicium : analyse structurelle et électrique corrélée

Résumé

Les jonctions p-n en silicium reposent sur une passivation de surface et de contact efficace pour minimiser les pertes par recombinaison. L'oxyde d'aluminium (Al₂O₃) déposé par dépôt de couche atomique (ALD) est largement adopté à cette fin en raison de son excellent contrôle d'épaisseur et de sa passivation par effet de champ. Dans cette étude, nous avons systématiquement varié l'épaisseur d'Al₂O₃ cultivée par ALD de 0,24 à 1,9 nm sur des jonctions n⁺-p Si implantées et corrélé des mesures de microscopie électronique à transmission à haute résolution (HRTEM) et de spectroscopie à dispersion d'énergie des rayons X (EDX) avec des métriques de performance électrique obtenues sous illumination AM 1.5 G et l'analyse Suns-Voc de Sinton. Nos résultats identifient 1,2 nm comme l'épaisseur optimale qui équilibre une résistance série minimale avec une passivation supérieure, produisant une efficacité quantique externe (EQE) maximale et une efficacité de conversion de puissance corrigée (PCE) d'environ 11 %.

Introduction

La réduction de la recombinaison de surface dans les jonctions p-n en silicium est essentielle pour maximiser la génération de photocourant dans les dispositifs photovoltaïques. La passivation côté face avant protège la région illuminée, non métallisée, tandis que la passivation côté arrière atténue la recombinaison à l'interface de contact. Les contacts métal-silicium conventionnels exhibent une recombinaison élevée, incitant à l'utilisation soit de contacts de petite surface avec un dopage local faible, soit de couches diélectriques minces de tunnel pour la passivation locale. Récemment, les couches de passivation sélectives aux porteurs ont montré leur potentiel, permettant à un type de porteur de tunneler tout en bloquant l'autre.

L'Al₂O₃ déposé par ALD est la norme industrielle pour la passivation de surface car il offre un contrôle d'épaisseur sous-nanométrique et introduit des charges fixes négatives qui fournissent une forte passivation par effet de champ. L'épaisseur optimale d'Al₂O₃ reste cependant débattue, avec des valeurs rapportées allant de 0,24 nm à 30 nm. De nombreuses études se concentrent sur la vitesse de recombinaison de surface (S_e) plutôt que sur les métriques au niveau du dispositif, soulignant le besoin d'une corrélation directe entre la structure d'interface et la performance électrique.

Dans ce travail, nous déposons des couches d'Al₂O₃ de 0,24-1,9 nm sur des jonctions n⁺-p Si implantées, employons HRTEM/EDX pour confirmer les épaisseurs à l'échelle atomique, et mesurons la résistance série, le facteur d'idéalité, la durée de vie des porteurs, l'EQE et le PCE. Les données révèlent que 1,2 nm d'Al₂O₃ fournit une passivation optimale tout en maintenant une résistance de tunnel faible.

Méthodes

Fabrication des Dispositifs

Les jonctions n⁺-p Si implantées ont été fabriquées sur des wafers 4 pouces, de type p dopés au bore (100) (5-10 Ω·cm). Des ions phosphore (10¹⁴ at cm⁻², 180 keV) ont été implantés, suivis d'un recuit à 900 °C pendant 5 min pour activer les dopants. Une couche de tunnel Al₂O₃ (0,24-1,9 nm) a été déposée par ALD thermique (TMA/H₂O, 290 °C) dans un système PICOSUN R200 ; chaque cycle produit ~0,12 nm. Une couche native de SiO₂ de 1,5 nm s'est formée naturellement sur la surface du Si. Une couche de recouvrement SiNₓ:H de 80 nm a été déposée par PECVD (340 °C, 1 Torr, 10 W) et recuite à 650 °C pendant 10 min pour faire diffuser l'H dans le Si. Des électrodes en doigts Ti/Au (20/800 nm) ont été pulvérisées sur la face avant, et un contact arrière de 400 nm Ti/Au a été évaporé. Un recuit final à 400 °C pendant 10 min a assuré des contacts ohmiques.

Caractérisation

Des échantillons TEM en coupe transversale ont été préparés par FIB sur un FEI Helios dual-beam Nanolab 600i. HRTEM, STEM-HAADF et STEM-EDX ont été réalisés sur un microscope JEOL ARM200F (200 kV). Les images ont été acquises le long de la direction Si[011] pour aligner le faisceau d'électrons avec l'interface Al₂O₃/Si. Les mesures électriques ont été conduites sous illumination AM 1.5 G en utilisant un simulateur Oriel Sol3ATM. Pour isoler les effets de résistance série, la méthode Suns-Voc de Sinton a été employée, fournissant un balayage de tension à circuit ouvert avec une lampe flash xénon et des filtres à densité neutre.

Résultats et Discussion

L'imagerie HRTEM a confirmé la présence d'une couche Al₂O₃ amorphe au-dessus du SiO₂ natif, avec des épaisseurs de 0,9, 1,2 et 1,9 nm pour les cycles ALD de 0,24, 1,0 et 1,9 nm, respectivement. Le STEM-HAADF combiné aux cartes EDX a vérifié la distribution élémentaire : les contrastes brillants correspondent à l'Al₂O₃ riche en Al, tandis que les signaux Si sont absents dans l'oxyde. Les profils d'intensité à travers l'interface ont donné des épaisseurs précises cohérentes avec le modèle de déposition ALD.

La résistance série (Rₛ) est restée constante (~1,1 Ω) pour les épaisseurs d'Al₂O₃ jusqu'à 1,2 nm, puis a grimpé à ~3,1 Ω à 1,9 nm, indiquant l'apparition d'une résistance de tunnel significative. La modélisation avec l'équation de probabilité de tunnel a montré que la hauteur de barrière (ϕ_B) de 2,08-3,5 eV (SiO₂/Al₂O₃) reproduit la tendance Rₛ observée, confirmant que les couches minces (<1,2 nm) maintiennent une R_th négligeable tout en fournissant une passivation par effet de champ efficace.

Le facteur d'idéalité (n) a diminué de >2 (non passivé) à ~1,5 à mesure que l'épaisseur d'Al₂O₃ augmentait, atteignant un pic à 1,2 nm. À 1,9 nm, n a grimpé brusquement à 4, reflétant l'impact néfaste de l'augmentation de Rₛ. La durée de vie des porteurs, dérivée de la décroissance de tension à circuit ouvert, a reflété ce comportement : les durées de vie se sont améliorées avec l'épaisseur jusqu'à 1,2 nm et ont diminué à 1,9 nm, probablement en raison d'une diffusion réduite de H depuis la couche SiNₓ pendant le recuit.

Les mesures EQE ont montré la réponse la plus élevée dans la gamme 600-900 nm pour l'échantillon Al₂O₃ 1,2 nm, avec une chute prononcée aux longueurs d'onde plus longues due à la recombinaison côté arrière. Le PCE mesuré a culminé à 5 % pour 1,2 nm sous illumination standard, mais le PCE corrigé (Rₛ = 0) est resté autour de 11 % pour toutes les épaisseurs, soulignant la qualité intrinsèque de la passivation.

Conclusions

Les couches d'Al₂O₃ cultivées par ALD fournissent une passivation de tunnel efficace pour les jonctions n⁺-p en silicium. Grâce à une analyse structurelle combinée HRTEM/EDX et des tests électriques complets, nous identifions 1,2 nm comme l'épaisseur optimale qui délivre une forte passivation par effet de champ tout en évitant une résistance série excessive. Bien que l'efficacité du dispositif n'ait pas été pleinement optimisée, la stratégie de passivation 1,2 nm démontrée offre une voie claire pour améliorer les cellules solaires en silicium à haut rendement.