基于退火掺磷纳米晶硅薄膜的p型碳化锗（c-Ge）中的n+p结

《Applied Surface Science》：n+p Junctions in p-type c-Ge based on annealed phosphorous-doped nanocrystalline silicon films

本文提出了一种通过PECVD沉积磷掺杂纳米晶硅薄膜并高温退火形成高效n+/p结的新方法。退火后，界面形成晶态SiGe_x合金层，并观察到磷和硅向Ge基底的扩散。电学测试表明，退火温度优化至700°C时，漏电流密度低至1.2 μA/cm2，电阻率低于50 Ω/□，并成功构建光伏器件，在AM1.5光照下效率达6.29%，验证了该方法在低成本Ge光电器件中的应用潜力。

　　在现代半导体技术中，锗（Ge）因其独特的光学和电学特性而备受关注。例如，其较低的带隙、较高的载流子迁移率以及强烈的光吸收系数，使其成为光电子器件和光伏技术的重要候选材料。然而，尽管这些优势使得Ge在某些应用中极具潜力，其在实际应用中仍面临一些挑战。例如，Ge的本征氧化物GeO?具有较差的界面质量，限制了表面钝化效果，这在许多高性能器件中是一个关键问题。此外，Ge的表面在高温处理过程中容易受到反应性的影响，从而影响器件的性能。因此，为了实现高性能的Ge基器件，必须解决这些问题。

在本研究中，科学家们探索了一种非外延工艺，用于在p型单晶Ge（c-Ge）基底上形成n?/p结。这种工艺通过炉温退火（约700℃）实现，利用了磷掺杂的纳米晶硅（nc-Si(n)）薄膜，这些薄膜是通过等离子体增强化学气相沉积（PECVD）技术沉积的。与传统的外延生长方法相比，这种方法可以显著降低制造成本，同时避免复杂的表面处理步骤。研究者通过多种技术手段对这一过程进行了详细分析，包括时间飞行二次离子质谱（ToF-SIMS）、拉曼光谱和扫描透射电子显微镜（STEM）等，以评估材料的结构变化和元素扩散情况。

在这些分析中，研究者发现退火后，硅和磷元素会扩散进入c-Ge的体材料中，同时在界面附近形成了结晶性的SiGe?合金。这一发现对于理解材料的电子行为具有重要意义，因为SiGe?合金的形成可能影响载流子的复合过程和界面电荷传输特性。此外，研究者还利用了电化学测量和建模方法，对退火后的n?/p结进行了详细的电性能评估。例如，通过测量电荷传输特性（如电子迁移率和电导率）以及表面复合行为（如空穴饱和电流密度J?p），研究者能够评估该结的性能。

在退火过程中，研究人员发现，随着退火温度的升高，n?/p结的电导率显著提升，同时空穴饱和电流密度显著降低。这表明，退火过程不仅促进了磷和硅的扩散，还改善了界面的钝化效果，从而降低了表面复合损失。此外，研究者还通过建模方法，分析了J?p的温度依赖性，并得出其激活能为0.79 eV，这表明空穴复合主要发生在退火形成的SiGe?合金的准中性区域，而不是在界面附近。这一结果与实验数据高度一致，进一步验证了退火工艺的有效性。

为了进一步评估该n?/p结的性能，研究者将其应用于一个概念验证的光伏器件中，并在标准AM1.5g光照条件下测试了其光电特性。结果表明，该光伏器件的效率达到了6.29%，这一数值在非外延Ge基光伏器件中处于较高水平。此外，该器件表现出良好的开路电压（254 mV）和短路电流密度（45.7 mA/cm2），这表明n?/p结在光电转换过程中具有一定的优势。然而，研究者也指出，该器件的填充因子（FF）相对较低，这可能是由于前电极网格设计不够优化以及后激光接触的间距问题所导致。

在研究过程中，科学家们还注意到，随着退火温度的升高，n?/p结的电导率和表面钝化效果会有所不同。例如，在较低温度下，磷和硅的扩散较浅，导致界面附近的复合损失较大；而在较高温度下，扩散更深，使得界面处的复合损失显著减少，从而提高了整体性能。此外，研究者还通过实验和建模相结合的方法，对不同温度下的电性能进行了分析，并发现J?p的温度依赖性符合Arrhenius关系，进一步支持了其物理机制的合理性。

该研究的结果表明，通过炉温退火技术，可以在p型Ge基底上形成具有优异性能的n?/p结，而无需复杂的外延生长过程。这不仅降低了制造成本，还简化了工艺流程，使得Ge基光伏器件在实际应用中更具竞争力。此外，研究者还指出，该工艺的进一步优化可能有助于提高填充因子，从而提升整体效率。未来的工作可以包括对不同退火条件的系统研究，以及探索更有效的界面钝化和缺陷工程策略，以进一步优化Ge基器件的性能。

总的来说，这项研究为Ge基光伏器件提供了一种新的制造方法，该方法结合了PECVD沉积和炉温退火技术，能够在较低成本下实现高质量的n?/p结。通过详细的材料分析和电性能测试，研究者验证了这一工艺的有效性，并展示了其在实际应用中的潜力。未来的研究可以进一步探索该工艺在不同应用场景中的适用性，以及如何通过材料优化和工艺改进来实现更高的效率。这一成果不仅为Ge基光伏技术的发展提供了新的思路，也为其他低带隙半导体材料的器件制造提供了参考价值。