米乐(中国)官方网站 建立测量半导体表面电场的新光学方法

国立产业技术综合研究所【所长：中钵良二】（以下简称“AIST”）可再生能源研究中心【研究中心主任：二木荣】太阳能小组研究员望月敏光、研究组组长高人秀久以及 SCREEN Holdings Co, Ltd【所长：柿内英二】（以下简称“SCREEN”）大学公司。 Shojiro Nishio]（以下简称“大阪大学”）激光能源研究中心[主任：Hiroshi Iriji] Iwao Kawayama副教授、Masayoshi Touchi教授等人将通过激光照射测量硅基板表面产生的太赫兹波波形的技术与通过电晕放电控制表面电荷的技术相结合来开发太阳能电池。表面电场

　新开发的技术首先利用电晕放电将正离子或负离子喷射到硅基板表面形成的绝缘膜上。然后激光太赫兹发射显微镜固定费用可以快速测量数量，并且可以以高空间分辨率无损地可视化它们的分布情况。由于绝缘膜的质量可以通过固定电荷的量来确定，因此预计如果将该技术用于新型太阳能电池的开发，将有助于提高其转换效率。此外，还可以应用于太阳能电池以外的各种器件，包括LSI和在半导体表面上形成绝缘膜的功率器件。

　该技术的详细信息将于 2017 年 3 月 14 日至 17 日在 Pacifico Yokohama（神奈川县横滨市）举行的第 64 届日本应用物理学会春季会议上公布。

（左）绝缘膜上四个位置处喷射的离子的电荷密度（中心值）和（右）测量的电场分布

可以观察到与离子电荷密度分布相对应的同心电场分布。

　晶体硅太阳能电池目前约占市场的90%，但提高转换效率仍然是一大挑战。太阳能电池内部是否产生设计的电场是决定其性能的最重要因素之一。特别是在晶体硅太阳能电池中，如果硅衬底与绝缘膜界面处的电场不符合设计要求，硅衬底中光产生的电子和空穴就会在界面处损失，不再对发电做出贡献，转换效率也会大幅下降，因此控制界面电场至关重要。

传统的表面电场测量方法存在处理样品费时费力、需要绝缘膜介电常数、厚度、半导体掺杂浓度等信息、不适合测量空间分布等问题。因此，需要开发一种能够无损测量半导体上附着有绝缘膜的样品的表面电场并可视化其空间分布的技术。

　AIST正在开展提高晶体硅太阳能电池效率和降低成本的研究，迄今为止已建成国内唯一一条转换效率超过20%的公共机构太阳能电池生产线。同时，SCREEN和大阪大学开发了激光太赫兹发射显微镜，并一直在改进其性能和应用方面进行研究。

　2015年5月，AIST和SCREEN在AIST福岛可再生能源研究所安装了激光太赫兹发射显微镜原型演示装置，并开始共同研究和开发提高晶体硅太阳能电池转换效率和评估可靠性的方法。通过这项研究和开发，我们进行了实验，定量解释了从硅基板发射的太赫兹波的波形和振幅的含义。

　到目前为止，我们发现可以使用激光太赫兹发射显微镜测量半导体的内部电场，但作为评估太阳能电池的更有用的方法，我们致力于开发一种非破坏性定量测量和可视化绝缘膜固定电荷的测量方法。

　用激光太赫兹发射显微镜观察半导体时，表面电场越强，观察到的太赫兹波发射越强，而当电场方向反转时，太赫兹波的波形也反转。通常，在晶体硅基板上形成的绝缘膜(氧化硅膜)具有正电荷或负电荷(固定电荷)，从而在硅基板和绝缘膜之间的界面处形成电场。新开发的技术使用太赫兹激光发射显微镜来观察电晕放电将离子喷射到绝缘膜上后硅基板和绝缘膜之间界面处的电场（图1）。当施加与固定电荷符号相反的离子时，固定电荷被抵消，太赫兹波的振幅减小。当固定电荷和离子电荷平衡时，太赫兹波的振幅变为0，随着离子数量的进一步增加，太赫兹波的波形发生反转，振幅增大。这次，我们首次观察到，通过改变电晕放电喷射的负离子量，发射的太赫兹波的振幅会发生变化，甚至波形会发生反转（图2左）。太赫兹波振幅为0时电晕放电喷射离子的电荷量（3×10¹¹厘米^-2) 是样品绝缘膜中正固定电荷的量。

图1使用激光太赫兹发射显微镜和电晕放电装置组合的表面电荷测量方法的概述

　关于此示例职业生涯（图2右），我们发现当太赫兹波的振幅接近0时，载流子寿命下降。这是因为当不喷射离子时，氧化膜的固定电荷将作为少数载流子的空穴移离硅衬底和绝缘膜之间的界面，抑制了它们与电子的复合，从而延长了载流子寿命。然而，在太赫兹波振幅接近0的区域，电晕放电喷出的负离子抵消了氧化膜的正固定电荷，因此空穴到达硅表面并与电子复合，缩短了载流子寿命。

图2 电晕放电引起的太赫兹波变化波形（左）和 太赫兹波的振幅（电场强度）与电晕放电喷射的离子量（电荷密度）之间的关系（右）

　新开发的技术不需要将电极连接到样品上的处理，并且能够以非破坏性和高空间分辨率定量测量固定电荷的量，无论绝缘膜的厚度和性质或半导体的掺杂浓度如何。这是太阳能电池的一个新例子表面钝化开发流程时的重要信息。不仅在太阳能电池中，而且在半导体表面上形成绝缘膜的各种器件(LSI、功率器件等)中，也有望用作测量界面电荷的方法。

　未来，我们将利用已开发的技术开发更高转换效率的晶体硅太阳能电池，以及测量在半导体表面形成绝缘膜的各种器件的固定电荷。我们还旨在将结合了激光太赫兹发射显微镜和电晕放电装置的固定电荷测量装置商业化。

◆表面电场

半导体表面出现的电场。由于固定电荷（稍后描述）和由于晶体结构的不连续性而存在的悬空键的影响，电场始终施加到半导体表面。对此进行控制是操作太阳能电池和 MOSFET 等半导体器件的重要因素。[返回来源]

◆激光太赫兹发射显微镜

用来自钛蓝宝石激光器或光纤激光器的超短脉冲激光照射半导体表面，并使用砷化镓传感器或其他装置测量发射的太赫兹波的波形的装置。通过改变样本位置并进行映射测量，可以直观地看到太赫兹波的分布情况。[返回来源]

（左）激光太赫兹发射显微镜及其概念图（右）

◆固定费用

电荷，例如固定在绝缘体中且不移动的离子。在许多情况下，在半导体表面上形成的绝缘膜中产生正电荷或负电荷(固定电荷)。例如，在这次测量的氧化硅膜中，未完全氧化的硅以带正电的状态存在，并表现为正固定电荷，产生从硅表面移动到内部的表面电场。[返回来源]

◆职业生涯

当太阳光照射晶体硅时，根据照射强度，会产生等量的正电荷（空穴）和过量的负电荷（电子）。它们重新结合并消失的时间常数（主要是1/e=1/27的时间）称为载流子寿命。如果载流子寿命短，太阳能电池制造过程中多余载流子到达p/n结表面并有助于发电的概率就会降低，从而导致转换效率降低。因此，为了制造高转换效率的太阳能电池，载流子寿命越长越好。[返回来源]

◆表面钝化

通过在表面形成绝缘膜或在特定气氛中进行热处理来进行失活处理。就太阳能电池而言，太阳能电池吸收的光在半导体中产生电子和空穴，这些电子和空穴被成功回收以发电。电子和空穴很容易在半导体表面结合，这是降低转换效率的主要因素。在太阳能电池中，采取各种措施来抑制界面处电子和空穴的复合。在半导体表面建立电场已成为表面钝化的重要方法。[返回参考源]