[发明专利]提高晶硅表层掺磷、掺硼激活率的热扩散方法

说明书

一种提高晶硅表层掺磷、掺硼激活率的热扩散方法，包括以下步骤：在热扩散过程中，通过降低扩入晶硅表层时的磷杂质原子或硼杂质原子的浓度至与所述晶硅表层所需的激活掺杂浓度一致，从而提高掺杂激活率；其中，所述掺杂激活率定义为在同一面积内的替位掺杂离子面密度与相同杂质原子总掺入面密度之比，所述面密度为浓度随深度的积分。本发明的方法能够使间隙杂质浓度和面密度降到最低，掺杂激活率提到最高，有助于提高晶硅半导体材料及其pn结质量，有助于提高晶硅电池的光电转换效率。

技术领域

本发明涉及可再生能源技术领域，主要涉及晶硅太阳电池方向，尤其涉及一种提高晶硅表层掺磷、掺硼激活率的热扩散方法。

背景技术

太阳电池是光伏发电可再生能源中最为重要的部件，而太阳电池是通过其pn结来实现光伏效应的，目前，占市场90％以上的太阳电池是用晶硅半导体材料制备的。除衬底具有的杂质浓度外，太阳电池pn结和背场都需要再次进行更高浓度的掺杂，因此，掺杂工艺是太阳电池最为重要的工艺之一。

晶硅(单晶或多晶)太阳电池的掺杂途径主要是热扩散，而热扩散是在常压或低压管式扩散炉中进行，管中充满惰性N₂。

晶体硅掺磷的常规扩散工艺分为两步：第一步，在900℃左右的高温中开起流量阀，N₂携带POCl₃和氧气O₂分别通入扩散炉管，进行化学反应：4POCl₃+3O₂→2P₂O₅+6Cl₂，同时氧气也与硅发生化学反应：Si+O₂→SiO₂，由于后一个反应是经硅原子不断迁移到表面进行的，因此，P₂O₅也被嵌入SiO₂中，并构成磷硅玻璃(SiO₂+P₂O₅)。高温中P不断被Si原子所取代，形成P⁺离子，不断扩入硅表层，形成初期的有源扩散。第二步，降温，取出硅片，去除晶硅表面磷硅玻璃，再放入充满惰性气体N₂的管中进行热退火，使硅表层中磷原子进行再分布，即无源扩散。

同理，晶体硅掺硼的常规扩散工艺分也为两步：第一步，在1000℃左右的高温中开起流量阀，N₂携带BBr₃和氧气O₂分别通入扩散炉管，进行化学反应：4BBr₃+3O₂→2B₂O₃+6Br₂，同时氧气也与硅发生化学反应：Si+O₂→SiO₂，由于后一个反应是经硅原子不断迁移到表面进行的，因此，B₂O₃也被嵌入SiO₂中，并构成硼硅玻璃(SiO₂+B₂O₃)。高温中B不断被Si原子所取代，形成B⁺离子，不断扩入硅表层，形成初期的有源扩散。第二步，降温，取出硅片，去除晶硅表面磷硅玻璃，再放入充满惰性气体N₂的管中进行热退火，使硅表层中硼原子进行再分布，即无源扩散。

然而，半导体掺杂不是一般的固溶过程，而是要使半导体具备不同的导电能力。半导体掺杂具有两种形态，晶格替位掺杂(即有效掺杂)和间隙掺杂(无用掺杂或有害掺杂)。当杂质原子占据晶格位置，并进一步电离激活，称之为晶格替位掺杂，比如：磷占据晶格位置，电离为正离子，放出自由电子；硼占据晶格位置，电离为负离子，放出空穴，此为有效掺杂。而当杂质原子仅占据晶格间空隙，则称之为间隙掺杂；由于间隙掺杂原子不与周围原子构成价键，故难以电离，对半导体导电无贡献，因此也称为无用掺杂；又由于间隙原子是点缺陷，它起着复合中心的作用，随着间隙原子数量的增加会加剧电池俄歇(Auger)复合和SRH(Shockley-Read-Hall)复合，大量吸收载流子，导致晶硅电池效率低下，因此，它又是有害掺杂。