[發明專利]一種脈沖式快速熱處理半導體薄膜表面的方法

在審

• 申請號: 201710511722.7
• 申請日: 2017-06-27
• 公開（公告）號: CN107331615A
• 公開（公告）日: 2017-11-07
• 發明（設計）人: 畢金蓮;敖建平;高青;張照景;孫國忠;周志強;何青;張毅;孫云
• 申請（專利權）人: 南開大學
• 主分類號: H01L21/324
• 分類號: H01L21/324
• 代理公司: 天津耀達律師事務所12223
• 代理人: 侯力

技術領域

本發明屬于光電材料及新能源技術領域，涉及一種快速有效提高濺射、蒸發、電沉積、涂覆、噴墨打印、電子束、原子層沉積、PECVD法制備半導體薄膜的表面帶隙，材料表面缺陷鈍化，實現半導體薄膜表面摻雜的方法。

背景技術

CIGSe薄膜太陽電池因其穩定性高、抗輻射、吸收系數高等優勢引起人們廣泛關注，目前轉換效率最高達22.6％，成為最具發展潛力的薄膜太陽電池之一。制備CIGSe薄膜的方法大體可分為真空法和非真空法，真空法主要包括蒸發法和濺射后硒化法，非真空方法主要包括電沉積法，涂覆法和絲網印刷法等。目前為止，最高轉換效率的CIGSe薄膜通過蒸發法制備，蒸發法可通過調整蒸發工藝獲得具有“U或V”型帶隙的薄膜，材料的雙梯度帶隙可平衡器件開路電壓和短路電流之間的矛盾，提高器件性能。除蒸發法外，其他制備方法僅通過硒化工藝較難獲得具有雙梯度帶隙的薄膜。電沉積法制備CIGSe薄膜與真空法中的濺射法類似，薄膜制備過程分兩步：第一步電沉積或濺射制備金屬或化合物預制層，第二步預制層硒化熱處理制備CIGSe薄膜。這兩種方法的共同點是第二步硒化熱處理薄膜生長過程均通過元素擴散反應生長制備CIGSe薄膜，很難通過控制硒化工藝制備具有雙梯度帶隙結構的薄膜。對于后硒化方法而言，表面硫化是實現雙梯度帶隙提高器件性能的有效且必要的工藝技術，不僅可以提高薄膜表面帶隙，提高表面復合勢壘，還可以鈍化表面缺陷，降低表面缺陷態密度，降低載流子界面復合。

表面硫化方法僅在薄膜表面摻入S，提高薄膜表面帶隙，使薄膜帶隙呈“U或V”型結構，將薄膜最小帶隙控制在PN結空間電荷層內，光生載流子在空間電荷區內產生，通過電場被收集，降低載流子復合幾率，采用普通快速熱處理方法，僅僅提高升溫速率，很難做到僅對薄膜表面進行摻S。CIGSe薄膜表面硫化需要達到的效果為薄膜表面S含量高(幾十納米厚范圍內)且S不擴散到CIGSe吸收層內部。根據硫化過程中的動力學分析可知，硫化過程涉及的主要參數有襯底溫度、S濃度和S活性；硫化過程中襯底溫度越高，S越容易摻入；襯底溫度越低，S越不容易摻入；S活性越高，S越容易與表層化合物反應，即S更容易替代Se化合進入CIGSe晶格中；S活性越低，S越不容易摻入薄膜；S分壓越高，越容易擴散進入CIGSe吸收層。因此，若使CIGSe薄膜實現僅表面含S的效果，需要在低襯底溫度下，瞬間提高薄膜表面溫度，促使S快速摻入到薄膜中，迅速降低薄膜表面溫度，防止S進一步向薄膜內部擴散。

同樣，由于半導體異質結界面處經常存在材料不連續或晶格匹配等問題帶來的懸掛鍵，這些懸掛鍵會在半導體禁帶中產生許多表面態能級，導致表面復合加劇，影響器件性能，因此，半導體薄膜表面鈍化尤為關鍵。對半導體表面進行元素摻雜可改善半導體電學性能，增加半導體載流子收集。表面硫化、表面鈍化或摻雜均屬于表面處理范疇。半導體薄膜表面鈍化和摻雜與表面硫化類似，若要實現僅對薄膜表面進行鈍化和摻雜，需在低襯底溫度下，瞬間提高薄膜表面溫度，短時間熱處理后再迅速降低薄膜表面溫度。

U.S.Pat.No.6122440專利中采用快速熱處理在較低偏壓的反應氣體和較高材料表面溫度下，對Si進行表面刻蝕和表面氧化層生長，處理時間30s，表明采用快速熱處理方法可在較低濃度的反應氣體中實現Si襯底表面處理。但由于半導體薄膜厚度較薄，其厚度僅為幾微米，而表面處理的薄膜厚度在100nm范圍內，傳統的快速熱處理方法很難實現表面處理。此外，由于長時間高溫易導致某些化合物半導體材料發生分解，但較低溫度下又很難實現表面處理，現有技術中缺少一種針對薄膜半導體材料表面處理的方法。

發明內容

本發明的目的是解決半導體薄膜表面帶隙低、表面缺陷態密度大的問題，提供一種低襯底溫度下實現半導體薄膜表面處理的方法。并通過該方法獲得一種具有優良帶隙結構、低表面缺陷態密度的半導體薄膜。

本發明處理方法通過在較低襯底溫度下，對薄膜表面施加瞬間的周期性的高溫或超高溫實現半導體薄膜表面處理。

因此，本發明提供一種脈沖式快速熱處理半導體薄膜表面的方法，在較低襯底溫度下，利用瞬間高溫或超高溫對薄膜進行短時間熱處理，脈沖、間歇式熱處理方式實現對薄膜材料表面的處理，且可有效避免長時間高溫對半導體薄膜產生的不利影響。

綜上所述，本領域缺乏一種在較低襯底溫度下實現半導體薄膜表面處理的方法。

本發明采用的技術方案