泛半导体中的原子层沉积 （ALD）的应用

泛半导体中的原子层沉积 （ALD）的应用

泛半导体器件，包括光伏和显示器，分别是基于电子空穴对的产生或重组。不同层之间的界面会极大地影响载流子输运，从而影响泛半导体器件的效率和性能。因此，修改泛半导体器件接口的策略需求很大。此外，泛半导体器件的功能层在光、热、湿、氧、电场等环境中容易分解、老化和失效。ALD可以在复杂表面上沉积具有控制原子尺度厚度的保形膜。因此，ALD被广泛应用于接口修改、器件封装、量子点稳定等领域。

此外，泛半导体行业对ALD的设备效率有很大的需求。空间ALD （S-ALD）技术被应用于太阳能电池和显示器的生产，以实现高通量和大规模沉积。金属氧化层的引入可以有效地提高太阳能电池和显示器件的性能，使S-ALD实现低成本、大沉积容量的生产线上。此外，泛半导体器件对高温过程很敏感，这可能导致功能层的损坏或损失。因此，由于其低温沉积特性，PE-ALD和低温ALD通常用于泛半导体领域。

1.光电

ALD在光伏产业中的应用很初与硅片基太阳能电池类型有关。为了减少太阳能电池的表面复合，在硅背面沉积了Al2O3钝化层来钝化缺陷状态。Al2O3钝化层的加入提高了太阳能电池的能量转换效率。此外，ALD在多晶硅钝化接触中起着潜在的作用。通过应用ALD Al2O3层，可以改善p型多晶硅/SiOx触点对n型c-Si的钝化。ALD Al2O3是SiOx的氢源，用于缺陷的化学钝化。接触层对其厚度敏感，也可以通过ALD精确制备。ALD引入薄TiO2触点后，可以降低接触电阻率和吸收损耗。此外，在多晶硅的顶部，可以通过ALD添加透明导电氧化物（TCOs）。tco通常用于横向电传输。高迁移率的掺氢tco可用于各种结构的太阳能电池。此外，ALD tco可以实现硅表面钝化。ZnO tco通过ALD沉积在n型和p型c-Si表面作为钝化层。这种tco形成了高质量的SiO2界面层，并实现了完美的表面钝化。

除了硅基太阳能电池外，钙钛矿太阳能电池也受到越来越多的关注。硅-钙钛矿串联电池在转换效率方面表现优异。然而，钙钛矿在等离子体条件下可能被破坏。ALD作为一种软沉积工艺，被用于制备SnO2缓冲层，以保护钙钛矿的电子接触。此外，钙钛矿顶部电池的孔接触由ALD NiOx实现[86]。它可以提高钙钛矿太阳能电池的功率转换效率。ALD的另一个应用是沉积超薄Al2O3薄膜，用于钝化钙钛矿层，这可以提高太阳能电池的效率和稳定性（图a）。Al2O3的厚度必须超薄，以允许电子穿隧，这可以通过控制ALD的厚度来实现。

a. 钙钛矿太阳能电池中Al2O3 ALD钝化层。b. ALD Al2O3和自旋涂覆PDMS包封层。

2.显示

在显示行业中，有机发光二极管（OLED）和量子发光二极管（QLED）具有自发发光、广角、低功耗、高反应速率等特点。但发光层在加工过程中容易被水和氧气侵蚀，产生缺陷，降低使用寿命。因此，应在器件的基础上实施薄膜封装（TFE），在不影响发光性能的前提下提高水氧阻隔能力。

由于传统的封装方法无法适应柔性器件，TFE由于对薄膜密度、工艺兼容性和稳定性问题的高要求而由ALD来完成。有效解决薄膜包装过程中出现的针孔、应力释放裂纹、热失效老化等问题。从而大大提高了OLED器件的使用寿命和稳定性。复合封装结构可通过ALD进行设计。将PE-CVD与ALD相结合，制备了SiNx/Al2O3封装层。叠层膜可以降低针孔密度，延长水和氧气的渗透路径，从而大大提高OLED的寿命。机械设计能有效防止复合封装层界面断裂，提高界面韧性。基于ald的封装结构也为柔性OLED提供了良好的力学模型。如图b所示，柔性PDMS/Al2O3纳米层合材料已经被开发出来，以保护OLED免受水分的侵蚀。优化了ALD Al2O3和自旋涂覆PDMS亚层的厚度，获得了明显的界面和良好的静态机械稳定性。

此外，量子点由于其连续可调的带隙和优异的发光性能，在光电子学和光伏学领域引起了相当大的兴趣。量子点可以有效地提高显示的亮度和真实感，适应移动电子和虚拟现实的需求。然而，表面态和缺陷位的存在影响了光致发光的量子效率。同样，QLED器件通常由多个功能层组成，这也由于能级失配和离子迁移而限制了QLED器件的发光效率和稳定性。ALD在量子点中的作用主要集中在表面钝化和功能层的制备上。

ALD对量子点的表面钝化通常使用金属氧化物，包括Al2O3和SiO2。例如，在CsPbBr3量子点表面沉积纳米级Al2O3薄膜，选择性钝化量子点表面缺陷。此外，在不影响量子发光效率的情况下，大大提高了量子点的稳定性。ALD对QD单体缺陷位点具有钝化作用，也可用于在QD器件界面中制造缓冲屏障（图c）。ALD Al2O3层的引入可以有效地阻止金属离子从电极向功能层的迁移。此外，Al2O3层改善了量子点器件的载流子平衡，从而提高了外部量子效率。

摘自：https://doi.org/10.1007/s41871-022-00136-8