光致电压器件结构和方法
【专利说明】光致电压器件结构和方法
[0001]本申请是申请日为2010年2月11日的中国专利申请20108000729L 7( “光致电压器件结构和方法”)的分案申请。
技术领域
[0002]本发明总体上涉及光致电压器件领域，并且具体公开了对激光器的改进以及在太阳能电池制造中的使用。还描述了一种新的抗反射涂层布置。
【背景技术】
[0003]金属接触下局部化区域中硅的激光掺杂已经提出了十多年，作为用于生产具有选择性发射极的高性能太阳能电池的低成本方法。迄今为止，尽管经过了十多年的研究和问题解决，结合抗反射涂层使用激光掺杂的器件由于激光掺杂工艺所引起的缺陷、结复合或分接，还不能实现它们预期的性能。具体地，由硅与覆盖抗反射涂层(ARC)之间的失配所产生的邻近熔化区域的缺陷、包括到熔化硅中的掺杂剂的不充分混合、以及掺杂硅的不期望烧蚀是促成使用金属接触下局部化区域的激光掺杂的器件的不良电性能的显著问题。
[0004]此外，大多数太阳能电池使用半导体表面上的抗反射涂层(ARC)来减少反射的光量。通常，选择具有适当折射率和厚度的ARC来将表面反射减小至最小。也可以使用双层ARC(DLARC)，从而选择每个单独层的折射率和厚度来将总反射减小至最小，其中DLARC的理论反射最小值低于单层ARC(SLARC)的理论最小值。因为使用DLARC来获得较小附加性能优势太复杂且昂贵，因此大多数商业制造的太阳能电池使用SLARC。
[0005]使用ARC产生的两个问题是:首先，ARC使得很难钝化其上沉积了该ARC的半导体表面，因此导致复合电流和器件暗饱和电流的增大；以及其次，许多潜在的ARC材料对于其上沉积了这些潜在ARC材料的半导体表面而言具有不同的热膨胀系数，导致对半导体表面施加应力，其中，在温度升高情况下在处理期间产生可能的相应缺陷。为了克服上述第一点，已经使用了表面处理，例如，在沉积更厚的ARC之前，生长薄的热生长氧化层，以钝化半导体表面。利用这种布置，薄的钝化层不会显著影响在其上沉积的ARL的操作。
[0006]然而，迄今为止，还没有提出在提供针对ARC的热膨胀失配校正并钝化半导体材料和表面的同时实现良好ARC特性的适合解决方案。实际上，商业上可行的高性能太阳能电池技术需要能够使用执行全部三个功能并同时能够以简单低成本工艺来沉积的ARC。
【发明内容】
[0007]提出了一种用于在半导体器件制造期间在该半导体器件的表面上对半导体材料的表面区域进行掺杂的方法，半导体材料的表面区域是利用介电材料表面层来涂覆的，以及在半导体材料的表面区域上的一个或多个局部化区域中执行所述掺杂，所述方法包括对待掺杂区中半导体材料的表面进行局部加热，以局部地熔化半导体材料，在存在掺杂剂源的情况下执行所述熔化，从而来自掺杂剂源的掺杂剂被吸收到熔化的半导体中，其中以受控方式来执行所述加热，使得待掺杂区中的半导体材料的表面的区域在多于一微秒的时间段上保持在熔化状态，而不会再凝结。
[0008]表面层上的介电材料涂层可以执行表面钝化涂层、抗反射涂层或电镀掩模的功能中的一个或多个。
[0009]优选地，通过对待掺杂区内的区域顺序地进行局部加热来渐进地掺杂待掺杂区。可以在半导体材料的表面上连续扫描加热源，使得被加热的区域在表面上连续移动，创建移动的熔化边缘以及从再凝结的掺杂材料区域延伸的熔化尾部(tail)。可以在半导体材料的表面上连续扫描加热源，使得当前加热的区域与先前加热的区域交叠，从而对一个区域的加热对邻近的先前加热区域贡献热，以降低先前加热区域的冷却速率，其中不再对该先前加热区域应用源。在一种这样的方法中，加热源可以具有恒定输出。
[0010]在另一方法中，对离散的区域应用加热，使得新近加热区域熔化，并且也对邻近的先前加热区域贡献热，以降低先前加热区域的冷却速率，其中不再对该先前加热区域应用源。
[0011]加热的强度可以随时间在用于初始熔化区域的较高级别与用于保持熔化状态的较低级别之间变化。在熔化区域之后可以降低加热的级别，直到被加热的区域以小于预定百分比与已熔化区域交叠。还可以使区域经历再凝结和再熔化，以实现所需的掺杂级别。然而，理想地，再熔化的发生应当不超过三次，并且优选地，不超过一次。
[0012]可以通过在半导体材料的表面上扫描一个或多个激光束来实现加热，使得激光束所辐射的局部区域创建熔化区域，并且在表面上扫描激光渐进地熔化表面材料的连续线。可以使用连续波(cw)激光器或Q开关激光器来加热半导体材料的表面。
[0013]也可以在半导体材料的表面上扫描激光束，使得激光束所辐射的局部区域创建熔化区域，并且在表面上扫描激光渐进地熔化邻近的这类区域，以形成与这类区域交叠的连续组。为了实现上述，可以脉冲化操作来操作单个Q开关激光器，在脉冲化操作中，该单个Q开关激光器发射各自均短于Q开关激光器的最大脉冲持续时间的多个脉冲，其中脉冲辐射半导体的交叠区域，以仿真CW激光器的效果。
[0014]在这种布置中，脉冲的重复周期典型地小于0.02 μ s。脉冲的重复周期可以是恒定的，以仿真恒定辐射CW激光器的输出，或者可以是可变的，以仿真可变辐射CW激光器。
[0015]在激光器被操作为具有在被加热表面上提供实质上恒定辐射级别的输出、或者在以一定速率被脉冲化以仿真这种输出的情况下，可以选择扫描速度来熔化表面，并且在至少1微秒但不大于10微秒的时间段内保持半导体材料的表面上的给定点在熔化状态。
[0016]在另一方法中，撞击(impinging)在表面上以局部地加热表面的一个或多个激光束的平均辐射级别可以随时间在至少较高平均辐射级别与较低平均辐射级别之间变化，在预定时间段tl内周期性地施加较高平均辐射级别以使半导体器件的表面上的未熔化的半导体材料熔化，在时间段tl之后的另一时间段t2内施加较低平均辐射级别，较低平均辐射级别在时间段t2内保持熔化的半导体材料在熔化状态。
[0017]利用cw激光器，也可以与扫描速度同步地循环地改变辐射级别，使得激光器的平均辐射级别在熔化时间段期间增加，然后减小，直到光束已经充分地在表面上移动了小于光束的预定百分比，从而仍暴露已熔化的半导体材料。循环功率变化的周期可以对应于由光束宽度除以扫描速度，并且较高的输出时间段可以是周期的50 %或更少。
[0018]期望在较低辐射时间段t2期间，熔化半导体材料的温度在至少一微秒并且优选地在2-10微秒内保持在1414°C与3265°C之间。激光器的辐射级别可以通过以下操作来改变:改变激光器的输出功率；在较低辐射时间段t2期间改变激光束的焦点来展宽光束；或者在使用Q开关激光器时，产生脉冲，其中输出随时间改变，使得每个脉冲具有较高辐射部分和较低福射部分。
[0019]当使用Q开关激光器(该激光器在脉冲的持续时间内产生具有可变功率的输出脉冲)提供可变辐射时，脉冲的第一时间段可以具有熔化被辐射的半导体材料的功率级，并且第二时间段可以具有保持被辐射和熔化的半导体材料在熔化状态下的输出功率。在第二时间段期间，激光器优选地具有不会烧蚀(ablate)已熔化的半导体材料的输出功率。
[0020]在一种可能的方法中，使用以脉冲化操作进行操作的单个Q开关激光器来提供可变平均辐射，在脉冲化操作中，单个Q开关激光器发射各自均短于Q开关激光器的最大脉冲持续时间的多个脉冲，其中，脉冲辐射半导体的交叠区域，脉冲的重复周期小于0.02 μ s，并且重复周期是变化的，以仿真产生循环可变输出的可变输出cw激光器。可以通过提供间距更小的脉冲来产生较高平均辐射级别，在每个周期的第一时间段期间，循环输出具有在熔化被辐射的半导体材料的平均辐射级别，在每个周期的第二时间段期间，循环输出具有保持被辐射和熔化的半导体材料在熔化状态下的平均辐射级别。在第二时间段期间，激光器优选地还具有在照射时间段期间不会烧蚀已熔化的半导体材料的平均输出辐射级别。理想地，第二时间段期间的平均输出辐射级别是，使得在不会烧蚀已熔化的半导体材料的情况下可以无限地施加该平均输出辐射级别。
[0021]也可以使用产生循环可变输出的cw激光器来提供可变辐射，在每个周期的第一时间段期间，循环可变输出熔化被辐射的半导体材料的功率级，以及在每个周期的第二时间段期间，循环可变输出具有保持被辐射和熔化的半导体材料在熔化状态下的功率级。同样，在第二周期，激光器优选地具有不会烧蚀已熔化的半导体材料的输出功率。
[0022]可以使用一个以上激光器来加热半导体表面，在这种情况下，一个激光器可以用于熔化表面，第二个激光器可以用于在足以允许掺杂剂被吸收和混合的时间段内保持温度。可以使用Q开关激光器来加热表面，或者使用第一 Q开关激光器，按照脉冲速率和扫描速度来熔化半导体材料，其中脉冲速率和扫描速度被选择为，对于连续脉冲，允许交叠暴露区。在这种布置中，Q开关激光器的脉冲可以具有利用单个激光器脉冲来熔化半导体材料的强度，并且具有小于脉冲重复周期的10%的持续时间。每个激光脉冲可以与先前的脉冲交叠10-50%的脉冲暴露区域。在该布置中的第二激光器仅用于在所需时间段内确保半导体材料在第一激光器的脉冲之间保持熔化，并且第二激光器可以是以恒定输出操作的cw激光器。
[0023]然而，第二激光器也可以是Q开关激光器，在这种情况下，第二激光器可以操作为在第一激光器的脉冲之间的时间段中以低于第一激光器的较低辐射产生输出脉冲，以延长由第一激光器熔化的半导体材料保持熔化的时间。第二激光器可以脉冲化操作进行操作，在脉冲化操作期间，该第二激光器发射各自均短于Q开关激光器的最大脉冲持续时间的多个脉冲，其中脉冲的重复周期小于0.02 μ s，并且重复周期是恒定的，以至少在第一激光器的脉冲之间的时间段期间仿真恒定输出cw激光器。
[0024]待掺杂区可以包括半导体器件的整个表面，以创建表面发射极层。然而，更典型的，这种一般方法用于掺杂整个表面的一部分，在该部分处要在太阳能电池的被照射表面上形成接触。该方法典型地与硅材料一起使用，尽管该方法同样可应用于其他半导体材料。
[0025]应用上述方法时硅材料的表面可以保持在熔化状态的时间段优选地是允许实现整个熔化半导体材料中实质上均匀的掺杂剂分布的时间段。备选地，可以保持硅材料的表面在熔化状态下的时间段可以是允许所有熔化区域实现相同的总掺杂剂极性的时间段。
[0026]针对硅晶片的激光掺杂工艺包括在存在η型或ρ型掺杂剂的情况下熔化晶片的局部化表面区域，使得将掺杂剂包括到已熔化区域中。掺杂剂可以被包括在表面介电层内，可以涂覆这些掺杂剂作为介电层之上或之下的涂层(同样，潜在地作为抗反射涂层)，在未激活状态下掺杂剂可以存在于间隙位置处的硅中，从而当硅在熔化和再凝结工艺中结晶时掺杂剂被吸收到硅结构中(或者被激活)，或者在硅被熔化的同时也可以将掺杂剂以气体或液体形式施加到区域中。
[0027]根据另一方面，提供了一种包括多层抗反射涂层的晶体硅太阳能电池，其中太阳能电池的半导体材料包括晶体娃，该太阳能电池包括:
[0028]其中形成有结的半导体材料结构，抗反射涂层位于半导体材料结构的光接收表面上，