光致電壓器件結(jié)構(gòu)和方法
【專利說明】光致電壓器件結(jié)構(gòu)和方法
[0001]本申請是申請日為2010年2月11日的中國專利申請20108000729L 7( “光致電壓器件結(jié)構(gòu)和方法”)的分案申請。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明總體上涉及光致電壓器件領(lǐng)域，并且具體公開了對激光器的改進以及在太陽能電池制造中的使用。還描述了一種新的抗反射涂層布置。
【背景技術(shù)】
[0003]金屬接觸下局部化區(qū)域中硅的激光摻雜已經(jīng)提出了十多年，作為用于生產(chǎn)具有選擇性發(fā)射極的高性能太陽能電池的低成本方法。迄今為止，盡管經(jīng)過了十多年的研究和問題解決，結(jié)合抗反射涂層使用激光摻雜的器件由于激光摻雜工藝所引起的缺陷、結(jié)復合或分接，還不能實現(xiàn)它們預期的性能。具體地，由硅與覆蓋抗反射涂層(ARC)之間的失配所產(chǎn)生的鄰近熔化區(qū)域的缺陷、包括到熔化硅中的摻雜劑的不充分混合、以及摻雜硅的不期望燒蝕是促成使用金屬接觸下局部化區(qū)域的激光摻雜的器件的不良電性能的顯著問題。
[0004]此外，大多數(shù)太陽能電池使用半導體表面上的抗反射涂層(ARC)來減少反射的光量。通常，選擇具有適當折射率和厚度的ARC來將表面反射減小至最小。也可以使用雙層ARC(DLARC)，從而選擇每個單獨層的折射率和厚度來將總反射減小至最小，其中DLARC的理論反射最小值低于單層ARC(SLARC)的理論最小值。因為使用DLARC來獲得較小附加性能優(yōu)勢太復雜且昂貴，因此大多數(shù)商業(yè)制造的太陽能電池使用SLARC。
[0005]使用ARC產(chǎn)生的兩個問題是:首先，ARC使得很難鈍化其上沉積了該ARC的半導體表面，因此導致復合電流和器件暗飽和電流的增大；以及其次，許多潛在的ARC材料對于其上沉積了這些潛在ARC材料的半導體表面而言具有不同的熱膨脹系數(shù)，導致對半導體表面施加應(yīng)力，其中，在溫度升高情況下在處理期間產(chǎn)生可能的相應(yīng)缺陷。為了克服上述第一點，已經(jīng)使用了表面處理，例如，在沉積更厚的ARC之前，生長薄的熱生長氧化層，以鈍化半導體表面。利用這種布置，薄的鈍化層不會顯著影響在其上沉積的ARL的操作。
[0006]然而，迄今為止，還沒有提出在提供針對ARC的熱膨脹失配校正并鈍化半導體材料和表面的同時實現(xiàn)良好ARC特性的適合解決方案。實際上，商業(yè)上可行的高性能太陽能電池技術(shù)需要能夠使用執(zhí)行全部三個功能并同時能夠以簡單低成本工藝來沉積的ARC。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]提出了一種用于在半導體器件制造期間在該半導體器件的表面上對半導體材料的表面區(qū)域進行摻雜的方法，半導體材料的表面區(qū)域是利用介電材料表面層來涂覆的，以及在半導體材料的表面區(qū)域上的一個或多個局部化區(qū)域中執(zhí)行所述摻雜，所述方法包括對待摻雜區(qū)中半導體材料的表面進行局部加熱，以局部地熔化半導體材料，在存在摻雜劑源的情況下執(zhí)行所述熔化，從而來自摻雜劑源的摻雜劑被吸收到熔化的半導體中，其中以受控方式來執(zhí)行所述加熱，使得待摻雜區(qū)中的半導體材料的表面的區(qū)域在多于一微秒的時間段上保持在熔化狀態(tài)，而不會再凝結(jié)。
[0008]表面層上的介電材料涂層可以執(zhí)行表面鈍化涂層、抗反射涂層或電鍍掩模的功能中的一個或多個。
[0009]優(yōu)選地，通過對待摻雜區(qū)內(nèi)的區(qū)域順序地進行局部加熱來漸進地摻雜待摻雜區(qū)?？梢栽诎雽w材料的表面上連續(xù)掃描加熱源，使得被加熱的區(qū)域在表面上連續(xù)移動，創(chuàng)建移動的熔化邊緣以及從再凝結(jié)的摻雜材料區(qū)域延伸的熔化尾部(tail)?？梢栽诎雽w材料的表面上連續(xù)掃描加熱源，使得當前加熱的區(qū)域與先前加熱的區(qū)域交疊，從而對一個區(qū)域的加熱對鄰近的先前加熱區(qū)域貢獻熱，以降低先前加熱區(qū)域的冷卻速率，其中不再對該先前加熱區(qū)域應(yīng)用源。在一種這樣的方法中，加熱源可以具有恒定輸出。
[0010]在另一方法中，對離散的區(qū)域應(yīng)用加熱，使得新近加熱區(qū)域熔化，并且也對鄰近的先前加熱區(qū)域貢獻熱，以降低先前加熱區(qū)域的冷卻速率，其中不再對該先前加熱區(qū)域應(yīng)用源。
[0011]加熱的強度可以隨時間在用于初始熔化區(qū)域的較高級別與用于保持熔化狀態(tài)的較低級別之間變化。在熔化區(qū)域之后可以降低加熱的級別，直到被加熱的區(qū)域以小于預定百分比與已熔化區(qū)域交疊。還可以使區(qū)域經(jīng)歷再凝結(jié)和再熔化，以實現(xiàn)所需的摻雜級別。然而，理想地，再熔化的發(fā)生應(yīng)當不超過三次，并且優(yōu)選地，不超過一次。
[0012]可以通過在半導體材料的表面上掃描一個或多個激光束來實現(xiàn)加熱，使得激光束所輻射的局部區(qū)域創(chuàng)建熔化區(qū)域，并且在表面上掃描激光漸進地熔化表面材料的連續(xù)線?？梢允褂眠B續(xù)波(cw)激光器或Q開關(guān)激光器來加熱半導體材料的表面。
[0013]也可以在半導體材料的表面上掃描激光束，使得激光束所輻射的局部區(qū)域創(chuàng)建熔化區(qū)域，并且在表面上掃描激光漸進地熔化鄰近的這類區(qū)域，以形成與這類區(qū)域交疊的連續(xù)組。為了實現(xiàn)上述，可以脈沖化操作來操作單個Q開關(guān)激光器，在脈沖化操作中，該單個Q開關(guān)激光器發(fā)射各自均短于Q開關(guān)激光器的最大脈沖持續(xù)時間的多個脈沖，其中脈沖輻射半導體的交疊區(qū)域，以仿真CW激光器的效果。
[0014]在這種布置中，脈沖的重復周期典型地小于0.02 μ s。脈沖的重復周期可以是恒定的，以仿真恒定輻射CW激光器的輸出，或者可以是可變的，以仿真可變輻射CW激光器。
[0015]在激光器被操作為具有在被加熱表面上提供實質(zhì)上恒定輻射級別的輸出、或者在以一定速率被脈沖化以仿真這種輸出的情況下，可以選擇掃描速度來熔化表面，并且在至少1微秒但不大于10微秒的時間段內(nèi)保持半導體材料的表面上的給定點在熔化狀態(tài)。
[0016]在另一方法中，撞擊(impinging)在表面上以局部地加熱表面的一個或多個激光束的平均輻射級別可以隨時間在至少較高平均輻射級別與較低平均輻射級別之間變化，在預定時間段tl內(nèi)周期性地施加較高平均輻射級別以使半導體器件的表面上的未熔化的半導體材料熔化，在時間段tl之后的另一時間段t2內(nèi)施加較低平均輻射級別，較低平均輻射級別在時間段t2內(nèi)保持熔化的半導體材料在熔化狀態(tài)。
[0017]利用cw激光器，也可以與掃描速度同步地循環(huán)地改變輻射級別，使得激光器的平均輻射級別在熔化時間段期間增加，然后減小，直到光束已經(jīng)充分地在表面上移動了小于光束的預定百分比，從而仍暴露已熔化的半導體材料。循環(huán)功率變化的周期可以對應(yīng)于由光束寬度除以掃描速度，并且較高的輸出時間段可以是周期的50 %或更少。
[0018]期望在較低輻射時間段t2期間，熔化半導體材料的溫度在至少一微秒并且優(yōu)選地在2-10微秒內(nèi)保持在1414°C與3265°C之間。激光器的輻射級別可以通過以下操作來改變:改變激光器的輸出功率；在較低輻射時間段t2期間改變激光束的焦點來展寬光束；或者在使用Q開關(guān)激光器時，產(chǎn)生脈沖，其中輸出隨時間改變，使得每個脈沖具有較高輻射部分和較低福射部分。
[0019]當使用Q開關(guān)激光器(該激光器在脈沖的持續(xù)時間內(nèi)產(chǎn)生具有可變功率的輸出脈沖)提供可變輻射時，脈沖的第一時間段可以具有熔化被輻射的半導體材料的功率級，并且第二時間段可以具有保持被輻射和熔化的半導體材料在熔化狀態(tài)下的輸出功率。在第二時間段期間，激光器優(yōu)選地具有不會燒蝕(ablate)已熔化的半導體材料的輸出功率。
[0020]在一種可能的方法中，使用以脈沖化操作進行操作的單個Q開關(guān)激光器來提供可變平均輻射，在脈沖化操作中，單個Q開關(guān)激光器發(fā)射各自均短于Q開關(guān)激光器的最大脈沖持續(xù)時間的多個脈沖，其中，脈沖輻射半導體的交疊區(qū)域，脈沖的重復周期小于0.02 μ s，并且重復周期是變化的，以仿真產(chǎn)生循環(huán)可變輸出的可變輸出cw激光器?？梢酝ㄟ^提供間距更小的脈沖來產(chǎn)生較高平均輻射級別，在每個周期的第一時間段期間，循環(huán)輸出具有在熔化被輻射的半導體材料的平均輻射級別，在每個周期的第二時間段期間，循環(huán)輸出具有保持被輻射和熔化的半導體材料在熔化狀態(tài)下的平均輻射級別。在第二時間段期間，激光器優(yōu)選地還具有在照射時間段期間不會燒蝕已熔化的半導體材料的平均輸出輻射級別。理想地，第二時間段期間的平均輸出輻射級別是，使得在不會燒蝕已熔化的半導體材料的情況下可以無限地施加該平均輸出輻射級別。
[0021]也可以使用產(chǎn)生循環(huán)可變輸出的cw激光器來提供可變輻射，在每個周期的第一時間段期間，循環(huán)可變輸出熔化被輻射的半導體材料的功率級，以及在每個周期的第二時間段期間，循環(huán)可變輸出具有保持被輻射和熔化的半導體材料在熔化狀態(tài)下的功率級。同樣，在第二周期，激光器優(yōu)選地具有不會燒蝕已熔化的半導體材料的輸出功率。
[0022]可以使用一個以上激光器來加熱半導體表面，在這種情況下，一個激光器可以用于熔化表面，第二個激光器可以用于在足以允許摻雜劑被吸收和混合的時間段內(nèi)保持溫度?？梢允褂肣開關(guān)激光器來加熱表面，或者使用第一 Q開關(guān)激光器，按照脈沖速率和掃描速度來熔化半導體材料，其中脈沖速率和掃描速度被選擇為，對于連續(xù)脈沖，允許交疊暴露區(qū)。在這種布置中，Q開關(guān)激光器的脈沖可以具有利用單個激光器脈沖來熔化半導體材料的強度，并且具有小于脈沖重復周期的10%的持續(xù)時間。每個激光脈沖可以與先前的脈沖交疊10-50%的脈沖暴露區(qū)域。在該布置中的第二激光器僅用于在所需時間段內(nèi)確保半導體材料在第一激光器的脈沖之間保持熔化，并且第二激光器可以是以恒定輸出操作的cw激光器。
[0023]然而，第二激光器也可以是Q開關(guān)激光器，在這種情況下，第二激光器可以操作為在第一激光器的脈沖之間的時間段中以低于第一激光器的較低輻射產(chǎn)生輸出脈沖，以延長由第一激光器熔化的半導體材料保持熔化的時間。第二激光器可以脈沖化操作進行操作，在脈沖化操作期間，該第二激光器發(fā)射各自均短于Q開關(guān)激光器的最大脈沖持續(xù)時間的多個脈沖，其中脈沖的重復周期小于0.02 μ s，并且重復周期是恒定的，以至少在第一激光器的脈沖之間的時間段期間仿真恒定輸出cw激光器。
[0024]待摻雜區(qū)可以包括半導體器件的整個表面，以創(chuàng)建表面發(fā)射極層。然而，更典型的，這種一般方法用于摻雜整個表面的一部分，在該部分處要在太陽能電池的被照射表面上形成接觸。該方法典型地與硅材料一起使用，盡管該方法同樣可應(yīng)用于其他半導體材料。
[0025]應(yīng)用上述方法時硅材料的表面可以保持在熔化狀態(tài)的時間段優(yōu)選地是允許實現(xiàn)整個熔化半導體材料中實質(zhì)上均勻的摻雜劑分布的時間段。備選地，可以保持硅材料的表面在熔化狀態(tài)下的時間段可以是允許所有熔化區(qū)域?qū)崿F(xiàn)相同的總摻雜劑極性的時間段。
[0026]針對硅晶片的激光摻雜工藝包括在存在η型或ρ型摻雜劑的情況下熔化晶片的局部化表面區(qū)域，使得將摻雜劑包括到已熔化區(qū)域中。摻雜劑可以被包括在表面介電層內(nèi)，可以涂覆這些摻雜劑作為介電層之上或之下的涂層(同樣，潛在地作為抗反射涂層)，在未激活狀態(tài)下?lián)诫s劑可以存在于間隙位置處的硅中，從而當硅在熔化和再凝結(jié)工藝中結(jié)晶時摻雜劑被吸收到硅結(jié)構(gòu)中(或者被激活)，或者在硅被熔化的同時也可以將摻雜劑以氣體或液體形式施加到區(qū)域中。
[0027]根據(jù)另一方面，提供了一種包括多層抗反射涂層的晶體硅太陽能電池，其中太陽能電池的半導體材料包括晶體娃，該太陽能電池包括:
[0028]其中形成有結(jié)的半導體材料結(jié)構(gòu)，抗反射涂層位于半導體材料結(jié)構(gòu)的光接收表面上，