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引言
在目前的工作中，氧化铝凝胶被开发用于钝化硅片。以仲丁醇铝为前驱体，采用溶胶-凝胶法制备了氧化铝凝胶。涂覆后，进行快速热处理以激活钝化效果。用x光电子能谱和碳-钒曲线评价薄膜性能。的顶峰
74.35 eV证实了Al2O3的形成。同时，随着退火温度的升高，低结合能处的小峰减少，这归因于氢的逸出，导致700℃后有效寿命的下降。在700℃退火温度下，获得了1.16 E12 cm-2的最高固定电荷(Qf)和1.98 E12 cm-2eV-1的优异界面缺陷密度，有助于292 s的最高有效少数载流子寿命。本工作将有助于为Al2O3钝化提供更具成本效益的技术。
介绍
为了抑制晶片表面的复合，已经出现了许多钝化膜，包括二氧化钛、二氧化硅、氮化硅和氧化铝.其中，Al2O3因其优越的表面化学钝化和固定负密度引起的场效应钝化而被广泛应用于工业钝化发射极和后电池的背面钝化.
Al2O3薄膜目前主要通过原子层沉积(ALD)和等离子体增强化学沉积(PECVD)来沉积。然而，对ALD来说，设备调查是非常重要的系统或PEVD系统。因此，开发一种低投入的Al2O3制备和沉积技术是很有前途的。
一些研究者已经将溶胶-凝胶合成技术应用于制备Al2O3薄膜。文献中一般描述了两种制备溶胶-凝胶的方法，即聚合溶胶-凝胶法和胶体法溶胶-凝胶路线。前者是利用有机溶剂中金属-有机前体的化学性质，而后者是应用于水介质中的胶体化学性质。请注意，聚合物溶胶-凝胶路线更适合多组分膜.本文还采用溶胶-凝胶法制备氧化铝凝胶，但用进口水代替了对环境有害的有机溶剂。考虑到氧化铝前体，异丙醇铝是常见的选择;然而，异丙醇铝的相对低的水溶性会导致氧化铝凝胶的不可控制的透明度和粒度。仲丁醇铝由于其优异的水溶性而成为一种令人感兴趣的替代品。
这里使用仲丁醇铝作为制备氧化铝凝胶的前驱体。通过XPS测量研究了退火Al2O3薄膜中的典型元素状态。此外，系统地研究了热处理对钝化性能的影响，固定负电荷Qf进一步证明了这一点和中间间隙Dit处的界面缺陷密度提取于C–V曲线。这一结果有助于加深对氧化铝凝胶钝化机理的理解。
实验细节
Al2O3薄膜制备
所有试剂均按原样使用，无需任何进一步纯化或修饰。以三仲丁醇铝(上海阿拉丁生物化学技术有限公司)为反应前驱体，三仲丁醇铝与水的比例为1:50。在90℃水浴中进行20分钟磁力搅拌。然后，加入硝酸作为胶凝剂，并将溶液的酸碱度调节至3-4。加入1-甲氧基-2-丙醇增大粘度，有助于改善硅表面与凝胶的润湿性。最终，当溶液完全透明时，形成了纳米AlOOH溶胶。
电阻率为1–7ωcm的2英寸单晶n型直拉法(Cz)硅片被用作测量少数载流子寿命的衬底。在抛光和RCA清洗后，纳米AlOOH溶胶以8000转/分的速度在晶片表面上旋转15 s。进行200℃下5分钟的烘焙步骤，随后在室温下在空气中进行5分钟的退火处理(峰值温度为600℃、650℃、700℃、750℃和800℃)。
表征和测试
用扫描电子显微镜(扫描电子显微镜，S-4800，日立公司)测量退火后的晶片横截面。为了评价表面钝化质量，用准稳态光电导(QSSPC)衰减的广义模式方法测量了有效的少数载流子寿命.1×1015 cm3结级的被视为参考值。众所周知，高质量的表面钝化需要良好的场效应钝化和化学钝化。这两个钝化方面分别用界面态和界面固定电荷密度(Qf)定量表示。我们为电容-电压测量准备了金属氧化物半导体(MOS)结构，以评估界面状态和固定电荷的数量。硅衬底的一侧被氧化铝钝化膜覆盖，两侧的铝电极通过真空蒸发制备。
结果和讨论
扫描电镜测量
经过旋转、烘烤和退火，在晶片表面形成Al2O3层。数字1 显示了氧化铝薄膜在700℃退火后的显微结构。在界面上溅射纳米金颗粒以提高样品的导电性。在8000转/分和15秒的纺丝参数下退火后，薄膜的厚度约为161纳米。实际上，通过对纺丝参数的优化，可以获得不同厚度的薄膜，这将在进一步的研究中进行。
XPS测量
用x光电子能谱分析了薄膜成分的退火温度依赖性。桌子1 显示了硅片有效寿命的退火温度相关性的预测试结果。在550℃之前，没有明显的钝化效果，因此XPS测量在600℃之后进行2 分别显示了Al 2p、O 1s、C 1s光电子能谱。数字2结果表明，在650℃、700℃和750℃退火后，薄膜主要由Al2O3组成铝氧键峰的宽度意味着铝在薄膜中有多个状态。有大量氧化铝、羟基氧化物、铝硅酸盐和氢氧化物晶体结构。羟基氧化物类一水硬铝石(α-AlOOH)、勃姆石(γ-AlOOH)、α-Al2O3和γ-Al2O3以及氢氧化物是最常见的组分.总之，在目前的情况下，73.4电子伏的一个小峰对应于铝羟基的结合能。随着温度的升高，Al 2p峰在半峰(FWHM)的全宽上增加。人们认为这与薄膜中存在羟基自由基有关。根据亚历山大的观察的结果表明，热处理去除AlOOH中的OH后，Al 2p和O 1s峰的FWHM增加，O 1s峰轻微移动，结合能降低。Al2O3转化为Al2O3结构，化学钝化效果下降。
图1 退火后晶片横截面的扫描电镜图像
图2 样品在650℃、700℃和750℃退火时的Al 2p、光电子光谱
寿命测量
AlOOH-sol涂层后室温下无钝化作用；这就是为什么在这个实验中引入了激活过程。研究了硅片有效寿命的退火温度依赖性。有效寿命和退火温度之间的关系如图2所示4。可以看出，在600℃下，显著增加。然后，随着退火温度的增加而增加。我们怀疑钝化效果的提高是悬空键和固定负电荷的共同作用。最大有效寿命出现在700℃。当退火温度进一步升高时，钝化性能下降，这可能是因为氢原子从硅/氧化铝界面解吸。请注意，变化与XPS测量一致。以往的研究表明，ALD沉积氧化铝层的最佳退火温度约为470℃21]而700℃对于氧化铝凝胶的通过更为优选。一种假设是因为在ALD过程中，每一步都在250度左右运行碳，硅氧铝化学键形成。对比之下，
旋涂工艺制备的薄膜在室温下工作，与硅表面的薄膜只是物理接触，因此需要更多的能量来建立化学键。
图3 a样品在650℃、700℃和750℃退火时的光电子能谱；样品在650℃、700℃和750℃退火时的B2C 1s光电子光谱。
图4 不同注入水平下有效寿命的退火温度依赖性
结论
研究了溶胶-凝胶法制备的氧化铝薄膜及其在硅片钝化中的性能。使用仲丁醇铝作为氧化铝源，在硅片上制备氧化铝钝化膜。通过有效寿命和负固定电荷密度研究了表面钝化质量与退火温度的关系。在这种情况下，低温似乎不能提供足够的能量来激活钝化，而钝化随着受益于场效应增强的温度升高而显著改善。在700℃退火后，薄膜显示出足够大量的固定电荷密度。