[发明专利]一种脉冲式快速热处理半导体薄膜表面的方法

说明书

技术领域

本发明属于光电材料及新能源技术领域，涉及一种快速有效提高溅射、蒸发、电沉积、涂覆、喷墨打印、电子束、原子层沉积、PECVD法制备半导体薄膜的表面带隙，材料表面缺陷钝化，实现半导体薄膜表面掺杂的方法。

背景技术

CIGSe薄膜太阳电池因其稳定性高、抗辐射、吸收系数高等优势引起人们广泛关注，目前转换效率最高达22.6％，成为最具发展潜力的薄膜太阳电池之一。制备CIGSe薄膜的方法大体可分为真空法和非真空法，真空法主要包括蒸发法和溅射后硒化法，非真空方法主要包括电沉积法，涂覆法和丝网印刷法等。目前为止，最高转换效率的CIGSe薄膜通过蒸发法制备，蒸发法可通过调整蒸发工艺获得具有“U或V”型带隙的薄膜，材料的双梯度带隙可平衡器件开路电压和短路电流之间的矛盾，提高器件性能。除蒸发法外，其他制备方法仅通过硒化工艺较难获得具有双梯度带隙的薄膜。电沉积法制备CIGSe薄膜与真空法中的溅射法类似，薄膜制备过程分两步：第一步电沉积或溅射制备金属或化合物预制层，第二步预制层硒化热处理制备CIGSe薄膜。这两种方法的共同点是第二步硒化热处理薄膜生长过程均通过元素扩散反应生长制备CIGSe薄膜，很难通过控制硒化工艺制备具有双梯度带隙结构的薄膜。对于后硒化方法而言，表面硫化是实现双梯度带隙提高器件性能的有效且必要的工艺技术，不仅可以提高薄膜表面带隙，提高表面复合势垒，还可以钝化表面缺陷，降低表面缺陷态密度，降低载流子界面复合。

表面硫化方法仅在薄膜表面掺入S，提高薄膜表面带隙，使薄膜带隙呈“U或V”型结构，将薄膜最小带隙控制在PN结空间电荷层内，光生载流子在空间电荷区内产生，通过电场被收集，降低载流子复合几率，采用普通快速热处理方法，仅仅提高升温速率，很难做到仅对薄膜表面进行掺S。CIGSe薄膜表面硫化需要达到的效果为薄膜表面S含量高(几十纳米厚范围内)且S不扩散到CIGSe吸收层内部。根据硫化过程中的动力学分析可知，硫化过程涉及的主要参数有衬底温度、S浓度和S活性；硫化过程中衬底温度越高，S越容易掺入；衬底温度越低，S越不容易掺入；S活性越高，S越容易与表层化合物反应，即S更容易替代Se化合进入CIGSe晶格中；S活性越低，S越不容易掺入薄膜；S分压越高，越容易扩散进入CIGSe吸收层。因此，若使CIGSe薄膜实现仅表面含S的效果，需要在低衬底温度下，瞬间提高薄膜表面温度，促使S快速掺入到薄膜中，迅速降低薄膜表面温度，防止S进一步向薄膜内部扩散。

同样，由于半导体异质结界面处经常存在材料不连续或晶格匹配等问题带来的悬挂键，这些悬挂键会在半导体禁带中产生许多表面态能级，导致表面复合加剧，影响器件性能，因此，半导体薄膜表面钝化尤为关键。对半导体表面进行元素掺杂可改善半导体电学性能，增加半导体载流子收集。表面硫化、表面钝化或掺杂均属于表面处理范畴。半导体薄膜表面钝化和掺杂与表面硫化类似，若要实现仅对薄膜表面进行钝化和掺杂，需在低衬底温度下，瞬间提高薄膜表面温度，短时间热处理后再迅速降低薄膜表面温度。

U.S.Pat.No.6122440专利中采用快速热处理在较低偏压的反应气体和较高材料表面温度下，对Si进行表面刻蚀和表面氧化层生长，处理时间30s，表明采用快速热处理方法可在较低浓度的反应气体中实现Si衬底表面处理。但由于半导体薄膜厚度较薄，其厚度仅为几微米，而表面处理的薄膜厚度在100nm范围内，传统的快速热处理方法很难实现表面处理。此外，由于长时间高温易导致某些化合物半导体材料发生分解，但较低温度下又很难实现表面处理，现有技术中缺少一种针对薄膜半导体材料表面处理的方法。

发明内容

本发明的目的是解决半导体薄膜表面带隙低、表面缺陷态密度大的问题，提供一种低衬底温度下实现半导体薄膜表面处理的方法。并通过该方法获得一种具有优良带隙结构、低表面缺陷态密度的半导体薄膜。

本发明处理方法通过在较低衬底温度下，对薄膜表面施加瞬间的周期性的高温或超高温实现半导体薄膜表面处理。

因此，本发明提供一种脉冲式快速热处理半导体薄膜表面的方法，在较低衬底温度下，利用瞬间高温或超高温对薄膜进行短时间热处理，脉冲、间歇式热处理方式实现对薄膜材料表面的处理，且可有效避免长时间高温对半导体薄膜产生的不利影响。

综上所述，本领域缺乏一种在较低衬底温度下实现半导体薄膜表面处理的方法。

本发明采用的技术方案